丁 智，鄭海洋，馮叢烈，張 霄

(1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙大城市學(xué)院土木工程系，浙江 杭州 310015)

0 引言

含氣土在世界范圍內(nèi)廣泛分布，主要集中在五大洲濱海區(qū)域以及沖積平原地區(qū)[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。

圖1 世界濱海海洋含氣沉積物分布

近些年來，城市的擴(kuò)張和藍(lán)色經(jīng)濟(jì)空間的拓展為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增添了巨大動(dòng)力。由于人們對(duì)于含氣土的工程力學(xué)性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足，在進(jìn)行地鐵、電站、基坑、大型跨海橋梁、深水港碼頭建設(shè)的過程中，遭遇了一些工程事故。這些事故輕者導(dǎo)致建、構(gòu)筑物喪失正常使用功能，重者造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，例如：美國(guó)墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺(tái)發(fā)生爆炸事故[2]；安徽沿江水利設(shè)施因含氣土導(dǎo)致地基發(fā)生不均勻沉降，造成設(shè)施開裂無法使用[3];杭州灣大橋在建設(shè)過程中遭遇了氣體噴發(fā)致使勘測(cè)作業(yè)受阻[4]；杭州地鐵1號(hào)線建設(shè)前期勘查鉆探過程中出現(xiàn)多個(gè)探孔噴氣、噴水和噴砂現(xiàn)象，噴出的氣體易燃燒且可見明火，噴發(fā)后地面出現(xiàn)塌陷[5]。

在含氣土中進(jìn)行盾構(gòu)施工存在“氣矛效應(yīng)”、“氣盾效應(yīng)”和“擾動(dòng)活化效應(yīng)”，這不僅使盾構(gòu)注漿和防水效果變差，而且有可能會(huì)導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)失效[6]，氣體進(jìn)入管片環(huán)縫中導(dǎo)致管片產(chǎn)生附加縱向變形和地層不均勻沉降。天然氣水合物分解會(huì)使含氣土固結(jié)性變差，在波浪荷載和工程作業(yè)擾動(dòng)下海洋含氣土容易引起海岸滑坡、土體液化、管線上浮等災(zāi)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(gòu)筑物容易產(chǎn)生較大的沉降和不均勻沉降[9]，嚴(yán)重威脅工程建設(shè)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(yùn)營(yíng)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(yù)先排氣，但是排氣又會(huì)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(dǎo)以含氣土為基礎(chǔ)的建筑工程勘測(cè)設(shè)計(jì)以及為現(xiàn)場(chǎng)施工管理提供理論支撐。

含氣土中氣體的存在可能會(huì)改變土的沉降特性、液化特性以及抗剪強(qiáng)度。對(duì)于陸域含氣土，施工擾動(dòng)會(huì)引起土中氣體的排出，進(jìn)一步導(dǎo)致基坑突涌、相鄰建筑物破壞等問題；對(duì)于海洋含氣土，在波浪力和機(jī)械沖擊的作用下會(huì)導(dǎo)致氣體的累積，進(jìn)而降低其穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)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(fā)生，有必要針對(duì)含氣土的變形特征做進(jìn)一步研究。隨著工程領(lǐng)域的拓寬，將會(huì)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]。現(xiàn)有的研究大多集中于含氣土的工程危害及其應(yīng)對(duì)措施，而關(guān)于其變形特征的研究較少。本文將從含氣土的分類、力學(xué)特性等方面介紹含氣土的基本工程特性，結(jié)合抗剪強(qiáng)度理論、本構(gòu)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(rèn)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(xué)特性與一般非飽和土力學(xué)特性的區(qū)別。

圖2 含氣土與一般非飽和土力學(xué)特性的區(qū)別[13]

Wheeler[14]根據(jù)不同飽和度情況下氣、水、土骨架之間的關(guān)系給出了3種非飽和土類型，分別是：飽和度Sr<40%時(shí)氣相連通、水相不連通(見圖3(a))；40%85%時(shí)水相連通、氣相封閉(見圖3(c))。

(a)氣相連通、水相不連通 (b)氣相和水相都連通 (c)水相連通、氣相封閉

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(qiáng)調(diào)了氣相不連續(xù)的特點(diǎn)，以此來區(qū)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(huì)表現(xiàn)出不同的土層特性。

根據(jù)土體中離散封閉氣泡尺寸的大小，又可以將含氣土細(xì)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(huì)對(duì)土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；2)氣泡的直徑遠(yuǎn)大于土顆粒，氣泡與多個(gè)土顆粒直接接觸(見圖4(b))，在接觸面處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，氣泡對(duì)土顆粒的擠壓作用會(huì)使土骨架形態(tài)發(fā)生改變[15]。Sills等[16]認(rèn)為封閉氣相的存在導(dǎo)致孔隙流體具有較高的壓縮性，這對(duì)含氣土的力學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生較大影響。

(a)離散小氣泡 (b)離散大氣泡

2 含氣土的工程特征

2.1 含氣土的結(jié)構(gòu)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(tài)可以分為完全連續(xù)、部分連續(xù)、局部連續(xù)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。

表1 非飽和土氣相賦存狀態(tài)分類[17]

在受到外力干擾或生物菌群活動(dòng)的影響下，上述幾種非飽和土的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)相互轉(zhuǎn)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(diǎn)。筆者根據(jù)已有的文獻(xiàn)資料總結(jié)出了含氣土與含淺層氣土的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 含氣土與含淺層氣土關(guān)系

Hong等[19]通過對(duì)海洋含氣土進(jìn)行顯微電鏡掃描，獲得了含氣土的微觀結(jié)構(gòu)(見圖6(a))，利用多孔介質(zhì)導(dǎo)入技術(shù)獲得室內(nèi)重塑含氣土(見圖6(b))，這對(duì)理解含氣土的宏、微觀結(jié)構(gòu)提供了一定的幫助。

(a)含氣土顯微掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)

2.2 含氣土的力學(xué)特征

2.2.1 含氣土的抗剪強(qiáng)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(dá)到普通大氣壓的5～6倍)。

