土中的气泡主要可以分为两种：一种是孔隙气泡, 气泡的尺寸小于土体孔隙, 即通常所说的非饱和土；另一种是超孔隙气泡, 气泡的尺寸大于孔隙直径, 即通常所说的含气土[1].孔隙气泡在土体中的运移将影响土体饱和度, 超孔隙气泡的运移可能会对土体产生裂隙, 影响土体的固结渗透特性.含气土通常出现在海底软黏沉积物[1-4]、疏浚淤泥[5]、垃圾土[6-9]等地方.深海沉积物气体积聚产生的高压会导致有效应力降低, 诱发地层发生大范围变形或失稳破坏.垃圾填埋场因土骨架的分解及气泡的缓慢释放产生长期的、难以预测的过度沉降.所有这些问题都与含气土体的固结渗透特性密切相关.目前, 人们对饱和土的固结渗透特性已经研究得比较透彻, 对非饱和土也有较多的研究, 但是对含气土固结渗透特性的研究甚少, 专门用于含气土固结渗透特性研究的试验装置不多.
Barden等[10]研制了针对非饱和土的试验装置, 装置底面和顶面均采用陶土板, 可在试样中形成水、气各自独立的通道.装置还附带一套能控制水压和气压的循环管路, 以便对试验内的孔隙水压和孔隙气压进行独立控制.他们利用该装置测得了不同竖向应力下的水渗透系数和气渗透系数.陈正汉等[11]研制了非饱和土固结仪, 该固结仪由气压室、试样容器和数据采集单元组成.利用该装置可以实现非饱和土的4种试验, 即控制基质吸力的压缩试验、控制竖向净正应力的收缩试验、控制气压力的不排水压缩试验和排气不排水压缩试验.师旭超等[12]在固结渗透联合试验装置的研究中, 采用动公差配合设计、加密封圈与涂抹黄油相结合的方式, 既保证了装置的密封性, 又极大地减小了侧壁摩阻, 实现了活塞运动与密封的完美结合, 但是该装置只适用于饱和土的固结、渗透试验.问延煦等[13]利用底部可测孔压的固结仪进行常规固结试验时, 发现试样底部所测孔压出现滞后现象, 认为出现该现象的原因是受传感器元件刚度、试样饱和度及试样侧壁摩阻等因素的影响.孙丽云等[14]针对传统固结不能进行渗透试验的不足, 对固结仪进行改进.改进后的固结仪既可以研究不同荷载作用下土的渗透特性, 又可以测量单面排水中不排水面的孔隙水压.陈能远等[15]在师旭超等的研制基础上, 对K0固结仪进行改进, 形成固结—渗透联合测定试验仪, 并利用该装置进行固结—渗透联合试验.尽管该装置引入了注气孔道, 但是只利用该装置开展饱和土试验, 未针对该装置中的注气部分作详细说明及检定.
上述试验装置尚不能很好地应用于含气土的固结渗透试验.为此, 笔者在现有研究的基础上, 尝试研制适合含气土固结渗透特性试验研究的装置, 并对该装置进行检定.
1 装置研制 1.1 土体试样盒在陈正汉等[11]的基础上, 土体试样盒采用304不锈钢制作, 以克服铜制材料的弱透气性问题, 同时不锈钢具有表面光滑、强度大、变形小和不易生锈等优点.试样盒的详细构造剖面如图 1所示, 对应的实物如图 2所示.
|
1-加载点；2-集水孔；3-10螺杆；4-O型圈；5-陶土板；6-O型圈；7-M10内螺纹孔；8-透水介质和半透膜；9-测压孔；10-集气孔；11-活塞；12-上环；13-透水石；14-试样；15-中环；16-底座；17-进水孔；18-进气孔；19-上盖 图 1 土体试样盒剖面图 Fig. 1 Section of soil sample chamber |
|
图 2 土体试样盒实物图 Fig. 2 Physical diagram of soil sample chamber |
1) 底座：内径为61.8 mm, 设有两个进水孔和一个进气孔, 其中进水孔9连接压力传感器, 用于孔隙水压测量, 进水孔17内置陶土板以实现透水不透气功能, 主要用于渗透试验.进气孔18连接高压气瓶, 内置半透膜以实现透气不透水功能, 主要用于注气试验.底座上部开设61.8 mm×10 mm圆孔凹槽, 用于放置透水石.
