含氣量對細粒含氣土力學特性影響研究

王其炎,周 翔,徐學爾,鄭 何,蔣耀晨

(1.浙江交工集團股份有限公司,浙江 杭州 310051;2.浙江工業大學 土木工程學院,浙江 杭州 310023)

含氣土在世界范圍內分布廣泛[1],主要集中在五大洲濱海區域以及沖積平原地區,在我國主要集中在黃海、渤海、東海以及南海的近海岸、陸架等區域,在江浙沿海較為普遍,常見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,其力學特征與飽和土有明顯區別。當氣泡在土體中形成的空腔較大時,空腔中氣體釋放將對土體造成極大擾動或超預期的沉降[3],實際工程中雖然以排氣法預處理[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,該特殊結構對土體的力學特性也會產生顯著影響,含氣土分布深度多為城市地下工程建造深度,其力學性質變化對工程設計及施工安全影響較大。Wheeler[5]根據不同飽和度情況下氣、水、土骨架之間的關系給出了3種非飽和土類型:當飽和度Sr<40%時,氣相連通、水相不連通;當40%85%時,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種類型僅對粗粒含氣土進行了分類,而沿海地區細粒含氣土更為常見。由于含氣土極易受外界擾動[6],其原狀土獲取難度較大,Wheeler[5]通過對重塑含氣土進行靜態三軸壓縮剪切試驗,研究了不同初始孔壓及有效應力情況下的含氣黏土不排水剪切強度。Hong等[7]通過對海洋含氣土進行電鏡掃描了解含氣土內部的微觀結構,運用Wheeler制備含氣重塑土的方法,通過沸石的微孔吸附特性吸附氮氣(N2)獲得室內重塑含氣土。Hong等[8]通過在低反壓與高反壓下的三軸實驗,發現低反壓對含氣土強度有加強作用,高反壓對含氣土強度具有減弱效應。白傳鵬[9]以海底軟黏土為對象制備重塑含氣泡沉積物土樣,通過十字板剪切試驗發現含氣泡軟土的抗剪強度隨著含氣量的增高而降低。雖然氣體的存在對土體力學特性有不容忽視的影響,但是現階段國內外對含氣土的研究剛剛起步,對細粒含氣土的研究則更加匱乏。

對含氣土力學特性的認識不清將對工程設計及施工安全等產生影響,土體力學參數的準確選取是影響數值分析結果可靠性的關鍵因素。基于此,利用沸石的微孔吸附特性,制備土體結構內部分散存在微小尺寸氣泡的細粒含氣土,研究含氣量及圍壓對細粒含氣土力學性質的影響。試驗結果為工程的設計與施工提供了一定參考,可使前期設計更加準確,降低施工風險。

1 試驗概況

試驗采用標準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輸過程中對土樣產生的擾動,且重塑土樣具有良好的均勻性與可重復性。利用沸石的微孔吸附特性,通過沸石微孔中預先吸附氮氣(N2)[10],用高嶺土飽和泥漿中的水分子將沸石微孔中的氮氣分子置換出來,形成含微小氣泡的細粒含氣土[8]。為研究不同含氣量對土體性質的影響,制作3種不同含氣量的含氣土,保持沸石總量不變(沸石總質量占固體顆?？傎|量的15%),由沸石吸附氮氣的比例控制,吸附氮氣沸石質量分別占總沸石質量的0%,66.6%,100%,即吸附氮氣沸石量占總固體顆粒質量的0%,10%,15%,試驗所制含氣土飽和度Sr為85%～100%[5]。3種非飽和土的類型如圖1所示。

圖1 3種非飽和土類型

選用馬來西亞高嶺土,采取的重塑土制作方法為泥漿分級加壓固結法。含氣土的制作過程如下:首先將氮氣烘干抽真空;然后根據吸附氮氣的沸石比例,稱量不同質量的沸石吸附氮氣,同時按照1.2倍液限制作高嶺土飽和泥漿,將吸附完氮氣的沸石與高嶺土飽和泥漿在短時間內充分混合,放入一維固結桶中進行逐級加載;最后一級加載持續一周,以待土樣完成固結。一維固結桶和制成的含氣土切面分別如圖2,3所示,常見的細粒海洋沉積物中的氣泡直徑為50～500 μm[11-12]。重塑含氣土單個氣泡在細粒含氣土中的存在狀態如圖4所示,單個氣泡直徑普遍在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粒土顆粒直徑[13],對土體結構產生影響[14]。馬來西亞高嶺土性質如表1所示。

表1 馬來西亞高嶺土性質

圖2 一維固結桶

圖3 含氣土切面

圖4 含離散大氣泡含氣土

試驗所采用的試驗裝置為GDS電機控制動三軸液壓控制系統,能夠進行軸向靜力加載,試驗過程中軸向力由電機獨立控制,不排水剪切采用等應變速率控制,剪切速率為0.05 mm/min,當試樣的應變值達到15%時,認為試樣已經不再受力均勻,停止試驗。

