裂隙對壓實膨脹土滲氣性影響試驗

袁俊平,張 鋒,王啟貴,丁 巍

(1.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098; 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210098)

膨脹土是一種具有脹縮性、超固結性和裂隙性的特殊黏土。土中裂隙的產生一方面破壞土體結構,降低土體抗剪強度;另一方面,為雨水入滲提供便利通道,大幅度增加土體的滲透性,因此膨脹土裂隙形態以及滲透性研究成為日益緊迫的研究課題[1]。然而膨脹土中裂隙遇水后形態會發生變化,這就使得測定裂隙膨脹土的滲水系數具有較大難度,考慮到滲氣系數可以反映土體結構及滲水系數等[2],因此通過滲氣特性研究間接反映滲水特性，為裂隙膨脹土滲水特性研究提供了新思路。同時非飽和土滲氣特性的研究能夠完善非飽和土滲透理論,指導實際工程的開展,避免工程中氣體(瓦斯)滲透引起的問題。

針對土體中氣體滲透規律的研究,國外學者研制出不同儀器,包括用于測定不同圍壓下滲氣系數的三軸滲透儀、可同時測定滲氣系數和滲水系數的三軸滲透儀等;同時也開展了一系列的試驗研究，如在小壓力梯度下分別測定土體中空氣和水的滲透系數,發現當土體中含水率接近最優含水率時,滲氣系數急劇下降;通過滲氣試驗比較了土體中注入和未注入水泥漿時的滲氣特性,結果表明注入水泥漿后土體孔隙率發生變化,滲氣系數急劇減小[3-4]。

近年來國內學者也進行了大量試驗,陳正漢等[5-8]通過自制儀器,測定了不同土體的滲氣系數,但裂隙對土體滲氣性影響的研究尚不多見。本文對人工制備裂隙試樣進行滲氣試驗,對比分析有無裂隙以及不同裂隙開展深度對土體滲氣性的影響,研究氣體在裂隙土體中運移的特點和規律,討論達西理論和非達西理論對人工裂隙試樣氣體運移規律的適用性。

1 試驗方案

1.1 試驗設備

借鑒Matyas[9]研制的滲氣試驗裝置,自行設計加工的滲氣試驗裝置如圖1所示,主要包括供氣系統、滲氣系統和量測系統。供氣系統主要由氮氣瓶和氣體緩沖裝置組成;滲氣系統由三軸壓力室和試樣組成;量測系統主要包括圍壓表,進氣口、出氣口壓力測定U形管,氣體體積量測系統等。氣體體積流量通過排水法測得的體積流量換算而來,水的體積用量筒(最小刻度5 mL)測定;試驗時間用秒表(最小刻度1 s)測定;U形管液面高差用鋼尺(最小刻度1 mm)測量;試驗溫度用溫度計(最小刻度0.1℃)測量。

圖1 滲氣試驗裝置示意圖

圖2 對切后的試樣

1.2 試樣制備及裝樣

試驗用土為南水北調中線工程新鄉潞王墳試驗段膨脹土[10],基本物理性能參數如下:塑限19.2%,液限42.7%,塑性指數24,相對密度2.74、自由膨脹率57.5%、最大干密度1.81 g/cm3。試樣為直徑10.1 cm、高度20 cm的圓柱樣,分5層擊實,控制其初始含水率為13%,干密度為1.60 g/cm3。在對開模的保護下,用鋼絲鋸將擊實好的試樣小心地切開一定深度(5 cm、10 cm、20 cm),在土體中形成人工裂隙,完全切開后的試樣(切開深度為20 cm)見圖2。對完全切開的試樣進行試驗時,采用夾不同厚度紙條(寬度為1 cm)的辦法來控制裂隙寬度大小[11],紙條厚度用游標卡尺(最小刻度0.02 mm)測得。試驗時用保鮮膜密封包裹紙條,以防試驗時紙條吸水厚度發生變化。

裝樣時,在試樣兩端各加一個大約5 mm厚的圓環形墊片,見圖3。墊片是用幾層硬紙板黏合修剪而成,其外徑和試樣直徑相同,均為101 mm,內徑約為90 mm。常規滲透試驗多采用透水石或多孔板,本實驗若采用透水石,則透水石兩端面的壓力不等,增大壓力量測難度;若采用多孔板,則當較多孔對著裂隙時,滲氣量較大,反之較小。采用圓環形墊片則可避免上述問題,可使試樣上下表面形成圓形空腔,使氣體均勻地從整個截面通過。

