發布時間：2021-05-14所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:基于工程實際，闡述有控放氣和無控放氣條件下含氣土變形特征及應力路徑對含氣土的工程特性的影響，并總結出對應的工程措施。針對含氣土工程特性機制認識不清的難題，介紹含氣土分類及結構特征、力學特征、變形特征等工程特性問題的發展動態與存在的問題
摘要:基于工程實際，闡述有控放氣和無控放氣條件下含氣土變形特征及應力路徑對含氣土的工程特性的影響，并總結出對應的工程措施。針對含氣土工程特性機制認識不清的難題，介紹含氣土分類及結構特征、力學特征、變形特征等工程特性問題的發展動態與存在的問題。綜合研究指出:目前缺少能適用多種復雜應力路徑的抗剪強度公式;本構模型缺乏針對性的理論基礎;沉降模型考慮的因素較少�？偨Y含氣土工程特性現有研究成果，提出未來含氣土工程特性研究方向的相關建議:含氣土的基本物理力學特性研究;各種施工應力路徑下含氣土變形機制研究;列車循環荷載作用下含氣土變形機制研究;波浪荷載作用下海洋含氣土的液化與地質災害研究。
關鍵詞:含氣土;工程特性;抗剪強度;本構模型;沉降模型
0引言
含氣土在世界范圍內廣泛分布，主要集中在五大洲濱海區域以及沖積平原地區[1](見圖1)，濱海及沖積平原因其地理位置等原因常作為核心城市所在地。
近些年來，城市的擴張和藍色經濟空間的拓展為基礎設施建設增添了巨大動力。由于人們對于含氣土的工程力學性質認識不足，在進行地鐵、電站、基坑、大型跨海橋梁、深水港碼頭建設的過程中，遭遇了一些工程事故。這些事故輕者導致建、構筑物喪失正常使用功能，重者造成巨大經濟損失和人員傷亡，例如:美國墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺發生爆炸事故[2];安徽沿江水利設施因含氣土導致地基發生不均勻沉降，造成設施開裂無法使用[3];杭州灣大橋在建設過程中遭遇了氣體噴發致使勘測作業受阻[4];杭州地鐵1號線建設前期勘查鉆探過程中出現多個探孔噴氣、噴水和噴砂現象，噴出的氣體易燃燒且可見明火，噴發后地面出現塌陷[5]。
在含氣土中進行盾構施工存在“氣矛效應”、“氣盾效應”和“擾動活化效應”，這不僅使盾構注漿和防水效果變差，而且有可能會導致地下結構失效[6]，氣體進入管片環縫中導致管片產生附加縱向變形和地層不均勻沉降。天然氣水合物分解會使含氣土固結性變差，在波浪荷載和工程作業擾動下海洋含氣土容易引起海岸滑坡、土體液化、管線上浮等災害事故[7-8]。含氣沉積物通常為不良地基，加之分布具有不均勻性，置于其上的建、構筑物容易產生較大的沉降和不均勻沉降[9]，嚴重威脅工程建設和正常使用。含氣土中氣體多為甲烷、硫化氫、乙烷等易燃易爆和有毒氣體，這為工程勘探和施工以及后期運營帶來了巨大的安全隱患。目前工程上解決上述問題主要是通過預先排氣，但是排氣又會引起不同程度的土層沉降。研究含氣土的工程特性可以指導以含氣土為基礎的建筑工程勘測設計以及為現場施工管理提供理論支撐。
含氣土中氣體的存在可能會改變土的沉降特性、液化特性以及抗剪強度。對于陸域含氣土，施工擾動會引起土中氣體的排出，進一步導致基坑突涌、相鄰建筑物破壞等問題;對于海洋含氣土，在波浪力和機械沖擊的作用下會導致氣體的累積，進而降低其穩定性，嚴重時會引發海底滑坡、油氣井噴、管線上浮甚至破裂等事故。上述問題都涉及到含氣土的變形特征，為減少類似的事故再次發生，有必要針對含氣土的變形特征做進一步研究。隨著工程領域的拓寬，將會有越來越多的工程涉及到含氣土問題，如河湖底泥和深海沉積物的開挖、石油開采、工程降水等[10]�，F有的研究大多集中于含氣土的工程危害及其應對措施，而關于其變形特征的研究較少。本文將從含氣土的分類、力學特性等方面介紹含氣土的基本工程特性，結合抗剪強度理論、本構模型等問題探討含氣土的工程特性，并提出未來含氣土工程特性的研究方向。
1含氣土的分類
