兩種氣體作用下非飽和江邊吹填砂三軸試驗研究

摘要：為了研究非飽合土體中充入空氣或CO2氣體所導致的土樣不同物理力學性質，以長江邊的吹填細砂為對象，通過改變細砂的含水率，往土樣通入空氣和CO2，采用固結不排水三軸試驗分析了兩種不同氣體作用下細砂的應力-應變曲線及抗剪強度指標。研究結果表明：兩種氣體在低圍壓下使得細砂的應力-應變曲線表現為應變軟化型，高圍壓下曲線為硬化型。圍壓作用下充CO2細砂具有低孔隙率和高密實度特征，導致充CO2細砂的抗剪強度大于充空氣的細砂。在高圍壓下，細砂顆粒聯系更加緊密，更多依靠顆粒骨架傳遞應力，使得兩種氣體作用下細砂抗剪強度的差別變小。細砂含水率從4%增至12%時，充CO2細砂的黏聚力是充空氣細砂黏聚力的2.62～4.37倍，據此可在工程建設中對有機質含量高的非飽合細砂充入CO2氣體，以起到加固土體的效果。

關 鍵 詞：CO2； 非飽和土體； 細砂； 含水率； 三軸試驗

中圖法分類號： TU411.6 文獻標志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.027

0 引 言

近年來，極端氣候現象的增加，尤其是夏季高溫少雨時間不斷增多，地下水位持續下降，非飽和土的深度也在增加，非飽和土工程性質的研究成為國內外的熱點［1］。對非飽和土的相關研究始于20世紀50年代［2-4］，隨后非飽和土方面的研究迅猛發展并取得了一定的成果［5-9］。各種關于非飽和土的試驗方法以及抗剪強度相關公式相繼提出［10-11］。姚攀峰等［12］通過模擬不同路徑下的剪切試驗，確定了抗剪強度指標與飽和度的曲線，在得到黏聚力與內摩擦角的同時簡化了計算方法。方薇［13］針對應力水平高但又不易測量吸力的土樣，采用土水特征參數進行非線性抗剪強度的計算。崔宏環等［14］通過考慮吸力強度與塑性指數的關系，結合非飽和土的摩爾-庫倫公式預測土體抗剪強度。這些基于室內試驗的非飽和土強度及其指標的研究成果都是基于土中氣體為空氣的情況，但是在不同地質條件下土中氣體組成并不一致［15］。

當土中含有有機質時，在缺氧狀態下有機質會被厭氧微生物轉化分解生成CO2、H2S、CH4等物質，而O2和N2等氣體又比CO2輕，進一步增加了土中CO2的含量?，F有關于非空氣飽和土的研究集中于非飽和?；浲粒?6］以及甲烷沼氣［17-18］等對土的影響，對于非飽和土中CO2對土三軸強度影響的研究很少。而這些研究都是基于非飽和土的專用儀器，試驗周期長，考慮因素多，同時要配合土水特征曲線進行計算［19-23］，過程復雜，在工程上并不適用，實際工作中依舊采用普通的三軸儀進行試驗。

本文采用GDS應力路徑三軸儀進行三軸試驗，通過分析兩種氣體（空氣、CO2）作用下細砂土的應力-應變曲線，揭示兩種氣體作用下抗剪強度的變化機理，探究抗剪強度指標的變化規律，為工程建設中巖土工程設計參數的取值作參考。

1 試驗材料

試驗土樣取自江蘇省靖江市距離江邊1 km左右的建筑工地，取樣深度為地面以下5 m，土樣的粒徑組成如圖1所示，定名為細砂，計算可得Cu=1，Cc=1，砂樣粒徑集中在0.25～0.1 mm這個區間，不均勻性很強。

2 試驗系統

2.1 試驗儀器

三軸試驗系統采用英國GDS標準應力路徑三軸儀，CO2氣體由CO2生成器產生。將生成的CO2通入土樣下部底座，從土樣上部壓頭逸出，在氣體出口連通一根軟管至水中，通過水中氣泡的產生速率判斷土中氣體是否置換，試驗儀器如圖2所示。試驗土樣為圓柱形，內徑為50 mm，高為100 mm。

