劉文卓， 孔 亮， 袁慶盟， 董 彤

(1.青島理工大學(xué) 理學(xué)院，山東 青島 266033；2.后勤工程學(xué)院 重慶市巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400041)

0 引 言

天然氣水合物又稱“可燃冰”，是水和天然氣長期在高壓低溫環(huán)境中形成的一種固態(tài)礦產(chǎn)資源。在能源稀缺的今天，開采并利用這些天然氣水合物資源，對滿足我國日益增長的能源消費(fèi)需求以及解決能源安全問題具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。天然氣水合物的賦存條件十分苛刻，人類活動(dòng)以及環(huán)境地質(zhì)條件對其影響十分明顯，輕微的擾動(dòng)都有可能造成水合物的分解，產(chǎn)生大量水和氣體。在其完全分解時(shí)，大量氣體充斥在能源土內(nèi)部來不及排出，使得海底能源土變?yōu)楹瑲馔?，含氣土的飽和度一般大?5%，氣體以離散孤立氣泡的形式存在[2-3]。而含氣土的產(chǎn)生使得孔壓迅速上升，土體有效應(yīng)力降低，可能引起能源土的靜力液化[4-5]，進(jìn)而導(dǎo)致海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，因此深入開展含氣土力學(xué)性質(zhì)研究，對可燃冰的開采仍然具有重要的指導(dǎo)意義?，F(xiàn)階段國內(nèi)外對含氣土的研究并不多見，這是由于原狀含氣土存在取樣困難、運(yùn)輸成本高等一系列問題[6]，并不能廣泛開展，因此實(shí)驗(yàn)室人工制備含氣土的相似材料成為了今后的研究重點(diǎn)。

目前關(guān)于含氣土制備的研究多分為兩類，一類可以歸結(jié)為設(shè)法使試樣內(nèi)部自主產(chǎn)生氣體的自生氣體法：Sobkowikz[7]采用CO2飽和水，在一定反壓下使試樣飽和，而后逐漸降低圍壓使CO2釋放，以此制備含氣土；Hyodo等[8]將水和天然氣在低溫10℃、高壓10 MPa 條件下混合并用裝置壓實(shí)，生成了可以直接用于試驗(yàn)的水合物試樣；Grozic[9]借鑒Sobkowikz的方法，但通過控制圍壓不變，逐漸降低反壓的方式制備含氣土樣；He[10]使用含有特定細(xì)菌的液體來飽和砂土試樣，進(jìn)而使其釋放氣體，是為生物制氣法。這一類方法可以使氣體與試樣成為一個(gè)整體，真實(shí)地模擬了含氣土的狀態(tài)，但試驗(yàn)要求較高，難度較大，自主釋放氣體很難定量的控制氣體含量，無法制備特定飽和度的含氣土，且氣體的釋放對試樣產(chǎn)生了擾動(dòng)，同時(shí)試樣總體積發(fā)生了變化，因此試驗(yàn)可重復(fù)性大大降低。第二類方法為外封氣體法：He[10]采用Gas Tube法利用GDS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，在排水閥門處外接一段封閉的氣管，用以模擬含氣土。這一類方法優(yōu)點(diǎn)在于可以制備特定飽和度的含氣土試樣，但由于氣管與試樣相連，使得試樣總體積發(fā)生了變化，且試樣與氣體彼此獨(dú)立，成為了兩個(gè)孤立的單元，氣體無法均勻分布在試樣中，無法模擬含氣土真實(shí)的狀態(tài)。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，充分考慮含氣土的物理特性，通過對GDS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的改造，提出了一套含氣土三軸試樣制備的新方法，利用改造完成的設(shè)備既可以完成飽和土體的應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)，也可以制備含氣土并進(jìn)行含氣土的應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)。該設(shè)備操作簡單，為含氣土的制備提供了一種新的思路。

1 GDS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

由英國GDS公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)是一種既可以應(yīng)變控制也可以應(yīng)力控制的三軸儀。如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：反壓控制器、圍壓控制器和軸壓控制器；Bishop & Wesley型應(yīng)力路徑三軸壓力室；數(shù)據(jù)采集板和GDSLAB軟件。

