應(yīng)力路徑對非飽和砂土變形性狀與強(qiáng)度特性的影響

應(yīng)力路徑對非飽和砂土變形性狀與強(qiáng)度特性的影響

1淺層氣人工高效利用技術(shù)研究扁平生物氣是指沉積中的有機(jī)物質(zhì)通過厭氧微生物作用形成的富甲烷氣體。作為中國扁平天然氣資源的重要部分，它與成熟階段形成的熱解氣具有顯著的不同，尤其是碳固定成分。主要化學(xué)成分以甲烷為主，碳自治輕，13c1的值通常為-80%60%。主要分布區(qū)域為江蘇、浙江、常州、柴達(dá)木盆地、松遼盆地、渤海盆地和中國南方云南、貴州和廣東南部的中小型盆地。其中,杭州灣地區(qū)在第四紀(jì)的幾次海侵、海退中,交替沉積了數(shù)套富含有機(jī)質(zhì)的淤泥層和砂層,淤泥層產(chǎn)生生物氣經(jīng)過運(yùn)移、富集,儲集在附近有封閉條件的砂層鏡體或砂層頂部,形成許多超淺層氣藏,這些氣藏埋深淺(一般小于60m),壓力較低,屬常壓氣藏,分散且儲量小,具有含氣面積較大、氣層薄的特點(diǎn)。近年來,隨著工程建設(shè)規(guī)模與范圍的延伸,因淺層氣釋放引起工程災(zāi)害時有報道,如在上海地下空間開發(fā)利用過程中,曾因沼氣釋放引起隧道、基坑與沉井施工的惡性事故發(fā)生,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。唐益群等為此開展了含淺層沼氣非飽和土的變形規(guī)律與工程危害機(jī)制試驗研究,并提出采取諸如在施工前預(yù)先放氣的防治災(zāi)害措施。現(xiàn)已竣工通車的杭州灣大橋亦曾在工程地質(zhì)勘探過程中,多次出現(xiàn)強(qiáng)烈井噴而使勘探作業(yè)受阻,筆者曾分析探討了淺層氣井噴對地層的損傷影響機(jī)制與樁基工程危害模式以及相應(yīng)的有效災(zāi)害防治技術(shù),以非飽和土力學(xué)與非飽和砂土模型樁試驗為依據(jù),提出通過殘余含水率對應(yīng)的吸力來估算氣藏壓力簡便方法,發(fā)現(xiàn)含淺層氣砂土的表觀凝聚力與吸力呈良好的乘冪函數(shù)關(guān)系,建立非飽和土抗剪強(qiáng)度新公式,指出其樁基承載力隨淺層氣的緩慢釋放而增大。此外,還探討了含淺層氣砂土孔壓靜力觸探響應(yīng)與識別方法。然而,在含淺層氣地區(qū)的巖土工程建設(shè)多以成孔與開挖卸荷為特征,對這些應(yīng)力路徑的力學(xué)效應(yīng)有待深入探討。針對含淺層氣砂土的非飽和應(yīng)力路徑試驗研究在國內(nèi)外尚未見到報道。一些學(xué)者曾對含氣海相沉積土的氣體賦存狀態(tài)及其對變形強(qiáng)度特性影響進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗和理論研究,分析了含氣濱海土的聲學(xué)特性與含氣軟土的固結(jié)特性,并開始正視含氣松散砂的性狀與循環(huán)荷載響應(yīng),但并未考慮應(yīng)力路徑的影響與巖土工程實踐的密切結(jié)合。水利設(shè)施淺層氣逸出造成地基失穩(wěn)、建筑物沉陷以及誘發(fā)管涌、流土的工程災(zāi)害,淺層氣開發(fā)利用中地面沉降與地層塌陷等問題,其歷經(jīng)的應(yīng)力路徑均不同,開展應(yīng)力路徑影響下含儲氣砂土的工程性狀試驗研究無疑十分必要。本文以杭州灣淺層儲氣砂土為研究對象,用GDS非飽和三軸應(yīng)力路經(jīng)系統(tǒng)開展不同應(yīng)力路徑的三軸試驗,探討非飽和砂土在各種應(yīng)力條件下的力學(xué)性狀,分析其抗剪強(qiáng)度的應(yīng)力路徑相關(guān)性。2土壤試驗和試驗方案2.1儲氣細(xì)砂持水特性試樣來自杭州灣大橋勘探現(xiàn)場埋深50m儲氣層的擾動細(xì)砂,為反映砂樣整體性質(zhì),試驗前將砂樣混合拌勻,顆分試驗結(jié)果見表1。不難看出,該細(xì)砂含有少量黏粒,不均勻系數(shù)Cu=10,曲率系數(shù)Cc=1.6,級配良好,符合杭州灣地區(qū)生氣層與儲氣層地層結(jié)構(gòu)特征,具有較好代表性。按照勘察報告統(tǒng)計干密度為1.63g/cm3的制備試樣,用GDS非飽和試驗系統(tǒng)量測不同圍壓下砂土的持水特性,試驗結(jié)果如圖1和表2所示。從圖1和表2中可看出,儲氣細(xì)砂的持水特征曲線形態(tài)在不同應(yīng)力水平下相似,不同圍壓狀態(tài)下砂土內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)變化呈近似線性協(xié)調(diào)變化,但隨著應(yīng)力水平的增大,持水特征曲線下移,其進(jìn)氣值略有增大,而殘余含水率及對應(yīng)吸力值則有所減小,其機(jī)制是應(yīng)力水平增大,固結(jié)導(dǎo)致孔隙比減小,砂土持水能力減弱?？