含 氣 土 三 軸 試 樣 制 備 的 新 方 法

劉文卓， 孔 亮， 袁慶盟， 董 彤

(1.青島理工大學 理學院，山東 青島 266033；2.后勤工程學院 重慶市巖土力學與地質環(huán)境保護重點實驗室，重慶 400041)

0 引 言

天然氣水合物又稱“可燃冰”，是水和天然氣長期在高壓低溫環(huán)境中形成的一種固態(tài)礦產資源。在能源稀缺的今天，開采并利用這些天然氣水合物資源，對滿足我國日益增長的能源消費需求以及解決能源安全問題具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。天然氣水合物的賦存條件十分苛刻，人類活動以及環(huán)境地質條件對其影響十分明顯，輕微的擾動都有可能造成水合物的分解，產生大量水和氣體。在其完全分解時，大量氣體充斥在能源土內部來不及排出，使得海底能源土變?yōu)楹瑲馔粒瑲馔恋娘柡投纫话愦笥?5%，氣體以離散孤立氣泡的形式存在[2-3]。而含氣土的產生使得孔壓迅速上升，土體有效應力降低，可能引起能源土的靜力液化[4-5]，進而導致海底滑坡等地質災害，因此深入開展含氣土力學性質研究，對可燃冰的開采仍然具有重要的指導意義。現階段國內外對含氣土的研究并不多見，這是由于原狀含氣土存在取樣困難、運輸成本高等一系列問題[6]，并不能廣泛開展，因此實驗室人工制備含氣土的相似材料成為了今后的研究重點。

目前關于含氣土制備的研究多分為兩類，一類可以歸結為設法使試樣內部自主產生氣體的自生氣體法：Sobkowikz[7]采用CO2飽和水，在一定反壓下使試樣飽和，而后逐漸降低圍壓使CO2釋放，以此制備含氣土；Hyodo等[8]將水和天然氣在低溫10℃、高壓10 MPa 條件下混合并用裝置壓實，生成了可以直接用于試驗的水合物試樣；Grozic[9]借鑒Sobkowikz的方法，但通過控制圍壓不變，逐漸降低反壓的方式制備含氣土樣；He[10]使用含有特定細菌的液體來飽和砂土試樣，進而使其釋放氣體，是為生物制氣法。這一類方法可以使氣體與試樣成為一個整體，真實地模擬了含氣土的狀態(tài)，但試驗要求較高，難度較大，自主釋放氣體很難定量的控制氣體含量，無法制備特定飽和度的含氣土，且氣體的釋放對試樣產生了擾動，同時試樣總體積發(fā)生了變化，因此試驗可重復性大大降低。第二類方法為外封氣體法：He[10]采用Gas Tube法利用GDS標準應力路徑三軸試驗系統(tǒng)，在排水閥門處外接一段封閉的氣管，用以模擬含氣土。這一類方法優(yōu)點在于可以制備特定飽和度的含氣土試樣，但由于氣管與試樣相連，使得試樣總體積發(fā)生了變化，且試樣與氣體彼此獨立，成為了兩個孤立的單元，氣體無法均勻分布在試樣中，無法模擬含氣土真實的狀態(tài)。

本文在前人研究成果的基礎上，充分考慮含氣土的物理特性，通過對GDS標準應力路徑三軸試驗系統(tǒng)的改造，提出了一套含氣土三軸試樣制備的新方法，利用改造完成的設備既可以完成飽和土體的應力路徑三軸試驗，也可以制備含氣土并進行含氣土的應力路徑三軸試驗。該設備操作簡單，為含氣土的制備提供了一種新的思路。

1 GDS標準應力路徑三軸試驗系統(tǒng)

由英國GDS公司生產的標準應力路徑三軸試驗系統(tǒng)是一種既可以應變控制也可以應力控制的三軸儀。如圖1所示，試驗系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：反壓控制器、圍壓控制器和軸壓控制器；Bishop & Wesley型應力路徑三軸壓力室；數據采集板和GDSLAB軟件。

圖1 GDS標準應力路徑三軸試驗系統(tǒng)

GDS標準應力路徑三軸試驗系統(tǒng)整個加載與量測的過程均由計算機自動完成，具有精度高、操作簡便等特點。通過該設備可以完成常規(guī)三軸剪切試驗，同時也可以自定義操作，完成特殊應力路徑的三軸試驗。

2 試驗裝置的設計與改裝

對于GDS非飽和土三軸試驗系統(tǒng)來說，高進氣值的陶土板在完全飽和時，其表面的許多微細孔形成收縮膜，收縮膜將眾多微細孔連接起來，形成表面張力，阻止氣體透過陶土板，而孔隙水可以和量測系統(tǒng)中的水連通成為一個整體[11]。雖然飽和的陶土板具有水氣分離的特性，但非飽和土三軸試驗系統(tǒng)的試驗對象是針對非飽和土體的，而含氣土是一種特殊的土體，土體中沒有氣體溢出的通道，不需要監(jiān)測基質吸力，同時含氣土是飽和土中某種物質釋放了氣體形成的，為了模擬該過程，顯然GDS非飽和土三軸試驗系統(tǒng)也是不適用的。結合兩種設備的特點，本文在GDS標準應力路徑三軸試驗系統(tǒng)的基礎上進行了改裝。

