一个深海能源土的温度-水压-力学二维微观胶结模型

天然气水合物以胶结形式赋存时,对深海能源土的强度和变形特性影响显著,且其影响程度与所处温度、水压与力学环境密切相关。旨在建立可考虑温（温度）-压（水压）-力（力-位移与胶结破坏准则）耦合影响的深海能源土微观胶结模型。首先,依据能源土中水合物胶结可发生于两种接触形式（直接接触与有间距）的土颗粒间,提出适用于两种胶结模式的力-位移准则和胶结破坏准则。其次,提出温压距离参数L（表示在无量纲化处理后的温度-水压坐标平面,土体所处温度与水压点到水合物相平衡线的最小距离）,并依据文献资料分析,建立水合物胶结强度、刚度与参数L间的关系。最后,建立由水合物饱和度确定的粒间水合物胶结尺寸计算方法,并据此进一步建立了胶结强度与刚度同水合物饱和度间的关系。该模型可以方便地植入离散元程序,从而用于深海能源土的宏微观力学分析。     

深海能源土宏观力学性质离散元数值模拟分析

首先,引入笔者等^[16-17]所提出的微观胶结模型用以反映能源土颗粒之间水合物微观胶结接触力学特性;其次,采用C++语言将模型程序化,建立同商业软件PFC^2D的程序接口,将模型引入离散单元法中;然后,通过简化计算方法确定胶结宽度随水合物浓度的变化规律,进而确定水合物微观胶结参数;最后,根据所确定的胶结参数,针对不同水合物浓度试样进行能源土宏观力学特性离散元双轴试验模拟,并从应力应变、体积应变、水合物对能源土弹性模量的影响等方面与Masui等^[4]所进行的能源土室内三轴试验进行对比分析。结果表明：所选择胶结模型及微观胶结参数能有效反映深海能源土宏观力学规律;能源土峰值强度、弹性模量均随水合物浓度增加而增加,体积膨胀随水合物浓度的增加越来越显著。     

试验反压对深海能源土宏观力学特性影响的离散元分析

在饱和土体三轴试验中,反压常被用于提高试样饱和度,其对常规土体强度特性无影响已广为认同,而已有试验资料表明反压对深海能源土强度、弹性模量等宏观力学参数均存在一定影响,成为困扰国际岩土界的一个难题。首先探讨了试验反压对能源土力学特性的影响机理,通过引入能源土微观接触模型的离散元双轴试验检验上述机理的合理性;然后结合20组离散元双轴试验,进一步探究能源土宏观力学特性随反压的变化规律。结果表明：试验反压对能源土力学特性的影响与水合物作用相关;反压能提高能源土强度,使应变软化和剪胀特性更加明显,并对其弹性参数有一定的影响;试验反压较大时,反压变化对能源土强度参数的影响难以忽略,但对弹性参数的影响可忽略。     

深海能源土微观力学胶结模型及参数研究

天然气水合物主要以胶结物形式存在深海能源土颗粒之间,对能源土强度影响显著,因此研究水合物胶结接触力学特性对能源土力学性质研究有重要作用,而其中的关键是水合物胶结模型及胶结参数的确定。首先,引入并讨论了一种微观胶结接触模型及其对于能源土胶结接触力学特性的适用性;其次,通过文献资料系统分析,获取不同温度、压力及水合物密度条件下天然气水合物的强度与弹性模量表达式;最后,进一步研究了水合物微观胶结模型中的胶结参数,该类水合物微观胶结参数取决于能源土中水合物埋藏深度（赋存环境压力）、温度、水合物密度,这些宏观参量容易确定。     

深海能源土剪切带形成机理离散元分析

天然气水合物的分解开采过程将会劣化深海能源土的力学性能,从而引发一系列岩土工程问题。因此,要实现天然气水合物的安全开采,需要对能源土的强度和变形特性开展研究。结合深海能源土微观胶结模型,通过平面应变双轴试验的离散元模拟,研究了深海能源土剪切带形成机理以及剪切带内外的宏微观变量特征。结果表明：水合物胶结提升了深海能源土的强度,且使其呈现出明显的应变软化特性;剪切带在峰值应力后开始产生,伴随着胶结的大量破坏以及各宏微观变量的局部化;剪切带内外各宏微观变量差异明显,随着轴向应变的增加,土体微观结构也随之发生变化。     

用于离散元分析的胶结材料三维微观接触模型

岩石、结构性土、含水合物深海沉积土(能源土)等岩土材料均可视为由颗粒骨架和粒间胶结物共同构成的胶结型材料。简单实用的微观粒间接触模型是采用离散元数值方法分析胶结体系宏微观力学特性的基础。针对有一定厚度的粒间胶结形式,将胶结物简化为存在于颗粒之间有一定厚度的短圆柱。通过对胶结物内部应力分布进行适当简化推导了三维粒间接触模型,包括法向、切向、弯曲和扭转四个方向的相互作用规律。最终所得模型结合了理论推导和既有室内胶结接触力学试验成果,考虑粒间胶结物的法向压碎过程,能描述切向、弯曲和扭转单独作用的破坏过程以及剪弯扭共同作用下的破坏准则。模型形式简单,易于引入离散元程序。     

