摘要：為了研究非飽合土體中充入空氣或CO2氣體所導(dǎo)致的土樣不同物理力學(xué)性質(zhì)，以長江邊的吹填細(xì)砂為對象，通過改變細(xì)砂的含水率，往土樣通入空氣和CO2，采用固結(jié)不排水三軸試驗分析了兩種不同氣體作用下細(xì)砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。研究結(jié)果表明：兩種氣體在低圍壓下使得細(xì)砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，高圍壓下曲線為硬化型。圍壓作用下充CO2細(xì)砂具有低孔隙率和高密實度特征，導(dǎo)致充CO2細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度大于充空氣的細(xì)砂。在高圍壓下，細(xì)砂顆粒聯(lián)系更加緊密，更多依靠顆粒骨架傳遞應(yīng)力，使得兩種氣體作用下細(xì)砂抗剪強(qiáng)度的差別變小。細(xì)砂含水率從4%增至12%時，充CO2細(xì)砂的黏聚力是充空氣細(xì)砂黏聚力的2.62～4.37倍，據(jù)此可在工程建設(shè)中對有機(jī)質(zhì)含量高的非飽合細(xì)砂充入CO2氣體，以起到加固土體的效果。

關(guān) 鍵 詞：CO2； 非飽和土體； 細(xì)砂； 含水率； 三軸試驗

中圖法分類號： TU411.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.027

0 引 言

近年來，極端氣候現(xiàn)象的增加，尤其是夏季高溫少雨時間不斷增多，地下水位持續(xù)下降，非飽和土的深度也在增加，非飽和土工程性質(zhì)的研究成為國內(nèi)外的熱點［1］。對非飽和土的相關(guān)研究始于20世紀(jì)50年代［2-4］，隨后非飽和土方面的研究迅猛發(fā)展并取得了一定的成果［5-9］。各種關(guān)于非飽和土的試驗方法以及抗剪強(qiáng)度相關(guān)公式相繼提出［10-11］。姚攀峰等［12］通過模擬不同路徑下的剪切試驗，確定了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與飽和度的曲線，在得到黏聚力與內(nèi)摩擦角的同時簡化了計算方法。方薇［13］針對應(yīng)力水平高但又不易測量吸力的土樣，采用土水特征參數(shù)進(jìn)行非線性抗剪強(qiáng)度的計算。崔宏環(huán)等［14］通過考慮吸力強(qiáng)度與塑性指數(shù)的關(guān)系，結(jié)合非飽和土的摩爾-庫倫公式預(yù)測土體抗剪強(qiáng)度。這些基于室內(nèi)試驗的非飽和土強(qiáng)度及其指標(biāo)的研究成果都是基于土中氣體為空氣的情況，但是在不同地質(zhì)條件下土中氣體組成并不一致［15］。

當(dāng)土中含有有機(jī)質(zhì)時，在缺氧狀態(tài)下有機(jī)質(zhì)會被厭氧微生物轉(zhuǎn)化分解生成CO2、H2S、CH4等物質(zhì)，而O2和N2等氣體又比CO2輕，進(jìn)一步增加了土中CO2的含量?，F(xiàn)有關(guān)于非空氣飽和土的研究集中于非飽和?；浲粒?6］以及甲烷沼氣［17-18］等對土的影響，對于非飽和土中CO2對土三軸強(qiáng)度影響的研究很少。而這些研究都是基于非飽和土的專用儀器，試驗周期長，考慮因素多，同時要配合土水特征曲線進(jìn)行計算［19-23］，過程復(fù)雜，在工程上并不適用，實際工作中依舊采用普通的三軸儀進(jìn)行試驗。

本文采用GDS應(yīng)力路徑三軸儀進(jìn)行三軸試驗，通過分析兩種氣體（空氣、CO2）作用下細(xì)砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，揭示兩種氣體作用下抗剪強(qiáng)度的變化機(jī)理，探究抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律，為工程建設(shè)中巖土工程設(shè)計參數(shù)的取值作參考。

1 試驗材料

試驗土樣取自江蘇省靖江市距離江邊1 km左右的建筑工地，取樣深度為地面以下5 m，土樣的粒徑組成如圖1所示，定名為細(xì)砂，計算可得Cu=1，Cc=1，砂樣粒徑集中在0.25～0.1 mm這個區(qū)間，不均勻性很強(qiáng)。

2 試驗系統(tǒng)

