CN108088722B - 一种土工模型试验含气土样的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程中含气土的人工模拟制样试验技术领域，具体涉及一种土工模型试验含气土样的制备方法。制样过程基于一般饱和土的制备方法，仅在土中掺入不同量的过硼酸钠粉末和乙二胺四乙酸，可得到不同含气量的含气土样，操作简便，制样均匀性好；通过控制过硼酸钠粉末掺入量，控制含气量，获得预定饱和度（饱和度≥85%）的含气土样。本发明中含气土样中的含气量，定量可控，不受外界压力的影响，适合土工模型试验中含气土样的制备；本发明的适用土类较广，可适用于粗颗粒的砂土，对于细颗粒的黏性土亦可适用。

Description

一种土工模型试验含气土样的制备方法

技术领域

本发明涉及岩土工程中含气土的人工模拟制样试验技术领域，具体涉及一种土工模型试验含气土样的制备方法。

背景技术

含气土在自然界中普遍存在，气体成分有有机成因气，如甲烷(或称沼气)、乙烷等，也有无机成因气，如二氧化碳、硫化氢、氮气等。人为活动也能形成含气土，如：地下爆炸、气体压注、封存、抽采、水合物卸压分解、垃圾填埋分解、疏浚淤泥等。

含气土既不同于一般的饱和土，也不同于一般的非饱和土。含气土中气相多以游离气泡形式存在(饱和度≥85％)，气泡在土体中的分布形式主要有两种：一种是气泡分布在土颗粒间的孔隙中，成为孔隙气泡；这种赋存形态的含气土多存在于粗颗粒土中；另外一种是以孤立的大气泡形式存在，气泡尺寸大于土颗粒及粒间孔隙直径；这种赋存形态的含气土多存在于细颗粒土中。含气土中的气体压力一般大于大气压，被认为是土颗粒、孔隙水、气体、压力、温度及上覆层完美平衡的产物，一旦平衡被打破，就会导致其工程性状发生改变。岩土工程中，由于含气土中气体易于逸散，难以获取现场原状含气土样品；即便采用特殊装备获得保压原状土样品，仍然受到在试验室内难以二次加工、含气不均匀等问题，无法满足试验的要求。目前，对含气土的认识还十分有限，室内人工模拟制样技术成为研究该类土岩土工程问题的前提和基础。

目前，有关含气土的人工模拟制样方面，大致上有三类方法：生物、物理和化学的方法。生物方法主要是采用厌氧发酵微生物与土颗粒混合，在适宜的温度和厌氧环境下利用微生物发酵产生甲烷气体，来模拟含气土的自然形成过程，进而制成含气土样的方法；但该类方法因产气量难以量化控制而不宜应用于土工模型试验的定量化研究中。物理方法有多种，例如：有采用非饱和土的制样方法，利用空气或氮气逐步驱替饱和土中水分的方法来制备含气土样的方法；但该类方法不适用于制备饱和度大于85％的高饱和度含气土样；中国专利(专利号ZL201310 752757.1)名称为“变压可控气体置换反应装置及其在含气土样制备中的应用”中公开了一种通过借助沸石来制备含气土样的方法，但该方法受外界环境压力影响大，有压环境下难以制备出试验所需的含气土样。中国专利(专利号ZL201410027361.5)名称为“高压溶气饱和试验装置及其在含气土样人工制备中的应用”中公开了一种借助饱和二氧化碳水溶液制备含气土三轴试样的方法；但该方法只适用于制备土工三轴试验样品，而无法制备适用于有一定规模的土工模型试验中的含气土制备；且该方法仅对粗颗粒的砂土或粉土有效，而对于细颗粒的黏性土则难以适用。关于化学制样方法，目前有少量采用电石、过氧化钠与水反应来制备含气土样的，但是由于电石和过氧化钠与水剧烈反应，实验室难以人为控制其气体的产出量，造成人工定量制备含气土样失败。