通常認(rèn)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(xué)者認(rèn)為非飽和土還應(yīng)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(xué)性質(zhì)異常復(fù)雜。段曉夢(mèng)等[20]認(rèn)為將非飽和土分為六相(增加了固態(tài)孔隙水和膠質(zhì))有利于定性地描述巖土體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但是六相劃分法會(huì)使得各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系十分復(fù)雜，不利于定量計(jì)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(zhì)吸力?；|(zhì)吸力反映了土對(duì)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(qiáng)度。理論上講，孔隙水壓uw、孔隙氣壓ua和總應(yīng)力σ這3個(gè)應(yīng)力變量中的任意兩兩組合都可以表達(dá)土的應(yīng)力狀態(tài)(見表2)，其中以(σ-ua)和(ua-uw)的組合應(yīng)用最為廣泛。

表2 非飽和土應(yīng)力狀態(tài)的變量組合

含氣土的力學(xué)性質(zhì)比飽和土復(fù)雜得多，在飽和土中被廣泛使用的摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則在受基質(zhì)吸力影響的非飽和土中并不適用。一些學(xué)者基于基質(zhì)吸力等因素研究了非飽和土的抗剪強(qiáng)度性質(zhì)，如表3所示。

表3 非飽和土抗剪強(qiáng)度研究

雖然國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果或理論推導(dǎo)得出了若干含氣土的抗剪強(qiáng)度公式，但是由于含氣土具有分散性和區(qū)域性，上述所提及的抗剪強(qiáng)度公式并沒有得到廣泛地驗(yàn)證。同時(shí)，需要認(rèn)識(shí)到含氣土與一般非飽和土的區(qū)別，含氣土中氣體封閉，氣壓值ua難以測(cè)量，將(σ-ua)和(ua-uw)作為抗剪強(qiáng)度變量是否合理還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。非飽和土由于其自身的力學(xué)復(fù)雜性，影響抗剪強(qiáng)度的因素較多，雖然吸力理論和有效應(yīng)力原理得到了廣泛應(yīng)用，但仍不能完全解釋非飽和土強(qiáng)度構(gòu)成機(jī)制。含氣土的強(qiáng)度理論可以借鑒非飽和土力學(xué)已有的研究成果，但也必須意識(shí)到含氣土的特殊性才能獲得更加理想的抗剪強(qiáng)度理論。

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(tài)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(tài)的甲烷等氣體。甲烷等氣體在低溫高壓下與水易形成亞穩(wěn)態(tài)的氣-水合物，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生改變或被擾動(dòng)，氣-水合物就會(huì)分解釋放出大量氣體。含氣土與一般非飽和土最大的區(qū)別在于其氣相賦存特性，含氣土的氣體壓力遠(yuǎn)大于常規(guī)大氣壓，最高可達(dá)0.6 MPa。土體中三相所處的狀態(tài)以及三相之間的比例發(fā)生改變都會(huì)影響含氣土的工程力學(xué)性質(zhì)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(jī)制，在低水深下氣泡對(duì)土骨架存在加強(qiáng)效應(yīng)(見圖7)，高水深下氣泡對(duì)土骨架具有損傷效應(yīng)(見圖8)。

(a)受力前

(a)受力前

孔亮等[29]、劉文卓[30]根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理指出，當(dāng)天然氣-水合物分解時(shí)，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(yīng)力減小，最終導(dǎo)致海洋含氣土發(fā)生液化失穩(wěn)破壞。韓珠峰[31]發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(qiáng)度。

2.2.2 含氣土的本構(gòu)模型

土的本構(gòu)關(guān)系是土的力學(xué)3大基本方程之一，也是有限元數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)。提出合理的本構(gòu)模型有助于讓巖土工作者認(rèn)識(shí)土應(yīng)力-應(yīng)變之間的關(guān)系，從而科學(xué)合理地預(yù)測(cè)巖土體的沉降變形。

Wheeler[32]針對(duì)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(gòu)模型(見圖9)；Rowe等[33]提出了一個(gè)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(chǔ)，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(gòu)模型；Harris等[34]建立了一個(gè)能夠描述含氣土總應(yīng)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(gòu)模型，該模型可用來描述深水取樣過程中總應(yīng)力降低、氣體逸散和膨脹所造成的結(jié)構(gòu)破壞的情況；王勇[36]建立了含氣砂土放氣應(yīng)力路徑下固、液、氣三相耦合的本構(gòu)模型，并通過數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了該模型的有效性；Grozic等[37]基于改進(jìn)的劍橋模型提出了能夠確定細(xì)粒含氣土不排水剪切強(qiáng)度的本構(gòu)模型，該模型能夠描述初始飽和度對(duì)含氣土抗剪強(qiáng)度及變形的影響；Wichman[38]基于一維有限應(yīng)變固結(jié)理論提出了適用于含氣污泥的本構(gòu)模型；張立[39]通過引入多個(gè)參數(shù)建立了能同時(shí)考慮固-液耦合作用、吸力和剪切影響的含氣土本構(gòu)模型，但是該模型的參數(shù)多達(dá)12個(gè)，這種多參數(shù)模型在確定各參數(shù)時(shí)的復(fù)雜性可能會(huì)限制其廣泛應(yīng)用；袁慶盟等[40]基于砂土和黏土的統(tǒng)一硬化模型，建立了能反映含氣土強(qiáng)度、剪縮硬化和剪脹軟化的彈塑性本構(gòu)模型；Gao等[41]基于劍橋模型提出了一個(gè)能夠描述土壤塑性硬化和抗剪強(qiáng)度的含氣土連續(xù)性本構(gòu)模型，該模型能夠同時(shí)考慮氣泡對(duì)細(xì)粒含氣土土骨架的加強(qiáng)效應(yīng)和損傷效應(yīng)；Hong等[28,19]對(duì)含氣黏土的屈服特性、流動(dòng)特性等性質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致深入的研究，建立了三維彈塑性本構(gòu)模型，該模型參數(shù)少且預(yù)測(cè)效果較好。

圖9 含氣土理想模型[32]

