氣體在飽和粘性土中滲透行為的模擬試驗(yàn)及其工程應(yīng)用.pdf

1、非飽和軟土層中的滲流問題，是近年來非飽和土力學(xué)中重要的研究內(nèi)容之一。如何實(shí)現(xiàn)氣體通過飽和一非飽和粘性土層中的滲流研究，對于固一液一氣多相耦合理論應(yīng)用研究具有重要的工程價值和學(xué)術(shù)意義。 在有關(guān)氣體滲透工程中，壓氣沉箱工法施工較有代表性，而且壓氣沉箱工法在我國至今未見到過有關(guān)工程實(shí)例報(bào)道，施工期間氣體滲透參數(shù)的確定方法也未見公開發(fā)表。本文以壓氣沉箱工法施工為模擬背景，主要通過全過程滲壓室內(nèi)試驗(yàn)來了解壓氣沉箱工法施工期間飽和粘性土中氣

2、體滲透行為，通過同濟(jì)大學(xué)自行研制的土壤氣體滲透測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測定法(穩(wěn)態(tài)法)，獲得了不同固結(jié)壓力狀態(tài)下(400—600-800-1000-1200kPa)的氣體滲透參數(shù)，建立了氣體滲透流量與氣壓梯度之間的依賴方程，研究了飽和粘性土的氣體滲透規(guī)律，初步解決了壓氣沉箱工法施工設(shè)計(jì)中氣體滲透參數(shù)的取值問題。 本項(xiàng)研究對上海典型土層(②、⑧、④、⑤．、⑤2、⑤3、⑧)共7層土進(jìn)行了非飽和土一水特征實(shí)驗(yàn)和氣體滲透試驗(yàn)，獲得了含水土層從飽和

3、到非飽和過程中氣體滲透變化情況的基礎(chǔ)資料。 本文針對含水土層中的氣、水運(yùn)移規(guī)律，采用室內(nèi)理論分析、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究以及非飽和多相流數(shù)值模擬研究等方法，所獲得的相關(guān)滲透參數(shù)以及氣水運(yùn)移規(guī)律可直接用于指導(dǎo)壓氣沉箱法設(shè)計(jì)與施工。 對氣體在含水土層中運(yùn)移的理論分析表明： (1)空氣在飽和粘性土層中流動的主要通道是土中的孔隙。在壓力梯度的驅(qū)動下，氣體沿壓力降低的方向作層流流動，其流動規(guī)律近似符合達(dá)西定律。對于低滲透情況可以通過

4、改進(jìn)達(dá)西定律來描述?？諝庠陲柡驼承酝翆又辛鲃?，除了空氣外，還存在水，即氣、水兩相以各自獨(dú)立的相態(tài)流動。 (2)空氣在飽和粘性土層中流動主要有三個階段：單相水流階段、非飽和單相流階段、非飽和氣水兩相流階段。 (3)土層中氣、水滲透系數(shù)之問滿足：Ka=μw/μaKw，滲氣系數(shù)要大于土的水力滲透系數(shù)值約1～2個數(shù)量級。在20~C時，氣、水滲透系數(shù)的定量關(guān)系即：Ka=53×Kw。 (4)根據(jù)包承剛等的“氣相四形態(tài)”劃分“

5、氣相四形態(tài)”劃分原理，將氣體在土中滲透存在性念根據(jù)SWCC分為：氣相邊界效應(yīng)段、氣相內(nèi)部連通段、氣相部分連通段、氣相完全連通段。 在含水土層中進(jìn)行氣體滲透施工時，氣體為內(nèi)部連通狀態(tài)應(yīng)是合適狀態(tài)，其施工壓力應(yīng)滿足：(Pc+H)

6、法試驗(yàn)方法是可行的。試驗(yàn)設(shè)備采用同濟(jì)大學(xué)自行研制的GDS土壤氣體滲透測試系統(tǒng)，進(jìn)行不同土樣在不同氣壓差條件下的穩(wěn)態(tài)滲透試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，得到氣體在飽和一非飽和土層中滲流相關(guān)規(guī)律。 (2)當(dāng)飽和度達(dá)到一定時，土層中氣體滲流將偏離達(dá)西定律，并存在“啟動壓差”和“啟動壓力梯度”等現(xiàn)象。 (3)根據(jù)土層氣測滲透率與土的干密度關(guān)系得出：土體中氣體滲透系數(shù)隨壓實(shí)密度增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。壓氣沉箱的工作深度最深可達(dá)60～80m，施

7、工設(shè)計(jì)時，要根據(jù)不同土體的具體情況，充分考慮土層干密度對氣體遷移運(yùn)動所帶來的影響。 (4)通過氣體在飽和粘性土中滲透過程的試驗(yàn)可以得到非飽和土的重要參數(shù)：進(jìn)氣值。進(jìn)而得出了在含水土層中進(jìn)行氣體滲透施工時的壓力取值方法和相關(guān)非飽和土力學(xué)參數(shù)。 本項(xiàng)研究還針對壓氣沉箱工法施工的實(shí)際工況，采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，對氣體在含水土層中運(yùn)移特性進(jìn)行了水氣二相流數(shù)值模擬，獲取如下結(jié)論： (1)結(jié)合飽和一非飽和滲流理論和室內(nèi)試驗(yàn)研究，

8、將水氣二相流數(shù)學(xué)模型以及其模擬方法應(yīng)用于壓氣沉箱工法施工模擬過程。結(jié)果基本符合實(shí)際情況。 (2)壓氣沉箱施工模擬表明，刃角是氣體滲漏主要部位。當(dāng)壓氣沉箱在滲透率上小下大土層中施工時，沉箱刃角處仍是是氣體滲漏的主要部位，氣體滲漏主要方向是滲透率較大的土層。 (3)壓氣沉箱施工模擬表明，氣體滲漏與滲透率和顆粒分布有很好的相關(guān)關(guān)系。對目標(biāo)土層而言，sh⑧、sh⑤2為含砂質(zhì)粉土或央砂，滲透率較大，因此氣體滲漏量很大；sh②、sh

9、⑤3、sh⑤1、sh⑧等土層均為粉質(zhì)粘土，滲漏量次之；sh④為淤泥質(zhì)粘土，顆粒較細(xì)，滲透率較小，滲漏量也較小。 (4)土層sh⑧、sh⑤2氣體傳播速度較快；sh②、sh⑤1次之；sh⑤3、sh③、sh④氣體傳播速度較慢。 (5)本研究豐富了土體非飽和滲流工程理論，對壓氣沉箱工法設(shè)計(jì)等具有實(shí)際應(yīng)用意義。 項(xiàng)目成果可直接用于指導(dǎo)上海地區(qū)軟土中氣壓沉箱施工，特別是對施工過程中沉箱中的氣壓調(diào)控是非常有益的，并對今后長距離