为了研究含气土的工程特性，有必要在实验室内开展含气土的室内土工模型试验研究，就必须提出一种可模拟有压环境(不受压力环境影响)、土中含气量可控，并适用于一定尺度规模的模型试验含气土样品的制备方法。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种采用化学方法人工模拟制备土工模型试验含气土土样的方法。该方法可以人为定量控制制备土中气体含量，适合土工模型试验中有一定尺度规模的含气土样制备。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施，一种土工模型试验含气土样的制备方法，是基于常规饱和土的制备方法，在土中掺入过硼酸钠粉末和乙二胺四乙酸粉末，利用其与水的反应实现含气土样的制备。具体包括以下步骤：

A，土样准备

称取一定质量的过硼酸钠粉末和一定质量的乙二胺四乙酸(EDTA)粉末，混入相应质量的风干土样中，混合均匀，放置在1-5℃的环境下备用；

B，模型箱中铺设土样

将模型箱放置于1-5℃的环境中进行装样：首先在模型箱箱底的水槽上铺设一张多孔板，多孔板需具有一定的刚度，能承受上部土体覆重而不变形；多孔板上开有透水孔，使水的进出不受影响。多孔板上铺设一层滤网(目数根据预制备的土样颗粒大小确定，确保土颗粒不漏过滤网)；其上分层铺设步骤A备好的实验土样；

C，土样饱和

在1-5℃的环境中进行土样饱和：盖上模型箱的箱盖并密闭，关闭所有与模型箱相连的阀门，对模型箱内部的土样进行抽真空负压，将土中空气排尽；控制水箱中的水为除气水，水温为1-5℃，打开水箱阀门，通过水箱向模型箱底水槽缓慢供水，使模型箱底水槽内的水面保持水平并缓慢向上浸入土样，直至模型箱内自由水面高于土样顶面，关闭水箱阀门，保持土样完全浸入水中，直至水槽内自由水面的高度稳定不变；

D,含气土样形成

将装有饱和土样的模型箱移置高于20℃环境下，静置，完成含气土样的制备。

进一步的，所述步骤D将装有饱和土样的模型箱移置20℃-40℃环境下，静置，完成含气土样的制备。

进一步的，所述步骤A中土样为砂土，将砂土风干后，过2mm筛，筛除大于2mm的颗粒和杂质后备用，所述步骤B中滤网上分层铺设实验土样的具体过程为：按照空中落雨法将备好的土样通过漏斗和耐压软管装填至模型箱内，直至设计高度，落距根据试验预设干密度通过耐压软管来调节。

进一步的，所述步骤A中土样为黏土，将黏土风干后碾碎，过5mm筛，筛除大于5mm的颗粒和杂质后备用，所述步骤B中滤网上分层铺设实验土样的过程为：按每层高15cm～30cm将制备的黏土混合样填入模型箱内，按照预定的干密度压实成型，直至试验设计高度，优选的，在填筑每层之前，将填筑好的土层上表面刮毛，以保证每层干土之间有良好的连接而不出现分层问题。

进一步的，所述步骤C中打开水箱阀门，通过水箱向模型箱底的水槽缓慢供水，使水槽内的水面保持水平并缓慢向上浸入土样，直至模型箱内自由水面高于土样顶面5cm～10cm。