近年來，基于物理守恒定律、經(jīng)典非平衡熱力學(xué)理論和流體力學(xué)理論的建模方法備受關(guān)注。一些學(xué)者關(guān)注到溫度對(duì)含氣土力學(xué)性質(zhì)的影響，開始嘗試將熱力學(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決含氣土的本構(gòu)問題。Yang等[42]基于熱力學(xué)原理提出了能考慮氣體對(duì)土骨架塑性變形影響的細(xì)粒含氣土熱力學(xué)模型，該模型能夠較好地描述含氣土的固結(jié)和不排水剪切特性。

含氣土的力學(xué)性質(zhì)非常復(fù)雜，包含了非線性、彈塑性、壓硬性、剪脹性、應(yīng)變軟化和應(yīng)力路徑相關(guān)性等特性。要求一個(gè)本構(gòu)模型能同時(shí)描述含氣土所有的力學(xué)特性是不現(xiàn)實(shí)的。由上述研究可知，含氣土本構(gòu)模型能夠考慮的因素和描述的力學(xué)特性越來越多，但是本構(gòu)模型大多是對(duì)傳統(tǒng)模型的拓展和豐富，要建立更合適的本構(gòu)模型還缺乏更具有針對(duì)性的理論基礎(chǔ)。

2.3 含氣土的變形特征

2.3.1 研究現(xiàn)狀

按照放氣措施的有無以及對(duì)含氣土層的擾動(dòng)程度，將含氣土的變形分為2類：1)無控放氣條件下含氣土的變形；2)有控放氣條件下含氣土的變形。最開始土木工程領(lǐng)域關(guān)注含氣土主要是因?yàn)橐巴饪睖y(cè)以及工程災(zāi)害，因此，早期的研究大都集中于第1類問題。

謝承玉[3]基于安徽市水利建設(shè)工程提出淺層氣的存在對(duì)水工建筑的影響；唐益群等[43]研究了淺層沼氣賦存特征及其對(duì)地下工程的影響，闡釋了粉砂層中沼氣賦存的分帶性；趙小輝[44]分析了淺層氣對(duì)杭州地鐵施工的影響模式，提出底板壓力不足以抵抗氣壓力時(shí)會(huì)出現(xiàn)底板突涌；郭愛國(guó)等[45]結(jié)合杭州地鐵1號(hào)線勘探作業(yè)中遭遇氣體噴發(fā)并燃燒的現(xiàn)象，指出高壓氣體無控制措施釋放時(shí)會(huì)造成地基砂土層和軟土層劇烈擾動(dòng)，引起地基附加沉降和差異沉降；盧浩等[46]對(duì)含氣地層中氣體釋放對(duì)盾構(gòu)穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究，給出了排氣井中氣體釋放引起的地層變形圖。

無控放氣會(huì)引起含氣土水、氣滲流問題，郭愛國(guó)等[47]指出無控放氣下含氣土破壞的本質(zhì)是“滲透破壞”。氣和水都是流體，在水、氣移運(yùn)過程中二者處于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。如果前期氣體釋放過快，水相移運(yùn)會(huì)阻礙甚至中斷氣相的流動(dòng)，出現(xiàn)“賈敏效應(yīng)”[48]。

含氣土層中的氣壓可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的數(shù)倍，在較大氣體壓力作用下，含氣砂土的有效應(yīng)力要遠(yuǎn)低于上覆土的自重應(yīng)力，這必然使得土的結(jié)構(gòu)疏松。在氣體釋放后，有效應(yīng)力迅速增大，含氣土層會(huì)產(chǎn)生較大的沉降量，導(dǎo)致基礎(chǔ)下沉和承載能力降低[49]。尤其在氣體急劇釋放時(shí)，高速氣流必然會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)和沖刷作用。含氣土層中的氣流和水流也會(huì)導(dǎo)致含氣土層發(fā)生滲流破壞，甚至出現(xiàn)含氣層土顆粒被氣體大量帶出，引起上覆土體產(chǎn)生緩慢沉降或坍塌，最終導(dǎo)致樁體傾斜和承載能力大幅度減小。由于含氣砂層承受著較大的上覆土層自重壓力，當(dāng)發(fā)生氣體急劇釋放時(shí)，會(huì)使底部砂土層發(fā)生不可恢復(fù)的壓縮變形進(jìn)而導(dǎo)致地基土層產(chǎn)生較大的沉降。含氣土氣相賦存一般分布不均、不連續(xù)[50]，且大多數(shù)以囊狀形式存在，在附加應(yīng)力作用下不同部位的土層的變形不同會(huì)導(dǎo)致建筑物的差異沉降[45]。差異沉降容易對(duì)建筑物造成破壞或使其喪失使用功能，目前對(duì)該問題的研究多基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，只有一些描述性的結(jié)論，缺乏系統(tǒng)的理論進(jìn)行說明。

自20世紀(jì)70年代，在我國(guó)長(zhǎng)江流域水利設(shè)施建設(shè)、沿海地區(qū)地下空間開發(fā)利用以及杭州灣跨海大橋等大型工程的建設(shè)中，都相繼出現(xiàn)過因含淺層氣土氣體釋放導(dǎo)致的諸如不均勻沉陷、樁基承載力下降、地基失穩(wěn)以及誘發(fā)管涌、流土等工程事故，含淺層氣土的巖土工程危害性逐步被人們所認(rèn)知。繼而針對(duì)含氣土層的賦存特征、土層特性和成災(zāi)機(jī)制展開了研究，并取得了卓有成效的研究成果[27]。在工程實(shí)踐中經(jīng)過不斷摸索，提出了諸如在施工前預(yù)先布設(shè)排氣井、同步同向施工[51]、通過調(diào)整井口閘閥控制出口壓力及流速進(jìn)行有控制性緩慢放氣的防災(zāi)減災(zāi)措施[52]，但這些工程措施引起的含氣地層沉降一直是工程中最為關(guān)心且尚未得到完全解決的問題之一[53]。