試驗包括9個等壓固結不排水三軸實驗,在9個試驗中,均采用300 kPa的反壓,對每一種含氣量的含氣土分別進行有效圍壓的三軸不排水剪切試驗。吸附氮氣沸石量占總固體顆粒質量的比例與試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

2 試驗結果與分析

2.1 含氣量對含氣土抗剪強度的影響

在300 kPa的反壓下,有效圍壓σ′r分別為100,200,300 kPa的應力應變關系如圖5所示。由圖5可知:不同含氣量含氣土的偏應力q—軸向應變ε1關系較為相似,在軸向應變較小時,偏應力快速上升,隨后偏應力隨著應變增加緩慢上升,在軸向應變達到15%時偏應力達到峰值,認為偏應力達到峰值時土體發生破壞。在同一有效圍壓下,不同含氣量的土體破壞強度均不同。取圖5(a～c)中應力應變曲線的峰值作為破壞值qf。含氣土的抗剪強度受到含氣量與圍壓的影響,而含氣量由吸附氮氣沸石量占總固體顆粒質量比例決定。不同含氮氣沸石比例的抗剪強度衰減程度如圖6所示。圖6(a)表示對抗剪強度進行了初始圍壓歸一化的結果,顯示不同含氣量土的抗剪強度不同。由圖6(a)可知:在低反壓下(σ′r=100 kPa),土體的強度下降最為顯著。在高圍壓(σ′r=200,300 kPa)下,含氣土在低含氣量下變化時(φ由0%升至10%)對土體抗剪強度影響較小,而在低圍壓(σ′r=100 kPa)下,對土體抗剪強度影響顯著。含氣土在高含氣量下變化時(φ由10%升至15%),各圍壓下強度變化顯著。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飽和土抗剪強度的弱化情況。φ從0%到10%,當σ′r=100 kPa時,含氣土強度相較于飽和土強度減少了9.5%;當σ′r=200,300 kPa時,含氣土折減強度在13.5%以內。φ從10%升到15%,破壞強度顯著下降,下降幅度在13%,且各圍壓下土體強度折減接近。該現象表明了土體中微小氣泡的存在會對土體的抗剪強度產生不利影響,且不同含氣量對強度折減影響程度不同,含氣量越高,強度折減更加明顯,土體更容易發生破壞。

圖5 不同有效圍壓下的應力應變曲線

圖6 不同含氮氣沸石比例的抗剪強度衰減程度

2.2 含氣量對和Rf的影響

圖7 不同含氮氣沸石比例的比較

飽和土存在三軸加載下豎向應變ε1和偏應力q之間為雙曲線關系[15],表達式為

(1)

也可寫為(ε1/q)-ε1的直線形式,表達式為

(2)

式中:ε1為軸向應變;1/qa為(ε1/q)-ε1斜率;E50對應極限荷載qf50%的割線模量;qf為極限荷載。

細粒含氣土三軸加載試驗所得數據也采用上述直線關系處理,如圖8所示。分別取圖5(a～c)中應力應變曲線中起始點、應力水平達到破壞強度水平70%的點和應力水平達到95%的點,用這3個點繪出式(2)代表的直線[15],發現同樣的直線規律也存在于含氣土,說明該雙曲線模型對含氣土同樣適用。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組試驗的(ε1/q)-ε1直線起點接近,說明各組土樣的初始模量接近,這一點在應力應變曲線中亦有表現。同時,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關系曲線

圖9 σ′r=100,200,300 kPa時不同含氮氣沸石比例含氣土的qa

圖10 σ′r=100,200,300 kPa時不同含氮氣沸石比例含氣土的Rf

表3 含氣土的qa和Rf值

3 結 論

通過沸石的多孔介質導入技術制作重塑細粒含氣土,經過一系列不同有效圍壓的三軸固結不排水剪切試驗,對含氣土的力學特性展開了研究。試驗結果表明:氣泡的存在會明顯改變土體的力學特性,含氣土的抗剪強度與飽和土具有顯著差別。相同條件下,含氣土的抗剪強度低于飽和土的抗剪強度,在低圍壓與高含氣量時,土體強度下降幅度明顯。土體結構中的微小氣泡對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。在低圍壓下,雖然含氣量對剪切模量的影響較小,但是當圍壓較大,超過某一臨界值時,含氣量的增加使參考割線模量顯著下降。不同含氣量、不同圍壓對土體的破壞比影響均不明顯。試驗結果為工程的設計與施工提供了一定參考,可使前期設計更加準確,降低施工風險。