圖3 墊片安裝示意圖(單位：mm)

1.3 試驗步驟

試驗前先檢查裝置的通暢性,主要是防止進氣孔、出氣孔以及圍壓孔被堵塞,操作如下:首先不裝試樣而施加進氣壓和圍壓,觀察是否有氣體從進氣孔以及圍壓孔排出;然后將進氣管拔下而將出氣管接到氣源上,通氣后觀察排氣孔是否有氣體排出。其次檢查裝置的氣密性,關閉出氣口三通閥門、打開進氣閥門和圍壓閥門,待圍壓以及進、出氣口U形管液面差穩定后關閉進氣閥門和圍壓閥門,一段時間后通過觀察圍壓以及進、出氣口U形管液面差是否發生變化來判斷裝置氣密性是否良好。試驗主要包括以下幾個步驟:

步驟1 將配好的含水率為13%的土制成干密度為1.60g/ cm3的中三軸圓柱樣。

步驟2 對制好的中三軸試樣進行氣體滲透試驗,測量一定時間內通過試樣的氣體流量。

步驟3 將試樣分別切開5 cm、10 cm及20 cm進行氣體滲透試驗,測定不同裂隙深度時通過試樣的氣體流量。

步驟4 改變裂隙寬度進行氣體滲透試驗,試驗完成后用保鮮膜將試樣進氣端除裂隙外的部分密封起來,只允許氣體通過裂隙通道,測得該裂隙寬度下的滲氣量,并將同一裂隙寬度試樣進氣端密封與未密封時所測流量進行對比。

由于整個試驗過程都是在地下室進行,環境溫度基本保持在15℃左右,故數據處理時忽略了溫度變化對試驗結果的影響;試驗中圍壓大小控制在24 kPa左右。

2 試驗結果及分析

2.1 壓實膨脹土滲氣規律

采用達西理論對壓實膨脹土的滲氣性進行分析,按式(1)和式(2)計算氣體流速v和壓力梯度i:

(1)

(2)

式中:Q為試驗中所測氣體流量,m3;A為試樣進(出)氣面面積,m2;t為試驗時間,s;ΔP為壓力差,kPa;ρa為氮氣密度,取1.25 kg/m3;g為重力加速度,取10 m/s2;L為滲徑,m。

將膨脹土壓實試樣的滲氣試驗結果繪制于圖4中,從中可以看出,試樣氣體流速與壓力梯度呈線性關系,表明氣體滲透符合達西定律,這與已有成果[5]相一致。由v=ki計算出此時滲氣系數為k=1.17×10-6m/s。

2.2 貫通裂隙對氣體運移的影響

將膨脹土完全切開試樣的滲氣試驗結果也繪制于圖4中，可以看出完全切開(未夾紙條,裂隙寬度為零)試樣的氣體流速與壓力梯度也呈線性關系,表明此時氣體滲透同樣符合達西定律,計算出此時的滲氣系數為2.97×10-6m/s。與壓實膨脹土試樣滲氣試驗結果對比可見,試樣完全切開后,即使未夾紙條,試樣中仍然存在一條貫通裂隙,使得其滲氣系數提高了1倍,由此可見,壓實膨脹土中貫通裂隙的產生和發展對土體滲透性影響較大。

圖4 膨脹土不同試樣滲氣試驗結果

當試樣中出現貫通裂隙,此時土體中氣體如何運移需通過圖5來解釋。圖5給出了裂隙寬度為0.2 mm時試樣進氣端未密封與密封兩種情況下試驗結果的對比。可以看出,進氣端未密封和密封時實測氣體流量值隨壓力差的變化關系重合在同一條曲線上,表明氣體主要從裂隙通道中通過試樣,裂隙的存在為氣體運移提供便利通道,是土壤優勢理論中所謂的“優勢路徑”,即流體整個繞過土壤基質,只通過少部分孔隙或裂隙快速運移,這與土壤中優勢流路徑起源于裂隙和大孔隙這一結論相一致[12-13]。可見,優勢理論也可用來解釋和描述貫通裂隙試樣中的氣體滲透規律。