梢?土-水特征曲線對于砂土依然隨應(yīng)力水平不同而發(fā)生變化,并非呈單一曲線。2.2非飽和土力學(xué)試驗在實際工程中,如果淺層氣逸出或抽放是在未擾動土層條件下進(jìn)行或鉆孔液柱壓力大于淺層氣壓力而抑制井噴發(fā)生,或者開挖卸荷引起儲氣砂層濕化等,均可用非飽和土力學(xué)試驗方法認(rèn)識含氣砂土的工程性狀。為論證淺層氣對砂土抗剪強(qiáng)度的影響,在前期研究工作基礎(chǔ)上,開展不同吸力與凈應(yīng)力條件下非飽和應(yīng)力路徑三軸試驗,以期論證儲氣砂土變形與抗剪強(qiáng)度的應(yīng)力路徑響應(yīng)性狀。在制定試驗方案時,為便于與工程常見的飽和土應(yīng)力路徑相統(tǒng)一,特設(shè)置了4種典型應(yīng)力路徑如表3所示。2.3基質(zhì)吸力剪切試驗采用直徑為50mm、高為100mm的試樣,為加快試驗進(jìn)程,試樣初始基質(zhì)吸力以量測的土-水特征曲線為參照,初步確定特定基質(zhì)吸力對應(yīng)的含水率,以此含水率制備試樣,然后在剪切試驗之前在GDS非飽和三軸應(yīng)力路經(jīng)系統(tǒng)中控制吸力固結(jié),各種應(yīng)力路徑分別在不同的凈圍壓與基質(zhì)吸力等壓固結(jié)后按預(yù)定應(yīng)力路徑進(jìn)行剪切。值得說明的是,實現(xiàn)被動伸長應(yīng)力路徑需在剪切過程中軸向壓力減小到比圍壓更小,在常規(guī)三軸試驗系統(tǒng)中難以實施,而在GDS三軸試驗系統(tǒng)中,因有試樣帽拉伸裝置,使得試驗順利進(jìn)行。3試驗結(jié)果及分析3.1土體應(yīng)變能力分析圖2為主動壓縮、被動壓縮、主動伸長與被動伸長等4種應(yīng)力路徑的非飽和砂土典型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線?？梢钥闯?在被動壓縮與被動伸長應(yīng)力路徑下,非飽和砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)明顯應(yīng)變軟化特征,即在σ3或σ1減小卸荷下,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均存在明顯的峰值強(qiáng)度,且隨初始凈圍壓或吸力的增大,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線向上移動,強(qiáng)度峰值也逐漸增大,符合非飽和土強(qiáng)度特征的一般性狀。另一方面,從圖2也可以看出主動壓縮應(yīng)力路徑的非飽和砂土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,只有吸力與凈圍壓達(dá)到較高水平時才出現(xiàn)較明顯的應(yīng)變軟化特征,反之僅表現(xiàn)微弱的應(yīng)變軟化現(xiàn)象,即在σ1增大加荷工況下,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上表現(xiàn)出輕度應(yīng)變軟化性狀。與此形成鮮明對照的是,非飽和砂土在主動伸長應(yīng)力路徑下,無論凈圍壓與吸力達(dá)到何種應(yīng)力水平,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變硬化特征,尤其在初始凈圍壓應(yīng)力水平較高時,呈現(xiàn)出類似彈塑性硬化體特征,即在σ3增大加荷工況下,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特征。上述非飽和砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征,充分展現(xiàn)出其變形性狀的應(yīng)力路徑依賴性及顯著影響。為分析應(yīng)力路徑影響效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制,在剪切試驗過程中,用GDS系統(tǒng)自動記錄壓力室的水體積變化(精度為1mm3)反映土樣體變,量測的典型體應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖3?？梢?在主動壓縮、主動伸長與被動伸長路徑條件下,非飽和砂土均表現(xiàn)出剪縮,且隨初始凈圍壓增大而增大,但體縮幅度有所不同,被動伸長體縮最大,主動伸長次之,主動壓縮最小。其中,主動伸長與被動伸長在剪切過程中,體縮隨軸向應(yīng)變增大而增大,且主動壓縮的體縮在軸向應(yīng)變達(dá)到6%~8%后趨于穩(wěn)定,但被動壓縮的體變隨軸向應(yīng)變變化關(guān)系則不同,表現(xiàn)出在剪切過程中先收縮后膨脹性狀,即先剪縮、后剪脹特征,但在初始凈圍壓較小時均呈現(xiàn)剪縮性。