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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(huì)發(fā)生變化,這就使得測(cè)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(guò)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(shí)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(shí)際工程的開(kāi)展,避免工程中氣體(瓦斯)滲透引起的問(wèn)題。

針對(duì)土體中氣體滲透規(guī)律的研究,國(guó)外學(xué)者研制出不同儀器,包括用于測(cè)定不同圍壓下滲氣系數(shù)的三軸滲透儀、可同時(shí)測(cè)定滲氣系數(shù)和滲水系數(shù)的三軸滲透儀等;同時(shí)也開(kāi)展了一系列的試驗(yàn)研究，如在小壓力梯度下分別測(cè)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(shí),滲氣系數(shù)急劇下降;通過(guò)滲氣試驗(yàn)比較了土體中注入和未注入水泥漿時(shí)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(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量試驗(yàn),陳正漢等[5-8]通過(guò)自制儀器,測(cè)定了不同土體的滲氣系數(shù),但裂隙對(duì)土體滲氣性影響的研究尚不多見(jiàn)。本文對(duì)人工制備裂隙試樣進(jìn)行滲氣試驗(yàn),對(duì)比分析有無(wú)裂隙以及不同裂隙開(kāi)展深度對(duì)土體滲氣性的影響,研究氣體在裂隙土體中運(yùn)移的特點(diǎn)和規(guī)律,討論達(dá)西理論和非達(dá)西理論對(duì)人工裂隙試樣氣體運(yùn)移規(guī)律的適用性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

借鑒Matyas[9]研制的滲氣試驗(yàn)裝置,自行設(shè)計(jì)加工的滲氣試驗(yàn)裝置如圖1所示,主要包括供氣系統(tǒng)、滲氣系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)主要由氮?dú)馄亢蜌怏w緩沖裝置組成;滲氣系統(tǒng)由三軸壓力室和試樣組成;量測(cè)系統(tǒng)主要包括圍壓表,進(jìn)氣口、出氣口壓力測(cè)定U形管,氣體體積量測(cè)系統(tǒng)等。氣體體積流量通過(guò)排水法測(cè)得的體積流量換算而來(lái),水的體積用量筒(最小刻度5 mL)測(cè)定;試驗(yàn)時(shí)間用秒表(最小刻度1 s)測(cè)定;U形管液面高差用鋼尺(最小刻度1 mm)測(cè)量;試驗(yàn)溫度用溫度計(jì)(最小刻度0.1℃)測(cè)量。

圖1 滲氣試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 對(duì)切后的試樣

1.2 試樣制備及裝樣

試驗(yàn)用土為南水北調(diào)中線工程新鄉(xiāng)潞王墳試驗(yàn)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(duì)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(shí),控制其初始含水率為13%,干密度為1.60 g/cm3。在對(duì)開(kāi)模的保護(hù)下,用鋼絲鋸將擊實(shí)好的試樣小心地切開(kāi)一定深度(5 cm、10 cm、20 cm),在土體中形成人工裂隙,完全切開(kāi)后的試樣(切開(kāi)深度為20 cm)見(jiàn)圖2。對(duì)完全切開(kāi)的試樣進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),采用夾不同厚度紙條(寬度為1 cm)的辦法來(lái)控制裂隙寬度大小[11],紙條厚度用游標(biāo)卡尺(最小刻度0.02 mm)測(cè)得。試驗(yàn)時(shí)用保鮮膜密封包裹紙條,以防試驗(yàn)時(shí)紙條吸水厚度發(fā)生變化。

裝樣時(shí),在試樣兩端各加一個(gè)大約5 mm厚的圓環(huán)形墊片,見(jiàn)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(yàn)多采用透水石或多孔板,本實(shí)驗(yàn)若采用透水石,則透水石兩端面的壓力不等,增大壓力量測(cè)難度;若采用多孔板,則當(dāng)較多孔對(duì)著裂隙時(shí),滲氣量較大,反之較小。采用圓環(huán)形墊片則可避免上述問(wèn)題,可使試樣上下表面形成圓形空腔,使氣體均勻地從整個(gè)截面通過(guò)。

圖3 墊片安裝示意圖(單位：mm)

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前先檢查裝置的通暢性,主要是防止進(jìn)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(jìn)氣壓和圍壓,觀察是否有氣體從進(jìn)氣孔以及圍壓孔排出;然后將進(jìn)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(mén)、打開(kāi)進(jìn)氣閥門(mén)和圍壓閥門(mén),待圍壓以及進(jìn)、出氣口U形管液面差穩(wěn)定后關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)和圍壓閥門(mén),一段時(shí)間后通過(guò)觀察圍壓以及進(jìn)、出氣口U形管液面差是否發(fā)生變化來(lái)判斷裝置氣密性是否良好。試驗(yàn)主要包括以下幾個(gè)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(duì)制好的中三軸試樣進(jìn)行氣體滲透試驗(yàn),測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)試樣的氣體流量。

步驟3 將試樣分別切開(kāi)5 cm、10 cm及20 cm進(jìn)行氣體滲透試驗(yàn),測(cè)定不同裂隙深度時(shí)通過(guò)試樣的氣體流量。

步驟4 改變裂隙寬度進(jìn)行氣體滲透試驗(yàn),試驗(yàn)完成后用保鮮膜將試樣進(jìn)氣端除裂隙外的部分密封起來(lái),只允許氣體通過(guò)裂隙通道,測(cè)得該裂隙寬度下的滲氣量,并將同一裂隙寬度試樣進(jìn)氣端密封與未密封時(shí)所測(cè)流量進(jìn)行對(duì)比。

