含气土工程特性研究现状综述及展望
2021-05-18郑海洋冯丛烈
丁 智，郑海洋，冯丛烈，张 霄
(1.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.浙大城市学院土木工程系，浙江 杭州 310015)
0 引言
含气土在世界范围内广泛分布，主要集中在五大洲滨海区域以及冲积平原地区[1](见图1)，滨海及冲积平原因其地理位置等原因常作为核心城市所在地。
图1 世界滨海海洋含气沉积物分布
近些年来，城市的扩张和蓝色经济空间的拓展为基础设施建设增添了巨大动力。由于人们对于含气土的工程力学性质认识不足，在进行地铁、电站、基坑、大型跨海桥梁、深水港码头建设的过程中，遭遇了一些工程事故。这些事故轻者导致建、构筑物丧失正常使用功能，重者造成巨大经济损失和人员伤亡，例如：美国墨西哥湾“深水地平线”钻井平台发生爆炸事故[2]；安徽沿江水利设施因含气土导致地基发生不均匀沉降，造成设施开裂无法使用[3];杭州湾大桥在建设过程中遭遇了气体喷发致使勘测作业受阻[4]；杭州地铁1号线建设前期勘查钻探过程中出现多个探孔喷气、喷水和喷砂现象，喷出的气体易燃烧且可见明火，喷发后地面出现塌陷[5]。
在含气土中进行盾构施工存在“气矛效应”、“气盾效应”和“扰动活化效应”，这不仅使盾构注浆和防水效果变差，而且有可能会导致地下结构失效[6]，气体进入管片环缝中导致管片产生附加纵向变形和地层不均匀沉降。天然气水合物分解会使含气土固结性变差，在波浪荷载和工程作业扰动下海洋含气土容易引起海岸滑坡、土体液化、管线上浮等灾害事故[7-8]。含气沉积物通常为不良地基，加之分布具有不均匀性，置于其上的建、构筑物容易产生较大的沉降和不均匀沉降[9]，严重威胁工程建设和正常使用。含气土中气体多为甲烷、硫化氢、乙烷等易燃易爆和有毒气体，这为工程勘探和施工以及后期运营带来了巨大的安全隐患。目前工程上解决上述问题主要是通过预先排气，但是排气又会引起不同程度的土层沉降。研究含气土的工程特性可以指导以含气土为基础的建筑工程勘测设计以及为现场施工管理提供理论支撑。
含气土中气体的存在可能会改变土的沉降特性、液化特性以及抗剪强度。对于陆域含气土，施工扰动会引起土中气体的排出，进一步导致基坑突涌、相邻建筑物破坏等问题；对于海洋含气土，在波浪力和机械冲击的作用下会导致气体的累积，进而降低其稳定性，严重时会引发海底滑坡、油气井喷、管线上浮甚至破裂等事故。上述问题都涉及到含气土的变形特征，为减少类似的事故再次发生，有必要针对含气土的变形特征做进一步研究。随着工程领域的拓宽，将会有越来越多的工程涉及到含气土问题，如河湖底泥和深海沉积物的开挖、石油开采、工程降水等[10]。现有的研究大多集中于含气土的工程危害及其应对措施，而关于其变形特征的研究较少。本文将从含气土的分类、力学特性等方面介绍含气土的基本工程特性，结合抗剪强度理论、本构模型等问题探讨含气土的工程特性，并提出未来含气土工程特性的研究方向。
1 含气土的分类
含气土的定义有广义和狭义之分。广义上,含气土是指含有压力高于大气压的封闭气体或孔隙流体中存在高压溶解的气体的土[11]。狭义上,含气土被普遍认可的有2种。Sobkowicz[12]提出的孔隙中含有高压气体或者气体溶解在高溶解度流体中的土为含气土。图2示出Sobkowicz定义的含气土力学特性与一般非饱和土力学特性的区别。
图2 含气土与一般非饱和土力学特性的区别[13]
Wheeler[14]根据不同饱和度情况下气、水、土骨架之间的关系给出了3种非饱和土类型，分别是：饱和度Sr<40%时气相连通、水相不连通(见图3(a))；40%
(a)气相连通、水相不连通 (b)气相和水相都连通 (c)水相连通、气相封闭
Wheeler把水相连通、气相处于离散分布情况的土定义为含气土。可以看出，Wheeler定义的含气土范围比Sobkowicz定义的要广，还包含了常压和含有低溶解度气体的土体。虽然Wheeler和Sobkowicz定义含气土的角度不同，但是都强调了气相不连续的特点，以此来区别于其他非饱和土。含气土中的气体以离散封闭气泡、溶解气或气-水合物3种形式存在，不同的存在形式将会表现出不同的土层特性。