唐益群等[54]探討了淺層沼氣的賦存特征、移運(yùn)規(guī)律及其對(duì)工程建設(shè)的影響。王勇等在研究含淺層氣地層有控放氣措施下的一維變形問題時(shí)指出,有控放氣措施下，因氣體釋放所導(dǎo)致的含氣地層沉降沿原始?xì)獠睾穸茸陨隙乱来芜f減[55-56]；根據(jù)含氣砂土試樣體變與孔隙壓力之間的變化曲線得出結(jié)論,儲(chǔ)氣砂試樣體變值與氣體壓力值呈正相關(guān)關(guān)系，初始?xì)鈮涸酱髣t試樣體變?cè)酱骩36]。

氣體釋放過快會(huì)導(dǎo)致超孔壓上升，有效應(yīng)力急劇下降，固相顆粒容易被氣流和水流帶出，引起土體損失和地層的擾動(dòng)，導(dǎo)致沉降變形過大。施工前必須采取措施有控制性地超前釋放氣體，給土體足夠的時(shí)間恢復(fù)強(qiáng)度，盡量避免土層急劇擾動(dòng)使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。可以在放氣的同時(shí)對(duì)含氣土層“人為補(bǔ)充水”，緩解土體有效應(yīng)力急劇增大帶來的地面沉降。盡可能采用較小的放氣速率，使砂性土層中的氣體壓力盡可能降低或者將氣體放完，以避免工程事故的發(fā)生。

2.3.2 含氣土的剪脹、剪縮特性

剪脹、剪縮是含氣土變形特性的重要內(nèi)容，對(duì)含氣土剪脹、剪縮特性的研究有助于解決本構(gòu)模型無法全面反映含氣土的變形機(jī)制的問題。

含氣土的剪脹、剪縮方程主要由平均有效應(yīng)力與有效固結(jié)壓力之比控制，一些學(xué)者由此提出了預(yù)測(cè)含氣土剪脹、剪縮特性的方程，如表4所示。

表4 含氣土剪脹、剪縮研究

王寶龍等[58]通過研究不同排氣狀態(tài)下非飽和土的軸變和體變關(guān)系，認(rèn)為非飽和土出現(xiàn)剪脹的原因是：在外力作用下非飽和土氣相壓力增大，各組分之間的位置發(fā)生改變，原本平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生不可恢復(fù)性變形(見圖10)。Sultan等[57]、Hight等[59]認(rèn)為氣泡在高壓環(huán)境下可能會(huì)引起土體不連續(xù)、微裂紋的形成和土骨架坍塌，進(jìn)一步導(dǎo)致剪縮現(xiàn)象的出現(xiàn)；劉文卓[30]認(rèn)為含氣土剪脹是在軸向荷載作用下顆粒間發(fā)生錯(cuò)位滑移，導(dǎo)致體積膨脹的結(jié)果。

(a)氣壓力增加

2.3.3 含氣土多種應(yīng)力路徑下的變形特性

由土力學(xué)知識(shí)可知，土體的曲線與應(yīng)力歷史和加卸荷路徑有關(guān)。在施工過程中處在不同空間位置上的含氣土經(jīng)歷了不同的應(yīng)力路徑，其變形特征也有很大的差別，因此，有必要研究含氣土在多種應(yīng)力路徑下的變形特征。含氣土形成過程中經(jīng)歷了脫濕的過程，氣體釋放是含氣土在工程中最普遍的一條應(yīng)力路徑，以往關(guān)于含氣土應(yīng)力路徑與變形特征的研究多集中于這2條應(yīng)力路徑。

王勇等通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)氣砂土層氣壓力越高，因氣體釋放產(chǎn)生的土層變形越大，并指出有控放氣可以減小含氣土層的變形[36]；指出砂土在不同的應(yīng)力水平下的脫濕過程中均表現(xiàn)出收縮特性，且收縮變形與應(yīng)力水平呈負(fù)相關(guān)[55]。在有控放氣措施下，儲(chǔ)氣砂土濕化所引起的變形量較小。就滿足工程沉降要求而言，可以不考慮濕化過程中由吸力或飽和度減小引起的含氣砂土變形。在排氣的初期，土的變形速率較大，但隨著排氣過程的進(jìn)行，變形速率越來越小。在地鐵建設(shè)工程中有時(shí)會(huì)發(fā)生氣體釋放完后又產(chǎn)生回聚的現(xiàn)象。唐益群等[60]發(fā)現(xiàn)氣體回聚過程產(chǎn)生的變形比氣體釋放過程中土樣產(chǎn)生的變形要小得多，氣體回聚后再釋放產(chǎn)生的變形也很小。研究發(fā)現(xiàn)，氣體釋放過程中應(yīng)變與有效應(yīng)力之間滿足對(duì)數(shù)關(guān)系:

y1=k1lnx1+b1。

(1)

氣體釋放過程中應(yīng)變y2與時(shí)間x2之間滿足對(duì)數(shù)關(guān)系:

y2=k2lnx2+b2。

(2)

式(1)—(2)中：k1、k2、b1和b2均為曲線擬合參數(shù)。

由y2表達(dá)式可知，排氣速度越慢，土體變形速度越慢，這可以作為有控放氣減小沉降的依據(jù)。

鐘方杰[61]研究了儲(chǔ)氣砂土在主動(dòng)壓縮、被動(dòng)壓縮和有控放氣等6種應(yīng)力路徑下的變形情況。在不同的應(yīng)力路徑剪切試驗(yàn)中，圍壓的變化方向與試樣應(yīng)力應(yīng)變特征密切相關(guān)。圍壓增加會(huì)誘導(dǎo)試樣發(fā)生應(yīng)變硬化，圍壓減小則會(huì)誘導(dǎo)試樣產(chǎn)生應(yīng)變軟化的趨勢(shì)，如圖11所示。

圖11 剪切中圍壓變化與硬化特性關(guān)系[61]

2.3.4 含氣土層沉降量的預(yù)估

在含氣土相關(guān)工程中最重要的、也是工程人員最關(guān)心的問題就是工后沉降。過大的沉降不僅難以滿足施工的要求，而且還會(huì)引起建筑物的下沉、開裂、軸線偏移等問題，影響其正常使用。