进一步的，所述步骤C中保持土样完全浸入水中的时间不小于24h。进一步的，所述步骤C中抽真空的时间不小于12h。

进一步的，所述步骤D中静置的时间不小于72h。

在高于20℃环境下，土中掺入的过硼酸钠在乙二胺四乙酸(EDTA)的活化作用下与水发生如下反应：

2(NaBO₃·H₂O)+2H₂O→2H₂O₂+2BO₃ ^-3+2Na⁺+4H⁺

2H₂O₂→2H₂O+O₂↑

通过控制过硼酸钠(NaBO₃·H₂O)粉末掺入量，可以控制含气量，获得预定饱和度(饱和度≥85％)的含气土样。

过硼酸钠与水的反应受温度控制，如果不掺EDTA，过硼酸钠与水在80℃左右的温度下才能有效释氧。掺入EDTA可以使过硼酸钠在室温条件下也易与水发生有效的释氧反应，但是EDTA在1-5℃的低温条件下活化作用发挥不出来。所以在制备过程中，步骤A-C需要在1-5℃的环境下进行，以降低一水过硼酸钠粉末和水的反应速率，设定：一水过硼酸钠粉末的质量(g)与干土质量(kg)之比为掺合比R；乙二胺四乙酸粉末的质量(g)与干土质量(kg)之比为掺合比0.2R；含气土样的预设饱和度为S(％)，首先在上述技术方案的基础上，利用预设质量和干密度的干土进行实验室配合比试验，得到含气土样的预设饱和度S(％)与掺合比R间的拟合关系式，然后根据此拟合关系式和模型试验预设的干土质量来确定一水过硼酸钠粉末和乙二胺四乙酸粉末的实际加入量，从而制备得到特定饱和度的含气土样。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明中含气土样中的含气量定量可控，不受外界压力的影响，适合土工模型试验中含气样品的制备；

(2)制样基于一般饱和土的制备方法，仅在土中掺入少量的一水过硼酸钠(NaBO₃·H₂O)粉末，可得到不同含气量的含气土样，操作简便，制样均匀性好；

(3)本发明的适用土类较广，不仅适用于粗颗粒的砂土，对于细颗粒的黏性土同样适用。

附图说明

图1为实施例1实验室配合比试验中不同掺合比下，土体饱和度随时间变化的曲线。

图2为实施例1实验室配合比试验中反应时间为72h时，土体饱和度随掺合比变化的曲线。

图3为本发明的一种土工模型试验含气土样的制备方法所使用的实验装置示意图。

图4为实施例1模型试验制备的含气砂土样品的CT切片图。

图3中：1.模型箱，2.模型箱盖，3密封螺栓，4.箱底水槽，5.滤网，6.多孔板，7.土样，8.漏斗，8A.第一阀门，9.负压端口，9A.第二阀门，10.耐压软管，10A.第三阀门，11.水箱，12.进水管，12A.上阀门，12B.下阀门，13排水管，13A.第四阀门，14.集水池。

具体实施方式

下面结合具体的实施例作详细说明，本实施例在以本发明内容中记载的一种土工模型试验含气土样的制备方法为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1一种土工模型试验含气土样的制备方法，依次包括以下步骤：

①实验室配合比试验

采用重塑土准备土样：砂土风干，过2mm筛，筛除大于2mm的颗粒和杂质后备用；定义一水过硼酸钠(NaBO₃·H₂O)粉末的质量(g)与干土质量(kg)之比为掺合比R；乙二胺四乙酸(EDTA)粉末的质量(g)与干土质量(kg)之比为掺合比0.2R。

在5℃温度环境下，先称取1kg的风干砂样，然后按照掺和比称取相应质量的一水过硼酸钠(NaBO₃·H₂O)粉末和相应质量的乙二胺四乙酸(EDTA)粉末加入风干砂样中，并搅拌混合均匀备用。将混合土按试验预设干密度(ρ_d＝1.576g/cm³)装入烧杯中(砂土采用落雨法，若为黏土采用压实法)，将烧杯放入真空缸内，负压真空不少于1h，将土中空气排尽；然后在烧杯中注入5℃的除气水直至土样被完全浸没，然后保持土样完全浸入水中，土样吸水饱和静置时间不少于10h。

将烧杯移至25℃的水浴中静置，定时从烧杯中的土体中取样，采用烘干法测得其含水率，进而得出该时刻时土样的饱和度S(％)，然后改变掺合比R，按照上述方法开展一系列不同掺合比R的土样与除气水反应的配合比试验，获得不同掺合比R下土样饱和度S(％)随时间的变化规律，如图1所示，可以看出，化学反应产气的稳定时间约为72h。图2为反应平衡时间为72h时，土样饱和度S(％)随掺合比R的变化曲线。