根据土体中离散封闭气泡尺寸的大小，又可以将含气土细分为2类：1)气泡直径比土体颗粒小，气泡离散分布于土颗粒的间隙中，一般土骨架不与气泡直接接触(见图4(a))，这种情况不会对土体结构产生影响；2)气泡的直径远大于土颗粒，气泡与多个土颗粒直接接触(见图4(b))，在接触面处易产生应力集中，气泡对土颗粒的挤压作用会使土骨架形态发生改变[15]。Sills等[16]认为封闭气相的存在导致孔隙流体具有较高的压缩性，这对含气土的力学性质会产生较大影响。
(a)离散小气泡 (b)离散大气泡
2 含气土的工程特征
2.1 含气土的结构特征
含气土中气相多以离散气泡的形式存在于完全饱和的土中，常见于湖泊和海洋沉积物。浅层气是指浅部沉积物中聚集的主要由甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)、乙烷(C2H6)等组成的气体[11]。非饱和土气相在土体中的赋存状态可以分为完全连续、部分连续、局部连续和完全封闭4种情况(见表1)，由含气土和浅层气藏的特征可知④为含气土，①和②为浅层气藏。
表1 非饱和土气相赋存状态分类[17]
在受到外力干扰或生物菌群活动的影响下，上述几种非饱和土的微观结构会相互转变[18]。浅层气和含气土的气体组成成分相同，并且含浅层气土符合广义含气土的定义，也是一类特殊的非饱和土。含浅层气土和含气土既有相似性，也有其各自的特点。笔者根据已有的文献资料总结出了含气土与含浅层气土的关系，如图5所示。
图5 含气土与含浅层气土关系
Hong等[19]通过对海洋含气土进行显微电镜扫描，获得了含气土的微观结构(见图6(a))，利用多孔介质导入技术获得室内重塑含气土(见图6(b))，这对理解含气土的宏、微观结构提供了一定的帮助。
(a)含气土显微扫描电镜微观结构
2.2 含气土的力学特征
2.2.1 含气土的抗剪强度
含气土是一种特殊的非饱和土，饱和度较高(一般饱和度Sr>85%)，并且所含孔隙气相具有特殊性(与大气隔绝，以封闭气泡的形式存在，且气压力可达到普通大气压的5～6倍)。
通常认为非饱和土为三相组成，即土颗粒、液相水、气相空气或其他特殊气体。一些学者认为非饱和土还应包含水-气分界面或收缩膜。气相的存在使得土体中的孔隙流体能够被压缩，这使得非饱和土的力学性质异常复杂。段晓梦等[20]认为将非饱和土分为六相(增加了固态孔隙水和胶质)有利于定性地描述岩土体的结构特点，但是六相划分法会使得各个参数之间的关系十分复杂，不利于定量计算。非饱和土中孔隙水压uw和孔隙气压ua一般不相等，二者作用在弯液面上的压力差值即基质吸力。基质吸力反映了土对水分的吸持能力，它通过收缩膜的表面张力影响非饱和土的抗剪强度。理论上讲，孔隙水压uw、孔隙气压ua和总应力σ这3个应力变量中的任意两两组合都可以表达土的应力状态(见表2)，其中以(σ-ua)和(ua-uw)的组合应用最为广泛。
表2 非饱和土应力状态的变量组合
含气土的力学性质比饱和土复杂得多，在饱和土中被广泛使用的摩尔-库仑准则在受基质吸力影响的非饱和土中并不适用。一些学者基于基质吸力等因素研究了非饱和土的抗剪强度性质，如表3所示。
表3 非饱和土抗剪强度研究
虽然国内外众多学者根据试验结果或理论推导得出了若干含气土的抗剪强度公式，但是由于含气土具有分散性和区域性，上述所提及的抗剪强度公式并没有得到广泛地验证。同时，需要认识到含气土与一般非饱和土的区别，含气土中气体封闭，气压值ua难以测量，将(σ-ua)和(ua-uw)作为抗剪强度变量是否合理还需要进一步验证。非饱和土由于其自身的力学复杂性，影响抗剪强度的因素较多，虽然吸力理论和有效应力原理得到了广泛应用，但仍不能完全解释非饱和土强度构成机制。含气土的强度理论可以借鉴非饱和土力学已有的研究成果，但也必须意识到含气土的特殊性才能获得更加理想的抗剪强度理论。
尽管含气土属于三相非饱和土，但是与一般非饱和土在三相状态上有所不同。普通非饱和土中气相多为空气，且孔隙气相与大气相连;含气土中的气相多为封闭状态的甲烷等气体。甲烷等气体在低温高压下与水易形成亚稳态的气-水合物，当外界环境发生改变或被扰动，气-水合物就会分解释放出大量气体。含气土与一般非饱和土最大的区别在于其气相赋存特性，含气土的气体压力远大于常规大气压，最高可达0.6 MPa。土体中三相所处的状态以及三相之间的比例发生改变都会影响含气土的工程力学性质和变形演化特性。Hong等[19]揭示了含气黏土2种“气泡-骨架”相互作用的机制，在低水深下气泡对土骨架存在加强效应(见图7)，高水深下气泡对土骨架具有损伤效应(见图8)。
(a)受力前
(a)受力前