2.2 試驗方法

根據GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》進行土工試驗。擊實試驗結果如圖3所示。從圖中可以確定細砂的最大干密度為1.566 g/cm3，考慮到實際工程中細砂很難達到最大干密度，取相對密實度為0.95，細砂的干密度為1.49 g/cm3進行試驗。試驗細砂的含水率分別為4%、8%、12%，控制圍壓在100，200，300，400 kPa下進行細砂樣的三軸固結不排水試驗。而后對試驗土樣通入CO2置換出土中的空氣，控制出氣口每5 s產生一個氣泡，持續0.5 h，可認為砂樣中的空氣已置換完畢，后續砂樣的制備重復上述試驗過程。

3 三軸試驗結果

充空氣試樣的應力-應變關系如圖4所示。從圖中可以看出，不同圍壓以及不同含水率下細砂的應力-應變曲線表現并不一致。圖4（a）中，4%含水率時，初始偏應力的增加會產生較大的應變，且圍壓越大，初始應變越小。在100 kPa圍壓下，初始應變最大達到2.3%，而在8%含水率和12%含水率的情況下則沒有該初始應變產生。這是由于非飽和細砂在固結過程中，細砂中氣體的壓強與外部的圍壓平衡，當偏應力開始增加時，細砂中的一部分氣體溶于水中，同時這部分氣體的孔隙被壓縮，因此出現在很小應力的情況下應變變化很大的現像。同時，隨著圍壓的增加，初始應變值也在減小，這是由于在固結過程中，圍壓增加，孔隙中的壓強也增加，固結階段溶于水的氣體也在增加，到固結結束時，更高圍壓下細砂樣孔隙中溶于水的氣體更少，增加應力后可壓縮的孔隙也變少。當含水率增加時，細砂中的孔隙被水填充，當偏應力增加，溶于水的氣體的孔隙對應變的貢獻幾乎忽略不計，因此在圖4（b）和圖4（c）中沒有觀察到初始應變值。在圍壓下，細砂的應力-應變曲線表現為應變軟化特性，即隨著軸向應變的增加，偏應力表現出先增加后降低的趨勢。但應力-應變曲線的軟化特性并不突出，應力的峰值點并不顯著，在上升到峰值應力后，整體的下降趨勢表現較為平緩，并非呈現陡坡式下降。在高圍壓400 kPa時，細砂的應力-應變曲線則呈現出硬化型，且含水率越高，曲線的硬化特征越明顯。

表1是充空氣細砂在不同圍壓下的抗剪強度。從表中可以看出，隨著含水率的增加，相同圍壓下，細砂的抗剪強度表現為下降的趨勢。當細砂的含水率從4%增加到8%，對應圍壓100，200，300，400 kPa下抗剪強度降低了6.25%、5.15%、5.24%和3.47%。含水率從8%增加到12%，對應圍壓100，200，300，400 kPa下抗剪強度降低了8.33%、11.54、16%、9.6%。這表明，含水率的增加與抗剪強度降低并不呈正比關系。

充CO2氣體試樣的應力-應變關系如圖5所示。從圖中可以看出，當細砂中氣體為CO2時，不同含水率與圍壓下細砂的應力-應變曲線與圖4相似。在圖5（a）中，4%的含水率下，100 kPa和200 kPa下土樣仍然出現了初始應變增加，在300 kPa以后則沒有出現，但是相比氣體為空氣的情況，該階段的產生的初始應變很小，只有0.5%。細砂的應力-應變曲線在100 kPa的低圍壓下依舊為應變-軟化型曲線，但隨著細砂中含水率增加，曲線逐漸往硬化型發展，但是整個曲線變化幅度并不大。而在300 kPa和400 kPa的高圍壓下，細砂一直保持著硬化型的應力-應變曲線。

