含气细粒土孔压与应变关系的三轴试验研究

陈欢爱 景峰卫 刘召旺 陈凯飞 蒋耀晨

(1.浙江交工集团股份有限公司,杭州 310051;2.浙江工业大学土木工程学院,杭州 310023)

浅层气在沿海地区和河流湖泊三角洲等地较为常见,[1]一般分布于海底下1 000 m范围内或地下10～100 m深度处,[2]其中气体多为土体中有机物在各种生化作用下产生的生物气,包括甲烷、二氧化碳和硫化氢等,通常以游离气泡、气囊和气带等形式存在于浅层土中。含气土中气泡孔隙压力较大,其孔压变化与饱和土有明显区别,对工程施工影响很大,容易引起一些工程事故。目前,我国许多城市已在大规模地开发建设地下空间,同时对海洋的发展也在逐步进行,如修建地铁、隧道、基坑、海上风机和人工岛等。然而,由于开发利用地下空间或在海上建设相关设施时,会遇到许多问题。以下含气土均讨论小尺寸离散气泡在土体中存在的情况。韩珠峰等基于沸石的微孔吸附特性模拟制作海底含气软黏土,结果表明沸石掺量与气体置换量呈线性关系,含气土中含气量可有吸附沸石比例控制。[3]Hong等利用电子显微镜扫描然后利用多孔介质导入技术制作室内重塑含气土;通过不同反压下的固结不排水三轴试验发现含气土在高反压下的归一化孔压比低反压大,且在不同反压下的临界破坏线(CSL)斜率相同。[4-5]文献[6-7]根据Terzaghi有效应力原理指出：当含气砂土中气体发生聚集时,孔压迅速增加,土体有效应力减小,最终导致液化失稳。韩珠峰发现含气土中含气量越大,含气砂床的孔压消散越慢,超孔隙水压幅值则越小。[8]

存在封闭气泡的特殊微观结构对土体力学响应,尤其是孔压发展会产生不容忽视的影响。在涉及含气土的工程设计和工程施工中,若继续使用以往饱和土的相关参数和经验,将使设计不够准确,造成不利影响。目前,通过二氧化碳析出法对含气粗粒土或砂土的研究较多,针对渗透性较差的细粒含气土相关研究还较少,因此,采用了多孔介质导入技术制作细粒含气土,通过不同围压下的固结不排水三轴试验研究含气特性对土体力学响应的影响。

1 制样方法和试验概况

含气原状土不易获取,试验采用重塑含气土。采用重塑土制样方法则可尽量避免取样、运输环节对土体的扰动和损伤,且重塑土具有良好的均匀性和可重复性。

采用多孔介质导入技术,通过沸石吸附氮气,将氮气注入到高岭土饱和泥浆中,形成含细粒气泡的含气土。[4]含气土中常见气体为甲烷、二氧化碳和硫化氢等,但以上气体易燃易爆,出于安全考虑,选择氮气代替,且氮气的溶解度与甲烷接近,氮气性质稳定,不会与水发生反应,同时,氮气分子可被沸石微孔吸附,故选择氮气作为试验气体。根据韩珠峰等的研究[3],含气土中含气量可由吸附沸石比例控制,所以试验通过控制沸石比例来控制含气土中含气量。为研究不同含气量对土体孔压变化的影响,选用三种含气量。在饱和土样中,不含氮气沸石质量占总干颗粒质量的15%,为研究不同含气量对土体性质的影响,制作三种不同含气量的含气土,保持沸石总量不变,由沸石吸附氮气的比例控制,吸附氮气的沸石质量比例分别为0%,10%和15%,对应含气土的饱和度分别在98.80%～99.90%,91.40%～93.78%,86.26%～87.84%。试验所制含气土饱和度在85%～100%。[5]试验选用马来西亚高岭土。采取的重塑土制作方法为泥浆分级加压固结法,其物理指标见表1。图1为制备重塑含气土的相关材料及过程。含气土的制作过程：先将沸石放入烘箱中以105 ℃烘干1 d,然后把烘干的沸石在-0.1 MPa下抽真空7～8 h,去除沸石微孔中的原有气体,然后将抽完真空的沸石粉放入加压桶中,充入氮气,在20 kPa下保持24 h,同时制作高岭土饱和泥浆,按1.2倍液限的含水量制作泥浆,然后放入真空桶中搅拌、抽真空7～8 h,最后将吸附氮气的沸石与饱和高岭土泥浆均匀混合,放入桶中进行一维固结加载,经10→30→50→100 kPa的加载后,保持压力4 d不变,以待土样完成主固结。

表1 马来西亚高岭土基本物理特性指标Table 1 Basic physical property indexes of Malaysian kaolin

表2 试验方案Table 2 Test schemes

a—沸石;b—马来西亚高岭土;c—配制饱和泥浆;d—加压固结。图1 含气土制备Fig.1 Preparation for aerated soil

图2为制备的含气土切面,图3为含气高岭土单个气泡结构微观示意。

图3 单个气泡示意Fig.3 A schematic diagram of a single bubble in soil

试验所采用的试验装置为GDS电机伺服控制的动态三轴液压控制测试系统,能够通过轴向静力加载对试样进行剪切,剪切过程采用等应变速率控制,剪切速率为0.05 mm/min。