含氣土的定義有廣義和狹義之分。廣義上，含氣土是指含有壓力高于大氣壓的封閉氣體或孔隙流體中存在高壓溶解的氣體的土[11]。狹義上，含氣土被普遍認可的有2種。Sobkowicz[12]提出的孔隙中含有高壓氣體或者氣體溶解在高溶解度流體中的土為含氣土。圖2示出Sobkowicz定義的含氣土力學特性與一般非飽和土力學特性的區別。
Wheeler[14]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，分別是:飽和度Sr<40%時氣相連通、水相不連通(見圖3(a));40%85%時水相連通、氣相封閉(見圖3(c))。
Wheeler把水相連通、氣相處于離散分布情況的土定義為含氣土�？梢钥闯�，Wheeler定義的含氣土范圍比Sobkowicz定義的要廣，還包含了常壓和含有低溶解度氣體的土體。雖然Wheeler和Sobkowicz定義含氣土的角度不同，但是都強調了氣相不連續的特點，以此來區別于其他非飽和土。含氣土中的氣體以離散封閉氣泡、溶解氣或氣-水合物3種形式存在，不同的存在形式將會表現出不同的土層特性。
根據土體中離散封閉氣泡尺寸的大小，又可以將含氣土細分為2類:1)氣泡直徑比土體顆粒小，氣泡離散分布于土顆粒的間隙中，一般土骨架不與氣泡直接接觸(見圖4(a))，這種情況不會對土體結構產生影響;2)氣泡的直徑遠大于土顆粒，氣泡與多個土顆粒直接接觸(見圖4(b))，在接觸面處易產生應力集中，氣泡對土顆粒的擠壓作用會使土骨架形態發生改變[15]。Sills等[16]認為封閉氣相的存在導致孔隙流體具有較高的壓縮性，這對含氣土的力學性質會產生較大影響。
2含氣土的工程特征
2.1含氣土的結構特征
含氣土中氣相多以離散氣泡的形式存在于完全飽和的土中，常見于湖泊和海洋沉積物。淺層氣是指淺部沉積物中聚集的主要由甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、硫化氫(H2S)、乙烷(C2H6)等組成的氣體[11]。非飽和土氣相在土體中的賦存狀態可以分為完全連續、部分連續、局部連續和完全封閉4種情況(見表1)，由含氣土和淺層氣藏的特征可知④為含氣土，①和②為淺層氣藏。
在受到外力干擾或生物菌群活動的影響下，上述幾種非飽和土的微觀結構會相互轉變[18]。淺層氣和含氣土的氣體組成成分相同，并且含淺層氣土符合廣義含氣土的定義，也是一類特殊的非飽和土。含淺層氣土和含氣土既有相似性，也有其各自的特點。筆者根據已有的文獻資料總結出了含氣土與含淺層氣土的關系，如圖5所示。
Hong等[19]通過對海洋含氣土進行顯微電鏡掃描，獲得了含氣土的微觀結構(見圖6(a))，利用多孔介質導入技術獲得室內重塑含氣土(見圖6(b))，這對理解含氣土的宏、微觀結構提供了一定的幫助。
2.2含氣土的力學特征
2.2.1含氣土的抗剪強度
含氣土是一種特殊的非飽和土，飽和度較高(一般飽和度Sr>85%)，并且所含孔隙氣相具有特殊性(與大氣隔絕，以封閉氣泡的形式存在，且氣壓力可達到普通大氣壓的5～6倍)。
通常認為非飽和土為三相組成，即土顆粒、液相水、氣相空氣或其他特殊氣體。一些學者認為非飽和土還應包含水-氣分界面或收縮膜。氣相的存在使得土體中的孔隙流體能夠被壓縮，這使得非飽和土的力學性質異常復雜。段曉夢等[20]認為將非飽和土分為六相(增加了固態孔隙水和膠質)有利于定性地描述巖土體的結構特點，但是六相劃分法會使得各個參數之間的關系十分復雜，不利于定量計算。非飽和土中孔隙水壓uw和孔隙氣壓ua一般不相等，二者作用在彎液面上的壓力差值即基質吸力�；|吸力反映了土對水分的吸持能力，它通過收縮膜的表面張力影響非飽和土的抗剪強度。理論上講，孔隙水壓uw、孔隙氣壓ua和總應力σ這3個應力變量中的任意兩兩組合都可以表達土的應力狀態(見表2)，其中以(σ-ua)和(ua-uw)的組合應用最為廣泛。
含氣土的力學性質比飽和土復雜得多，在飽和土中被廣泛使用的摩爾-庫侖準則在受基質吸力影響的非飽和土中并不適用。一些學者基于基質吸力等因素研究了非飽和土的抗剪強度性質，如表3所示。
