葉振波，李潔如，葉啟揚(yáng)，陳曉軒，周吾桐

（浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引 言

對海洋含淺層氣海床的認(rèn)識需要長期以來的積累與研究，先前由于對這方面的了解較為貧乏，在一些海洋工程（如杭州灣大橋、海洋油氣資源開采平臺）的建設(shè)過程中，存在事先估計不足或采取的防護(hù)措施不當(dāng)?shù)仁д`，導(dǎo)致因淺層氣存在引發(fā)了一些重大工程事故，不僅貽誤工期，損害儀器設(shè)備財物，而且給工作人員的生命安全帶來了極大的威脅[1]，如圖1所示。比較典型的有：前些年在杭州地鐵勘探期間，發(fā)生了嚴(yán)重的淺層氣突涌災(zāi)變事故，事后觀察突涌泥沙量甚至有數(shù)十立方米；杭州灣跨海大橋勘探過程中的天然氣噴發(fā)，致使鉆探船只傾覆沉沒，損失巨大難以估量。在含淺層氣地層中的地鐵隧道，土中氣體的釋放或回聚將使隧道產(chǎn)生附加變形與附加內(nèi)力，這對其整體穩(wěn)定性的影響不容忽視，易引起隧道產(chǎn)生差異沉降、管片環(huán)間出現(xiàn)錯臺或裂縫，導(dǎo)致滲水、滲氣，甚至災(zāi)害事故的發(fā)生[2]。隨著工程領(lǐng)域的拓寬，含氣土地基的固結(jié)沉降問題將變得越來越常見[3]。

圖1 淺層氣工程災(zāi)害Fig. 1 Engineering disasters induced by shallow gas

在非飽和的海洋沉積物中，孔隙氣大多為甲烷和氮氣，是由微生物厭氧發(fā)酵、熱分解或者火山噴發(fā)等原因生成的，起源于土體內(nèi)部。國內(nèi)外對含氣黏土的研究主要集中在氣泡影響下的黏土靜力剪切響應(yīng)。WHEELER[4]首先通過靜力三軸壓縮試驗研究了不同初始孔壓及有效應(yīng)力情況下的含氣黏土不排水剪切強(qiáng)度。試驗表明，氣泡的存在可能會增強(qiáng)或減弱含氣黏土的剪切強(qiáng)度，這取決于有效固結(jié)應(yīng)力和初始孔隙水壓力。

PUZRIN等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)工程上利用微生物產(chǎn)生的氣體能減少黏性土的主固結(jié)沉降時間，黏性土固結(jié)持續(xù)時間長的兩個主要原因是此類土體的低滲透性和孔隙水的不可壓縮性。研究通過試驗發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論：（1）氣泡存在會使土體的初始沉降變大（可達(dá)總沉降量的50%），不過對最終沉降量沒有影響；（2）氣泡存在不影響最終沉降量，而對固結(jié)過程影響較大，但達(dá)到最終沉降量的時間不變。

HONG等[6]在三軸中擴(kuò)大初始孔隙水壓力范圍（uw0=0～1 000 kPa），開展了不同初始孔壓力下的各向同性固結(jié)試驗，試驗結(jié)果表明，初始孔隙水壓力增大會導(dǎo)致氣泡更大的壓縮量，使氣體占比降低，土體整體的壓縮性減??；隨著外部施加的有效應(yīng)力的增大，即使初始含氣量有所不同，最終的曲線仍會與飽和土的重合；將氣體孔隙比從總的孔隙比中剔除時，觀察水孔隙比（Vw/Vs）隨有效應(yīng)力變化曲線可以發(fā)現(xiàn)所有壓縮曲線幾近重合，與含氣土的初始狀態(tài)無關(guān)。