圖1 GDS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

GDS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)整個(gè)加載與量測的過程均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，具有精度高、操作簡便等特點(diǎn)。通過該設(shè)備可以完成常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)，同時(shí)也可以自定義操作，完成特殊應(yīng)力路徑的三軸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與改裝

對于GDS非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)來說，高進(jìn)氣值的陶土板在完全飽和時(shí)，其表面的許多微細(xì)孔形成收縮膜，收縮膜將眾多微細(xì)孔連接起來，形成表面張力，阻止氣體透過陶土板，而孔隙水可以和量測系統(tǒng)中的水連通成為一個(gè)整體[11]。雖然飽和的陶土板具有水氣分離的特性，但非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)對象是針對非飽和土體的，而含氣土是一種特殊的土體，土體中沒有氣體溢出的通道，不需要監(jiān)測基質(zhì)吸力，同時(shí)含氣土是飽和土中某種物質(zhì)釋放了氣體形成的，為了模擬該過程，顯然GDS非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)也是不適用的。結(jié)合兩種設(shè)備的特點(diǎn)，本文在GDS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改裝。

2.1 試樣底座

2.1.1底座上部結(jié)構(gòu)

原始底座如圖2(a)所示，具有兩部分結(jié)構(gòu)，底座上部結(jié)構(gòu)與試樣相連，不銹鋼卡套接頭位置與制樣時(shí)配套的三瓣模相匹配。如圖3(a)所示，傳統(tǒng)三瓣模無法實(shí)現(xiàn)有效密封，造成制備的試樣變形嚴(yán)重。為了解決這一問題，重新設(shè)計(jì)了一種密封性能較高的對開模，如圖3(b)所示。抽氣閥可保證裝樣過程中橡皮膜緊貼對開模內(nèi)壁，使每次制作的砂樣尺寸一致，試驗(yàn)可重復(fù)性大大提高。重新設(shè)計(jì)改裝的底座上部結(jié)構(gòu)如圖2(b)、(c)所示，不銹鋼卡套接頭位置下移，與自行設(shè)計(jì)加工的對開模相匹配。新底座上部結(jié)構(gòu)在原始接頭位置增設(shè)一道O型圈槽，放置與固定O型圈，使對開模與底座緊密接觸，保證橡皮膜的抽氣貼壁效果。同時(shí)O型圈用來箍緊套在底座上的橡皮膜，增加試樣的密閉性。

2.1.2底座中間結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)加工的底座中間結(jié)構(gòu)如圖2(b)、(c)所示，槽放置O型圈。底座上部結(jié)構(gòu)與中部結(jié)構(gòu)用螺栓相連，連接后密封圈、O型圈均與底座上部結(jié)構(gòu)緊密接觸，保證了密封性。

(a)GDS原配底座

(b)設(shè)計(jì)后的底座

(c) 新底座透視圖

(a)GDS原配三瓣模(b)設(shè)計(jì)加工的對開模

圖3 成模工具的設(shè)計(jì)

2.1.3底座下部結(jié)構(gòu)

底座下部結(jié)構(gòu)為GDS原配，與傳力中軸相連，并通過螺栓與中間結(jié)構(gòu)連接。

2.2 壓力室底座

壓力室底座，即試樣底座周邊的平臺(tái)，其上有多個(gè)接頭，分別連接不同的控制器。在壓力室底座上增設(shè)一個(gè)鉆孔(見圖2(a))，放置一個(gè)雙卡套接頭，該卡套接頭與原反壓接頭分別和底座中間結(jié)構(gòu)的2個(gè)接頭連接。

3 水氣置換法

3.1 管路連接方式

管路連接示意圖如圖4所示，圍壓控制器和軸壓控制器的連接方式未做變更，主要的變動(dòng)體現(xiàn)在反壓控制器與試樣的連接上。反壓控制器由原來的單管路直接連接變?yōu)殡p管路連接，其間增設(shè)2個(gè)三通球閥，用來轉(zhuǎn)換試驗(yàn)類型，通過各管路的不同連接方式，實(shí)現(xiàn)不同類型的試驗(yàn)。2個(gè)氣液注射器分別用熱縮管密封連接在三通球閥2和排水閥門處。

圖4 管路連接圖

3.2 含氣土試樣的制備

3.2.1飽和土三軸試驗(yàn)