进而计算出土体饱和度S(％)与掺合比R间的拟合表达式M。

M:S＝0.3303R²-10.135R+99.263；

②模型试验干土样的制备

采用重塑土准备土样：砂土风干，过2mm筛，筛除大于2mm的颗粒和杂质后备用；定义一水过硼酸钠(NaBO₃·H₂O)粉末的质量(g)与干土质量(kg)之比为掺合比R；乙二胺四乙酸(EDTA)粉末的质量(g)干土质量(kg)之比为掺合比0.2R。

试验所需干砂质量为100kg，预设含气土饱和度为90％，按照步骤①中的拟合表达式M所确定的掺合比R与土体饱和度S(％)的关系，计算得出R为0.94，进而得出模型试验所需的一水过硼酸钠(NaBO₃·H₂O)粉末的质量为0.094kg，乙二胺四乙酸(EDTA)粉末的质量为0.0188kg；称取上述质量的一水过硼酸钠(NaBO₃·H₂O)粉末和乙二胺四乙酸(EDTA)粉末与100kg干砂土混合，并搅拌均匀，得到干土样7，放置在5℃的环境下备用。

③模型箱准备

将净尺寸为0.4m(长)×0.4m(宽)×0.6(高)的模型箱1放置于5℃的环境中进行装样操作：首先打开模型箱盖2，连接进水管12和排水管13，并保持进水管上阀门12A和下阀门12B处于关闭状态。打开排水管上的第四阀门13A，排尽箱底水槽4中的所有水至集水池14中；保持模型箱1内处于无水干燥状态，关闭第四阀门13A。在箱底水槽4上铺设一张多孔板6，多孔板6需具有一定的刚度，能承受上部土体覆重而不变形；板上开有透水孔，使水的进出不受影响，多孔板上铺设一层500目滤网5，确保土颗粒不能漏过滤网5。按照空中落雨法将上述步骤②制备的干土样7通过漏斗8和耐压软管10装填至模型箱1内，根据试验预设干密度(ρ_d＝1.576g/cm³)通过耐压软管10调节落距为0.3m，直至设计的填土高度0.4m。落雨法实施过程中，关闭第二阀门9A，打开第一阀门8A和第三阀门10A。

模型试验若采用黏土，则需要按每层高15cm～30cm将制备的黏土混合样填入模型箱1内，按照预定的干密度压实成型，直至试验设计高度。在填筑每层土之前，需将已填筑好的土层上表面刮毛，以保证每层干土之间有良好的连接而不出现分层问题。

④饱和土样的制备

将模型箱1放置于5℃的环境中进行饱和土样的制备：盖上模型箱盖2，并用密闭螺栓3将模型箱盖2与模型箱1顶部压紧。在模型箱盖2与模型箱1顶部之间涂抹凡士林，以确保不漏气。关闭所有与模型箱1相连的阀门，打开第二阀门9A和第三阀门10A，连接负压端口9至真空泵。确保所有管路不漏气的情况下，开启真空泵对模型箱1内的土样7进行抽真空负压，时间不小于12h，直到将土中空气排尽。在5℃的环境下，将除气水注满水箱11，并保持水温为5℃。

接着关闭第二阀门9A和第三阀门10A，关闭真空泵，打开连接水箱11的进水管12上的上阀门12A和下阀门12B，调节流速，向模型箱1的箱底水槽4内缓慢供水，使箱底水槽4内的自由水面保持水平，并缓慢向上逐渐浸入土样7，直至模型箱1内的自由水面高出之前制备土样7顶面5cm，然后关闭上阀门12A和下阀门12B，接着继续保持模型箱1内的土样7在完全浸水条件下，时间不小于24h。待自由水面高度不变后，记录此时土样7的高度为0.420m，自由水面高度为0.452m。

⑤含气土样制备

去除负压端口9与真空泵的连接，打开第二阀门9A使模型箱1内的压力恢复为大气压。关闭第三阀门10A，去除密封螺栓3，打开模型箱盖2，记录此时模型箱1内土样7上表面的自由水面高度。断开进水管12和排水管13与模型箱1的连接，将模型箱1和饱和土样7移至25℃的环境下，静置反应时间72h以上。