表2為充CO2細砂的抗剪強度。從表中可以看出，充CO2時細砂的抗剪強度的變化趨勢與細砂中充空氣時一致，即隨著含水率與圍壓增加，細砂的抗剪強度一直減小。對比表1和表2，同樣的圍壓和含水率下，充CO2細砂的抗剪強度都大于充空氣細砂的抗剪強度。但不同圍壓下的增加幅度并不相同，在100～300 kPa這個區間，充CO2細砂的抗剪強度比充空氣細砂大8%以上；當圍壓是200 kPa，含水率是12%時，變化幅度最大達到了24.6%；但是在圍壓400 kPa時，變化幅度普遍偏小，變化范圍都在3%以內。

結合表1和表2可以發現，相同含水率下，充CO2細砂的剪應力隨著圍壓的增加并不是呈現線性變化的，其增加量隨著圍壓的增加而減少。4%含水率下，100～200 kPa、200～300 kPa、300～400 kPa圍壓變幅下，抗剪強度的增加值分別為287，188，155 kPa。同一圍壓區間，不同含水率下的剪應力變化也不一樣，即隨著含水率的增加，抗剪強度的增加幅度在降低，在低圍壓區間表現得特別明顯。在100～200 kPa的圍壓區間，4%、8%、12%的含水率下抗剪強度的增加幅度為285，261，222 kPa。

4 試驗結果分析

抗剪強度指標黏聚力c和內摩擦角ψ是巖土工程設計中不可或缺的參數，其大小的變化直接影響整個工程的設計安全。從表3中可以看出，充空氣細砂的三軸強度擬合都較好，都在0.99以上。如果細砂中是CO2時，擬合結果并不理想，尤其是低含水率時，細砂中含有的CO2最多，擬合結果最差，只有0.9801。

在對充空氣細砂不同含水率的黏聚力比較后發現，含水率的增加會顯著降低細砂的黏聚力。含水率在4%～8%、8%～12%范圍變化時，黏聚力分別降低了7.5，9.0 kPa，降低幅度為17.9%和26.1%。比較不同含水率下充CO2細砂的黏聚力發現，含水率的增加對黏聚力的影響并不顯著，從表3可以看出，含水率在4%～8%、8%～12%范圍增加時，黏聚力降低了2.5，1.0 kPa，降低幅度僅有2.17%、0.90%。對比相同含水率下的黏聚力會發現，細砂中充CO2時的黏聚力遠遠大于細砂中充空氣的黏聚力。在含水率4%、8%、12%時，充CO2細砂的黏聚力分別是充空氣細砂黏聚力的2.74倍、3.26倍、4.37倍。細砂中通CO2后其內摩擦角比細砂中通空氣的小，但是變化并不大，兩者的差值都小于2%。

CO2和空氣在不同壓力下的溶解度不同，其服從亨利系數公式：

Pg=Hx（1）

式中：H為Herry常數，x為氣體摩爾分數溶解度，Pg為氣體的分壓。

式（1）表明在溫度一定時，隨著壓強的增加，氣體的溶解度增大。在25 ℃下，占空氣99%的氮氣和氧氣的亨利系數為8.714 3×104［atm/（mol/m3）］和4.363×104［atm/（mol/m3）］［24］，CO2的亨利系數為1.635 2×103［atm/（mol/m3）］，可見CO2的亨利系數遠小于空氣，相同壓強作用下，CO2的溶解度會大于空氣。

當砂樣的圍壓增加時，充CO2砂樣中的氣體比充空氣砂樣的氣體更多溶解在水中，使得前者的固結更為徹底，砂樣的孔隙率更低，密實度增加，而相同含水率下，密實度越高［25］，土樣的抗剪強度越大，從而得出充CO2細砂的黏聚力更大。在400 kPa下，充空氣細砂與充CO2細砂的抗剪強度相差不大，這是由于高圍壓下，砂樣壓縮固結，但是由于砂樣中細砂顆粒的不均勻系數Cu=1、Cc=1，土體顆粒的粒徑高度集中，細砂顆粒相較于黏土間有更多的空隙，高圍壓下空氣與CO2都被壓縮到該孔隙中，細砂顆粒間聯系更加緊密，從而使得400 kPa圍壓下無論是充空氣細砂或是充CO2細砂的軸向應力都是通過顆粒骨架傳遞，所以兩者的抗剪強度相差不大。