按照圖4所示連接方式連接，轉(zhuǎn)動(dòng)三通球閥1使通路為1號(hào)管，此時(shí)反壓控制器與1號(hào)管和AD管連通，2號(hào)管和BC管不參與飽和土三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)方法與改裝前一致。

3.2.2含氣土三軸試驗(yàn)

含氣土三軸試驗(yàn)流程如下：

(1) 連接AC和BD管。轉(zhuǎn)動(dòng)三通球閥1、2使通路均為2號(hào)管，按照飽和土三軸試驗(yàn)方法進(jìn)行初始飽和與反壓飽和。為提高飽和度，采用通CO2和無氣水，再施加反壓的方法進(jìn)行反壓飽和從而制作飽和試樣[12]。

(2) 反壓飽和結(jié)束后，將圍壓和反壓同時(shí)線性降低，以保證有效圍壓不變，直至反壓為0 kPa。

(1)

由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算得出氣液注射器1內(nèi)所需氮?dú)釴2的量：

pV=nRT

(2)

(4) 轉(zhuǎn)動(dòng)三通球閥2使通路為氣液注射器2，打開排水閥門，連接氣液注射器1。由于試樣內(nèi)壓與大氣壓相等，因此閥門的開合對試樣不會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)。將計(jì)算得到的定量的氣體緩慢注入試樣中，該過程中氣液注射器2會(huì)排出等刻度的無氣水，同時(shí)觀察圍壓值是否穩(wěn)定，以保證水氣為等量置換。值得注意的是，氣液注射器1中要吸入少量的無氣水，一起注入試樣中，以此排空管路中殘留的氣體。

(5) 加氣結(jié)束后關(guān)閉排水閥門，轉(zhuǎn)動(dòng)三通球閥2使通路為2號(hào)管，圍壓和反壓均線性回升至先前的壓力。此時(shí)反壓控制器為向試樣中排水，因此氣體不會(huì)回流至反壓控制器中。

(6) 待壓力穩(wěn)定后轉(zhuǎn)動(dòng)三通球閥1使通路為1號(hào)管，此時(shí)反壓控制器與底座中間結(jié)構(gòu)直接連接，試樣靜置1 h。

(7) 設(shè)置固結(jié)階段，2 h排水量小于12 mm3作為固結(jié)完成標(biāo)準(zhǔn)[13]。

(8) 設(shè)置剪切階段，由試驗(yàn)測得本設(shè)備采用的陶土板在100 kPa反壓下的透水速率為0.517 mm3/s，從而推算出剪切速率為15.8 μm/min，最終取12 μm/min。對于固結(jié)不排水試驗(yàn)剪切速率可按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]確定。

4 含氣土室內(nèi)三軸試驗(yàn)

利用改造后的設(shè)備分別進(jìn)行了飽和土和89%飽和度的含氣土的固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)用砂為篩選后的福建標(biāo)準(zhǔn)砂，級(jí)配曲線如圖5所示，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB50123-1999測得最大最小干密度分別為1.78 g/cm3和1.488 g/cm3,土粒相對密度Gs為2.7。

按照上述方法計(jì)算得到大氣壓下需進(jìn)入試樣內(nèi)部的氣體含量為17.6 mL，據(jù)此制作飽和度為89%的砂樣并進(jìn)行含氣土三軸試驗(yàn)。剪切階段設(shè)置反壓為100 kPa，有效圍壓為300 kPa，剪切速率為12 μm/min。飽和土三軸試驗(yàn)各階段設(shè)置均與含氣土試驗(yàn)相同。每種試驗(yàn)重復(fù)3次，以驗(yàn)證試樣制備的可重復(fù)性[15]。試驗(yàn)結(jié)束后通過整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到飽和土和含氣土的剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖6所示，試驗(yàn)重復(fù)性較好。

圖5 級(jí)配曲線

圖6 剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖6可以看出，89%飽和度的含氣土和飽和土的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)開始階段均為應(yīng)變硬化，飽和土的初始剪切模量大于含氣土，飽和土比含氣土更早到達(dá)剪應(yīng)力峰值點(diǎn)，含氣土的抗剪強(qiáng)度為619 kPa，飽和土的抗剪強(qiáng)度為751 kPa，明顯高于含氣土。隨著應(yīng)變的發(fā)展，兩種試樣均有明顯的應(yīng)變軟化特征，飽和土殘余強(qiáng)度略大于含氣土。