雖然國內外眾多學者根據試驗結果或理論推導得出了若干含氣土的抗剪強度公式，但是由于含氣土具有分散性和區域性，上述所提及的抗剪強度公式并沒有得到廣泛地驗證。同時，需要認識到含氣土與一般非飽和土的區別，含氣土中氣體封閉，氣壓值ua難以測量，將(σ-ua)和(ua-uw)作為抗剪強度變量是否合理還需要進一步驗證。非飽和土由于其自身的力學復雜性，影響抗剪強度的因素較多，雖然吸力理論和有效應力原理得到了廣泛應用，但仍不能完全解釋非飽和土強度構成機制。含氣土的強度理論可以借鑒非飽和土力學已有的研究成果，但也必須意識到含氣土的特殊性才能獲得更加理想的抗剪強度理論。
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盡管含氣土屬于三相非飽和土，但是與一般非飽和土在三相狀態上有所不同。普通非飽和土中氣相多為空氣，且孔隙氣相與大氣相連;含氣土中的氣相多為封閉狀態的甲烷等氣體。甲烷等氣體在低溫高壓下與水易形成亞穩態的氣-水合物，當外界環境發生改變或被擾動，氣-水合物就會分解釋放出大量氣體。含氣土與一般非飽和土最大的區別在于其氣相賦存特性，含氣土的氣體壓力遠大于常規大氣壓，最高可達0.6MPa。土體中三相所處的狀態以及三相之間的比例發生改變都會影響含氣土的工程力學性質和變形演化特性。Hong等[19]揭示了含氣黏土2種“氣泡-骨架”相互作用的機制，在低水深下氣泡對土骨架存在加強效應(見圖7)，高水深下氣泡對土骨架具有損傷效應(見圖8)。
孔亮等[29]、劉文卓[30]根據太沙基有效應力原理指出，當天然氣-水合物分解時，氣體聚集在海洋含氣土中，孔隙水壓力迅速增加，土體有效應力減小，最終導致海洋含氣土發生液化失穩破壞。韓珠峰[31]發現含氣量越大，含氣砂床孔壓消散越慢，超孔隙水壓幅值越小，土體滲透性也越小。由此可以看出，在外部荷載不變的情況下，氣體的累積和釋放改變了孔隙水壓，又間接影響了土骨架的有效應力。土骨架、水和氣三者之間相互作用，共同決定著含氣土的抗剪強度。
2.2.2含氣土的本構模型
土的本構關系是土的力學3大基本方程之一，也是有限元數值模擬分析的基礎。提出合理的本構模型有助于讓巖土工作者認識土應力-應變之間的關系，從而科學合理地預測巖土體的沉降變形。
Wheeler[32]針對含大氣泡的含氣土，把含氣土看成飽和土包圍孤立氣泡的混合物，建立了最早的含氣土本構模型(見圖9);Rowe等[33]提出了一個適用于非飽和土的彈塑性模型;Pietruszczak等[18]以Wheeler的含氣土理想模型為基礎，將含有小氣泡的含氣土中的氣相和液相看成可壓縮的流體，并且考慮了氣泡平均半徑的影響，建立了含封閉小氣泡本構模型;Harris等[34]建立了一個能夠描述含氣土總應力和溫度變化引起孔隙水壓變化的二維模型;Sultan等[35]從土體微觀變形角度建立了可以考慮體變的本構模型，該模型可用來描述深水取樣過程中總應力降低、氣體逸散和膨脹所造成的結構破壞的情況;王勇[36]建立了含氣砂土放氣應力路徑下固、液、氣三相耦合的本構模型，并通過數值模擬方法驗證了該模型的有效性;Grozic等[37]基于改進的劍橋模型提出了能夠確定細粒含氣土不排水剪切強度的本構模型，該模型能夠描述初始飽和度對含氣土抗剪強度及變形的影響;Wichman[38]基于一維有限應變固結理論提出了適用于含氣污泥的本構模型;張立[39]通過引入多個參數建立了能同時考慮固-液耦合作用、吸力和剪切影響的含氣土本構模型，但是該模型的參數多達12個，這種多參數模型在確定各參數時的復雜性可能會限制其廣泛應用;袁慶盟等[40]基于砂土和黏土的統一硬化模型，建立了能反映含氣土強度、剪縮硬化和剪脹軟化的彈塑性本構模型;Gao等[41]基于劍橋模型提出了一個能夠描述土壤塑性硬化和抗剪強度的含氣土連續性本構模型，該模型能夠同時考慮氣泡對細粒含氣土土骨架的加強效應和損傷效應;Hong等[28，19]對含氣黏土的屈服特性、流動特性等性質進行了細致深入的研究，建立了三維彈塑性本構模型，該模型參數少且預測效果較好。——論文作者：丁智1，2，鄭海洋1，馮叢烈1，2，張霄2
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