袁俊平,張 鋒,王啟貴,丁 巍

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210098)

膨脹土是一種具有脹縮性、超固結(jié)性和裂隙性的特殊黏土。土中裂隙的產(chǎn)生一方面破壞土體結(jié)構(gòu),降低土體抗剪強度;另一方面,為雨水入滲提供便利通道,大幅度增加土體的滲透性,因此膨脹土裂隙形態(tài)以及滲透性研究成為日益緊迫的研究課題[1]。然而膨脹土中裂隙遇水后形態(tài)會發(fā)生變化,這就使得測定裂隙膨脹土的滲水系數(shù)具有較大難度,考慮到滲氣系數(shù)可以反映土體結(jié)構(gòu)及滲水系數(shù)等[2],因此通過滲氣特性研究間接反映滲水特性，為裂隙膨脹土滲水特性研究提供了新思路。同時非飽和土滲氣特性的研究能夠完善非飽和土滲透理論,指導(dǎo)實際工程的開展,避免工程中氣體(瓦斯)滲透引起的問題。

針對土體中氣體滲透規(guī)律的研究,國外學(xué)者研制出不同儀器,包括用于測定不同圍壓下滲氣系數(shù)的三軸滲透儀、可同時測定滲氣系數(shù)和滲水系數(shù)的三軸滲透儀等;同時也開展了一系列的試驗研究，如在小壓力梯度下分別測定土體中空氣和水的滲透系數(shù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)土體中含水率接近最優(yōu)含水率時,滲氣系數(shù)急劇下降;通過滲氣試驗比較了土體中注入和未注入水泥漿時的滲氣特性,結(jié)果表明注入水泥漿后土體孔隙率發(fā)生變化,滲氣系數(shù)急劇減小[3-4]。

近年來國內(nèi)學(xué)者也進行了大量試驗,陳正漢等[5-8]通過自制儀器,測定了不同土體的滲氣系數(shù),但裂隙對土體滲氣性影響的研究尚不多見。本文對人工制備裂隙試樣進行滲氣試驗,對比分析有無裂隙以及不同裂隙開展深度對土體滲氣性的影響,研究氣體在裂隙土體中運移的特點和規(guī)律,討論達西理論和非達西理論對人工裂隙試樣氣體運移規(guī)律的適用性。

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

借鑒Matyas[9]研制的滲氣試驗裝置,自行設(shè)計加工的滲氣試驗裝置如圖1所示,主要包括供氣系統(tǒng)、滲氣系統(tǒng)和量測系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)主要由氮氣瓶和氣體緩沖裝置組成;滲氣系統(tǒng)由三軸壓力室和試樣組成;量測系統(tǒng)主要包括圍壓表,進氣口、出氣口壓力測定U形管,氣體體積量測系統(tǒng)等。氣體體積流量通過排水法測得的體積流量換算而來,水的體積用量筒(最小刻度5 mL)測定;試驗時間用秒表(最小刻度1 s)測定;U形管液面高差用鋼尺(最小刻度1 mm)測量;試驗溫度用溫度計(最小刻度0.1℃)測量。

圖1 滲氣試驗裝置示意圖

圖2 對切后的試樣

1.2 試樣制備及裝樣

試驗用土為南水北調(diào)中線工程新鄉(xiāng)潞王墳試驗段膨脹土[10],基本物理性能參數(shù)如下:塑限19.2%,液限42.7%,塑性指數(shù)24,相對密度2.74、自由膨脹率57.5%、最大干密度1.81 g/cm3。試樣為直徑10.1 cm、高度20 cm的圓柱樣,分5層擊實,控制其初始含水率為13%,干密度為1.60 g/cm3。在對開模的保護下,用鋼絲鋸將擊實好的試樣小心地切開一定深度(5 cm、10 cm、20 cm),在土體中形成人工裂隙,完全切開后的試樣(切開深度為20 cm)見圖2。對完全切開的試樣進行試驗時,采用夾不同厚度紙條(寬度為1 cm)的辦法來控制裂隙寬度大小[11],紙條厚度用游標卡尺(最小刻度0.02 mm)測得。試驗時用保鮮膜密封包裹紙條,以防試驗時紙條吸水厚度發(fā)生變化。

裝樣時,在試樣兩端各加一個大約5 mm厚的圓環(huán)形墊片,見圖3。墊片是用幾層硬紙板黏合修剪而成,其外徑和試樣直徑相同,均為101 mm,內(nèi)徑約為90 mm。常規(guī)滲透試驗多采用透水石或多孔板,本實驗若采用透水石,則透水石兩端面的壓力不等,增大壓力量測難度;若采用多孔板,則當(dāng)較多孔對著裂隙時,滲氣量較大,反之較小。采用圓環(huán)形墊片則可避免上述問題,可使試樣上下表面形成圓形空腔,使氣體均勻地從整個截面通過。