2) 中环：将试验试样放置于中环内.依据《土工试验方法标准》[16]可知, 固结试样高度为20 mm, 渗透试样高度为40 mm, 故将本文装置中的中环尺寸定为：高40 mm, 内径为61.8 mm.
3) 上环：内径为61.8 mm, 为了保证活塞运动时不发生偏向, 上环适当加高至35 mm.将透水石放置于上环内.
4) 活塞：用于传递施加在试样上的荷载.活塞外径略小于上环内径, 为61.4 mm.活塞底部设有出水孔和出气孔各一个, 为试验中排水排气通道.
5) 上盖：当试验中需要固定试样上端时(如先进行固结, 再开展注气试验), 用图 1(b)的上盖取代图 1(a)的上环和活塞.上盖下部开设61.8 mm×10 mm圆孔凹槽, 用于放置透水石.
设置在底座、活塞和上盖上的注气孔、测压孔等通过内螺纹与外部PU管进行连接.上环(或上盖)、中环和底座3部分采用螺杆进行连接固定.
1.1.2 水气分离试验中为了能够对排出的水和气进行分别收集, 需要对水气进行分离.
1) 透气不透水[15].
半透膜是具有一定孔隙大小的薄膜, 对不同粒子具有选择性通过的特点.该试验中所使用的半透膜孔径为0.65 μm, 可以让气体分子通过而水分子不能通过.
2) 透水不透气[17].
陶土板是具有一定孔隙大小的多孔材料, 利用表面张力原理阻止气体穿过, 即只有满足下式时气体才能击穿：
| ${{u}_{\text{a}}}-{{u}_{\text{w}}}\ge 2\sigma /r.$ | (1) |
式中：ua为陶土板外气压；uw为陶土板内孔隙水压；r为陶土板孔隙半径；σ为水的表面张力, 20 ℃时σ=0.072 8 N/m.根据不同进气压力制作不同孔隙直径的陶土板.需要注意的是, 陶土板使用前须浸泡在水中, 并辅以真空抽气, 使其达到完全饱和.
1.1.3 密封措施1) 中环和底座、上环(或上盖)间的密封.
在上环(或上盖)和底座处设凹槽, 放置80 mm(外径)×3.5 mm(线径)的O型密封圈, 通过不锈钢螺杆的拉力压紧橡胶圈, 以保证密封.
2) 活塞的密封性.
在该装置的研制中, 参照师旭超等[12]的研制方案, 采用动公差配合设计、涂抹凡士林加密封圈相结合的密封方式.制作时活塞的直径略小于上环内径, 在活塞上刻凹槽，设两层外径61.8 mm×线径3.5 mm橡胶圈, 同时在橡胶圈之间涂凡士林, 并利用不锈钢的光滑性, 减小活塞与上环间的摩擦力.在800 kPa外压下可以保证良好的密封性.
3) 陶土板与安放孔之间的密封.
因陶土板与不锈钢均为硬质材料, 尚不能完全接触, 不易绝对密封.在陶土板与小孔间, 增设两层圆环状生料带；试验中利用上部透水石压力传递至陶土板上进行压实, 保证了良好的密封性, 水只能透过陶土板流动.
4) 半透膜与安放孔之间的密封.
因半透膜很薄, 若直接置于上环和下环, 则可能会产生滑移.在该试验装置中, 将上盖、活塞和底座进行开孔, 放入半透膜后, 再在上部增设一块透水石, 既可以传递上部透水石压力以压紧半透膜, 又能保证气体只能透过半透膜流动.
1.2 加载系统1) 竖向外力加载.
新装置的试样容器较标准固结仪容器高, 须加长标准固结仪的拉杆和位移计架, 但加载方式不变.该装置的最大可加荷载为800 kPa, 每级最小加载量为12.5 kPa.
2) 底部水压加载.
渗透测量采用变水头试验法.在试验中, 水由试样底部进入, 在试样底部设置压力传感器监测水压.
3) 底部气压加载.
注气试验可以分为均匀注气和集中注气, 气体均由试样底部进入.该装置采用高压气瓶进行注气, 注气压力由减压阀依据试验要求进行调节.
1.3 测量系统利用该装置, 可以直接测得的参数有：渗透水头、底部孔隙水压、注气压力、试样变形量、水的入渗量与排出量、气体的排出量.
1) 渗透水头、底部孔隙水压、注气压力主要由压力传感器进行量测.为了保证测量范围和精度, 测量渗透水头所用传感器量程为0~50 kPa, 最小精度为0.05 kPa；测量底部孔隙水压和注气压力所用传感器量程为0~200 kPa, 最小精度为0.2 kPa.