由此驗(yàn)證了含氣土試樣制備新方法的可行性，總結(jié)了以下兩個(gè)特點(diǎn)：

(1) 氣液注射器具有良好的密封性，且刻度值可以定量地描述氣體含量，通過控制氣液注射器的刻度變化可以確保水氣為等量置換，保證了試樣總體積的不變。

(2) 對比自生氣體法和外封氣體法，水氣置換法不僅可以有效地控制氣體含量，保證試樣總體積不變，同時(shí)氣體以游離態(tài)均勻分布在試樣內(nèi)部更準(zhǔn)確地模擬了含氣土的真實(shí)狀態(tài)。

5 結(jié) 論

(1) 本文對GDS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與改造，提出了含氣土試樣制備的水氣置換法。該方法制樣速率快，操作簡便，可以更精確地控制試樣內(nèi)的氣體含量，保證試樣總體積不變，同時(shí)可以更大程度地模擬含氣土的真實(shí)狀態(tài)。

(2) 總結(jié)了一套完整的含氣土常規(guī)三軸試驗(yàn)流程。

(3) 制備了89%飽和度的含氣土并進(jìn)行了含氣土的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，與飽和土的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)進(jìn)行了對比，試驗(yàn)可重復(fù)性較高，由此驗(yàn)證了所提出的的試樣制備方法的可行性，為今后全面開展含氣土力學(xué)特性的研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 李洋輝，宋永臣，劉衛(wèi)國，等. 天然氣水合物沉積物體變實(shí)驗(yàn)本科教學(xué)探索[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2016, 35(10):182-184.

[2] Vannest M, Sultan N, Garzuglia S,etal. Seafloor instabilities and sediment deformation processes: The need for integrated, multi-disciplinary investigations [J]. Marine Geology, 2014, 352: 183-214.

[3] Grozic J L, Robertson P K, Morgenstern N R. The behavior of loose gassy sand[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1999, 36(3):482-492.

[4] Sultan N, Cochonat P, Foucher J P,etal. Effect of gas hydrates melting on seafloor slope instability[J]. Marine Geology, 2004, 213: 379-401.

[5] Maslin M, Owen M, Bwtts R,etal. Gas hydrates: Past and future geohazard [J].Philosophical Transactions of the Royal Society, 2010, A368: 2369-2393.

[6] 趙陽陽，劉 潤. 海洋含氣土工程特性研究現(xiàn)狀[J]. 石油工程建設(shè), 2013, 39(1):1-5.

[7] Sobkowicz J C，Morgenstern N R. An experimental investigation of transient pore pressure behavior in soils due to gas exsolution [C]//Proceedings of the International Symposium on Prediction and Performance in Geotechnical Engineering. Canada：Taylor & Francis，1987：267-276.

[8] Hyodo M，Hyde A F L，Nakata Y. Triaxial compressive strength of methane hydrate [C]//Proceedings of The Twelfth International Offshore and Polar Engineering Conference. Kitakyushu，Japan:ISOPE，2002：422-428.

[9] Grozic J L H, Nadim F, Kvalstad T J. On the undrained shear strength of gassy clays[J]. Computers & Geotechnics, 2005, 32(7):483-490.

[10] He J, Chu J, Ivanov V. Mitigation of liquefaction of saturated sand using biogas[J]. Geotechnique, 2013, 63(4):267-275.

[11] 李孝平，王世梅，李曉云，等. GDS三軸儀的非飽和土試驗(yàn)操作方法[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 30(5):37-40.

[12] 黃 博，汪清靜，凌道盛，等. 飽和砂土三軸試驗(yàn)中反壓設(shè)置與抗剪強(qiáng)度的研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2012, 34(7):1313-1319.

[13] 姚振興. 非飽和膨脹土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué), 2015.

[14] GB 50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[15] 董 彤,鄭穎人,孔 亮,等. 飽和重塑黏土空心圓柱試樣的壓制技術(shù)及應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2017,39(S1):43-47.