孔亮等[29]、刘文卓[30]根据太沙基有效应力原理指出，当天然气-水合物分解时，气体聚集在海洋含气土中，孔隙水压力迅速增加，土体有效应力减小，最终导致海洋含气土发生液化失稳破坏。韩珠峰[31]发现含气量越大,含气砂床孔压消散越慢，超孔隙水压幅值越小，土体渗透性也越小。由此可以看出，在外部荷载不变的情况下，气体的累积和释放改变了孔隙水压，又间接影响了土骨架的有效应力。土骨架、水和气三者之间相互作用，共同决定着含气土的抗剪强度。
2.2.2 含气土的本构模型
土的本构关系是土的力学3大基本方程之一，也是有限元数值模拟分析的基础。提出合理的本构模型有助于让岩土工作者认识土应力-应变之间的关系，从而科学合理地预测岩土体的沉降变形。
Wheeler[32]针对含大气泡的含气土，把含气土看成饱和土包围孤立气泡的混合物，建立了最早的含气土本构模型(见图9)；Rowe等[33]提出了一个适用于非饱和土的弹塑性模型；Pietruszczak等[18]以Wheeler的含气土理想模型为基础，将含有小气泡的含气土中的气相和液相看成可压缩的流体，并且考虑了气泡平均半径的影响，建立了含封闭小气泡本构模型；Harris等[34]建立了一个能够描述含气土总应力和温度变化引起孔隙水压变化的二维模型；Sultan等[35]从土体微观变形角度建立了可以考虑体变的本构模型，该模型可用来描述深水取样过程中总应力降低、气体逸散和膨胀所造成的结构破坏的情况；王勇[36]建立了含气砂土放气应力路径下固、液、气三相耦合的本构模型，并通过数值模拟方法验证了该模型的有效性；Grozic等[37]基于改进的剑桥模型提出了能够确定细粒含气土不排水剪切强度的本构模型，该模型能够描述初始饱和度对含气土抗剪强度及变形的影响；Wichman[38]基于一维有限应变固结理论提出了适用于含气污泥的本构模型；张立[39]通过引入多个参数建立了能同时考虑固-液耦合作用、吸力和剪切影响的含气土本构模型，但是该模型的参数多达12个，这种多参数模型在确定各参数时的复杂性可能会限制其广泛应用；袁庆盟等[40]基于砂土和黏土的统一硬化模型，建立了能反映含气土强度、剪缩硬化和剪胀软化的弹塑性本构模型；Gao等[41]基于剑桥模型提出了一个能够描述土壤塑性硬化和抗剪强度的含气土连续性本构模型，该模型能够同时考虑气泡对细粒含气土土骨架的加强效应和损伤效应；Hong等[28,19]对含气黏土的屈服特性、流动特性等性质进行了细致深入的研究，建立了三维弹塑性本构模型，该模型参数少且预测效果较好。
图9 含气土理想模型[32]
近年来，基于物理守恒定律、经典非平衡热力学理论和流体力学理论的建模方法备受关注。一些学者关注到温度对含气土力学性质的影响，开始尝试将热力学知识应用于解决含气土的本构问题。Yang等[42]基于热力学原理提出了能考虑气体对土骨架塑性变形影响的细粒含气土热力学模型，该模型能够较好地描述含气土的固结和不排水剪切特性。
含气土的力学性质非常复杂，包含了非线性、弹塑性、压硬性、剪胀性、应变软化和应力路径相关性等特性。要求一个本构模型能同时描述含气土所有的力学特性是不现实的。由上述研究可知，含气土本构模型能够考虑的因素和描述的力学特性越来越多，但是本构模型大多是对传统模型的拓展和丰富，要建立更合适的本构模型还缺乏更具有针对性的理论基础。
2.3 含气土的变形特征
2.3.1 研究现状
按照放气措施的有无以及对含气土层的扰动程度，将含气土的变形分为2类：1)无控放气条件下含气土的变形；2)有控放气条件下含气土的变形。最开始土木工程领域关注含气土主要是因为野外勘测以及工程灾害，因此，早期的研究大都集中于第1类问题。
谢承玉[3]基于安徽市水利建设工程提出浅层气的存在对水工建筑的影响；唐益群等[43]研究了浅层沼气赋存特征及其对地下工程的影响，阐释了粉砂层中沼气赋存的分带性；赵小辉[44]分析了浅层气对杭州地铁施工的影响模式，提出底板压力不足以抵抗气压力时会出现底板突涌；郭爱国等[45]结合杭州地铁1号线勘探作业中遭遇气体喷发并燃烧的现象，指出高压气体无控制措施释放时会造成地基砂土层和软土层剧烈扰动，引起地基附加沉降和差异沉降；卢浩等[46]对含气地层中气体释放对盾构稳定性影响进行了研究，给出了排气井中气体释放引起的地层变形图。
无控放气会引起含气土水、气渗流问题，郭爱国等[47]指出无控放气下含气土破坏的本质是“渗透破坏”。气和水都是流体，在水、气移运过程中二者处于竞争关系。如果前期气体释放过快，水相移运会阻碍甚至中断气相的流动，出现“贾敏效应”[48]。