孔令偉等[49]基于無控放氣條件下地層變形的程度將影響區(qū)域劃分為劇烈擾動(dòng)區(qū)、嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)、輕微擾動(dòng)區(qū)和含氣壓密區(qū)，從“劇烈擾動(dòng)區(qū)”到“含氣壓密區(qū)”土體擾動(dòng)程度逐漸減小，地表沉降量逐漸減小，整體呈現(xiàn)為“盆狀”。盧浩等[46]在研究含氣土氣體釋放對(duì)盾構(gòu)穩(wěn)定性影響時(shí)，認(rèn)為氣體泄漏點(diǎn)造成的地層沉降可以很好地用自然對(duì)數(shù)曲線來預(yù)測(cè)：

(3)

y=(0.322ymax+0.964)ln(1+x)-ymax。

(4)

式(3)—(4)中：ymax為豎向最大沉降；Δe為孔隙比變化量；H為單個(gè)含氣土層的厚度；e0為氣體釋放前含氣土層孔隙比；y為任一點(diǎn)的豎向沉降。

由式(4)可知，土層最大豎向位移發(fā)生在靠近排氣井底部的位置，隨著氣體的釋放，地層會(huì)形成以排氣井為中心的“漏斗”形沉降盆，如圖12所示。

圖12 排氣井中氣體釋放引起的地層變形圖

胡新國(guó)[62]基于雙應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度理論結(jié)合土層壓縮變形公式，給出了含氣土地表沉降預(yù)測(cè)公式：

(5)

式中：as為與基質(zhì)吸力相對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)；av為與凈應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)。

式(4)和(5)都是基于單一均質(zhì)土層，而現(xiàn)實(shí)中含氣土多呈層狀或條帶狀分布，以上公式能否應(yīng)用于工程實(shí)際還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

鐘方杰[61]指出含氣土層氣體的逸散是地層發(fā)生沉降的原因，地層沉降的發(fā)源處為含氣砂層頂部，在此基礎(chǔ)上給出了含氣土層最大沉降S、地面最大沉降S′分別與氣藏埋深L之間存在如下關(guān)系：

S=-1.25L+70.833；

(6)

S′=-1.275L+67.083。

(7)

王勇等[55]發(fā)現(xiàn)在有控放氣條件下，由含氣土氣體釋放所引起的地層沉降可視為K0狀態(tài)下的一維固結(jié)問題，借鑒飽和土地基沉降的分層總和法得出氣體釋放引起的地層沉降

(8)

式中：at為與凈平均應(yīng)力增量相對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)；Δpc為氣體釋放前后基質(zhì)吸力的改變量。

含氣土氣體釋放引起的沉降與許多因素有關(guān)，如氣藏深度、氣藏厚度、放氣的速率、土質(zhì)等。上述沉降模型一般只考慮了1～2個(gè)因素，無法全面地反映各因素在最終沉降中所占比例。因此，需要提出能夠考慮多種因素的新的沉降模型，滿足工程對(duì)工后沉降的預(yù)測(cè)需求。

3 含氣土工程特性的研究方法

3.1 單元體試驗(yàn)

含氣土在上部水壓力的作用下，能夠較為穩(wěn)定地存在，但是在外力作用下氣體容易發(fā)生脫溶、分解、逸散，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。這導(dǎo)致一般很難取得未受擾動(dòng)的原狀含氣土。雖然國(guó)外有學(xué)者研發(fā)出能夠取得原狀土的器具[63-64]，但是原狀含氣土室內(nèi)試驗(yàn)仍存在取樣困難、運(yùn)輸過程中易擾動(dòng)、試驗(yàn)條件要求高等問題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)含氣土取樣擾動(dòng)程度定量評(píng)測(cè)方法[65]的研究不多，上述這些因素促使國(guó)內(nèi)外研究人員轉(zhuǎn)向采用模擬制備含氣土試樣，進(jìn)行單元體以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法研究含氣土的工程特性。

要對(duì)含氣土進(jìn)行室內(nèi)單元體試驗(yàn)研究，首先就會(huì)涉及到含氣土試樣的制備。同一試驗(yàn)材料，不同的試樣制備方法可能得到2種相反的結(jié)果。郭瑩等[66]在對(duì)比研究不同成樣方法對(duì)飽和中砂的不排水試驗(yàn)影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，三軸試驗(yàn)結(jié)果受成樣方法的影響很大；劉文卓[30]指出成樣方法、成模工具、端部摩阻力、試驗(yàn)用水等因素都會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，并建議對(duì)同一種含氣砂土的一系列三軸試驗(yàn)采用同一種方法進(jìn)行制樣；鐘方杰[61]認(rèn)為含氣土水下成樣法具有容易滿足飽和度要求、無需移動(dòng)試樣即可試驗(yàn)、能較好地模擬細(xì)砂的自然沉降結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

Nageswaran[67]在高壓下用甲烷飽和沸石粉末，然后將吸附甲烷的飽和沸石與濕土混合，利用水與沸石之間強(qiáng)大吸附力置換出甲烷,并在試樣中形成氣泡制備含氣土；唐益群等[54]、孔令偉等[68]采用逐步驅(qū)替法模擬制備氣泡自由分布的含氣土試樣，但是制得的試樣的初始飽和度較低；Sobkowikz[12]采用CO2飽和水飽和試樣，逐級(jí)降低圍壓使CO2釋放以此制備含氣土；Hyodo[69]將天然氣和水在低溫高壓條件下混合并壓實(shí)，制備了含有天然氣水合物的試樣；Grozic等[37]采用與Sobkowikz類似的方法，通過逐級(jí)減小反壓制備含氣土試樣；Sills等[16]利用微生物分解有機(jī)物釋放氣體，制得了含生物氣的含氣土試樣；Cristancho等[70]采用過氧化氫(H2O2)誘導(dǎo)土中的有機(jī)物氧化來制備含氣土，避免了對(duì)氣泡點(diǎn)的依賴；Hong等[19]應(yīng)用多孔介質(zhì)導(dǎo)入技術(shù)，再現(xiàn)濱海含氣土，解決了難以獲得原狀土的難題。制備含氣砂土和含氣黏土的方法截然不同，含氣砂土制備多采用逐步驅(qū)替法制備，含氣黏土則多采用沸石置換法。

