含氣量對(duì)細(xì)粒含氣土力學(xué)特性影響研究

王其炎,周 翔,徐學(xué)爾,鄭 何,蔣耀晨

(1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司,浙江 杭州 310051;2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

含氣土在世界范圍內(nèi)分布廣泛[1],主要集中在五大洲濱海區(qū)域以及沖積平原地區(qū),在我國(guó)主要集中在黃海、渤海、東海以及南海的近海岸、陸架等區(qū)域,在江浙沿海較為普遍,常見(jiàn)形式為含生物氣的淺層含氣土層,多分布在地下深度10～100 m[2]。含氣土屬于特殊形式的非飽和土,其氣泡封閉且與大氣隔絕,孔隙壓力通常較大,其力學(xué)特征與飽和土有明顯區(qū)別。當(dāng)氣泡在土體中形成的空腔較大時(shí),空腔中氣體釋放將對(duì)土體造成極大擾動(dòng)或超預(yù)期的沉降[3],實(shí)際工程中雖然以排氣法預(yù)處理[4],但是處理后土體中仍存在大量未形成大空腔的微型氣泡,該特殊結(jié)構(gòu)對(duì)土體的力學(xué)特性也會(huì)產(chǎn)生顯著影響,含氣土分布深度多為城市地下工程建造深度,其力學(xué)性質(zhì)變化對(duì)工程設(shè)計(jì)及施工安全影響較大。Wheeler[5]根據(jù)不同飽和度情況下氣、水、土骨架之間的關(guān)系給出了3種非飽和土類(lèi)型:當(dāng)飽和度Sr<40%時(shí),氣相連通、水相不連通;當(dāng)40%85%時(shí),水相連通、氣相不連通。Wheeler[5]把上述第3種情況(Sr>85%)定義為含氣土。以上3種類(lèi)型僅對(duì)粗粒含氣土進(jìn)行了分類(lèi),而沿海地區(qū)細(xì)粒含氣土更為常見(jiàn)。由于含氣土極易受外界擾動(dòng)[6],其原狀土獲取難度較大,Wheeler[5]通過(guò)對(duì)重塑含氣土進(jìn)行靜態(tài)三軸壓縮剪切試驗(yàn),研究了不同初始孔壓及有效應(yīng)力情況下的含氣黏土不排水剪切強(qiáng)度。Hong等[7]通過(guò)對(duì)海洋含氣土進(jìn)行電鏡掃描了解含氣土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),運(yùn)用Wheeler制備含氣重塑土的方法,通過(guò)沸石的微孔吸附特性吸附氮?dú)?N2)獲得室內(nèi)重塑含氣土。Hong等[8]通過(guò)在低反壓與高反壓下的三軸實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)低反壓對(duì)含氣土強(qiáng)度有加強(qiáng)作用,高反壓對(duì)含氣土強(qiáng)度具有減弱效應(yīng)。白傳鵬[9]以海底軟黏土為對(duì)象制備重塑含氣泡沉積物土樣,通過(guò)十字板剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含氣泡軟土的抗剪強(qiáng)度隨著含氣量的增高而降低。雖然氣體的存在對(duì)土體力學(xué)特性有不容忽視的影響,但是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)含氣土的研究剛剛起步,對(duì)細(xì)粒含氣土的研究則更加匱乏。

對(duì)含氣土力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)不清將對(duì)工程設(shè)計(jì)及施工安全等產(chǎn)生影響,土體力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確選取是影響數(shù)值分析結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素?；诖?利用沸石的微孔吸附特性,制備土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部分散存在微小尺寸氣泡的細(xì)粒含氣土,研究含氣量及圍壓對(duì)細(xì)粒含氣土力學(xué)性質(zhì)的影響。試驗(yàn)結(jié)果為工程的設(shè)計(jì)與施工提供了一定參考,可使前期設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確,降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)高嶺土制作重塑含氣土。采用重塑土制樣方法可避免原狀土運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)土樣產(chǎn)生的擾動(dòng),且重塑土樣具有良好的均勻性與可重復(fù)性。利用沸石的微孔吸附特性,通過(guò)沸石微孔中預(yù)先吸附氮?dú)?N2)[10],用高嶺土飽和泥漿中的水分子將沸石微孔中的氮?dú)夥肿又脫Q出來(lái),形成含微小氣泡的細(xì)粒含氣土[8]。為研究不同含氣量對(duì)土體性質(zhì)的影響,制作3種不同含氣量的含氣土,保持沸石總量不變(沸石總質(zhì)量占固體顆?？傎|(zhì)量的15%),由沸石吸附氮?dú)獾谋壤刂?吸附氮?dú)夥惺|(zhì)量分別占總沸石質(zhì)量的0%,66.6%,100%,即吸附氮?dú)夥惺空伎偣腆w顆粒質(zhì)量的0%,10%,15%,試驗(yàn)所制含氣土飽和度Sr為85%～100%[5]。3種非飽和土的類(lèi)型如圖1所示。