盡管細(xì)粒含氣土通常具有高飽和度（Sr＞85%），其特性卻難以用“飽和土+可壓縮混合流體”理論來描述。因為大氣泡的存在，不僅僅增大了土體的壓縮性，還改變了土體的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而顯著影響了土體的力學(xué)特性[4]和滲透特性[7]。因此需要系統(tǒng)研究大氣泡存在對海洋細(xì)粒含氣土微觀結(jié)構(gòu)、固結(jié)壓縮特性、滲透性等力學(xué)行為的影響。

為考慮氣腔進(jìn)水及氣相回彈對細(xì)粒含氣土固結(jié)特性的影響，獲得細(xì)粒含氣土在瞬時荷載下的響應(yīng)，并確定細(xì)粒含氣土的一維固結(jié)特性、孔壓消散及沉降發(fā)展規(guī)律，本文對重塑含氣馬來西亞高嶺粉土開展了一系列瞬時加載下的一維固結(jié)試驗。試驗得到的瞬時孔壓以及瞬時沉降響應(yīng)對含氣軟黏土上的快速施工有一定的指導(dǎo)意義，后續(xù)研究可以以試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，構(gòu)建含氣土固結(jié)模型，為工程的沉降和固結(jié)完成時間提供理論支持，也可預(yù)測施工后的變形和穩(wěn)定性。

1 細(xì)粒含氣土一維固結(jié)試驗

1.1 試驗設(shè)備與試樣準(zhǔn)備

所有一維固結(jié)試驗都是在裝備有 GDS液壓高級固結(jié)儀系統(tǒng)上開展的。該系統(tǒng)主要由軸壓室、壓力控制器、豎向位移計、孔壓計、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和電腦控制端組成，如圖2所示?？梢杂涗浽囼炦^程中每個含氣土樣豎向位移d，超孔隙水壓力Δuw、飽和度Sr隨時間和外荷載的變化。壓力控制器（圍壓）與施加豎向壓力的水囊相連，為細(xì)粒含氣土施加豎向應(yīng)力。壓力量測精度為1 kPa，同時壓力控制器還可用來量測壓力室中水的體積變化，可以與位移控制器測量結(jié)果相互印證。反壓控制器與反壓閥門相連，閥門與土樣之間有一連接通道，這樣反壓控制器中的水可以與土中水相互聯(lián)通，土中水的進(jìn)出體積可以由反壓控制器量測，土樣中的孔隙水壓力也可以由壓力控制器設(shè)置，通過統(tǒng)計壓力控制器中的進(jìn)出水量反算土樣中孔隙水體積變化；對于細(xì)粒含氣土，試樣的總體積變化可由豎向位移計確定，土樣中孔隙水體積的變化由反壓控制器測得，通過二者計算即可得到氣體體積的變化。各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)都通過信號調(diào)節(jié)裝置傳遞到電腦控制端，電腦通過GDSLab軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測的同時還可以對裝置內(nèi)部的豎向應(yīng)力、反壓進(jìn)行控制。

圖2 GDS高級固結(jié)儀系統(tǒng)Fig. 2 GDS advanced consolidation system

在深水取樣過程中通常會面臨這樣一個問題：在深水中取到的樣品在上升過程中由于水深變淺，相應(yīng)的靜水壓力減小會導(dǎo)致土中的壓力釋放[8]，原先溶解于孔隙水中的氣體會發(fā)生析出，已經(jīng)存在的氣泡因為周圍壓力減小而發(fā)生體積膨脹，氣泡推擠土顆粒重新排列會擾動土體結(jié)構(gòu)，如果取樣時上升速度極快還會導(dǎo)致變化劇烈甚至?xí)雇馏w中產(chǎn)生裂縫，因此基于現(xiàn)有的深水取樣技術(shù)還很難取到未擾動原位細(xì)粒含氣土樣。根據(jù)NAGESWARAN[9]的研究，多孔介質(zhì)導(dǎo)入技術(shù)可以用來制備重塑細(xì)粒含氣土樣，多孔介質(zhì)內(nèi)的氣體與水置換這一過程能夠較為接近地模擬海洋環(huán)境中在微生物作用下大氣泡的形成過程。