含气土层中的气压可以达到标准大气压的数倍，在较大气体压力作用下，含气砂土的有效应力要远低于上覆土的自重应力，这必然使得土的结构疏松。在气体释放后，有效应力迅速增大，含气土层会产生较大的沉降量，导致基础下沉和承载能力降低[49]。尤其在气体急剧释放时，高速气流必然会对土体产生强烈的扰动和冲刷作用。含气土层中的气流和水流也会导致含气土层发生渗流破坏，甚至出现含气层土颗粒被气体大量带出，引起上覆土体产生缓慢沉降或坍塌，最终导致桩体倾斜和承载能力大幅度减小。由于含气砂层承受着较大的上覆土层自重压力，当发生气体急剧释放时，会使底部砂土层发生不可恢复的压缩变形进而导致地基土层产生较大的沉降。含气土气相赋存一般分布不均、不连续[50]，且大多数以囊状形式存在，在附加应力作用下不同部位的土层的变形不同会导致建筑物的差异沉降[45]。差异沉降容易对建筑物造成破坏或使其丧失使用功能，目前对该问题的研究多基于现场监测，只有一些描述性的结论，缺乏系统的理论进行说明。
自20世纪70年代，在我国长江流域水利设施建设、沿海地区地下空间开发利用以及杭州湾跨海大桥等大型工程的建设中，都相继出现过因含浅层气土气体释放导致的诸如不均匀沉陷、桩基承载力下降、地基失稳以及诱发管涌、流土等工程事故，含浅层气土的岩土工程危害性逐步被人们所认知。继而针对含气土层的赋存特征、土层特性和成灾机制展开了研究，并取得了卓有成效的研究成果[27]。在工程实践中经过不断摸索，提出了诸如在施工前预先布设排气井、同步同向施工[51]、通过调整井口闸阀控制出口压力及流速进行有控制性缓慢放气的防灾减灾措施[52]，但这些工程措施引起的含气地层沉降一直是工程中最为关心且尚未得到完全解决的问题之一[53]。
唐益群等[54]探讨了浅层沼气的赋存特征、移运规律及其对工程建设的影响。王勇等在研究含浅层气地层有控放气措施下的一维变形问题时指出,有控放气措施下，因气体释放所导致的含气地层沉降沿原始气藏厚度自上而下依次递减[55-56]；根据含气砂土试样体变与孔隙压力之间的变化曲线得出结论,储气砂试样体变值与气体压力值呈正相关关系，初始气压越大则试样体变越大[36]。
气体释放过快会导致超孔压上升，有效应力急剧下降，固相颗粒容易被气流和水流带出，引起土体损失和地层的扰动，导致沉降变形过大。施工前必须采取措施有控制性地超前释放气体，给土体足够的时间恢复强度，尽量避免土层急剧扰动使土体结构发生破坏。可以在放气的同时对含气土层“人为补充水”，缓解土体有效应力急剧增大带来的地面沉降。尽可能采用较小的放气速率，使砂性土层中的气体压力尽可能降低或者将气体放完，以避免工程事故的发生。
2.3.2 含气土的剪胀、剪缩特性
剪胀、剪缩是含气土变形特性的重要内容，对含气土剪胀、剪缩特性的研究有助于解决本构模型无法全面反映含气土的变形机制的问题。
含气土的剪胀、剪缩方程主要由平均有效应力与有效固结压力之比控制，一些学者由此提出了预测含气土剪胀、剪缩特性的方程，如表4所示。
表4 含气土剪胀、剪缩研究
王宝龙等[58]通过研究不同排气状态下非饱和土的轴变和体变关系，认为非饱和土出现剪胀的原因是：在外力作用下非饱和土气相压力增大，各组分之间的位置发生改变，原本平衡状态被打破，产生不可恢复性变形(见图10)。Sultan等[57]、Hight等[59]认为气泡在高压环境下可能会引起土体不连续、微裂纹的形成和土骨架坍塌，进一步导致剪缩现象的出现；刘文卓[30]认为含气土剪胀是在轴向荷载作用下颗粒间发生错位滑移，导致体积膨胀的结果。
(a)气压力增加
2.3.3 含气土多种应力路径下的变形特性
由土力学知识可知，土体的曲线与应力历史和加卸荷路径有关。在施工过程中处在不同空间位置上的含气土经历了不同的应力路径，其变形特征也有很大的差别，因此，有必要研究含气土在多种应力路径下的变形特征。含气土形成过程中经历了脱湿的过程，气体释放是含气土在工程中最普遍的一条应力路径，以往关于含气土应力路径与变形特征的研究多集中于这2条应力路径。
王勇等通过室内试验发现储气砂土层气压力越高，因气体释放产生的土层变形越大，并指出有控放气可以减小含气土层的变形[36]；指出砂土在不同的应力水平下的脱湿过程中均表现出收缩特性，且收缩变形与应力水平呈负相关[55]。在有控放气措施下，储气砂土湿化所引起的变形量较小。就满足工程沉降要求而言，可以不考虑湿化过程中由吸力或饱和度减小引起的含气砂土变形。在排气的初期，土的变形速率较大，但随着排气过程的进行，变形速率越来越小。在地铁建设工程中有时会发生气体释放完后又产生回聚的现象。唐益群等[60]发现气体回聚过程产生的变形比气体释放过程中土样产生的变形要小得多，气体回聚后再释放产生的变形也很小。研究发现，气体释放过程中应变与有效应力之间满足对数关系:
y1=k1lnx1+b1。
(1)
气体释放过程中应变y2与时间x2之间满足对数关系:
y2=k2lnx2+b2。
(2)
式(1)—(2)中：k1、k2、b1和b2均为曲线拟合参数。
由y2表达式可知，排气速度越慢，土体变形速度越慢，这可以作为有控放气减小沉降的依据。
钟方杰[61]研究了储气砂土在主动压缩、被动压缩和有控放气等6种应力路径下的变形情况。在不同的应力路径剪切试验中，围压的变化方向与试样应力应变特征密切相关。围压增加会诱导试样发生应变硬化，围压减小则会诱导试样产生应变软化的趋势，如图11所示。
图11 剪切中围压变化与硬化特性关系[61]
2.3.4 含气土层沉降量的预估
在含气土相关工程中最重要的、也是工程人员最关心的问题就是工后沉降。过大的沉降不仅难以满足施工的要求，而且还会引起建筑物的下沉、开裂、轴线偏移等问题，影响其正常使用。
孔令伟等[49]基于无控放气条件下地层变形的程度将影响区域划分为剧烈扰动区、严重扰动区、轻微扰动区和含气压密区，从“剧烈扰动区”到“含气压密区”土体扰动程度逐渐减小，地表沉降量逐渐减小，整体呈现为“盆状”。卢浩等[46]在研究含气土气体释放对盾构稳定性影响时，认为气体泄漏点造成的地层沉降可以很好地用自然对数曲线来预测：
(3)
y=(0.322ymax+0.964)ln(1+x)-ymax。
(4)
式(3)—(4)中：ymax为竖向最大沉降；Δe为孔隙比变化量；H为单个含气土层的厚度；e0为气体释放前含气土层孔隙比；y为任一点的竖向沉降。
由式(4)可知，土层最大竖向位移发生在靠近排气井底部的位置，随着气体的释放，地层会形成以排气井为中心的“漏斗”形沉降盆，如图12所示。
图12 排气井中气体释放引起的地层变形图
胡新国[62]基于双应力状态强度理论结合土层压缩变形公式，给出了含气土地表沉降预测公式：
(5)
式中：as为与基质吸力相对应的压缩系数；av为与净应力相对应的压缩系数。
式(4)和(5)都是基于单一均质土层，而现实中含气土多呈层状或条带状分布，以上公式能否应用于工程实际还有待进一步验证。
钟方杰[61]指出含气土层气体的逸散是地层发生沉降的原因，地层沉降的发源处为含气砂层顶部，在此基础上给出了含气土层最大沉降S、地面最大沉降S′分别与气藏埋深L之间存在如下关系：
S=-1.25L+70.833；
(6)
S′=-1.275L+67.083。
(7)
王勇等[55]发现在有控放气条件下，由含气土气体释放所引起的地层沉降可视为K0状态下的一维固结问题，借鉴饱和土地基沉降的分层总和法得出气体释放引起的地层沉降
(8)
式中：at为与净平均应力增量相对应的压缩系数；Δpc为气体释放前后基质吸力的改变量。
含气土气体释放引起的沉降与许多因素有关，如气藏深度、气藏厚度、放气的速率、土质等。上述沉降模型一般只考虑了1～2个因素，无法全面地反映各因素在最终沉降中所占比例。因此，需要提出能够考虑多种因素的新的沉降模型，满足工程对工后沉降的预测需求。
3 含气土工程特性的研究方法
3.1 单元体试验
含气土在上部水压力的作用下，能够较为稳定地存在，但是在外力作用下气体容易发生脱溶、分解、逸散，导致土体结构发生改变。这导致一般很难取得未受扰动的原状含气土。虽然国外有学者研发出能够取得原状土的器具[63-64]，但是原状含气土室内试验仍存在取样困难、运输过程中易扰动、试验条件要求高等问题。目前国内外对含气土取样扰动程度定量评测方法[65]的研究不多，上述这些因素促使国内外研究人员转向采用模拟制备含气土试样，进行单元体以及现场监测等方法研究含气土的工程特性。
要对含气土进行室内单元体试验研究，首先就会涉及到含气土试样的制备。同一试验材料，不同的试样制备方法可能得到2种相反的结果。郭莹等[66]在对比研究不同成样方法对饱和中砂的不排水试验影响时发现，三轴试验结果受成样方法的影响很大；刘文卓[30]指出成样方法、成模工具、端部摩阻力、试验用水等因素都会影响试验结果，并建议对同一种含气砂土的一系列三轴试验采用同一种方法进行制样；钟方杰[61]认为含气土水下成样法具有容易满足饱和度要求、无需移动试样即可试验、能较好地模拟细砂的自然沉降结构等优点。