2) 试样变形量指竖向压缩量, 由活塞顶部的百分表进行量测.百分表的最大量程为10 mm, 最小刻度为0.01 mm.
3) 水的入渗量与排出量的量测主要依靠刻度管, 只需读取不同时刻管内的水位刻度, 即可换算得到.采用的刻度管直径为4 mm, 最小刻度为1 mm, 故最小精度为0.012 56 mL.
4) 排气量的测量依靠量筒完成, 将排出的气体注入倒置于水中的满水量筒内, 移动量筒使得内、外水位相平, 此时量筒内气压等于大气压.通过读取量筒内水位刻度的方法即可方便测得, 量筒最小刻度为1 mL.
1.4 可完成的试验该装置不仅能完成前人装置[10-15, 18]所能完成的试验, 包括：饱和土的固结—渗透联合试验[15]、黏性土变水头渗透试验[18]、固结过程中底部孔压量测[12-14]、非饱和土的水气渗透性量测[10]、控制基质吸力/竖向净正应力压缩试验[11]、排气不排水压缩试验[11]、真空联合注气排水试验[19]等, 还能够进行含气土的试验.主要讨论含气土的试验.
Boudreau[4]在含气土中气泡形态的研究上取得一定进展, 利用该装置可以进一步研究气泡运移后对土体特性的影响, 如沉降、孔隙水压、渗透性或开裂等的影响.本文研制的试验装置可以实现均匀注气试验和集中注气试验, 限于篇幅, 只讨论均匀注气的情况.均匀注气时, 可以完成如下试验.
1) 注气试验.试验主要考察试样在不同外力作用下固结后, 从底部注入不同气压时对试样注气排水量、排水速度、气体穿透试样时间和渗透系数等的影响, 并辅以试验前、后的含水量变化作为参考, 最后可以对试样的顶面、底面、侧面和剖面作定性观察.试样在图 1(a)的装置中固结完成后, 注气试验由图 1(a)的装置转换到图 1(b)的装置.在固结环节, 所制试样的高度应超过中环, 并保证压缩后的试样高度不小于中环高度；用切土刀将试样切平进行注气试验, 所切下的试样可以用于含水量测定.注气环节需要集水装置的配合, 同时记录注气时间.在气体穿透试样后开展渗透试验, 测定气体穿透试样后对试样渗透性的影响.
2) 固结联合注气试验.试验主要考察试样在不同外力作用下固结, 同时从底部注入不同气压时对试样固结排水量、沉降量、试样底部孔压和渗透系数等的影响；在试验结束后, 对气压进行卸载, 观察试样的最终沉降量, 测定含水量.试验在图 1(a)所示的装置中开展, 事先须在中环内制作重塑试样, 饱和度大于95%；对试样进行加载和注气, 并记录固结排水量、沉降量、试样底部孔压, 待沉降和排水稳定后卸载气压, 观测随后发生的沉降, 最后直接进行渗透试验.
2 装置检定先将底座与压力传感器、注气管、渗透管相连, 其中与压力传感器和渗透装置相连的PU管内须充满水.在与注气管相连的小孔内放置半透膜.在与渗透装置相连的小孔内放置饱和陶土板.在试验前, 用中环进行制样, 并置于真空下饱和, 而后在底座和上环/上盖处放置透水石和滤纸, 用螺栓将上环、中环及底座固定.若使用上环和活塞, 则将活塞沿上环缓缓移动直至底部贴近透水石, 轻轻加压；然后从注水孔向内注水, 使得内部的气体由注气口向外排出.若使用固定上盖, 则待螺栓紧固后向注水孔注水排气.装置的设计初衷是单面排水, 也可以结合试验实际情况进行双面排水.
在装置检定中, 所使用的试样取自杭州城西, 制作成初始含水率为40%的真空饱和重塑试样, 基本的物理性质指标如表 1所示.表中，ρ为密度，e为孔隙比，wL、wp分别为液限和塑限.装置检定的项目包括饱和土的固结对比、渗透对比, 此外用该装置开展了部分含气土的固结和渗透试验.
|
表 1 土体试样的基本物理指标 Table 1 Material properties of soil sample |
在装置检定中, 所使用的气体为高纯氮, 纯度高于99.99%, 因氮气难溶于水, 对溶解气不作考虑.