生物氣泡一般存在于黏土和粉土中。本研究采用了馬來西亞高嶺粉土，其液塑限和力學(xué)參數(shù)如表1所示。根據(jù)BSI5930標(biāo)準(zhǔn)[10]，馬來西亞高嶺粉土屬于高塑性粉土。本文采用氮氣這一廣泛存在于海洋沉積物中的生物氣來制備含氣土。利用多孔介質(zhì)導(dǎo)入技術(shù)制備細(xì)粒含氣土樣步驟與張劍峰[11]一致，圖3為實驗室制備的含氣馬來西亞高嶺土樣，與原狀土含氣土有類似的大氣泡結(jié)構(gòu)。

表1 馬來西亞高嶺粉土土性指標(biāo)和力學(xué)參數(shù)Table 1 Properties and mechanical parameters of Malaysian kaolin silt

圖3 試驗室制備的含氣馬來西亞高嶺土樣Fig. 3 Gassy Malaysian kaolinsamples prepared in the laboratory

1.2 試驗列表

本研究一共開展了3個系列的應(yīng)力控制的瞬時加載一維固結(jié)試驗。3個試驗系列共包括9個含氣土（用G代表）試驗和3個飽和土（用S代表）試驗（對照試驗），試樣初始狀態(tài)如表1所示。試驗考慮了初始孔隙水壓力和初始飽和度的變化，試驗列表如表2所示。

表2 試驗列表Table 2 Test list

2 實驗結(jié)果分析

2.1 不同初始孔壓幅值下瞬時沉降變化規(guī)律

圖4為不同初始孔壓幅值下試樣發(fā)生的瞬時沉降，（a）為初始反壓為0 kPa的情況；（b）為初始反壓為100 kPa的情況；（c）為初始反壓為600 kPa的情況。從圖中可知，隨著外部荷載增加，試樣發(fā)生的瞬時沉降逐漸減小，規(guī)律性較強(qiáng)；對應(yīng)于同一外部荷載值，隨著飽和度減小，瞬時沉降有增加的趨勢，這可能是由于氣泡瞬時壓縮量差異所致，含氣土的飽和度越小，則含氣量越大，對于同一外部荷載，含氣量越大則氣泡瞬時壓縮導(dǎo)致的瞬時沉降越大。

圖4 不同初始孔壓幅值下瞬時沉降發(fā)展規(guī)律Fig. 4 Development of the instantaneous settlement under different initial pore pressure

2.2 不同初始孔壓幅值下瞬時孔壓變化規(guī)律

圖5為不同初始孔壓幅值下試樣發(fā)生的瞬時孔壓響應(yīng)，（a）為初始孔壓為0 kPa的情況；（b）為初始孔壓為 100 kPa的情況；（c）為初始孔壓為600 kPa的情況。從圖中可知，隨著外部荷載增加，試樣的瞬時孔壓響應(yīng)逐漸減小，規(guī)律性較強(qiáng)；而且對于同一外部荷載值，隨著飽和度的減小，瞬時孔壓響應(yīng)也逐漸減小，這可能是氣腔進(jìn)水現(xiàn)象導(dǎo)致的，飽和度越小，含氣量越大，氣腔進(jìn)水效應(yīng)可能越明顯，導(dǎo)致瞬時孔壓的響應(yīng)減小。

圖5 不同初始孔壓幅值下瞬時孔壓響應(yīng)規(guī)律Fig. 5 Response of the instantaneous pore water pressure under different initial pore pressure

2.3 不同荷載幅值下沉降隨時間發(fā)展規(guī)律

圖6為不同荷載幅值下試樣沉降隨時間的發(fā)展規(guī)律，（a）為外部荷載從100 kPa增加至200 kPa的情況；（b）為外部荷載從200 kPa增加至300 kPa的情況；（c）為外部荷載從300 kPa增加至400 kPa的情況。從圖6中可知，隨著時間變化，試樣沉降不斷發(fā)展，隨著初始孔隙水壓力增大，豎向沉降有減小趨勢。比較（a）、（b）、（c）三圖可知，隨著外部荷載的增加，試樣的最終沉降逐漸減小。

