含气量对细粒含气土力学特性影响研究

王其炎,周 翔,徐学尔,郑 何,蒋耀晨

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

含气土在世界范围内分布广泛[1],主要集中在五大洲滨海区域以及冲积平原地区,在我国主要集中在黄海、渤海、东海以及南海的近海岸、陆架等区域,在江浙沿海较为普遍,常见形式为含生物气的浅层含气土层,多分布在地下深度10～100 m[2]。含气土属于特殊形式的非饱和土,其气泡封闭且与大气隔绝,孔隙压力通常较大,其力学特征与饱和土有明显区别。当气泡在土体中形成的空腔较大时,空腔中气体释放将对土体造成极大扰动或超预期的沉降[3],实际工程中虽然以排气法预处理[4],但是处理后土体中仍存在大量未形成大空腔的微型气泡,该特殊结构对土体的力学特性也会产生显著影响,含气土分布深度多为城市地下工程建造深度,其力学性质变化对工程设计及施工安全影响较大。Wheeler[5]根据不同饱和度情况下气、水、土骨架之间的关系给出了3种非饱和土类型:当饱和度Sr<40%时,气相连通、水相不连通;当40%85%时,水相连通、气相不连通。Wheeler[5]把上述第3种情况(Sr>85%)定义为含气土。以上3种类型仅对粗粒含气土进行了分类,而沿海地区细粒含气土更为常见。由于含气土极易受外界扰动[6],其原状土获取难度较大,Wheeler[5]通过对重塑含气土进行静态三轴压缩剪切试验,研究了不同初始孔压及有效应力情况下的含气黏土不排水剪切强度。Hong等[7]通过对海洋含气土进行电镜扫描了解含气土内部的微观结构,运用Wheeler制备含气重塑土的方法,通过沸石的微孔吸附特性吸附氮气(N2)获得室内重塑含气土。Hong等[8]通过在低反压与高反压下的三轴实验,发现低反压对含气土强度有加强作用,高反压对含气土强度具有减弱效应。白传鹏[9]以海底软黏土为对象制备重塑含气泡沉积物土样,通过十字板剪切试验发现含气泡软土的抗剪强度随着含气量的增高而降低。虽然气体的存在对土体力学特性有不容忽视的影响,但是现阶段国内外对含气土的研究刚刚起步,对细粒含气土的研究则更加匮乏。

对含气土力学特性的认识不清将对工程设计及施工安全等产生影响,土体力学参数的准确选取是影响数值分析结果可靠性的关键因素。基于此,利用沸石的微孔吸附特性,制备土体结构内部分散存在微小尺寸气泡的细粒含气土,研究含气量及围压对细粒含气土力学性质的影响。试验结果为工程的设计与施工提供了一定参考,可使前期设计更加准确,降低施工风险。

1 试验概况

试验采用标准高岭土制作重塑含气土。采用重塑土制样方法可避免原状土运输过程中对土样产生的扰动,且重塑土样具有良好的均匀性与可重复性。利用沸石的微孔吸附特性,通过沸石微孔中预先吸附氮气(N2)[10],用高岭土饱和泥浆中的水分子将沸石微孔中的氮气分子置换出来,形成含微小气泡的细粒含气土[8]。为研究不同含气量对土体性质的影响,制作3种不同含气量的含气土,保持沸石总量不变(沸石总质量占固体颗粒总质量的15%),由沸石吸附氮气的比例控制,吸附氮气沸石质量分别占总沸石质量的0%,66.6%,100%,即吸附氮气沸石量占总固体颗粒质量的0%,10%,15%,试验所制含气土饱和度Sr为85%～100%[5]。3种非饱和土的类型如图1所示。

图1 3种非饱和土类型

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。含气土的制作过程如下:首先将氮气烘干抽真空;然后根据吸附氮气的沸石比例,称量不同质量的沸石吸附氮气,同时按照1.2倍液限制作高岭土饱和泥浆,将吸附完氮气的沸石与高岭土饱和泥浆在短时间内充分混合,放入一维固结桶中进行逐级加载;最后一级加载持续一周,以待土样完成固结。一维固结桶和制成的含气土切面分别如图2,3所示,常见的细粒海洋沉积物中的气泡直径为50～500 μm[11-12]。重塑含气土单个气泡在细粒含气土中的存在状态如图4所示,单个气泡直径普遍在1 mm以下,与原状土中气泡直径较为接近,且大部分气泡的直径明显大于细粒土颗粒直径[13],对土体结构产生影响[14]。马来西亚高岭土性质如表1所示。

表1 马来西亚高岭土性质

图2 一维固结桶

图3 含气土切面

图4 含离散大气泡含气土

试验所采用的试验装置为GDS电机控制动三轴液压控制系统,能够进行轴向静力加载,试验过程中轴向力由电机独立控制,不排水剪切采用等应变速率控制,剪切速率为0.05 mm/min,当试样的应变值达到15%时,认为试样已经不再受力均匀,停止试验。

