[发明专利]一种土工模型试验含气土样的制备方法

说明书

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。

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