圖6 不同荷載幅值下試樣沉降隨時間發(fā)展規(guī)律Fig. 6 Development of the sample settlement with time under different loads

2.4 不同荷載幅值下孔壓隨時間發(fā)展規(guī)律

圖7為不同荷載幅值下試樣孔壓隨時間的發(fā)展規(guī)律，（a）為外部荷載從100 kPa增加至200 kPa的情況；（b）為外部荷載從200 kPa增加至300 kPa的情況；（c）為外部荷載從300 kPa增加至400 kPa的情況。從圖中可知，隨著時間變化，試樣孔壓不斷消散，不同初始反壓作用下的孔壓發(fā)展不盡相同，這可能與試樣初始含氣量相關(guān)。比較（a）、（b）、（c）三圖可知，隨著外部荷載的增加，試樣的初始孔壓響應(yīng)在逐漸減小。

圖7 不同荷載幅值下試樣孔壓隨時間發(fā)展規(guī)律Fig. 7 Development of the sample pore pressure with time under different loads

2.5 不同荷載幅值下孔隙比變化規(guī)律

圖8為不同荷載幅值下孔隙比的變化曲線，主要包括（a）總孔隙比的變化（ew=Vw/Vs, eg=Vg/Vs）；（b）飽和基質(zhì)孔隙比變化。隨著外部荷載增加，孔隙比逐漸減小，對于不同初始反壓和不同初始飽和度的試樣，總孔隙比的壓縮曲線不重合；當(dāng)僅考慮飽和基質(zhì)的孔隙比時，可以發(fā)現(xiàn)試樣的壓縮曲線基本重合。

圖8 不同荷載幅值下孔隙比的變化Fig. 8 Variation of void ratio under different loads

3 結(jié) 論

本文介紹了含氣土在一維不排水條件下的瞬時加載試驗，研究了不同初始孔隙水壓力及豎向有效應(yīng)力下含氣土瞬時響應(yīng)及孔壓消散階段的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）隨著初始孔壓增加，試樣發(fā)生的瞬時沉降和瞬時孔壓響應(yīng)逐漸減小，初始孔隙水壓力增大瞬時沉降響應(yīng)減小，瞬時孔壓響應(yīng)增大；而且對于同一初始孔壓值，隨著飽和度的減小，瞬時沉降有增加的趨勢，瞬時孔壓響應(yīng)有減小趨勢，這可能是由于氣泡瞬時壓縮量差異導(dǎo)致的，含氣土的飽和度越小，則含氣量越大，對于同一初始孔壓，含氣量越大則氣泡瞬時壓縮導(dǎo)致的瞬時沉降越大；而瞬時孔壓響應(yīng)逐漸減小可能是氣腔進(jìn)水現(xiàn)象導(dǎo)致的，飽和度越小，含氣量越大，氣腔進(jìn)水效應(yīng)可能越明顯，導(dǎo)致瞬時孔壓的響應(yīng)減小。

（2）含氣土最終沉降量大于飽和土，在飽和度相近時，最終沉降量隨初始孔隙水壓力減小而增大，這與HONG等[6]的研究結(jié)果（初始孔隙水壓力增大會導(dǎo)致氣泡更大的壓縮量使氣體占比降低進(jìn)而導(dǎo)致土體整體的壓縮性減?。┮恢拢徊⑶液瑲馔量讐合r間快于飽和土，這可能是由于氣腔進(jìn)水效應(yīng)造成的，流體進(jìn)入氣泡導(dǎo)致超孔壓加快消散。

（3）隨著外部荷載增加，孔隙比逐漸減小，對于不同初始反壓和不同初始飽和度的試樣，總孔隙比的壓縮曲線不重合；當(dāng)僅考慮飽和基質(zhì)的孔隙比時，可以發(fā)現(xiàn)試樣的壓縮曲線基本重合。