试验包括9个等压固结不排水三轴实验,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的三轴不排水剪切试验。吸附氮气沸石量占总固体颗粒质量的比例与试验方案如表2所示。

表2 试验方案

2 试验结果与分析

2.1 含气量对含气土抗剪强度的影响

在300 kPa的反压下,有效围压σ′r分别为100,200,300 kPa的应力应变关系如图5所示。由图5可知:不同含气量含气土的偏应力q—轴向应变ε1关系较为相似,在轴向应变较小时,偏应力快速上升,随后偏应力随着应变增加缓慢上升,在轴向应变达到15%时偏应力达到峰值,认为偏应力达到峰值时土体发生破坏。在同一有效围压下,不同含气量的土体破坏强度均不同。取图5(a～c)中应力应变曲线的峰值作为破坏值qf。含气土的抗剪强度受到含气量与围压的影响,而含气量由吸附氮气沸石量占总固体颗粒质量比例决定。不同含氮气沸石比例的抗剪强度衰减程度如图6所示。图6(a)表示对抗剪强度进行了初始围压归一化的结果,显示不同含气量土的抗剪强度不同。由图6(a)可知:在低反压下(σ′r=100 kPa),土体的强度下降最为显著。在高围压(σ′r=200,300 kPa)下,含气土在低含气量下变化时(φ由0%升至10%)对土体抗剪强度影响较小,而在低围压(σ′r=100 kPa)下,对土体抗剪强度影响显著。含气土在高含气量下变化时(φ由10%升至15%),各围压下强度变化显著。图6(b)表示不同含气量含气土相较于相同初始有效围压时饱和土抗剪强度的弱化情况。φ从0%到10%,当σ′r=100 kPa时,含气土强度相较于饱和土强度减少了9.5%;当σ′r=200,300 kPa时,含气土折减强度在13.5%以内。φ从10%升到15%,破坏强度显著下降,下降幅度在13%,且各围压下土体强度折减接近。该现象表明了土体中微小气泡的存在会对土体的抗剪强度产生不利影响,且不同含气量对强度折减影响程度不同,含气量越高,强度折减更加明显,土体更容易发生破坏。

图5 不同有效围压下的应力应变曲线

图6 不同含氮气沸石比例的抗剪强度衰减程度

2.2 含气量对和Rf的影响

图7 不同含氮气沸石比例的比较

饱和土存在三轴加载下竖向应变ε1和偏应力q之间为双曲线关系[15],表达式为

(1)

也可写为(ε1/q)-ε1的直线形式,表达式为

(2)

式中:ε1为轴向应变;1/qa为(ε1/q)-ε1斜率;E50对应极限荷载qf50%的割线模量;qf为极限荷载。

细粒含气土三轴加载试验所得数据也采用上述直线关系处理,如图8所示。分别取图5(a～c)中应力应变曲线中起始点、应力水平达到破坏强度水平70%的点和应力水平达到95%的点,用这3个点绘出式(2)代表的直线[15],发现同样的直线规律也存在于含气土,说明该双曲线模型对含气土同样适用。由图8可知:有效围压小的(ε1/q)-ε1的直线更陡峭,斜率更大,且9组试验的(ε1/q)-ε1直线起点接近,说明各组土样的初始模量接近,这一点在应力应变曲线中亦有表现。同时,在相同的有效围压下,含气量较高的试样不仅曲线斜率更大,而且含气土均大于饱和土的斜率。由直线的斜率即可知道qa,在不同饱和度下的qa与Rf分别如图9,10所示。

图8 (ε1/q)-ε1关系曲线

图9 σ′r=100,200,300 kPa时不同含氮气沸石比例含气土的qa

图10 σ′r=100,200,300 kPa时不同含氮气沸石比例含气土的Rf

表3 含气土的qa和Rf值

3 结 论

通过沸石的多孔介质导入技术制作重塑细粒含气土,经过一系列不同有效围压的三轴固结不排水剪切试验,对含气土的力学特性展开了研究。试验结果表明:气泡的存在会明显改变土体的力学特性,含气土的抗剪强度与饱和土具有显著差别。相同条件下,含气土的抗剪强度低于饱和土的抗剪强度,在低围压与高含气量时,土体强度下降幅度明显。土体结构中的微小气泡对其剪切模量存在不利影响,随着气泡含量增加,土体剪切模量降低更显著,有效围压越大,含气土的剪切模量越大,两者呈正相关。在低围压下,虽然含气量对剪切模量的影响较小,但是当围压较大,超过某一临界值时,含气量的增加使参考割线模量显著下降。不同含气量、不同围压对土体的破坏比影响均不明显。试验结果为工程的设计与施工提供了一定参考,可使前期设计更加准确,降低施工风险。