由于整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程都是在地下室進(jìn)行,環(huán)境溫度基本保持在15℃左右,故數(shù)據(jù)處理時(shí)忽略了溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響;試驗(yàn)中圍壓大小控制在24 kPa左右。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 壓實(shí)膨脹土滲氣規(guī)律

采用達(dá)西理論對(duì)壓實(shí)膨脹土的滲氣性進(jìn)行分析,按式(1)和式(2)計(jì)算氣體流速v和壓力梯度i:

(1)

(2)

式中:Q為試驗(yàn)中所測(cè)氣體流量,m3;A為試樣進(jìn)(出)氣面面積,m2;t為試驗(yàn)時(shí)間,s;ΔP為壓力差,kPa;ρa(bǔ)為氮?dú)饷芏?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(shí)試樣的滲氣試驗(yàn)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(dá)西定律,這與已有成果[5]相一致。由v=ki計(jì)算出此時(shí)滲氣系數(shù)為k=1.17×10-6m/s。

2.2 貫通裂隙對(duì)氣體運(yùn)移的影響

將膨脹土完全切開(kāi)試樣的滲氣試驗(yàn)結(jié)果也繪制于圖4中，可以看出完全切開(kāi)(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(shí)氣體滲透同樣符合達(dá)西定律,計(jì)算出此時(shí)的滲氣系數(shù)為2.97×10-6m/s。與壓實(shí)膨脹土試樣滲氣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見(jiàn),試樣完全切開(kāi)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(jiàn),壓實(shí)膨脹土中貫通裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展對(duì)土體滲透性影響較大。

圖4 膨脹土不同試樣滲氣試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)試樣中出現(xiàn)貫通裂隙,此時(shí)土體中氣體如何運(yùn)移需通過(guò)圖5來(lái)解釋。圖5給出了裂隙寬度為0.2 mm時(shí)試樣進(jìn)氣端未密封與密封兩種情況下試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。可以看出,進(jìn)氣端未密封和密封時(shí)實(shí)測(cè)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(guò)試樣,裂隙的存在為氣體運(yùn)移提供便利通道,是土壤優(yōu)勢(shì)理論中所謂的“優(yōu)勢(shì)路徑”,即流體整個(gè)繞過(guò)土壤基質(zhì),只通過(guò)少部分孔隙或裂隙快速運(yùn)移,這與土壤中優(yōu)勢(shì)流路徑起源于裂隙和大孔隙這一結(jié)論相一致[12-13]?？梢?jiàn),優(yōu)勢(shì)理論也可用來(lái)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(yùn)移試驗(yàn)結(jié)果

2.3 裂隙深度對(duì)滲氣規(guī)律的影響

按式(1)和式(2)計(jì)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(yàn)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(dá)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(guò)試樣的實(shí)際滲徑逐漸變小。值得注意的是,對(duì)比裂隙深度為零(即無(wú)裂隙時(shí))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(shí),盡管實(shí)際滲徑減小了1/2,然而其滲氣系數(shù)并未增大1倍,實(shí)測(cè)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(yàn)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(shí),雖然裂隙深度發(fā)生改變,但對(duì)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(duì)達(dá)西定律中的滲徑進(jìn)行修正,即采用實(shí)際滲徑(試樣高度減去裂隙深度)來(lái)計(jì)算,修正滲徑后不同裂隙深度試樣滲氣試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,修正前后的滲氣系數(shù)對(duì)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(dá)西理論分析裂隙未貫通試樣的滲氣規(guī)律時(shí),對(duì)滲徑進(jìn)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(yàn)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(yàn)的達(dá)西理論與非達(dá)西理論分析結(jié)果

對(duì)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(dá)西理論和非達(dá)西理論分析其試驗(yàn)結(jié)果。計(jì)算裂隙寬度為零的試樣的滲氣流速時(shí),氣體過(guò)流截面積按試樣進(jìn)氣端面積計(jì)算;計(jì)算裂隙寬度為0.2 mm試樣滲氣流速時(shí),按裂隙面積計(jì)算。非達(dá)西理論分析采用考慮氣體壓縮性的Darcy-Forchheimer修正的運(yùn)動(dòng)方程[15-16],其表達(dá)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(shí),P=P1;l=L時(shí),P=P2。經(jīng)化簡(jiǎn)后得到:

y=ax+bx2

(4)

x=Pv

式中:P1和P2分別為出氣口和進(jìn)氣口壓力,kPa;M為氮?dú)庀鄬?duì)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(shí)非達(dá)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(dá)西理論和非達(dá)西理論分析裂隙寬度為0.2 mm試樣滲氣試驗(yàn)結(jié)果的情況，可以看出,采用非達(dá)西理論分析試驗(yàn)結(jié)果時(shí),擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果符合程度較采用達(dá)西理論分析時(shí)更好。李廣悅等[16]對(duì)松散破碎介質(zhì)進(jìn)行氣體滲透試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)松散破碎介質(zhì)氣體滲透不符合達(dá)西定律而滿足非達(dá)西定律,這主要是由于試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)也滿足類似的條件,因此采用非達(dá)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(shí)不同理論分析結(jié)果

3 結(jié) 論

a. 壓實(shí)膨脹土氣體滲透符合達(dá)西定律。

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

c. 非達(dá)西理論比達(dá)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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