2.1 試驗儀器

三軸試驗系統(tǒng)采用英國GDS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸儀，CO2氣體由CO2生成器產(chǎn)生。將生成的CO2通入土樣下部底座，從土樣上部壓頭逸出，在氣體出口連通一根軟管至水中，通過水中氣泡的產(chǎn)生速率判斷土中氣體是否置換，試驗儀器如圖2所示。試驗土樣為圓柱形，內(nèi)徑為50 mm，高為100 mm。

2.2 試驗方法

根據(jù)GB/T 50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行土工試驗。擊實試驗結(jié)果如圖3所示。從圖中可以確定細(xì)砂的最大干密度為1.566 g/cm3，考慮到實際工程中細(xì)砂很難達(dá)到最大干密度，取相對密實度為0.95，細(xì)砂的干密度為1.49 g/cm3進(jìn)行試驗。試驗細(xì)砂的含水率分別為4%、8%、12%，控制圍壓在100，200，300，400 kPa下進(jìn)行細(xì)砂樣的三軸固結(jié)不排水試驗。而后對試驗土樣通入CO2置換出土中的空氣，控制出氣口每5 s產(chǎn)生一個氣泡，持續(xù)0.5 h，可認(rèn)為砂樣中的空氣已置換完畢，后續(xù)砂樣的制備重復(fù)上述試驗過程。

3 三軸試驗結(jié)果

充空氣試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，不同圍壓以及不同含水率下細(xì)砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)并不一致。圖4（a）中，4%含水率時，初始偏應(yīng)力的增加會產(chǎn)生較大的應(yīng)變，且圍壓越大，初始應(yīng)變越小。在100 kPa圍壓下，初始應(yīng)變最大達(dá)到2.3%，而在8%含水率和12%含水率的情況下則沒有該初始應(yīng)變產(chǎn)生。這是由于非飽和細(xì)砂在固結(jié)過程中，細(xì)砂中氣體的壓強(qiáng)與外部的圍壓平衡，當(dāng)偏應(yīng)力開始增加時，細(xì)砂中的一部分氣體溶于水中，同時這部分氣體的孔隙被壓縮，因此出現(xiàn)在很小應(yīng)力的情況下應(yīng)變變化很大的現(xiàn)像。同時，隨著圍壓的增加，初始應(yīng)變值也在減小，這是由于在固結(jié)過程中，圍壓增加，孔隙中的壓強(qiáng)也增加，固結(jié)階段溶于水的氣體也在增加，到固結(jié)結(jié)束時，更高圍壓下細(xì)砂樣孔隙中溶于水的氣體更少，增加應(yīng)力后可壓縮的孔隙也變少。當(dāng)含水率增加時，細(xì)砂中的孔隙被水填充，當(dāng)偏應(yīng)力增加，溶于水的氣體的孔隙對應(yīng)變的貢獻(xiàn)幾乎忽略不計，因此在圖4（b）和圖4（c）中沒有觀察到初始應(yīng)變值。在圍壓下，細(xì)砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，即隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。但應(yīng)力-應(yīng)變曲線的軟化特性并不突出，應(yīng)力的峰值點并不顯著，在上升到峰值應(yīng)力后，整體的下降趨勢表現(xiàn)較為平緩，并非呈現(xiàn)陡坡式下降。在高圍壓400 kPa時，細(xì)砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線則呈現(xiàn)出硬化型，且含水率越高，曲線的硬化特征越明顯。

表1是充空氣細(xì)砂在不同圍壓下的抗剪強(qiáng)度。從表中可以看出，隨著含水率的增加，相同圍壓下，細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)為下降的趨勢。當(dāng)細(xì)砂的含水率從4%增加到8%，對應(yīng)圍壓100，200，300，400 kPa下抗剪強(qiáng)度降低了6.25%、5.15%、5.24%和3.47%。含水率從8%增加到12%，對應(yīng)圍壓100，200，300，400 kPa下抗剪強(qiáng)度降低了8.33%、11.54、16%、9.6%。這表明，含水率的增加與抗剪強(qiáng)度降低并不呈正比關(guān)系。

充CO2氣體試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)細(xì)砂中氣體為CO2時，不同含水率與圍壓下細(xì)砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與圖4相似。在圖5（a）中，4%的含水率下，100 kPa和200 kPa下土樣仍然出現(xiàn)了初始應(yīng)變增加，在300 kPa以后則沒有出現(xiàn)，但是相比氣體為空氣的情況，該階段的產(chǎn)生的初始應(yīng)變很小，只有0.5%。細(xì)砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在100 kPa的低圍壓下依舊為應(yīng)變-軟化型曲線，但隨著細(xì)砂中含水率增加，曲線逐漸往硬化型發(fā)展，但是整個曲線變化幅度并不大。而在300 kPa和400 kPa的高圍壓下，細(xì)砂一直保持著硬化型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