含氣土中氣體多為甲烷、乙烷、硫化氫等易燃、易爆、有毒氣體，絕大多數(shù)試驗(yàn)出于安全考慮以及突出研究重點(diǎn)，采用空氣、CO2或N2代替甲烷等氣體。采用空氣、CO2或N2代替甲烷等危險(xiǎn)性氣體符合試驗(yàn)安全的要求，其中N2和含氣土中主要的氣體甲烷、乙烷(占90%以上)都屬于非極性分子，N2的溶解度接近甲烷的溶解度(見表5)，同時(shí)低于空氣和CO2，且?guī)缀醪慌c水反應(yīng)，可以忽略氣-水相互作用對(duì)試驗(yàn)的影響。相比于用空氣或CO2代替甲烷，采用N2代替甲烷能顯著縮短試驗(yàn)時(shí)間。

表5 試驗(yàn)所用氣體溶解度表(20 ℃，101 kPa)

Thomas[71]通過含氣土一維固結(jié)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)加載引起的含氣土變形主要來源于氣相的壓縮；Gonzalez等[72]研究了含氣土在自重作用下的固結(jié)特性；Liu等[73]通過三軸試驗(yàn)研究了含氣泥炭土的變形特征，建立了應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間固結(jié)模型；Zhang等[74]提出了考慮氣-水混合壓縮系數(shù)的含氣土一維固結(jié)方程，認(rèn)為在含氣土固結(jié)計(jì)算中需考慮氣-水混合物的可壓縮性；Wheeler[75]通過一系列三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣壓力存在一個(gè)與吸力相關(guān)的上限值；Grozic等[76]研究了含氣松砂液化問題，發(fā)現(xiàn)松散的含氣砂具有應(yīng)變軟化和流動(dòng)液化特性；Rad等[77]通過試驗(yàn)研究了含氣土的動(dòng)力剪切強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)含氣土中氣體的溶解度越高，其不排水抗剪強(qiáng)度越??；唐益群等[54]對(duì)淺氣層高孔壓非飽和土固結(jié)規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了含氣黏性土層的變形規(guī)律；Zhong等[78]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)持水特征曲線(SWCC)能夠有效地預(yù)測(cè)和分析含氣土的不飽和參數(shù)；王勇等[79]通過GDS非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)研究了當(dāng)含氣土含水率大于殘余含水率時(shí)，吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響；苗強(qiáng)強(qiáng)等[80]通過常規(guī)三軸儀、非飽和土滲氣裝置對(duì)非飽和黏土質(zhì)砂的滲氣規(guī)律進(jìn)行了研究。

Grozic[81]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了Fraser河三角洲含氣松砂的液化特性，并提出了一種評(píng)估含氣砂抗液化能力的方法；Finno等[82]通過三軸試驗(yàn)驗(yàn)證了Terzaghi有效應(yīng)力原理對(duì)含氣土的適用性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含氣土飽和度大于92%時(shí)，氣泡的存在并不影響有效應(yīng)力原理的應(yīng)用；Fourie等[83]通過室內(nèi)不排水壓縮試驗(yàn)研究了尾礦砂的液化特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)尾礦砂孔隙中的氣體是導(dǎo)致其液化的重要因素；呂華斌[10]利用改進(jìn)的注氣裝置進(jìn)行了含氣土固結(jié)試驗(yàn)和注氣試驗(yàn)，結(jié)果表明注氣壓力的增大有利于氣體穿透試樣，固結(jié)壓力的增大阻礙了氣體穿透試樣；何維[84]利用改裝的GDS三軸儀進(jìn)行了含氣土氣侵試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣體侵入方式與砂土的粒徑密切相關(guān)，粗顆粒對(duì)應(yīng)為毛細(xì)管侵入，細(xì)顆粒對(duì)應(yīng)為劈裂侵入，且裂縫以氣體注入點(diǎn)為中心呈“碗狀”斜向上擴(kuò)展；李紅星等[85]利用Micro-CT掃描儀分析了積物聲學(xué)特性之間的關(guān)系，結(jié)果顯示含氣量的增加會(huì)引起聲速急劇降低；程朋[86]針對(duì)杭州灣含氣土進(jìn)行了一系列聲學(xué)響應(yīng)特性試驗(yàn)研究，利用CT掃描技術(shù)獲取了含氣土氣泡尺寸分布情況；張旭輝等[87]對(duì)四氫呋喃水合物、沉積物進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水合物、沉積物的破壞均為塑性破壞，且水合物的分解不利于沉積物的穩(wěn)定；管向陽(yáng)[9]研究了動(dòng)荷載幅值和初始飽和度對(duì)含氣砂土動(dòng)孔壓特性的影響，發(fā)現(xiàn)在動(dòng)荷載作用下含氣砂土循環(huán)應(yīng)力與液化振次呈線性關(guān)系，氣體含量增加延緩了含氣砂土的液化；鄧?yán)騕88]利用GDS動(dòng)三軸系統(tǒng)研究了正弦波荷載作用下含氣砂土的動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)在動(dòng)荷載幅值和飽和度增大的情況下含氣砂土更容易液化。

單元體試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)力路徑模擬不同工況，具有不可替代性；但是，必須認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有的試驗(yàn)基本以重塑土為主，無法再現(xiàn)原狀含氣土的結(jié)構(gòu)，并且試驗(yàn)土中的氣體和原狀土不相同，這勢(shì)必會(huì)造成不可忽略的偏差。影響含氣土變形的因素較多，現(xiàn)有的研究成果尚難構(gòu)成完整體系，無法準(zhǔn)確全面地揭示含氣土的變形特征。