Nageswaran[67]在高压下用甲烷饱和沸石粉末，然后将吸附甲烷的饱和沸石与湿土混合，利用水与沸石之间强大吸附力置换出甲烷,并在试样中形成气泡制备含气土；唐益群等[54]、孔令伟等[68]采用逐步驱替法模拟制备气泡自由分布的含气土试样，但是制得的试样的初始饱和度较低；Sobkowikz[12]采用CO2饱和水饱和试样，逐级降低围压使CO2释放以此制备含气土；Hyodo[69]将天然气和水在低温高压条件下混合并压实，制备了含有天然气水合物的试样；Grozic等[37]采用与Sobkowikz类似的方法，通过逐级减小反压制备含气土试样；Sills等[16]利用微生物分解有机物释放气体，制得了含生物气的含气土试样；Cristancho等[70]采用过氧化氢(H2O2)诱导土中的有机物氧化来制备含气土，避免了对气泡点的依赖；Hong等[19]应用多孔介质导入技术，再现滨海含气土，解决了难以获得原状土的难题。制备含气砂土和含气黏土的方法截然不同，含气砂土制备多采用逐步驱替法制备，含气黏土则多采用沸石置换法。
含气土中气体多为甲烷、乙烷、硫化氢等易燃、易爆、有毒气体，绝大多数试验出于安全考虑以及突出研究重点，采用空气、CO2或N2代替甲烷等气体。采用空气、CO2或N2代替甲烷等危险性气体符合试验安全的要求，其中N2和含气土中主要的气体甲烷、乙烷(占90%以上)都属于非极性分子，N2的溶解度接近甲烷的溶解度(见表5)，同时低于空气和CO2，且几乎不与水反应，可以忽略气-水相互作用对试验的影响。相比于用空气或CO2代替甲烷，采用N2代替甲烷能显著缩短试验时间。
表5 试验所用气体溶解度表(20 ℃，101 kPa)
Thomas[71]通过含气土一维固结试验发现瞬时加载引起的含气土变形主要来源于气相的压缩；Gonzalez等[72]研究了含气土在自重作用下的固结特性；Liu等[73]通过三轴试验研究了含气泥炭土的变形特征，建立了应力-应变-时间固结模型；Zhang等[74]提出了考虑气-水混合压缩系数的含气土一维固结方程，认为在含气土固结计算中需考虑气-水混合物的可压缩性；Wheeler[75]通过一系列三轴试验，发现气压力存在一个与吸力相关的上限值；Grozic等[76]研究了含气松砂液化问题，发现松散的含气砂具有应变软化和流动液化特性；Rad等[77]通过试验研究了含气土的动力剪切强度，发现含气土中气体的溶解度越高，其不排水抗剪强度越小；唐益群等[54]对浅气层高孔压非饱和土固结规律进行了研究，揭示了含气黏性土层的变形规律；Zhong等[78]通过试验发现持水特征曲线(SWCC)能够有效地预测和分析含气土的不饱和参数；王勇等[79]通过GDS非饱和土三轴试验系统研究了当含气土含水率大于残余含水率时，吸力对抗剪强度的影响；苗强强等[80]通过常规三轴仪、非饱和土渗气装置对非饱和黏土质砂的渗气规律进行了研究。
Grozic[81]通过室内试验研究了Fraser河三角洲含气松砂的液化特性，并提出了一种评估含气砂抗液化能力的方法；Finno等[82]通过三轴试验验证了Terzaghi有效应力原理对含气土的适用性，发现当含气土饱和度大于92%时，气泡的存在并不影响有效应力原理的应用；Fourie等[83]通过室内不排水压缩试验研究了尾矿砂的液化特性，结果发现尾矿砂孔隙中的气体是导致其液化的重要因素；吕华斌[10]利用改进的注气装置进行了含气土固结试验和注气试验，结果表明注气压力的增大有利于气体穿透试样，固结压力的增大阻碍了气体穿透试样；何维[84]利用改装的GDS三轴仪进行了含气土气侵试验，发现气体侵入方式与砂土的粒径密切相关，粗颗粒对应为毛细管侵入，细颗粒对应为劈裂侵入，且裂缝以气体注入点为中心呈“碗状”斜向上扩展；李红星等[85]利用Micro-CT扫描仪分析了积物声学特性之间的关系，结果显示含气量的增加会引起声速急剧降低；程朋[86]针对杭州湾含气土进行了一系列声学响应特性试验研究，利用CT扫描技术获取了含气土气泡尺寸分布情况；张旭辉等[87]对四氢呋喃水合物、沉积物进行了动三轴试验，发现水合物、沉积物的破坏均为塑性破坏，且水合物的分解不利于沉积物的稳定；管向阳[9]研究了动荷载幅值和初始饱和度对含气砂土动孔压特性的影响，发现在动荷载作用下含气砂土循环应力与液化振次呈线性关系，气体含量增加延缓了含气砂土的液化；邓莉[88]利用GDS动三轴系统研究了正弦波荷载作用下含气砂土的动力特性，发现在动荷载幅值和饱和度增大的情况下含气砂土更容易液化。