圖5 貫通裂隙試樣中氣體運移試驗結果

2.3 裂隙深度對滲氣規律的影響

按式(1)和式(2)計算氣體流速和壓力梯度,繪制不同裂隙深度試樣的滲氣試驗結果(圖6)。由圖6可以看出,不同裂隙深度試樣的滲氣規律仍符合達西定律,隨著裂隙深度的增大,試樣滲氣系數逐漸增大(表2)。這主要是由于隨著裂隙深度增加,氣體通過試樣的實際滲徑逐漸變小。值得注意的是,對比裂隙深度為零(即無裂隙時)以及裂隙深度為10 cm試樣的滲氣系數,可以看出,裂隙深度為10 cm時,盡管實際滲徑減小了1/2,然而其滲氣系數并未增大1倍,實測結果偏小可能與裂隙面粗糙不平有關[14]。

圖6 不同裂隙深度試樣滲氣試驗結果

陳正漢等[5]指出滲氣系數與土的飽和度及密度有關。當試樣中裂隙未貫通時,雖然裂隙深度發生改變,但對于相同飽和度和相同密度的試樣,滲氣系數理應保持不變。因此,這里對達西定律中的滲徑進行修正,即采用實際滲徑(試樣高度減去裂隙深度)來計算,修正滲徑后不同裂隙深度試樣滲氣試驗結果如圖7所示,修正前后的滲氣系數對比列于表2。可以看出,隨著裂隙深度增加，滲徑修正后試樣滲氣系數幾乎保持不變,與前述理論分析一致。因此,采用達西理論分析裂隙未貫通試樣的滲氣規律時,對滲徑進行修正是有必要的。

圖7 修正滲徑后不同裂隙深度試樣滲氣試驗結果

表2 不同裂隙深度試樣滲氣系數值

2.4 滲氣試驗的達西理論與非達西理論分析結果

對裂隙寬度為零(未夾紙條)和裂隙寬度為0.2 mm的貫通裂隙試樣,分別用達西理論和非達西理論分析其試驗結果。計算裂隙寬度為零的試樣的滲氣流速時,氣體過流截面積按試樣進氣端面積計算;計算裂隙寬度為0.2 mm試樣滲氣流速時,按裂隙面積計算。非達西理論分析采用考慮氣體壓縮性的Darcy-Forchheimer修正的運動方程[15-16],其表達式如下:

(3)

式中:P為氣體壓力,Pa;μ為氣體黏滯系數,Pa·s;ρ為氣體密度,kg/m3;CF為慣性系數,m-1;K為滲透率,m2。邊界條件為:l為零時,P=P1;l=L時,P=P2。經化簡后得到:

y=ax+bx2

(4)

x=Pv

式中:P1和P2分別為出氣口和進氣口壓力,kPa;M為氮氣相對分子質量,取28;T為氣體溫度,K;R為氣體常數,取8 314 m2/(s2·K)。

圖8 裂隙寬度為零時非達西理論分析結果

b. 裂隙寬度為0.2 mm。圖9分別給出了采用達西理論和非達西理論分析裂隙寬度為0.2 mm試樣滲氣試驗結果的情況，可以看出,采用非達西理論分析試驗結果時,擬合曲線與試驗結果符合程度較采用達西理論分析時更好。李廣悅等[16]對松散破碎介質進行氣體滲透試驗,結果發現松散破碎介質氣體滲透不符合達西定律而滿足非達西定律,這主要是由于試驗中氣體流速較大,并且氣體壓縮性不可忽略所致。本文裂隙寬度為0.2 mm的試樣進行試驗時也滿足類似的條件,因此采用非達西理論分析氣體滲透規律可能更合適。