25℃环境中，土中混合的一水过硼酸钠(NaBO₃·H₂O)在乙二胺四乙酸(EDTA)的活化作用下与水发生反应：

2(NaBO₃·H₂O)+2H₂O→2H₂O₂+2BO₃ ^-3+2Na⁺+4H⁺

2H₂O₂→2H₂O+O₂↑

反应时间需达到72h以上，方可开始后续的相关含气土模型试验。

由于反应中产生的氧气(O₂)不溶于水，以气泡形态赋存于土样7的孔隙中，从而形成含气模型土样。这一过程中土样7的原始孔隙比并不受大的影响，气泡的产生占据原先土体7中的孔隙，将孔隙中的水驱排出，这样模型箱1内土样7上表面的自由水面逐步上升，记录最终稳定的自由水面高度为0.465m。根据化学反应前后的模型箱1内土样7上表面自由水体积的变化量为0.00214m³，即为含气土中的气体所占体积含量为7.4％。至此，气泡均匀分布，实际饱和度为92.2％的高饱和度模型试验含气砂样制备完毕，可以开展后续所需要的含气土模型试验定量化研究。

本实施例制备的模型试验含气砂样饱和度为92.2％，与预设含气土饱和度90％相差不大，按此方法制备的含气砂样的CT切片如图4所示，可以看出通过本发明的方法可得到不同含气量的含气土样，操作简便，并且制样均匀性好。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种土工模型试验含气土样的制备方法，其特征在于，所述制备方法依次包括以下步骤：

A，土样准备

土样采用重塑土，将土样风干，并过土工筛后，将过硼酸钠和乙二胺四乙酸掺入土样中，混合均匀，放置在1-5℃的环境下备用；

B，模型箱中铺设土样

将模型箱放置于1-5℃的环境中进行装样：首先在模型箱箱底的水槽上铺设一张多孔板，板上开有透水孔，使水的进出不受影响；多孔板上铺设一层滤网，确保土颗粒不能漏过滤网；滤网上分层铺设土样；

C，土样饱和

在1-5℃的环境中进行土样饱和：盖上模型箱的箱盖并密闭，关闭所有与模型箱相连的阀门，对模型箱内部的土样进行抽真空负压，排尽土中空气；水箱中的水为除气水，水温为1-5℃，打开水箱阀门，通过水箱向模型箱底水槽内缓慢供水，使模型箱底水槽内的水面保持水平并缓慢向上浸入土样，直至模型箱内自由水面高于土样顶面，关闭水箱阀门，继续保持土样完全浸入水中，直至水槽内自由水面的高度稳定不变；

D，含气土样形成

将装有饱和土样的模型箱移至高于20℃环境下，静置，完成含气土样的制备。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中土样为砂土，将砂土风干后，过2mm筛，筛除大于2mm的颗粒和杂质后备用。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B中滤网上分层铺设实验土样的具体过程为：按照空中落雨法将备好的土样通过漏斗和耐压软管装填至模型箱内，直至设计高度，落距根据试验预设干密度通过耐压软管来调节。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中土样为黏土，将黏土风干后碾碎，过5mm筛，筛除大于5mm的颗粒和杂质后备用，所述步骤B中滤网上分层铺设实验土样的过程为：按每层高15cm~30cm将制备的黏土混合样填入模型箱内，按照预定的干密度压实成型，直至试验设计高度。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在填筑每层之前，将填筑好的土层上表面刮毛，以保证每层干土之间有良好的连接而不出现分层问题。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C中打开水箱阀门，通过水箱向模型箱底的水槽缓慢供水，使水槽内的水面保持水平并缓慢向上浸入土样，直至模型箱内自由水面高于土样顶面5cm~10cm。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C中保持土样完全浸入水中的时间不小于24h。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C中抽真空的时间不小于12h。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤D中静置的时间不小于72h。