2.1 試樣底座

2.1.1底座上部結構

原始底座如圖2(a)所示，具有兩部分結構，底座上部結構與試樣相連，不銹鋼卡套接頭位置與制樣時配套的三瓣模相匹配。如圖3(a)所示，傳統(tǒng)三瓣模無法實現有效密封，造成制備的試樣變形嚴重。為了解決這一問題，重新設計了一種密封性能較高的對開模，如圖3(b)所示。抽氣閥可保證裝樣過程中橡皮膜緊貼對開模內壁，使每次制作的砂樣尺寸一致，試驗可重復性大大提高。重新設計改裝的底座上部結構如圖2(b)、(c)所示，不銹鋼卡套接頭位置下移，與自行設計加工的對開模相匹配。新底座上部結構在原始接頭位置增設一道O型圈槽，放置與固定O型圈，使對開模與底座緊密接觸，保證橡皮膜的抽氣貼壁效果。同時O型圈用來箍緊套在底座上的橡皮膜，增加試樣的密閉性。

2.1.2底座中間結構

設計加工的底座中間結構如圖2(b)、(c)所示，槽放置O型圈。底座上部結構與中部結構用螺栓相連，連接后密封圈、O型圈均與底座上部結構緊密接觸，保證了密封性。

(a)GDS原配底座

(b)設計后的底座

(c) 新底座透視圖

(a)GDS原配三瓣模(b)設計加工的對開模

圖3 成模工具的設計

2.1.3底座下部結構

底座下部結構為GDS原配，與傳力中軸相連，并通過螺栓與中間結構連接。

2.2 壓力室底座

壓力室底座，即試樣底座周邊的平臺，其上有多個接頭，分別連接不同的控制器。在壓力室底座上增設一個鉆孔(見圖2(a))，放置一個雙卡套接頭，該卡套接頭與原反壓接頭分別和底座中間結構的2個接頭連接。

3 水氣置換法

3.1 管路連接方式

管路連接示意圖如圖4所示，圍壓控制器和軸壓控制器的連接方式未做變更，主要的變動體現在反壓控制器與試樣的連接上。反壓控制器由原來的單管路直接連接變?yōu)殡p管路連接，其間增設2個三通球閥，用來轉換試驗類型，通過各管路的不同連接方式，實現不同類型的試驗。2個氣液注射器分別用熱縮管密封連接在三通球閥2和排水閥門處。

圖4 管路連接圖

3.2 含氣土試樣的制備

3.2.1飽和土三軸試驗

按照圖4所示連接方式連接，轉動三通球閥1使通路為1號管，此時反壓控制器與1號管和AD管連通，2號管和BC管不參與飽和土三軸試驗，試驗方法與改裝前一致。

3.2.2含氣土三軸試驗

含氣土三軸試驗流程如下：

(1) 連接AC和BD管。轉動三通球閥1、2使通路均為2號管，按照飽和土三軸試驗方法進行初始飽和與反壓飽和。為提高飽和度，采用通CO2和無氣水，再施加反壓的方法進行反壓飽和從而制作飽和試樣[12]。

(2) 反壓飽和結束后，將圍壓和反壓同時線性降低，以保證有效圍壓不變，直至反壓為0 kPa。

(1)

由理想氣體狀態(tài)方程計算得出氣液注射器1內所需氮氣N2的量：

pV=nRT

(2)

(4) 轉動三通球閥2使通路為氣液注射器2，打開排水閥門，連接氣液注射器1。由于試樣內壓與大氣壓相等，因此閥門的開合對試樣不會產生擾動。將計算得到的定量的氣體緩慢注入試樣中，該過程中氣液注射器2會排出等刻度的無氣水，同時觀察圍壓值是否穩(wěn)定，以保證水氣為等量置換。值得注意的是，氣液注射器1中要吸入少量的無氣水，一起注入試樣中，以此排空管路中殘留的氣體。

(5) 加氣結束后關閉排水閥門，轉動三通球閥2使通路為2號管，圍壓和反壓均線性回升至先前的壓力。此時反壓控制器為向試樣中排水，因此氣體不會回流至反壓控制器中。

(6) 待壓力穩(wěn)定后轉動三通球閥1使通路為1號管，此時反壓控制器與底座中間結構直接連接，試樣靜置1 h。

(7) 設置固結階段，2 h排水量小于12 mm3作為固結完成標準[13]。

(8) 設置剪切階段，由試驗測得本設備采用的陶土板在100 kPa反壓下的透水速率為0.517 mm3/s，從而推算出剪切速率為15.8 μm/min，最終取12 μm/min。對于固結不排水試驗剪切速率可按照《土工試驗方法標準》[14]確定。

4 含氣土室內三軸試驗

利用改造后的設備分別進行了飽和土和89%飽和度的含氣土的固結排水三軸剪切試驗。試驗用砂為篩選后的福建標準砂，級配曲線如圖5所示，根據《土工試驗方法標準》GB50123-1999測得最大最小干密度分別為1.78 g/cm3和1.488 g/cm3,土粒相對密度Gs為2.7。