表2為充CO2細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度。從表中可以看出，充CO2時細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度的變化趨勢與細(xì)砂中充空氣時一致，即隨著含水率與圍壓增加，細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度一直減小。對比表1和表2，同樣的圍壓和含水率下，充CO2細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度都大于充空氣細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度。但不同圍壓下的增加幅度并不相同，在100～300 kPa這個區(qū)間，充CO2細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度比充空氣細(xì)砂大8%以上；當(dāng)圍壓是200 kPa，含水率是12%時，變化幅度最大達(dá)到了24.6%；但是在圍壓400 kPa時，變化幅度普遍偏小，變化范圍都在3%以內(nèi)。

結(jié)合表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，相同含水率下，充CO2細(xì)砂的剪應(yīng)力隨著圍壓的增加并不是呈現(xiàn)線性變化的，其增加量隨著圍壓的增加而減少。4%含水率下，100～200 kPa、200～300 kPa、300～400 kPa圍壓變幅下，抗剪強(qiáng)度的增加值分別為287，188，155 kPa。同一圍壓區(qū)間，不同含水率下的剪應(yīng)力變化也不一樣，即隨著含水率的增加，抗剪強(qiáng)度的增加幅度在降低，在低圍壓區(qū)間表現(xiàn)得特別明顯。在100～200 kPa的圍壓區(qū)間，4%、8%、12%的含水率下抗剪強(qiáng)度的增加幅度為285，261，222 kPa。

4 試驗結(jié)果分析

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角ψ是巖土工程設(shè)計中不可或缺的參數(shù)，其大小的變化直接影響整個工程的設(shè)計安全。從表3中可以看出，充空氣細(xì)砂的三軸強(qiáng)度擬合都較好，都在0.99以上。如果細(xì)砂中是CO2時，擬合結(jié)果并不理想，尤其是低含水率時，細(xì)砂中含有的CO2最多，擬合結(jié)果最差，只有0.9801。

在對充空氣細(xì)砂不同含水率的黏聚力比較后發(fā)現(xiàn)，含水率的增加會顯著降低細(xì)砂的黏聚力。含水率在4%～8%、8%～12%范圍變化時，黏聚力分別降低了7.5，9.0 kPa，降低幅度為17.9%和26.1%。比較不同含水率下充CO2細(xì)砂的黏聚力發(fā)現(xiàn)，含水率的增加對黏聚力的影響并不顯著，從表3可以看出，含水率在4%～8%、8%～12%范圍增加時，黏聚力降低了2.5，1.0 kPa，降低幅度僅有2.17%、0.90%。對比相同含水率下的黏聚力會發(fā)現(xiàn)，細(xì)砂中充CO2時的黏聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)砂中充空氣的黏聚力。在含水率4%、8%、12%時，充CO2細(xì)砂的黏聚力分別是充空氣細(xì)砂黏聚力的2.74倍、3.26倍、4.37倍。細(xì)砂中通CO2后其內(nèi)摩擦角比細(xì)砂中通空氣的小，但是變化并不大，兩者的差值都小于2%。

CO2和空氣在不同壓力下的溶解度不同，其服從亨利系數(shù)公式：

Pg=Hx（1）

式中：H為Herry常數(shù)，x為氣體摩爾分?jǐn)?shù)溶解度，Pg為氣體的分壓。

式（1）表明在溫度一定時，隨著壓強(qiáng)的增加，氣體的溶解度增大。在25 ℃下，占空氣99%的氮氣和氧氣的亨利系數(shù)為8.714 3×104［atm/（mol/m3）］和4.363×104［atm/（mol/m3）］［24］，CO2的亨利系數(shù)為1.635 2×103［atm/（mol/m3）］，可見CO2的亨利系數(shù)遠(yuǎn)小于空氣，相同壓強(qiáng)作用下，CO2的溶解度會大于空氣。

當(dāng)砂樣的圍壓增加時，充CO2砂樣中的氣體比充空氣砂樣的氣體更多溶解在水中，使得前者的固結(jié)更為徹底，砂樣的孔隙率更低，密實度增加，而相同含水率下，密實度越高［25］，土樣的抗剪強(qiáng)度越大，從而得出充CO2細(xì)砂的黏聚力更大。在400 kPa下，充空氣細(xì)砂與充CO2細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度相差不大，這是由于高圍壓下，砂樣壓縮固結(jié)，但是由于砂樣中細(xì)砂顆粒的不均勻系數(shù)Cu=1、Cc=1，土體顆粒的粒徑高度集中，細(xì)砂顆粒相較于黏土間有更多的空隙，高圍壓下空氣與CO2都被壓縮到該孔隙中，細(xì)砂顆粒間聯(lián)系更加緊密，從而使得400 kPa圍壓下無論是充空氣細(xì)砂或是充CO2細(xì)砂的軸向應(yīng)力都是通過顆粒骨架傳遞，所以兩者的抗剪強(qiáng)度相差不大。