圖9 裂隙寬度為0.2 mm時不同理論分析結果

3 結 論

a. 壓實膨脹土氣體滲透符合達西定律。

b. 當壓實膨脹土中出現裂隙且裂隙未貫通時,試樣中氣體滲透同樣符合達西定律,但采用達西理論分析時應考慮試樣滲徑的變化;壓實膨脹土中出現貫通裂隙時,試樣氣體滲透系數會明顯增大,此時膨脹土中的氣體運移主要經過裂隙,呈現出典型的“優勢流”現象。

c. 非達西理論比達西理論更適合描述貫通的人工裂隙試樣的滲氣規律。

參考文獻：

[1] 殷宗澤,袁俊平,韋杰,等.論裂隙對膨脹土邊坡穩定的影響[J].巖土工程學報,2012,34(12):2155-2161.(YIN Zongze,YUAN Junping,WEI Jie,et al.Influence of fissuring on slope stability of expansive soil[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2012,34(12): 2155-2161.(in Chinese)

[2] RATTAN L.Encyclopedia of soil science[M].2nd ed.Florida,USA: CRC Press,2005.

[3] 弗雷德隆德 D G,拉哈爾佐 H.非飽和土力學[M].北京: 中國建筑工業出版社,1997.

[4] SAIYOURI N,BOUASKER M,KHELIDJ A.Gas permeability measurement on injected soils with cement grout[J].Cement and Concrete Research,2008,38:95-103.

[5] 陳正漢,謝定義,王永勝.非飽和土的水氣運動規律及其工程性質研究[J].巖土工程學報,1993,15(3):9-20.(CHEN Zhenghan,XIE Dingyi,WANG Yongsheng.Experimental studies of laws of fluid motion,suction and pore pressures in unsaturated soil[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1993,15(3):9-20.(in Chinese)

[6] 葉為民,王初生,王瓊,等.非飽和黏性土中氣體滲透特性[J].工程地質學報,2009,17(2): 244-248.(YE Weimin,WANG Chusheng,WANG Qiong,et al.Laboratory tests on the characteristics of air-permeation in unsaturated Shanghai soft soil[J].Journal of Engineering Geology,2009,17(2):244-248.(in Chinese)

[7] 王勇,孔令偉,郭愛國,等.杭州地鐵儲氣砂土的滲氣性試驗研究[J].巖土力學,2009,30(3):815-819.(WANG Yong,KONG Lingwei,Guo Aiguo,et al.Experimental research on gas permeability of shallow gassy sand in Hangzhou metro project[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(3):815-819.(in Chinese)

[8] 苗強強,陳正漢,張磊,等.非飽和黏土質砂的滲氣規律試驗研究[J].巖土力學,2010,31(12):3746-3750.(MIAO Qiangqiang,CHEN Zhenghan,ZHANG Lei,et al.Experimental study of gas permeability of unsaturated clayey sand[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(12):3746-3750.(in Chinese)

[9] MATYAS E L.Air and water permeability of compacted soils[J].Permeability and Capillary of Soils,1967,417:160-175.

[10] 吳珺華,袁俊平,楊松,等.干濕循環下膨脹土脹縮性能試驗[J].水利水電科技進展,2013,33(1):62-65.(WU Junhua,YUAN Junping,YANG Song,el at.Experimental study on swell-shrinking performance of expansive soil under wetting-drying cycles[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2013,33(1):62-65.(in Chinese)

[11] 肖正剛.裂隙膨脹土氣滲性研究[D].南京:河海大學,2011.

[12] 徐紹輝,張佳寶.土壤中優勢流的幾個基本問題研究[J].土壤侵蝕與水土保持學報,1999,5(4):85-93.(XU Shaohui,ZHANG Jiabao.Study on foundational problems on preferential flow in soils[J].Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation,1999,5(4):85-93.(in Chinese)

[13] MERDUN H.Types and modeling of preferential flow[J].KSU Journal of Science and Engineering,2005,8(1):76-83.

[14] 陳冰雁,姚朝暉,何楓,等.表面粗糙度對微細管內氣體流動特性的影響[J].應用力學學報,2003,20(3):1-5.(CHEN Binyan,YAO Zhaohui,HE Feng,et al.The effects of surface roughness on the gas flow in microchannels[J].Chinese Journal of Applied Mechanics,2003,20(3):1-5.(in Chinese)

[15] 孔祥言.高等滲流力學[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1999.

[16] 李廣悅,丁德馨,張志軍,等.松散破碎介質中氣體滲流規律試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28 (4):791-798.(LI Guangyue,DING Dexin,ZHANG Zhijun,et al.Experimental study of laws of gas seepage in loose fragmented medium[J],Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(4):791-798.(in Chinese).