事實上,土體在不同工況下表現(xiàn)出來的變形性狀與其壓硬性及剪脹性密切相關(guān)。沈珠江院士從土體應(yīng)變軟化機(jī)制出發(fā),把應(yīng)變軟化區(qū)分為減壓軟化、剪脹軟化與損傷軟化3類。被動壓縮與被動伸長應(yīng)力路徑本質(zhì)上分別為剪切過程中σ3與σ1減小這種卸荷工況,被動壓縮還因剪脹引起砂土咬合力喪失,可以認(rèn)為,其應(yīng)變軟化是減壓與剪脹綜合作用的結(jié)果,被動伸長雖剪縮劇烈,但減壓效應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用,這在圖2(d)中不同凈圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯差異性得到充分體現(xiàn),其應(yīng)變軟化內(nèi)在機(jī)制由減壓所誘導(dǎo)。主動壓縮這種σ1增大的加荷工況,總體僅呈輕度應(yīng)變軟化性狀。一方面,取決于雖剪切過程中表現(xiàn)為剪縮,但達(dá)到一定軸向應(yīng)變后體縮并不增大且穩(wěn)定體變也不大;另一方面,則是剪切達(dá)到較大變形后形成剪切帶,砂顆粒沿剪切帶逐漸定向引起強(qiáng)度降低,可以認(rèn)為是一種損傷軟化形式。至于主動伸長應(yīng)力路徑,其剪縮性隨應(yīng)變增大而增大,是一種典型σ3增大加荷模式,在該種應(yīng)力路徑下的明顯應(yīng)變硬化特征主要是由土的壓硬性所決定,圖2(c)中初始凈圍壓應(yīng)力水平較高下的變形曲線呈現(xiàn)出類似彈塑性硬化體特征就是最好的例證。3.2非飽和土強(qiáng)度特性眾所周知,非飽和土的吸附強(qiáng)度與吸力并非呈現(xiàn)線性變化關(guān)系,國內(nèi)外不斷在尋求修訂完善其抗剪強(qiáng)度公式,但能有效適應(yīng)各類土類與吸力范圍的通用表述方法還不成熟,且迄今鮮見文獻(xiàn)論證現(xiàn)有非飽和土強(qiáng)度公式是否能描述不同應(yīng)力路徑下的強(qiáng)度特性。筆者曾在文獻(xiàn)中認(rèn)為,非飽和土的吸附強(qiáng)度與吸力關(guān)系無需一定追求線性化的表達(dá)式,含淺層氣砂土的吸附強(qiáng)度τus隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律用乘冪函數(shù)τus=a(ua-uw)b表述;陳偉在筆者的指導(dǎo)下,針對荊門原狀弱膨脹土,較為系統(tǒng)地開展了相應(yīng)的非飽和強(qiáng)度試驗研究,結(jié)果表明,采用這種簡單的冪函數(shù)經(jīng)驗曲線擬合模式也適合于膨脹土的吸附強(qiáng)度隨吸力變化的規(guī)律,其中參數(shù)a=2.5825,b=0.5944,與文獻(xiàn)中的結(jié)果對比(對于粉砂,a=0.7585,b=0.8808;對于細(xì)砂,a=1.0098,b=0.7494),膨脹土a值較大,b較小。根據(jù)各種應(yīng)力路徑非飽和砂土三軸試驗結(jié)果(見圖2),按其曲線類型,應(yīng)變軟化型曲線取剪切強(qiáng)度峰值為破壞時的主應(yīng)力差,應(yīng)變硬化型曲線以軸向應(yīng)變達(dá)到15%的偏應(yīng)力為破壞標(biāo)準(zhǔn),按照雙變量理論與常規(guī)求取非飽和土強(qiáng)度參數(shù)方法獲得不同應(yīng)力路徑下的強(qiáng)度指標(biāo)(見表4),其中cT=c′+τus,cT為總凝聚力,τus為吸附強(qiáng)度亦即表觀凝聚力?？梢?吸力摩擦角?b隨吸力增大而降低(見圖4),?b與吸力相關(guān)。從表4可看出,卸荷與加荷應(yīng)力路徑的凝聚力與內(nèi)摩擦角存在差異,前者(被動壓縮與被動伸長)的凝聚力高于后者(主動壓縮與主動伸長),而摩擦角則相反,這些都說明非飽和砂土的強(qiáng)度特性具有顯著的應(yīng)力路徑依賴性。按照表4中應(yīng)力路徑影響下砂土不同基質(zhì)吸力時的表觀凝聚力數(shù)據(jù),仍采用提出的乘冪函數(shù)τus=a(ua-uw)b分析其相互關(guān)系,結(jié)果如圖5和表5所示,從回歸分析的效果看,不同應(yīng)力路徑砂土的表觀凝聚力τus與吸力s關(guān)系均可用乘冪函數(shù)很好描述,具有普適性?？梢?不同應(yīng)力路徑非飽和砂土的抗剪強(qiáng)度可用如下通用公式表述:4非飽和砂體應(yīng)變與壓硬度關(guān)系(1)應(yīng)力路徑對非飽和砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型有顯著影響,在卸荷應(yīng)力路徑下呈現(xiàn)明顯應(yīng)變軟化性狀,主動壓