圖1 3種非飽和土類(lèi)型

選用馬來(lái)西亞高嶺土,采取的重塑土制作方法為泥漿分級(jí)加壓固結(jié)法。含氣土的制作過(guò)程如下:首先將氮?dú)夂娓沙檎婵?然后根據(jù)吸附氮?dú)獾姆惺壤?稱(chēng)量不同質(zhì)量的沸石吸附氮?dú)?同時(shí)按照1.2倍液限制作高嶺土飽和泥漿,將吸附完氮?dú)獾姆惺c高嶺土飽和泥漿在短時(shí)間內(nèi)充分混合,放入一維固結(jié)桶中進(jìn)行逐級(jí)加載;最后一級(jí)加載持續(xù)一周,以待土樣完成固結(jié)。一維固結(jié)桶和制成的含氣土切面分別如圖2,3所示,常見(jiàn)的細(xì)粒海洋沉積物中的氣泡直徑為50～500 μm[11-12]。重塑含氣土單個(gè)氣泡在細(xì)粒含氣土中的存在狀態(tài)如圖4所示,單個(gè)氣泡直徑普遍在1 mm以下,與原狀土中氣泡直徑較為接近,且大部分氣泡的直徑明顯大于細(xì)粒土顆粒直徑[13],對(duì)土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[14]。馬來(lái)西亞高嶺土性質(zhì)如表1所示。

表1 馬來(lái)西亞高嶺土性質(zhì)

圖2 一維固結(jié)桶

圖3 含氣土切面

圖4 含離散大氣泡含氣土

試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)裝置為GDS電機(jī)控制動(dòng)三軸液壓控制系統(tǒng),能夠進(jìn)行軸向靜力加載,試驗(yàn)過(guò)程中軸向力由電機(jī)獨(dú)立控制,不排水剪切采用等應(yīng)變速率控制,剪切速率為0.05 mm/min,當(dāng)試樣的應(yīng)變值達(dá)到15%時(shí),認(rèn)為試樣已經(jīng)不再受力均勻,停止試驗(yàn)。

試驗(yàn)包括9個(gè)等壓固結(jié)不排水三軸實(shí)驗(yàn),在9個(gè)試驗(yàn)中,均采用300 kPa的反壓,對(duì)每一種含氣量的含氣土分別進(jìn)行有效圍壓的三軸不排水剪切試驗(yàn)。吸附氮?dú)夥惺空伎偣腆w顆粒質(zhì)量的比例與試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含氣量對(duì)含氣土抗剪強(qiáng)度的影響

在300 kPa的反壓下,有效圍壓σ′r分別為100,200,300 kPa的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖5所示。由圖5可知:不同含氣量含氣土的偏應(yīng)力q—軸向應(yīng)變?chǔ)?關(guān)系較為相似,在軸向應(yīng)變較小時(shí),偏應(yīng)力快速上升,隨后偏應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)黾泳徛仙?在軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)偏應(yīng)力達(dá)到峰值,認(rèn)為偏應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)土體發(fā)生破壞。在同一有效圍壓下,不同含氣量的土體破壞強(qiáng)度均不同。取圖5(a～c)中應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值作為破壞值qf。含氣土的抗剪強(qiáng)度受到含氣量與圍壓的影響,而含氣量由吸附氮?dú)夥惺空伎偣腆w顆粒質(zhì)量比例決定。不同含氮?dú)夥惺壤目辜魪?qiáng)度衰減程度如圖6所示。圖6(a)表示對(duì)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了初始圍壓歸一化的結(jié)果,顯示不同含氣量土的抗剪強(qiáng)度不同。由圖6(a)可知:在低反壓下(σ′r=100 kPa),土體的強(qiáng)度下降最為顯著。在高圍壓(σ′r=200,300 kPa)下,含氣土在低含氣量下變化時(shí)(φ由0%升至10%)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度影響較小,而在低圍壓(σ′r=100 kPa)下,對(duì)土體抗剪強(qiáng)度影響顯著。含氣土在高含氣量下變化時(shí)(φ由10%升至15%),各圍壓下強(qiáng)度變化顯著。圖6(b)表示不同含氣量含氣土相較于相同初始有效圍壓時(shí)飽和土抗剪強(qiáng)度的弱化情況。φ從0%到10%,當(dāng)σ′r=100 kPa時(shí),含氣土強(qiáng)度相較于飽和土強(qiáng)度減少了9.5%;當(dāng)σ′r=200,300 kPa時(shí),含氣土折減強(qiáng)度在13.5%以?xún)?nèi)。φ從10%升到15%,破壞強(qiáng)度顯著下降,下降幅度在13%,且各圍壓下土體強(qiáng)度折減接近。該現(xiàn)象表明了土體中微小氣泡的存在會(huì)對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響,且不同含氣量對(duì)強(qiáng)度折減影響程度不同,含氣量越高,強(qiáng)度折減更加明顯,土體更容易發(fā)生破壞。