2.1 固结试验对比分别利用研制的试验装置和《土工试验方法标准》[16]中采用的固结仪(以下简称传统固结仪)对同一试样开展双面排水固结试验, 每级压力的固结时间为24 h且最后1小时内沉降不大于0.01 mm.两者的区别在于试样高度, 为了配合渗透试验, 新装置的试样高度采用40 mm, 为传统固结仪20 mm的两倍.固结试验结果对比如图 3、4所示.图中，p为固结压力，Cv为固结系数.通过新装置试验所得的孔隙比与传统固结仪的结果相差1.9%~3.9%, 固结系数相差0.8%~3%.两者的试验结果接近一致, 证明了新装置在常规试样中的有效性.
|
图 3 孔隙比的试验对比 Fig. 3 Comparison of void ratio |
|
图 4 固结系数的试验对比 Fig. 4 Comparison of consolidation coefficient |
新装置内, 试样在固结后, 可以采用变水头渗透法直接对试样进行渗透系数测定, 并用《土工试验方法标准》[16]中所示渗透仪(以下简称传统渗透仪)的测试结果作对比.在渗透试验前, 将重塑试样置于中环中先固结.结果如图 5所示, 两者所得到的渗透系数K非常接近.
|
图 5 渗透系数的试验对比 Fig. 5 Comparison of permeability coefficient |
因注气试验目前尚无其他同类试验资料作对比, 仅考察注气试验的结果, 分析合理性和可行性.土体试样均在100 kPa荷载下完成固结, 然后从底部进行不同气压下的注气试验, 注气压力分别为0、20、40、60、70、80、90和100 kPa, 观察气体穿透试样的时间、试样排水规律等.
气体穿透试验时间tp随注气压力pg变化的关系如图 6所示.当注气压力为20和40 kPa时, 气体尚不能穿透试样, 但是期间排水速度发生了明显变化, 图 6中将排水速度的拐点(见图 7)对应的时间作为气体击穿土样的时间.当注气压力大于60 kPa时, 气体可以穿透试样.从图 6可知, 随着注气压力的升高, 气体穿透试样的时间减小.原因是气压越大, 越容易使土样发生塑性变形, 形成裂隙通道, 气体越容易穿过试样.
|
图 6 气体穿过试样的时间随气压的变化 Fig. 6 Duration changes of gas passing with air pressure |
|
图 7 排水体积随时间的变化 Fig. 7 Drainage volume changes with time |
不同注气压力下试样排水体积Vw随时间变化的关系如图 7所示.当注气压力为20和40 kPa时, 气体未能穿透试样, 后期排水速度明显变慢, 几乎不再排水.在其他注气压力下, 气体均可以穿透试样.从图 7可知, 在各注气压力下, 排水体积随时间基本上是线性变化的, 即排水速度基本维持不变.
试样平均排水速度vw随注气压力变化的关系如图 8所示.随着注气压力的升高, 试样排水速度增大, 当注气压力＞60 kPa时, 排水速度随注气压力近似线性增大.
|
图 8 排水速度随气压的变化 Fig. 8 Drainage velocity changes with air pressure |
尽管目前注气试验尚无其他同类试验资料作对比, 但从上述试验结果来看, 试验数据的规律性较好, 结果合理, 说明该试验装置可以用于开展黏性土的注气试验研究.
3 结语本文结合当前工程背景, 在前人的基础上研制针对含气土的固结-渗透-注气联合试验装置.新装置的研制克服了密封性和水气分离两个主要问题, 可以实现固结试验、渗透试验、注气试验之间的合理结合.
在新装置研制完成后, 开展试验检定.在固结、渗透试验的检定中, 新装置与传统装置所得的结果基本一致, 说明新装置可以较好地代替传统装置进行试验；在注气试验的检定中, 虽然目前尚无资料作参考, 但试验结果具有较好的规律性, 有理由推断结果的合理可行性.