圖3 墊片安裝示意圖(單位：mm)

1.3 試驗步驟

試驗前先檢查裝置的通暢性,主要是防止進氣孔、出氣孔以及圍壓孔被堵塞,操作如下:首先不裝試樣而施加進氣壓和圍壓,觀察是否有氣體從進氣孔以及圍壓孔排出;然后將進氣管拔下而將出氣管接到氣源上,通氣后觀察排氣孔是否有氣體排出。其次檢查裝置的氣密性,關(guān)閉出氣口三通閥門、打開進氣閥門和圍壓閥門,待圍壓以及進、出氣口U形管液面差穩(wěn)定后關(guān)閉進氣閥門和圍壓閥門,一段時間后通過觀察圍壓以及進、出氣口U形管液面差是否發(fā)生變化來判斷裝置氣密性是否良好。試驗主要包括以下幾個步驟:

步驟1 將配好的含水率為13%的土制成干密度為1.60g/ cm3的中三軸圓柱樣。

步驟2 對制好的中三軸試樣進行氣體滲透試驗,測量一定時間內(nèi)通過試樣的氣體流量。

步驟3 將試樣分別切開5 cm、10 cm及20 cm進行氣體滲透試驗,測定不同裂隙深度時通過試樣的氣體流量。

步驟4 改變裂隙寬度進行氣體滲透試驗,試驗完成后用保鮮膜將試樣進氣端除裂隙外的部分密封起來,只允許氣體通過裂隙通道,測得該裂隙寬度下的滲氣量,并將同一裂隙寬度試樣進氣端密封與未密封時所測流量進行對比。

由于整個試驗過程都是在地下室進行,環(huán)境溫度基本保持在15℃左右,故數(shù)據(jù)處理時忽略了溫度變化對試驗結(jié)果的影響;試驗中圍壓大小控制在24 kPa左右。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 壓實膨脹土滲氣規(guī)律

采用達西理論對壓實膨脹土的滲氣性進行分析,按式(1)和式(2)計算氣體流速v和壓力梯度i:

(1)

(2)

式中:Q為試驗中所測氣體流量,m3;A為試樣進(出)氣面面積,m2;t為試驗時間,s;ΔP為壓力差,kPa;ρa為氮氣密度,取1.25 kg/m3;g為重力加速度,取10 m/s2;L為滲徑,m。

將膨脹土壓實試樣的滲氣試驗結(jié)果繪制于圖4中,從中可以看出,試樣氣體流速與壓力梯度呈線性關(guān)系,表明氣體滲透符合達西定律,這與已有成果[5]相一致。由v=ki計算出此時滲氣系數(shù)為k=1.17×10-6m/s。

2.2 貫通裂隙對氣體運移的影響

將膨脹土完全切開試樣的滲氣試驗結(jié)果也繪制于圖4中，可以看出完全切開(未夾紙條,裂隙寬度為零)試樣的氣體流速與壓力梯度也呈線性關(guān)系,表明此時氣體滲透同樣符合達西定律,計算出此時的滲氣系數(shù)為2.97×10-6m/s。與壓實膨脹土試樣滲氣試驗結(jié)果對比可見,試樣完全切開后,即使未夾紙條,試樣中仍然存在一條貫通裂隙,使得其滲氣系數(shù)提高了1倍,由此可見,壓實膨脹土中貫通裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展對土體滲透性影響較大。

圖4 膨脹土不同試樣滲氣試驗結(jié)果

當(dāng)試樣中出現(xiàn)貫通裂隙,此時土體中氣體如何運移需通過圖5來解釋。圖5給出了裂隙寬度為0.2 mm時試樣進氣端未密封與密封兩種情況下試驗結(jié)果的對比?？梢钥闯?進氣端未密封和密封時實測氣體流量值隨壓力差的變化關(guān)系重合在同一條曲線上,表明氣體主要從裂隙通道中通過試樣,裂隙的存在為氣體運移提供便利通道,是土壤優(yōu)勢理論中所謂的“優(yōu)勢路徑”,即流體整個繞過土壤基質(zhì),只通過少部分孔隙或裂隙快速運移,這與土壤中優(yōu)勢流路徑起源于裂隙和大孔隙這一結(jié)論相一致[12-13]?？梢?優(yōu)勢理論也可用來解釋和描述貫通裂隙試樣中的氣體滲透規(guī)律。