3.2 數(shù)值模擬

王勇等采用有限元建立了放氣路徑下儲(chǔ)氣砂水氣兩相運(yùn)移模型，獲得氣體釋放速率與儲(chǔ)氣層層頂沉降之間的關(guān)系(見圖13)，這與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的“盆狀沉降”很吻合[36]；通過FLAC程序建立排氣井模型，模擬了氣體釋放速率對(duì)含氣土層中氣水運(yùn)移的影響[89]；鐘方杰[61]采用FLAC-2D探究了鉆探井噴時(shí)氣體釋放引起的地面沉降與初始?jí)毫?、氣層厚度及埋深之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地面沉降與氣藏壓力、氣藏厚度呈正相關(guān)，與埋深呈負(fù)相關(guān)；Atigh等[90]采用FLAC程序研究Fraser河三角洲海底斜坡在潮汐作用下的響應(yīng)，結(jié)果表明，在潮汐作用下由于孔隙中氣體的存在，引起有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致海底斜坡液化流動(dòng)；安晨歌等[91]采用能量上限法結(jié)合EMU軟件，分析海底邊坡軟弱夾層中水合物分解對(duì)海床邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，水合物分解會(huì)產(chǎn)生膨脹壓力，不利于邊坡的穩(wěn)定；成榮鵬等[92]基于A.Nermoen的模型試驗(yàn)，采用了拉格朗日法描述顆粒運(yùn)動(dòng)和歐拉方法描述氣相運(yùn)移的MP-PIC模型進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)氣體臨界速度與土層厚度、土體孔隙率及進(jìn)出口的大小有關(guān)，但該方法沒有考慮馬格努斯力等相互作用，獲得的臨界流化速度比試驗(yàn)結(jié)果偏低；Wang等[48]采用FLAC-3D結(jié)合固-液-氣三相耦合方法研究氣體釋放引起的地表沉降變形(見圖14和圖15)，并指出提前進(jìn)行有控放氣對(duì)相鄰地下建筑物的不利影響是不可忽略的，排氣井應(yīng)與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)物保持適當(dāng)?shù)木嚯x；Zapata-M等[93]采用了有限元PLAXIS2D研究了土體中游離氣體的存在對(duì)孔隙壓力、體積變化和不排水強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)飽和度發(fā)生較小的改變會(huì)對(duì)含氣土不排水抗剪強(qiáng)度和體積產(chǎn)生較大的影響；張立[39]采用MATLAB編程模擬了不同應(yīng)力路徑下土體飽和度、屈服應(yīng)力變化情況，同時(shí)驗(yàn)證了氣相硬化模型的合理性和適用性；陳雨[94]采用EarthImager2D軟件研究了富氣深度、富氣層位、土層電阻率、電極間距等因素與富氣電場(chǎng)響應(yīng)之間的關(guān)系。

q0為氣體釋放速率。

圖14 排氣井有限元模型(單位：m)

圖15 土體變形云圖(單位：m)[48]

早期采用有限元法研究含氣土問題也取得了豐富的成果，但是含氣土是由土顆粒、水和氣體組成的非連續(xù)介質(zhì)材料，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元法在模擬井噴、基坑突涌和海底滑坡等大變形問題時(shí)存在計(jì)算原理上的問題。隨著巖土計(jì)算理論的發(fā)展，離散元越來越多地應(yīng)用于解決巖土體的相關(guān)問題。近年來許多專家學(xué)者紛紛嘗試采用離散元法建立含氣土模型，并進(jìn)行了一系列研究。

Brugada等[95]將天然氣水合物設(shè)置為大顆粒砂間隙中的小顆粒，采用離散元PFC-3D模擬了含氣土的排水剪切特性；Jiang等[96]、Zhu等[97]采用新的甲烷水合物接觸模型進(jìn)行了離散元數(shù)值模擬，研究了圍壓和溫度對(duì)含氣土排水剪切特性的影響；Xu等[98]使用了離散元PFC-2D模擬了含游離氣體水合物砂的不排水剪切特性，研究表明，在不排水條件下水合物的解離會(huì)產(chǎn)生孔隙壓力和體積膨脹；Hong等[99]通過離散元DEM(見圖16)研究了氣體溶解度對(duì)含氣土不排水剪切力學(xué)特性的影響，推導(dǎo)了不排水條件下的含氣砂的控制方程，通過將仿真結(jié)果與試驗(yàn)觀察和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了離散元法研究含氣砂土的有效性。

圖16 離散元模型

離散元法建模不必考慮土的本構(gòu)模型，直接采用顆粒建模能夠更加真實(shí)地模擬巖土體的力學(xué)性質(zhì)。但是，目前采用離散元進(jìn)行含氣土變形問題的研究也存在計(jì)算量大、建模困難、多場(chǎng)耦合理論不夠完善等問題。運(yùn)用離散元建立與工程實(shí)際相符的含氣土模型，仍需要進(jìn)行深入研究。

3.3 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)具有試驗(yàn)周期短、成果可靠、造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)，可復(fù)制工程的實(shí)際情況獲得可靠的結(jié)果，有利于揭示物理現(xiàn)象的本質(zhì)和機(jī)制。物理模型既可以是定性的，也可以是定量的，重點(diǎn)在于通過試驗(yàn)?zāi)軌蛄私饽骋灰蛩禺a(chǎn)生的現(xiàn)象。

王勇等[100]采用1∶25的比例模型(見圖17)研究了含氣地層對(duì)地鐵隧道穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示含氣土中氣體的釋放和回聚會(huì)使隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，氣體釋放后回聚對(duì)隧道管片的影響要小于釋放前。Nermoen等[101]通過向透明模型箱內(nèi)的石英砂粒注氣(見圖18)，研究了砂床被壓縮空氣打開氣體通道的臨界速度和臨界流量，發(fā)現(xiàn)在空氣流速達(dá)到臨界速度時(shí)砂床會(huì)發(fā)生“流化”現(xiàn)象；但是該模型內(nèi)的土層單一，且未考慮地下水和氣體賦存深度的影響，還有待改進(jìn)。韓珠峰[31]采用了水槽物理模型研究了波浪荷載作用下含氣海床土體動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含氣海床土體超孔壓幅值隨波浪加載次數(shù)增大而增大，氣體阻礙了海床土體超孔隙水壓的消散。陳雨[94]通過在模型箱內(nèi)制備含氣土層，研究了含氣土層賦存深度、含氣程度、電極間距等因素對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)特征的影響，發(fā)現(xiàn)在含氣土層處電阻率異常且含氣土層電阻率隨著深度增加逐漸減小，證明了電阻率法對(duì)含氣土層的探測(cè)識(shí)別具有可行性和有效性。