按照上述方法計算得到大氣壓下需進入試樣內部的氣體含量為17.6 mL，據此制作飽和度為89%的砂樣并進行含氣土三軸試驗。剪切階段設置反壓為100 kPa，有效圍壓為300 kPa，剪切速率為12 μm/min。飽和土三軸試驗各階段設置均與含氣土試驗相同。每種試驗重復3次，以驗證試樣制備的可重復性[15]。試驗結束后通過整理試驗數據可得到飽和土和含氣土的剪應力-應變關系曲線，如圖6所示，試驗重復性較好。

圖5 級配曲線

圖6 剪應力-應變關系曲線

由圖6可以看出，89%飽和度的含氣土和飽和土的固結排水剪切試驗開始階段均為應變硬化，飽和土的初始剪切模量大于含氣土，飽和土比含氣土更早到達剪應力峰值點，含氣土的抗剪強度為619 kPa，飽和土的抗剪強度為751 kPa，明顯高于含氣土。隨著應變的發(fā)展，兩種試樣均有明顯的應變軟化特征，飽和土殘余強度略大于含氣土。

由此驗證了含氣土試樣制備新方法的可行性，總結了以下兩個特點：

(1) 氣液注射器具有良好的密封性，且刻度值可以定量地描述氣體含量，通過控制氣液注射器的刻度變化可以確保水氣為等量置換，保證了試樣總體積的不變。

(2) 對比自生氣體法和外封氣體法，水氣置換法不僅可以有效地控制氣體含量，保證試樣總體積不變，同時氣體以游離態(tài)均勻分布在試樣內部更準確地模擬了含氣土的真實狀態(tài)。

5 結 論

(1) 本文對GDS標準應力路徑三軸試驗系統(tǒng)進行了設計與改造，提出了含氣土試樣制備的水氣置換法。該方法制樣速率快，操作簡便，可以更精確地控制試樣內的氣體含量，保證試樣總體積不變，同時可以更大程度地模擬含氣土的真實狀態(tài)。

(2) 總結了一套完整的含氣土常規(guī)三軸試驗流程。

(3) 制備了89%飽和度的含氣土并進行了含氣土的固結排水剪切試驗，與飽和土的固結排水剪切試驗進行了對比，試驗可重復性較高，由此驗證了所提出的的試樣制備方法的可行性，為今后全面開展含氣土力學特性的研究奠定了基礎。

參考文獻(References)：

[1] 李洋輝，宋永臣，劉衛(wèi)國，等. 天然氣水合物沉積物體變實驗本科教學探索[J]. 實驗室研究與探索, 2016, 35(10):182-184.

[2] Vannest M, Sultan N, Garzuglia S,etal. Seafloor instabilities and sediment deformation processes: The need for integrated, multi-disciplinary investigations [J]. Marine Geology, 2014, 352: 183-214.

[3] Grozic J L, Robertson P K, Morgenstern N R. The behavior of loose gassy sand[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1999, 36(3):482-492.

[4] Sultan N, Cochonat P, Foucher J P,etal. Effect of gas hydrates melting on seafloor slope instability[J]. Marine Geology, 2004, 213: 379-401.

[5] Maslin M, Owen M, Bwtts R,etal. Gas hydrates: Past and future geohazard [J].Philosophical Transactions of the Royal Society, 2010, A368: 2369-2393.

[6] 趙陽陽，劉 潤. 海洋含氣土工程特性研究現狀[J]. 石油工程建設, 2013, 39(1):1-5.

[7] Sobkowicz J C，Morgenstern N R. An experimental investigation of transient pore pressure behavior in soils due to gas exsolution [C]//Proceedings of the International Symposium on Prediction and Performance in Geotechnical Engineering. Canada：Taylor & Francis，1987：267-276.

[8] Hyodo M，Hyde A F L，Nakata Y. Triaxial compressive strength of methane hydrate [C]//Proceedings of The Twelfth International Offshore and Polar Engineering Conference. Kitakyushu，Japan:ISOPE，2002：422-428.

[9] Grozic J L H, Nadim F, Kvalstad T J. On the undrained shear strength of gassy clays[J]. Computers & Geotechnics, 2005, 32(7):483-490.

[10] He J, Chu J, Ivanov V. Mitigation of liquefaction of saturated sand using biogas[J]. Geotechnique, 2013, 63(4):267-275.

[11] 李孝平，王世梅，李曉云，等. GDS三軸儀的非飽和土試驗操作方法[J]. 三峽大學學報(自然科學版), 2008, 30(5):37-40.

[12] 黃 博，汪清靜，凌道盛，等. 飽和砂土三軸試驗中反壓設置與抗剪強度的研究[J]. 巖土工程學報, 2012, 34(7):1313-1319.

[13] 姚振興. 非飽和膨脹土強度特性試驗研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學, 2015.

[14] GB 50123-1999，土工試驗方法標準[S].

[15] 董 彤,鄭穎人,孔 亮,等. 飽和重塑黏土空心圓柱試樣的壓制技術及應用[J]. 巖土工程學報,2017,39(S1):43-47.