含 气 土 三 轴 试 样 制 备 的 新 方 法

刘文卓， 孔 亮， 袁庆盟， 董 彤

(1.青岛理工大学 理学院，山东 青岛 266033；2.后勤工程学院 重庆市岩土力学与地质环境保护重点实验室，重庆 400041)

0 引 言

天然气水合物又称“可燃冰”，是水和天然气长期在高压低温环境中形成的一种固态矿产资源。在能源稀缺的今天，开采并利用这些天然气水合物资源，对满足我国日益增长的能源消费需求以及解决能源安全问题具有重要的战略意义[1]。天然气水合物的赋存条件十分苛刻，人类活动以及环境地质条件对其影响十分明显，轻微的扰动都有可能造成水合物的分解，产生大量水和气体。在其完全分解时，大量气体充斥在能源土内部来不及排出，使得海底能源土变为含气土，含气土的饱和度一般大于85%，气体以离散孤立气泡的形式存在[2-3]。而含气土的产生使得孔压迅速上升，土体有效应力降低，可能引起能源土的静力液化[4-5]，进而导致海底滑坡等地质灾害，因此深入开展含气土力学性质研究，对可燃冰的开采仍然具有重要的指导意义。现阶段国内外对含气土的研究并不多见，这是由于原状含气土存在取样困难、运输成本高等一系列问题[6]，并不能广泛开展，因此实验室人工制备含气土的相似材料成为了今后的研究重点。

目前关于含气土制备的研究多分为两类，一类可以归结为设法使试样内部自主产生气体的自生气体法：Sobkowikz[7]采用CO2饱和水，在一定反压下使试样饱和，而后逐渐降低围压使CO2释放，以此制备含气土；Hyodo等[8]将水和天然气在低温10℃、高压10 MPa 条件下混合并用装置压实，生成了可以直接用于试验的水合物试样；Grozic[9]借鉴Sobkowikz的方法，但通过控制围压不变，逐渐降低反压的方式制备含气土样；He[10]使用含有特定细菌的液体来饱和砂土试样，进而使其释放气体，是为生物制气法。这一类方法可以使气体与试样成为一个整体，真实地模拟了含气土的状态，但试验要求较高，难度较大，自主释放气体很难定量的控制气体含量，无法制备特定饱和度的含气土，且气体的释放对试样产生了扰动，同时试样总体积发生了变化，因此试验可重复性大大降低。第二类方法为外封气体法：He[10]采用Gas Tube法利用GDS标准应力路径三轴试验系统，在排水阀门处外接一段封闭的气管，用以模拟含气土。这一类方法优点在于可以制备特定饱和度的含气土试样，但由于气管与试样相连，使得试样总体积发生了变化，且试样与气体彼此独立，成为了两个孤立的单元，气体无法均匀分布在试样中，无法模拟含气土真实的状态。

本文在前人研究成果的基础上，充分考虑含气土的物理特性，通过对GDS标准应力路径三轴试验系统的改造，提出了一套含气土三轴试样制备的新方法，利用改造完成的设备既可以完成饱和土体的应力路径三轴试验，也可以制备含气土并进行含气土的应力路径三轴试验。该设备操作简单，为含气土的制备提供了一种新的思路。

1 GDS标准应力路径三轴试验系统

由英国GDS公司生产的标准应力路径三轴试验系统是一种既可以应变控制也可以应力控制的三轴仪。如图1所示，试验系统主要由以下几部分组成：反压控制器、围压控制器和轴压控制器；Bishop & Wesley型应力路径三轴压力室；数据采集板和GDSLAB软件。

图1 GDS标准应力路径三轴试验系统

GDS标准应力路径三轴试验系统整个加载与量测的过程均由计算机自动完成，具有精度高、操作简便等特点。通过该设备可以完成常规三轴剪切试验，同时也可以自定义操作，完成特殊应力路径的三轴试验。

2 试验装置的设计与改装

对于GDS非饱和土三轴试验系统来说，高进气值的陶土板在完全饱和时，其表面的许多微细孔形成收缩膜，收缩膜将众多微细孔连接起来，形成表面张力，阻止气体透过陶土板，而孔隙水可以和量测系统中的水连通成为一个整体[11]。虽然饱和的陶土板具有水气分离的特性，但非饱和土三轴试验系统的试验对象是针对非饱和土体的，而含气土是一种特殊的土体，土体中没有气体溢出的通道，不需要监测基质吸力，同时含气土是饱和土中某种物质释放了气体形成的，为了模拟该过程，显然GDS非饱和土三轴试验系统也是不适用的。结合两种设备的特点，本文在GDS标准应力路径三轴试验系统的基础上进行了改装。

2.1 试样底座

2.1.1底座上部结构

原始底座如图2(a)所示，具有两部分结构，底座上部结构与试样相连，不锈钢卡套接头位置与制样时配套的三瓣模相匹配。如图3(a)所示，传统三瓣模无法实现有效密封，造成制备的试样变形严重。为了解决这一问题，重新设计了一种密封性能较高的对开模，如图3(b)所示。抽气阀可保证装样过程中橡皮膜紧贴对开模内壁，使每次制作的砂样尺寸一致，试验可重复性大大提高。重新设计改装的底座上部结构如图2(b)、(c)所示，不锈钢卡套接头位置下移，与自行设计加工的对开模相匹配。新底座上部结构在原始接头位置增设一道O型圈槽，放置与固定O型圈，使对开模与底座紧密接触，保证橡皮膜的抽气贴壁效果。同时O型圈用来箍紧套在底座上的橡皮膜，增加试样的密闭性。