圖17 模型試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)[100]

圖18 物理模型示意圖[101]

4 存在的問題及研究展望

為了更加詳細(xì)地描述上述問題的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，筆者針對(duì)含氣土的工程特性展開研究，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在含氣土工程特性方面的研究成果，并提出當(dāng)前研究中尚需探討的一些問題和進(jìn)一步的研究方向，主要內(nèi)容如下。

4.1 研究方法

隨著工程領(lǐng)域的拓寬,將會(huì)出現(xiàn)越來越多遭遇含氣土的情況,目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究雖有一定的研究基礎(chǔ),但有關(guān)含氣土的工程力學(xué)特性及其對(duì)工程影響機(jī)制的研究尚處于初步階段。目前已有的室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究，雖然能夠較好地解釋含氣土層無控放氣產(chǎn)生沉降變形的原因及機(jī)制，但是并沒有能夠很好地進(jìn)行定量描述和計(jì)算。由于條件所限、問題的復(fù)雜性、研究的深度和廣度有限,許多問題有待進(jìn)一步展開更深入的研究。含氣土相關(guān)問題的大比例模型、含氣土放氣全過程引起沉降變形的監(jiān)測(cè)和原位試驗(yàn)必不可少。如何利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反向提高室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值分析手段以及模擬的真實(shí)性，將成為未來研究成果不斷取得突破的關(guān)鍵。

4.2 研究對(duì)象

現(xiàn)階段工作多是研究含氣土形成的機(jī)制及分布特征，關(guān)于其工程和力學(xué)性質(zhì)和變形特征研究較少；已有的研究多是基于重塑土，并且重塑土樣中氣體多采用CO2、N2或空氣替代，以往研究大都未考慮由此帶來的誤差。事實(shí)上氣體的溶解度會(huì)影響含氣土的力學(xué)性質(zhì)，不同種類的氣體與水形成的水合物結(jié)構(gòu)有很大差別，這些問題有待進(jìn)一步探討。由飽和土力學(xué)和非飽和土力學(xué)方面的研究成果可知，原位試驗(yàn)具有室內(nèi)試驗(yàn)不可替代性，應(yīng)注重含氣土識(shí)別及有控釋放一體化技術(shù)的發(fā)展，在識(shí)別的同時(shí)測(cè)得重要的原位含氣土力學(xué)參數(shù)。對(duì)多個(gè)復(fù)雜因素共同作用下土層變形的影響展開系統(tǒng)的數(shù)值分析,結(jié)合原位測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)探究本構(gòu)模型和固、液、氣三相耦合數(shù)值方法等是研究者們需要密切關(guān)注的方面。

4.3 沉降預(yù)測(cè)

現(xiàn)階段對(duì)于沉降預(yù)測(cè)多采用理論-經(jīng)驗(yàn)公式，仍然把含氣土層變形看成一維變形問題，采用與飽和土沉降相同的方法預(yù)估含氣土的工后沉降。為此，應(yīng)考慮基本假設(shè)帶來的誤差，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的修正。另外，數(shù)值模擬的作用不僅在于解釋含氣土的變形特征，更重要的是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演預(yù)測(cè)，提出合理的沉降模型。國(guó)內(nèi)外已有專家學(xué)者采用人工智能方法(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等)對(duì)一般地基土的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，也取得了比較好的成果，這可能會(huì)是未來進(jìn)行含氣土沉降預(yù)測(cè)的主流方法。

4.4 研究展望

結(jié)合上述研究和分析，筆者認(rèn)為未來含氣土變形研究可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

1)含氣土的強(qiáng)度、變形和固結(jié)等基本物理力學(xué)特性研究。對(duì)含氣土基本物理力學(xué)特性的研究需要進(jìn)一步完善和規(guī)范制樣方法，使試驗(yàn)結(jié)果更能反映原位含氣土的真實(shí)力學(xué)特性，并且探索如何在識(shí)別含氣土的同時(shí)獲得更多可靠的原位力學(xué)參數(shù)，促進(jìn)數(shù)值模擬的發(fā)展。

2)放氣和氣體回聚等應(yīng)力路徑下含氣土變形機(jī)制研究。應(yīng)力路徑下的變形機(jī)制研究立足于含氣土盾構(gòu)施工和基坑開挖等工程實(shí)際中不同位置土體應(yīng)力的路徑，實(shí)現(xiàn)地表沉降的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

3)列車循環(huán)荷載作用下含氣土變形機(jī)制研究。列車循環(huán)荷載作用下含氣土變形機(jī)制研究應(yīng)著眼于陸域地鐵工程中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及防災(zāi)減災(zāi)等。

4)波浪荷載作用下海洋含氣土的液化問題和地質(zhì)災(zāi)害研究。波浪荷載作用下含氣土液化問題的研究應(yīng)注重波浪荷載的不規(guī)則性，力求接近真實(shí)的波浪荷載；海洋含氣土地質(zhì)災(zāi)害方面的研究應(yīng)著眼于災(zāi)害等級(jí)的劃分及其應(yīng)對(duì)措施。

含氣土的變形問題是一個(gè)十分復(fù)雜的研究課題，受氣藏情況、放氣措施、土質(zhì)條件等因素影響，具有不斷發(fā)展的變化特征。隨著試驗(yàn)技術(shù)的提高，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)合理論分析的方法將得到廣泛推廣應(yīng)用。本文總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于該問題的研究成果，指出了含氣土變形特征研究存在的不足，并對(duì)未來含氣土變形研究方向進(jìn)行展望，希望能為以后的相關(guān)研究提供有益的參考。