由于CO2的亨利系數(shù)和空氣的亨利系數(shù)相差了一個量級，因此在相同含水率下，圍壓增加0.1MPa，對空氣的影響較小，而對CO2的影響較大，這就是圍壓增加后相鄰圍壓下抗剪強(qiáng)度的增加量變化的原因，這使得抗剪強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)較差。

5 結(jié) 論

本文對長江邊典型的吹填細(xì)砂進(jìn)行非飽和的三軸試驗研究，對其分別通入空氣和CO2，分析細(xì)砂樣的抗剪強(qiáng)度及指標(biāo)，并得出以下結(jié)論。

（1） 低圍壓下，細(xì)砂試樣中充CO2或空氣后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，增加圍壓后曲線逐漸變成硬化型。

（2） 不同圍壓下，充CO2細(xì)砂的抗剪強(qiáng)度皆大于充空氣細(xì)砂。低圍壓下，兩者抗剪強(qiáng)度的差值在8%以上，但在高圍壓下，兩者差值很小，變化幅度僅為3%。

（3） 細(xì)砂中充填不同氣體對其內(nèi)摩擦角的影響并不顯著。細(xì)砂含水率從4%增至12%，充CO2細(xì)砂黏聚力是充空氣細(xì)砂黏聚力的2.62～4.37倍，因此工程建設(shè)中可據(jù)此對有機(jī)質(zhì)含量高的非飽和細(xì)砂充入CO2氣體起到加固效果。

（4） 圍壓作用下CO2氣體對細(xì)砂造成的低孔隙率是導(dǎo)致充CO2細(xì)砂抗剪強(qiáng)度高于充空氣細(xì)砂的重要原因。高圍壓下，氣體壓縮在不均勻級配細(xì)砂的孔隙中，顆粒聯(lián)系更加緊密，從而使得細(xì)砂更多依靠顆粒骨架傳遞應(yīng)力，這是導(dǎo)致充空氣和充CO2細(xì)砂抗剪強(qiáng)度相差不大的又一個重要因素。

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（編輯：鄭 毅）

Triaxial compression test on unsaturated riparian hydraulic fill sand

under action of two gasesWU Yan1，HU Kun2，JIANG Mahuan1，LI Huinan1，PENG Zhe1

（1.Department of Architecture and Environmental Engineering，Changzhou University Huaide College，Taizhou 214500，China； 2.School of Urban Construction，Changzhou University，Changzhou 213164，China）

Abstract： In order to study the different physical and mechanical properties of unsaturated soil filled with air or CO2，this study focused on the hydraulic reclamation fine sand along the Changjiang River.We manipulated water content of the fine sand samples filled with air and CO2 respectively and carried out a consolidated undrained triaxial compression test on them.We analyzed the stress-strain curves and shear strength indexes of the fine sand under the action of air and CO2.The results indicated that the fine sand′s stress-strain curves exhibited a strain softening type under low confining pressure and a hardening type in high confining pressures.Fine sand filled with CO2 had low porosity and high compactness，resulting in greater shear strength compared to fine sand filled with air.In high confining pressures，the fine sand particles were more closely interconnected，and stress transfer was more relied on the particle skeleton，so the difference in shear strength of fine sand under the action of two gases was reduced.Increasing the water content of fine sand from 4% to 12%，the cohesion force of fine sand filled with CO2 were 2.62 to 4.37 times larger than that of fine sand filled with air.The effect of different gases on the internal friction angle of fine sand can not be ignored，which lies a theoretical basis for unsaturated fine sand consolidation by filling CO2 into it.

Key words： CO2；unsaturated soil；fine sand；water content；triaxial compression test

收稿日期：2023-01-03；接受日期：2023-03-14

基金項目：中國博士后科學(xué)基金面上項目（2021M703507）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作項目（BY2021208）；泰州市科技支撐計劃（社會發(fā)展）項目（SSF20210062）

作者簡介：吳 炎，男，實驗師，碩士，研究方向為環(huán)境巖土工程。E-mail：906017607@qq.com