由于CO2的亨利系數和空氣的亨利系數相差了一個量級，因此在相同含水率下，圍壓增加0.1MPa，對空氣的影響較小，而對CO2的影響較大，這就是圍壓增加后相鄰圍壓下抗剪強度的增加量變化的原因，這使得抗剪強度的相關系數較差。

5 結 論

本文對長江邊典型的吹填細砂進行非飽和的三軸試驗研究，對其分別通入空氣和CO2，分析細砂樣的抗剪強度及指標，并得出以下結論。

（1） 低圍壓下，細砂試樣中充CO2或空氣后，其應力-應變曲線表現為應變軟化型，增加圍壓后曲線逐漸變成硬化型。

（2） 不同圍壓下，充CO2細砂的抗剪強度皆大于充空氣細砂。低圍壓下，兩者抗剪強度的差值在8%以上，但在高圍壓下，兩者差值很小，變化幅度僅為3%。

（3） 細砂中充填不同氣體對其內摩擦角的影響并不顯著。細砂含水率從4%增至12%，充CO2細砂黏聚力是充空氣細砂黏聚力的2.62～4.37倍，因此工程建設中可據此對有機質含量高的非飽和細砂充入CO2氣體起到加固效果。

（4） 圍壓作用下CO2氣體對細砂造成的低孔隙率是導致充CO2細砂抗剪強度高于充空氣細砂的重要原因。高圍壓下，氣體壓縮在不均勻級配細砂的孔隙中，顆粒聯系更加緊密，從而使得細砂更多依靠顆粒骨架傳遞應力，這是導致充空氣和充CO2細砂抗剪強度相差不大的又一個重要因素。

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（編輯：鄭 毅）

Triaxial compression test on unsaturated riparian hydraulic fill sand

under action of two gasesWU Yan1，HU Kun2，JIANG Mahuan1，LI Huinan1，PENG Zhe1

（1.Department of Architecture and Environmental Engineering，Changzhou University Huaide College，Taizhou 214500，China； 2.School of Urban Construction，Changzhou University，Changzhou 213164，China）

Abstract： In order to study the different physical and mechanical properties of unsaturated soil filled with air or CO2，this study focused on the hydraulic reclamation fine sand along the Changjiang River.We manipulated water content of the fine sand samples filled with air and CO2 respectively and carried out a consolidated undrained triaxial compression test on them.We analyzed the stress-strain curves and shear strength indexes of the fine sand under the action of air and CO2.The results indicated that the fine sand′s stress-strain curves exhibited a strain softening type under low confining pressure and a hardening type in high confining pressures.Fine sand filled with CO2 had low porosity and high compactness，resulting in greater shear strength compared to fine sand filled with air.In high confining pressures，the fine sand particles were more closely interconnected，and stress transfer was more relied on the particle skeleton，so the difference in shear strength of fine sand under the action of two gases was reduced.Increasing the water content of fine sand from 4% to 12%，the cohesion force of fine sand filled with CO2 were 2.62 to 4.37 times larger than that of fine sand filled with air.The effect of different gases on the internal friction angle of fine sand can not be ignored，which lies a theoretical basis for unsaturated fine sand consolidation by filling CO2 into it.

Key words： CO2；unsaturated soil；fine sand；water content；triaxial compression test

收稿日期：2023-01-03；接受日期：2023-03-14

基金項目：中國博士后科學基金面上項目（2021M703507）；江蘇省產學研合作項目（BY2021208）；泰州市科技支撐計劃（社會發展）項目（SSF20210062）

作者簡介：吳 炎，男，實驗師，碩士，研究方向為環境巖土工程。E-mail：906017607@qq.com