试验方案：试验包括9个固结不排水三轴试验;在9个试验中,均采用300 kPa的反压,对每一种含气量的含气土分别进行有效围压为100,200,300 kPa的三轴固结不排水剪切试验。

2 含气量对孔压和应变关系的影响

图4为是三种不同含气量的含气土在相同的反压(300 kPa)和不同的有效围压下的孔压发展曲线。可见：孔压先是处于一个迅速累积的过程,大部分试样在竖向应变达到5%时孔压到达峰值;之后孔压曲线逐渐稳定,观察孔压终值可发现含气土孔压大于饱和土孔压,且含气量越大,即含氮气沸石所占比例越大,则由于剪切产生的孔压越大,在含氮气沸石所占比例为15%时,如试样有效围压为300 kPa,孔压终值比对照的饱和土样高了9%左右。

图4 有效围压为100,200,300 kPa下不同饱和度含气土的孔压Fig.4 Pore pressure of aerated soil with different saturation under effectively confined pressures of 100,200 and 300 kPa

图5为轴向应变达到5%之前的孔压曲线。可见：在同一有效围压下的不排水剪切过程,饱和土样的孔压增速大于含气土孔压的增速,且孔压的增速受到含气量的影响,含气量越大,孔压增速则越平缓。已知土体中气泡对孔压的影响方式有两种[9-10]：1)在低反压下,气泡维持原有的形态,四周被孔隙水充满,体积缩小,但是土样收缩小;2)在高反压下,气泡产生不连续面的劈裂破坏,土样收缩性大。试验采用较高应力水平的300 kPa反压,气泡在剪切过程中的破坏形式可能是上述形式的第二种。因此在轴向应变达到5%之后含气土样孔压大于饱和土样的原因可能是由于土体内部气泡的崩塌所致。

图5 轴向应变为5%前,有效围压为100,200,300 kPa时不同饱和度含气土的孔压Fig.5 Pore pressures of aerated soil with different saturation dagrees under effectively confined pressures of 100,200 and 300 kPa before a axial strain of 5%

图6为三种不同含气量的含气土在三个不同有效围压下的应力-应变关系曲线,从中可以看到：在应变控制的剪切过程中,随着应变逐渐增大,土体的偏应力水平在逐渐提高,在应变达到大约15%时,土体的偏应力达到最大值(即抗剪强度),此时土样破坏。在同样的有效围压下,同一时刻含气量较多的土样偏应力较小。如有效围压为100 kPa时,由含氮气沸石比例的增加,A0-100、A10-100和A15-100三种不同含气量的含气土抗剪强度依次为127.23,115.2,99.6 kPa,含气土A10-100抗剪强度比饱和土A0-100的抗剪强度小9.46%,含气土A15-100比饱和土A0-100的抗剪强度小21.72%。

图6 有效围压为100,200,300 kPa下不同饱和度含气土的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of aerated soil with different saturations under effectively confined pressures of 100,200 and 300 kPa

由实测得到的各孔压,可得到各试验的有效应力路径,如图7所示,尽管含气量的多少对土体孔压发展及抗剪强度均有不容忽视的影响,但不同含气量的土体其临界状态线(CSL)的斜率M值十分接近,可认为是一个常数M=1.25(有效内摩擦角φ′=27.36°)。

图7 有效围压为100,200,300 kPa下不同饱和度含气土的应力路径Fig.7 Stress paths of aerated soil with different saturations under effectively confined pressures of 100,200 and 300 kPa

图8为三种不同含氮气沸石比例的含气土的有效应力路径的应变等值线。应变等值线分别取1%、3%、5%、8%、10%,在有效平均主应力-广义剪应力平面中标写在不同试验对应的有效应力路径之上。图中不同围压下有效应力路径上的应变等值线可视作直线,且其斜率随着应变的增加逐渐增大,缓缓向临界状态线靠近,最终斜率与临界状态线一样为1.25;且随着应变的发展,不同应变等值线之间距离越来越接近,说明随着应变的增大,土体的强度变化值越来越小,这与图6的应力-应变关系规律一致。对比不同含气量土体的应力-应变等值线,随着含氮气沸石比例增加,即含气量的增大,土样的应变等值线均处于更低且更偏左的位置,即在达到相同的应变下,含气土中产生的孔压更大,对应的发挥抗剪强度更小,且该规律对不同围压下的试验结果均成立。

图8 三种不同含气量含气土的应变等值线Fig.8 Strain isolines of three kinds of aerated soil with different contents of gas

3 结束语

含气土中不同的含气量会对土体的孔压发展产生显著影响。在300 kPa的反压下,含气土的孔压在轴向应变达到5%之前为饱和土孔压发展速度大于含气土,而在轴向应变达到5%之后,含气土的孔压大于饱和土的孔压,且在孔压达到稳定之后,比饱和土样高了9%左右。该现象可能与土体内部气泡的崩塌方式与土颗粒的移动有关。在不同的含气量下,临界状态线的斜率M值是一个常数,M=1.25。不同围压下有效应力路径上的应变等值线可视作直线,且其斜率随着应变的增加逐渐增大,最终等于M=1.25。随含气量的增大,土样的应变等值线均处于更低且更偏左的位置,即在达到相同的应变下,含气土中产生的孔压更大,对应的发挥抗剪强度更小,即含气土的抗剪强度与含气量呈负相关,且该规律对不同围压下的试验结果均成立。