摘要:基于工程实际，阐述有控放气和无控放气条件下含气土变形特征及应力路径对含气土的工程特性的影响，并总结出对应的工程措施。针对含气土工程特性机制认识不清的难题，介绍含气土分类及结构特征、力学特征、变形特征等工程特性问题的发展动态与存在的问题。综合研究指出:目前缺少能适用多种复杂应力路径的抗剪强度公式;本构模型缺乏针对性的理论基础;沉降模型考虑的因素较少。总结含气土工程特性现有研究成果，提出未来含气土工程特性研究方向的相关建议:含气土的基本物理力学特性研究;各种施工应力路径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;波浪荷载作用下海洋含气土的液化与地质灾害研究。
关键词:含气土;工程特性;抗剪强度;本构模型;沉降模型
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。
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。
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%85%时水相连通、气相封闭(见图3(c))。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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0.6MPa。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)。
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。——论文作者：丁智1，2，郑海洋1，冯丛烈1，2，张霄2