2.1.2底座中间结构

设计加工的底座中间结构如图2(b)、(c)所示，槽放置O型圈。底座上部结构与中部结构用螺栓相连，连接后密封圈、O型圈均与底座上部结构紧密接触，保证了密封性。

(a)GDS原配底座

(b)设计后的底座

(c) 新底座透视图

(a)GDS原配三瓣模(b)设计加工的对开模

图3 成模工具的设计

2.1.3底座下部结构

底座下部结构为GDS原配，与传力中轴相连，并通过螺栓与中间结构连接。

2.2 压力室底座

压力室底座，即试样底座周边的平台，其上有多个接头，分别连接不同的控制器。在压力室底座上增设一个钻孔(见图2(a))，放置一个双卡套接头，该卡套接头与原反压接头分别和底座中间结构的2个接头连接。

3 水气置换法

3.1 管路连接方式

管路连接示意图如图4所示，围压控制器和轴压控制器的连接方式未做变更，主要的变动体现在反压控制器与试样的连接上。反压控制器由原来的单管路直接连接变为双管路连接，其间增设2个三通球阀，用来转换试验类型，通过各管路的不同连接方式，实现不同类型的试验。2个气液注射器分别用热缩管密封连接在三通球阀2和排水阀门处。

图4 管路连接图

3.2 含气土试样的制备

3.2.1饱和土三轴试验

按照图4所示连接方式连接，转动三通球阀1使通路为1号管，此时反压控制器与1号管和AD管连通，2号管和BC管不参与饱和土三轴试验，试验方法与改装前一致。

3.2.2含气土三轴试验

含气土三轴试验流程如下：

(1) 连接AC和BD管。转动三通球阀1、2使通路均为2号管，按照饱和土三轴试验方法进行初始饱和与反压饱和。为提高饱和度，采用通CO2和无气水，再施加反压的方法进行反压饱和从而制作饱和试样[12]。

(2) 反压饱和结束后，将围压和反压同时线性降低，以保证有效围压不变，直至反压为0 kPa。

(1)

由理想气体状态方程计算得出气液注射器1内所需氮气N2的量：

pV=nRT

(2)

(4) 转动三通球阀2使通路为气液注射器2，打开排水阀门，连接气液注射器1。由于试样内压与大气压相等，因此阀门的开合对试样不会产生扰动。将计算得到的定量的气体缓慢注入试样中，该过程中气液注射器2会排出等刻度的无气水，同时观察围压值是否稳定，以保证水气为等量置换。值得注意的是，气液注射器1中要吸入少量的无气水，一起注入试样中，以此排空管路中残留的气体。

(5) 加气结束后关闭排水阀门，转动三通球阀2使通路为2号管，围压和反压均线性回升至先前的压力。此时反压控制器为向试样中排水，因此气体不会回流至反压控制器中。

(6) 待压力稳定后转动三通球阀1使通路为1号管，此时反压控制器与底座中间结构直接连接，试样静置1 h。

(7) 设置固结阶段，2 h排水量小于12 mm3作为固结完成标准[13]。

(8) 设置剪切阶段，由试验测得本设备采用的陶土板在100 kPa反压下的透水速率为0.517 mm3/s，从而推算出剪切速率为15.8 μm/min，最终取12 μm/min。对于固结不排水试验剪切速率可按照《土工试验方法标准》[14]确定。

4 含气土室内三轴试验

利用改造后的设备分别进行了饱和土和89%饱和度的含气土的固结排水三轴剪切试验。试验用砂为筛选后的福建标准砂，级配曲线如图5所示，根据《土工试验方法标准》GB50123-1999测得最大最小干密度分别为1.78 g/cm3和1.488 g/cm3,土粒相对密度Gs为2.7。

按照上述方法计算得到大气压下需进入试样内部的气体含量为17.6 mL，据此制作饱和度为89%的砂样并进行含气土三轴试验。剪切阶段设置反压为100 kPa，有效围压为300 kPa，剪切速率为12 μm/min。饱和土三轴试验各阶段设置均与含气土试验相同。每种试验重复3次，以验证试样制备的可重复性[15]。试验结束后通过整理试验数据可得到饱和土和含气土的剪应力-应变关系曲线，如图6所示，试验重复性较好。

图5 级配曲线

图6 剪应力-应变关系曲线

由图6可以看出，89%饱和度的含气土和饱和土的固结排水剪切试验开始阶段均为应变硬化，饱和土的初始剪切模量大于含气土，饱和土比含气土更早到达剪应力峰值点，含气土的抗剪强度为619 kPa，饱和土的抗剪强度为751 kPa，明显高于含气土。随着应变的发展，两种试样均有明显的应变软化特征，饱和土残余强度略大于含气土。

由此验证了含气土试样制备新方法的可行性，总结了以下两个特点：

(1) 气液注射器具有良好的密封性，且刻度值可以定量地描述气体含量，通过控制气液注射器的刻度变化可以确保水气为等量置换，保证了试样总体积的不变。

(2) 对比自生气体法和外封气体法，水气置换法不仅可以有效地控制气体含量，保证试样总体积不变，同时气体以游离态均匀分布在试样内部更准确地模拟了含气土的真实状态。

5 结 论

(1) 本文对GDS标准应力路径三轴试验系统进行了设计与改造，提出了含气土试样制备的水气置换法。该方法制样速率快，操作简便，可以更精确地控制试样内的气体含量，保证试样总体积不变，同时可以更大程度地模拟含气土的真实状态。

(2) 总结了一套完整的含气土常规三轴试验流程。

(3) 制备了89%饱和度的含气土并进行了含气土的固结排水剪切试验，与饱和土的固结排水剪切试验进行了对比，试验可重复性较高，由此验证了所提出的的试样制备方法的可行性，为今后全面开展含气土力学特性的研究奠定了基础。

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