单元体试验可实现多种应力路径模拟不同工况，具有不可替代性；但是，必须认识到现有的试验基本以重塑土为主，无法再现原状含气土的结构，并且试验土中的气体和原状土不相同，这势必会造成不可忽略的偏差。影响含气土变形的因素较多，现有的研究成果尚难构成完整体系，无法准确全面地揭示含气土的变形特征。
3.2 数值模拟
王勇等采用有限元建立了放气路径下储气砂水气两相运移模型，获得气体释放速率与储气层层顶沉降之间的关系(见图13)，这与现场观测到的“盆状沉降”很吻合[36]；通过FLAC程序建立排气井模型，模拟了气体释放速率对含气土层中气水运移的影响[89]；钟方杰[61]采用FLAC-2D探究了钻探井喷时气体释放引起的地面沉降与初始压力、气层厚度及埋深之间的关系，发现地面沉降与气藏压力、气藏厚度呈正相关，与埋深呈负相关；Atigh等[90]采用FLAC程序研究Fraser河三角洲海底斜坡在潮汐作用下的响应，结果表明，在潮汐作用下由于孔隙中气体的存在，引起有效应力降低，导致海底斜坡液化流动；安晨歌等[91]采用能量上限法结合EMU软件，分析海底边坡软弱夹层中水合物分解对海床边坡稳定性的影响，结果表明，水合物分解会产生膨胀压力，不利于边坡的稳定；成荣鹏等[92]基于A.Nermoen的模型试验，采用了拉格朗日法描述颗粒运动和欧拉方法描述气相运移的MP-PIC模型进行数值模拟，发现气体临界速度与土层厚度、土体孔隙率及进出口的大小有关，但该方法没有考虑马格努斯力等相互作用，获得的临界流化速度比试验结果偏低；Wang等[48]采用FLAC-3D结合固-液-气三相耦合方法研究气体释放引起的地表沉降变形(见图14和图15)，并指出提前进行有控放气对相邻地下建筑物的不利影响是不可忽略的，排气井应与现有的结构物保持适当的距离；Zapata-M等[93]采用了有限元PLAXIS2D研究了土体中游离气体的存在对孔隙压力、体积变化和不排水强度的影响，发现饱和度发生较小的改变会对含气土不排水抗剪强度和体积产生较大的影响；张立[39]采用MATLAB编程模拟了不同应力路径下土体饱和度、屈服应力变化情况，同时验证了气相硬化模型的合理性和适用性；陈雨[94]采用EarthImager2D软件研究了富气深度、富气层位、土层电阻率、电极间距等因素与富气电场响应之间的关系。
q0为气体释放速率。
图14 排气井有限元模型(单位：m)
图15 土体变形云图(单位：m)[48]
早期采用有限元法研究含气土问题也取得了丰富的成果，但是含气土是由土颗粒、水和气体组成的非连续介质材料，基于连续介质力学的有限元法在模拟井喷、基坑突涌和海底滑坡等大变形问题时存在计算原理上的问题。随着岩土计算理论的发展，离散元越来越多地应用于解决岩土体的相关问题。近年来许多专家学者纷纷尝试采用离散元法建立含气土模型，并进行了一系列研究。
Brugada等[95]将天然气水合物设置为大颗粒砂间隙中的小颗粒，采用离散元PFC-3D模拟了含气土的排水剪切特性；Jiang等[96]、Zhu等[97]采用新的甲烷水合物接触模型进行了离散元数值模拟，研究了围压和温度对含气土排水剪切特性的影响；Xu等[98]使用了离散元PFC-2D模拟了含游离气体水合物砂的不排水剪切特性，研究表明，在不排水条件下水合物的解离会产生孔隙压力和体积膨胀；Hong等[99]通过离散元DEM(见图16)研究了气体溶解度对含气土不排水剪切力学特性的影响，推导了不排水条件下的含气砂的控制方程，通过将仿真结果与试验观察和理论计算结果进行比较，验证了离散元法研究含气砂土的有效性。
图16 离散元模型
离散元法建模不必考虑土的本构模型，直接采用颗粒建模能够更加真实地模拟岩土体的力学性质。但是，目前采用离散元进行含气土变形问题的研究也存在计算量大、建模困难、多场耦合理论不够完善等问题。运用离散元建立与工程实际相符的含气土模型，仍需要进行深入研究。
3.3 模型试验
模型试验具有试验周期短、成果可靠、造价低廉等优势，可复制工程的实际情况获得可靠的结果，有利于揭示物理现象的本质和机制。物理模型既可以是定性的，也可以是定量的，重点在于通过试验能够了解某一因素产生的现象。