圖5 貫通裂隙試樣中氣體運移試驗結(jié)果

2.3 裂隙深度對滲氣規(guī)律的影響

按式(1)和式(2)計算氣體流速和壓力梯度,繪制不同裂隙深度試樣的滲氣試驗結(jié)果(圖6)。由圖6可以看出,不同裂隙深度試樣的滲氣規(guī)律仍符合達西定律,隨著裂隙深度的增大,試樣滲氣系數(shù)逐漸增大(表2)。這主要是由于隨著裂隙深度增加,氣體通過試樣的實際滲徑逐漸變小。值得注意的是,對比裂隙深度為零(即無裂隙時)以及裂隙深度為10 cm試樣的滲氣系數(shù),可以看出,裂隙深度為10 cm時,盡管實際滲徑減小了1/2,然而其滲氣系數(shù)并未增大1倍,實測結(jié)果偏小可能與裂隙面粗糙不平有關(guān)[14]。

圖6 不同裂隙深度試樣滲氣試驗結(jié)果

陳正漢等[5]指出滲氣系數(shù)與土的飽和度及密度有關(guān)。當(dāng)試樣中裂隙未貫通時,雖然裂隙深度發(fā)生改變,但對于相同飽和度和相同密度的試樣,滲氣系數(shù)理應(yīng)保持不變。因此,這里對達西定律中的滲徑進行修正,即采用實際滲徑(試樣高度減去裂隙深度)來計算,修正滲徑后不同裂隙深度試樣滲氣試驗結(jié)果如圖7所示,修正前后的滲氣系數(shù)對比列于表2。可以看出,隨著裂隙深度增加，滲徑修正后試樣滲氣系數(shù)幾乎保持不變,與前述理論分析一致。因此,采用達西理論分析裂隙未貫通試樣的滲氣規(guī)律時,對滲徑進行修正是有必要的。

圖7 修正滲徑后不同裂隙深度試樣滲氣試驗結(jié)果

表2 不同裂隙深度試樣滲氣系數(shù)值

2.4 滲氣試驗的達西理論與非達西理論分析結(jié)果

對裂隙寬度為零(未夾紙條)和裂隙寬度為0.2 mm的貫通裂隙試樣,分別用達西理論和非達西理論分析其試驗結(jié)果。計算裂隙寬度為零的試樣的滲氣流速時,氣體過流截面積按試樣進氣端面積計算;計算裂隙寬度為0.2 mm試樣滲氣流速時,按裂隙面積計算。非達西理論分析采用考慮氣體壓縮性的Darcy-Forchheimer修正的運動方程[15-16],其表達式如下:

(3)

式中:P為氣體壓力,Pa;μ為氣體黏滯系數(shù),Pa·s;ρ為氣體密度,kg/m3;CF為慣性系數(shù),m-1;K為滲透率,m2。邊界條件為:l為零時,P=P1;l=L時,P=P2。經(jīng)化簡后得到:

y=ax+bx2

(4)

x=Pv

式中:P1和P2分別為出氣口和進氣口壓力,kPa;M為氮氣相對分子質(zhì)量,取28;T為氣體溫度,K;R為氣體常數(shù),取8 314 m2/(s2·K)。

圖8 裂隙寬度為零時非達西理論分析結(jié)果

b. 裂隙寬度為0.2 mm。圖9分別給出了采用達西理論和非達西理論分析裂隙寬度為0.2 mm試樣滲氣試驗結(jié)果的情況，可以看出,采用非達西理論分析試驗結(jié)果時,擬合曲線與試驗結(jié)果符合程度較采用達西理論分析時更好。李廣悅等[16]對松散破碎介質(zhì)進行氣體滲透試驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)松散破碎介質(zhì)氣體滲透不符合達西定律而滿足非達西定律,這主要是由于試驗中氣體流速較大,并且氣體壓縮性不可忽略所致。本文裂隙寬度為0.2 mm的試樣進行試驗時也滿足類似的條件,因此采用非達西理論分析氣體滲透規(guī)律可能更合適。

圖9 裂隙寬度為0.2 mm時不同理論分析結(jié)果

3 結(jié) 論

a. 壓實膨脹土氣體滲透符合達西定律。

b. 當(dāng)壓實膨脹土中出現(xiàn)裂隙且裂隙未貫通時,試樣中氣體滲透同樣符合達西定律,但采用達西理論分析時應(yīng)考慮試樣滲徑的變化;壓實膨脹土中出現(xiàn)貫通裂隙時,試樣氣體滲透系數(shù)會明顯增大,此時膨脹土中的氣體運移主要經(jīng)過裂隙,呈現(xiàn)出典型的“優(yōu)勢流”現(xiàn)象。

c. 非達西理論比達西理論更適合描述貫通的人工裂隙試樣的滲氣規(guī)律。

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