新装置有望在研究含气土的固结渗透特性方面发挥作用, 也可以用于研究气泡在土体中的运移特性, 如气泡穿透土体的时间等.
| [1] | SOBKOWICZ J C, MORGENSTERN N R. The undrained equilibrium behaviour of gassy sediments[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1984, 21(3): 439–449. DOI:10.1139/t84-048 |
| [2] | SILLS G C, WHEELER S J, THOMAS S D, et al. Behaviour of offshore soils containing gas-bubbles[J]. Geotechnique, 1991, 41(2): 227–241. DOI:10.1680/geot.1991.41.2.227 |
| [3] | ANDERSON A L, ABEGG F, HAWKINS J A, et al. Bubble populations and acoustic interaction with the gassy floor of Eckernforde Bay[J]. Continental Shelf Res, 1998, 18(18): 1807–1838. |
| [4] | BOUDREAU B P. The physics of bubbles in surficial, soft, cohesive sediments[J]. Marine and PetroleumGeology, 2012, 38(1): 1–18. DOI:10.1016/j.marpetgeo.2012.07.002 |
| [5] | JOYCE J, JEWELL P W. Physical controls on methane ebullition from reservoirs and lakes[J]. Environmental and Engineering Geoscience, 2003, 9(2): 167–178. DOI:10.2113/9.2.167 |
| [6] | LOU Z, BILITEWSKI B, ZHU N, et al. Greenhouse gas emission and its potential mitigation process from the waste sector in a large-scale exhibition[J]. Journal of Environmental Sciences, 2015, 31(5): 44–50. |
| [8] |
马小飞. 垃圾填埋场抽气试验及填埋气收集量评估方法[D]. 杭州: 浙江大学, 2013.
MA Xiao-fei. Extraction test and evaluation method of landfill gas for municipal solid waste landfills [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013. |
| [9] | VISSCHER A D, CLEEMPUT V O. Simulation model for gas diffusion and methane oxidation in landfill cover soils[J]. Waste Management, 2003, 23(7): 581–591. DOI:10.1016/S0956-053X(03)00096-5 |
| [10] | BARDEN L, PAVLAKIS G. Air and water permeability of compacted unsaturated cohesive soil[J]. Journal of Soil Science, 1971, 22(3): 302–318. DOI:10.1111/ejs.1971.22.issue-3 |
| [11] |
陈正汉, 扈胜霞, 孙树国, 等. 非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用[J].
岩土工程学报, 2004, 26(3): 161–166.
CHEN Zheng-han, HU Sheng-xia, SUN Shu-guo, et al. Development and application of consolidation apparatus and direct shear apparatus for unsaturated soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26(3): 161–166. |
| [12] |
师旭超, 汪稔, 胡元育, 等. 渗透固结试验装置的研制[J].
岩石力学与工程学报, 2004, 23(22): 3891–3895.
SHI Xu-chao, WANG Ren, HU Yuan-yu, et al. Development of osmotic oedometer[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(22): 3891–3895. DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2004.22.028 |
| [13] |
问延煦, 施建勇. 孔压滞后现象及其对固结系数的影响[J].
岩石力学与工程学报, 2005, 24(2): 357–364.
WEN Yan-xu, SHI Jian-yong. Delay of pore pressure in oedometer and its effect on determination of coefficient of consolidation[J]. Chinese Journal of RockMechanics and Engineering, 2005, 24(2): 357–364. |
| [14] |
孙丽云, 乐金朝, 刘忠玉, 等. 渗透固结试验装置的改进[J].
实验力学, 2010, 25(3): 353–358.
SUN Li-yun, LUE Jin-chao, LIU Zhong-yu, et al. The improvement of osmotic oedometer[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2010, 25(3): 353–358. |
| [15] |
陈能远, 孟庆山, 胡小兰. 滨海相软土固结—渗透联合测定试验研究[J].
工程勘察, 2011, 39(12): 6–10.
CHEN Neng-yuan, MENG Qing-shan, HU Xiao-lan. Experimental study on combined determination of osmosis and consolidation for marine soft soil[J]. Geotechnical Investigation and Surveying, 2011, 39(12): 6–10. |
| [16] | 中华人民共和国国家标准. GB/T 50123-1999, 土工试验方法标准[S]. 北京: 中国计划出版社, 1999. |
| [17] | FREDLUND D G, RAHARDJO H. Soil mechanics for unsaturated soil[M]. New York: Wiley, 1993: 25. |
| [18] | TAVENAS F, LEBLOND P, JEAN P, et al. The permeability of natural soft clays. Part I: methods of laboratory measurement[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1983, 20(20): 629–644. |
| [19] |
谢立权, 牛永昌, 刘芳, 等. 真空联合注气降水机理的数值分析[J].
地下空间与工程学报, 2009, 5(2): 1590–1593.
XIE Li-quan, NIU Yong-chang, LIU Fang, et al. Numerical analysis of vacuum drainage with air injection[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009, 5(2): 1590–1593. |