王勇等[100]采用1∶25的比例模型(见图17)研究了含气地层对地铁隧道稳定性的影响，试验结果显示含气土中气体的释放和回聚会使隧道产生附加内力和变形，气体释放后回聚对隧道管片的影响要小于释放前。Nermoen等[101]通过向透明模型箱内的石英砂粒注气(见图18)，研究了砂床被压缩空气打开气体通道的临界速度和临界流量，发现在空气流速达到临界速度时砂床会发生“流化”现象；但是该模型内的土层单一，且未考虑地下水和气体赋存深度的影响，还有待改进。韩珠峰[31]采用了水槽物理模型研究了波浪荷载作用下含气海床土体动力响应，结果发现含气海床土体超孔压幅值随波浪加载次数增大而增大，气体阻碍了海床土体超孔隙水压的消散。陈雨[94]通过在模型箱内制备含气土层，研究了含气土层赋存深度、含气程度、电极间距等因素对电场的响应特征的影响，发现在含气土层处电阻率异常且含气土层电阻率随着深度增加逐渐减小，证明了电阻率法对含气土层的探测识别具有可行性和有效性。
图17 模型试验箱结构[100]
图18 物理模型示意图[101]
4 存在的问题及研究展望
为了更加详细地描述上述问题的研究现状及进展，笔者针对含气土的工程特性展开研究，总结了国内外学者在含气土工程特性方面的研究成果，并提出当前研究中尚需探讨的一些问题和进一步的研究方向，主要内容如下。
4.1 研究方法
随着工程领域的拓宽,将会出现越来越多遭遇含气土的情况,目前国内外相关研究虽有一定的研究基础,但有关含气土的工程力学特性及其对工程影响机制的研究尚处于初步阶段。目前已有的室内试验、模型试验、数值模拟等研究，虽然能够较好地解释含气土层无控放气产生沉降变形的原因及机制，但是并没有能够很好地进行定量描述和计算。由于条件所限、问题的复杂性、研究的深度和广度有限,许多问题有待进一步展开更深入的研究。含气土相关问题的大比例模型、含气土放气全过程引起沉降变形的监测和原位试验必不可少。如何利用现场监测数据反向提高室内试验和数值分析手段以及模拟的真实性，将成为未来研究成果不断取得突破的关键。
4.2 研究对象
现阶段工作多是研究含气土形成的机制及分布特征，关于其工程和力学性质和变形特征研究较少；已有的研究多是基于重塑土，并且重塑土样中气体多采用CO2、N2或空气替代，以往研究大都未考虑由此带来的误差。事实上气体的溶解度会影响含气土的力学性质，不同种类的气体与水形成的水合物结构有很大差别，这些问题有待进一步探讨。由饱和土力学和非饱和土力学方面的研究成果可知，原位试验具有室内试验不可替代性，应注重含气土识别及有控释放一体化技术的发展，在识别的同时测得重要的原位含气土力学参数。对多个复杂因素共同作用下土层变形的影响展开系统的数值分析,结合原位测试和现场监测数据探究本构模型和固、液、气三相耦合数值方法等是研究者们需要密切关注的方面。
4.3 沉降预测
现阶段对于沉降预测多采用理论-经验公式，仍然把含气土层变形看成一维变形问题，采用与饱和土沉降相同的方法预估含气土的工后沉降。为此，应考虑基本假设带来的误差，根据实际情况进行相应的修正。另外，数值模拟的作用不仅在于解释含气土的变形特征，更重要的是结合现场实测数据进行反演预测，提出合理的沉降模型。国内外已有专家学者采用人工智能方法(神经网络、深度机器学习、大数据和云计算等)对一般地基土的变形进行预测，也取得了比较好的成果，这可能会是未来进行含气土沉降预测的主流方法。
4.4 研究展望
结合上述研究和分析，笔者认为未来含气土变形研究可以从以下几个方面进行：
1)含气土的强度、变形和固结等基本物理力学特性研究。对含气土基本物理力学特性的研究需要进一步完善和规范制样方法，使试验结果更能反映原位含气土的真实力学特性，并且探索如何在识别含气土的同时获得更多可靠的原位力学参数，促进数值模拟的发展。
2)放气和气体回聚等应力路径下含气土变形机制研究。应力路径下的变形机制研究立足于含气土盾构施工和基坑开挖等工程实际中不同位置土体应力的路径，实现地表沉降的精准预测。
3)列车循环荷载作用下含气土变形机制研究。列车循环荷载作用下含气土变形机制研究应着眼于陆域地铁工程中的风险评估以及防灾减灾等。
4)波浪荷载作用下海洋含气土的液化问题和地质灾害研究。波浪荷载作用下含气土液化问题的研究应注重波浪荷载的不规则性，力求接近真实的波浪荷载；海洋含气土地质灾害方面的研究应着眼于灾害等级的划分及其应对措施。
含气土的变形问题是一个十分复杂的研究课题，受气藏情况、放气措施、土质条件等因素影响，具有不断发展的变化特征。随着试验技术的提高，现场监测结合理论分析的方法将得到广泛推广应用。本文总结了近年来国内外学者关于该问题的研究成果，指出了含气土变形特征研究存在的不足，并对未来含气土变形研究方向进行展望，希望能为以后的相关研究提供有益的参考。