圖5 不同有效圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 不同含氮?dú)夥惺壤目辜魪?qiáng)度衰減程度

2.2 含氣量對(duì)和Rf的影響

圖7 不同含氮?dú)夥惺壤谋容^

飽和土存在三軸加載下豎向應(yīng)變?chǔ)?和偏應(yīng)力q之間為雙曲線關(guān)系[15],表達(dá)式為

(1)

也可寫(xiě)為(ε1/q)-ε1的直線形式,表達(dá)式為

(2)

式中:ε1為軸向應(yīng)變;1/qa為(ε1/q)-ε1斜率;E50對(duì)應(yīng)極限荷載qf50%的割線模量;qf為極限荷載。

細(xì)粒含氣土三軸加載試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)也采用上述直線關(guān)系處理,如圖8所示。分別取圖5(a～c)中應(yīng)力應(yīng)變曲線中起始點(diǎn)、應(yīng)力水平達(dá)到破壞強(qiáng)度水平70%的點(diǎn)和應(yīng)力水平達(dá)到95%的點(diǎn),用這3個(gè)點(diǎn)繪出式(2)代表的直線[15],發(fā)現(xiàn)同樣的直線規(guī)律也存在于含氣土,說(shuō)明該雙曲線模型對(duì)含氣土同樣適用。由圖8可知:有效圍壓小的(ε1/q)-ε1的直線更陡峭,斜率更大,且9組試驗(yàn)的(ε1/q)-ε1直線起點(diǎn)接近,說(shuō)明各組土樣的初始模量接近,這一點(diǎn)在應(yīng)力應(yīng)變曲線中亦有表現(xiàn)。同時(shí),在相同的有效圍壓下,含氣量較高的試樣不僅曲線斜率更大,而且含氣土均大于飽和土的斜率。由直線的斜率即可知道qa,在不同飽和度下的qa與Rf分別如圖9,10所示。

圖8 (ε1/q)-ε1關(guān)系曲線

圖9 σ′r=100,200,300 kPa時(shí)不同含氮?dú)夥惺壤瑲馔恋膓a

圖10 σ′r=100,200,300 kPa時(shí)不同含氮?dú)夥惺壤瑲馔恋腞f

表3 含氣土的qa和Rf值

3 結(jié) 論

通過(guò)沸石的多孔介質(zhì)導(dǎo)入技術(shù)制作重塑細(xì)粒含氣土,經(jīng)過(guò)一系列不同有效圍壓的三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),對(duì)含氣土的力學(xué)特性展開(kāi)了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:氣泡的存在會(huì)明顯改變土體的力學(xué)特性,含氣土的抗剪強(qiáng)度與飽和土具有顯著差別。相同條件下,含氣土的抗剪強(qiáng)度低于飽和土的抗剪強(qiáng)度,在低圍壓與高含氣量時(shí),土體強(qiáng)度下降幅度明顯。土體結(jié)構(gòu)中的微小氣泡對(duì)其剪切模量存在不利影響,隨著氣泡含量增加,土體剪切模量降低更顯著,有效圍壓越大,含氣土的剪切模量越大,兩者呈正相關(guān)。在低圍壓下,雖然含氣量對(duì)剪切模量的影響較小,但是當(dāng)圍壓較大,超過(guò)某一臨界值時(shí),含氣量的增加使參考割線模量顯著下降。不同含氣量、不同圍壓對(duì)土體的破壞比影響均不明顯。試驗(yàn)結(jié)果為工程的設(shè)計(jì)與施工提供了一定參考,可使前期設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確,降低施工風(fēng)險(xiǎn)。