甲烷水合物三维离散元模拟参数反演初探

含填充型水合物的砂性能源土可视为特殊的散粒体材料（砂粒和水合物颗粒混合物）,具有明显的非连续特征。在离散元中若采用团粒（胶结成团的颗粒组）模拟填充水合物颗粒则需合理确定团粒结构内颗粒间胶结模型参数。为此,基于前人的室内纯水合物三轴试验资料进行离散元建模与参数反演。结果表明,宜采用松散且颗粒间摩擦系数较小的试样模拟水合物块体,当颗粒间摩擦系数小于等于0.0时,可确保无胶结试样的内摩擦角小于室内试验获得的纯水合物内摩擦角。胶结刚度只需在较小范围变化即可反映相同温度不同围压条件下的弹性特性,且微观刚度参数与胶结强度参数的相互作用较小,可以假定二者相互独立。通过选取不同的微观胶结强度值进行不同围压下的三轴压缩试验,建立微观胶结强度参数与宏观参数（内摩擦角和黏聚力）之间的关系,从而确定与室内试验强度特性相符合的微观胶结强度值,实现甲烷水合物三轴试验离散元模拟;由体变规律可知,甲烷水合物在发生剪胀前均存在一个初始的体积收缩阶段,且剪胀特性随着围压的减小而呈现增强趋势。通过微观变量颗粒接触方向组构的分布图可知,随着轴向应变增大,颗粒间接触主方向朝竖直方向偏转,表现出明显的各向异性特性。随着轴向应变的增大,颗粒间胶结残余率变小,表明试样逐步破坏。     

深海能源土地基承载特性离散元分析

天然气水合物以胶结形式广泛赋存于深海能源土中,水合物的饱和度对能源土地基的承载特性影响巨大,水合物的开采也必将使能源土的承载特性发生重大改变。采用考虑水合物胶结厚度的微观胶结模型,分别对3种不同水合物饱和度的能源土地基进行载荷试验离散元模拟。分析水合物开采前后能源土地基的承载特性,研究水合物开采对能源土地基承载特性的影响,探讨基底压力的分布规律。结果表明:水合物开采前,能源土地基的承载力随饱和度的增加而增大。开采后,地基的承载力急剧降低,且原有水合物的饱和度越大,开采后承载力的降低量也越大;水合物饱和度越高,达到极限承载力后,p–s曲线越接近于竖直向下;胶结破坏存在临界荷载,且不同水合物饱和度地基的胶结破坏规律不相同;水合物饱和度对基底压力的分布形状影响不大,但不同沉降量下基底压力的分布形状明显不同。     

理想胶结砂土力学特性及剪切带形成的离散元分析

根据近期胶结铝棒接触力学特性的实测结果,提炼出用于模拟胶结砂土粒间胶结作用的胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC^2D。通过对不同胶结强度和不同围压下胶结砂土的平面应变双轴压缩试验的离散元模拟,分析了理想胶结砂土的宏观力学特性及其剪切带的形成规律。结果表明：相比同一孔隙比的无胶结试样,胶结试样具有更高的峰值强度、显著的应变软化和剪胀现象以及明显的剪切带,宏观力学特性与其胶结接触微观力学机理密切相关,模拟结果与已有室内试验结果具有规律上的一致性;由胶结试样内部的微观信息统计可知,胶结试样剪切带的形成一般在其峰值强度之后,且剪切带的形成是试样变形、胶结破坏、孔隙比、平均纯转动率和位移场等微观参量局部化的综合表现。     

考虑宽度与厚度的颗粒胶结模型理论分析

在深海能源土、岩石风化等问题离散元模拟中,颗粒间胶结物的增减将对材料宏观力学特性有显著影响,因此需要建立考虑胶结厚度和宽度的胶结模型。针对离散元理论中粒间真实形状胶结物在粒间力作用下的刚度和强度确定问题,基于原始的Dvorkin理论,给出高精度的胶结力学响应理论解。求解中将位移函数对称化,提出一种修正位移试函数的方法,提高了二维颗粒微观胶结模型应力场的对称性和精度,经验证解答在定性和定量上符合有限元模拟结果。根据所得解答对胶结物几何参数进行了分析,讨论了胶结宽度和厚度对胶结刚度的影响,并给出了针对一般常见材料的刚度拟合公式。采用双剪统一强度理论分析了脆性和塑性胶结材料的初始破坏区位置,给出拉/压剪复合受力状态的强度包线。本文解答可方便快捷地获得胶结模型的大量力学响应信息,可作为试验数据的验证和补充,协助建立胶结物在复杂荷载作用下的破坏判据,进而建立完整的离散元胶结模型。     

Effect of temperature cycle on mechanical properties of methane hydrate-bearing sediment

In this study, methane hydrate-bearing sand (MHBS) was created in the laboratory following two methods in order to obtain two types of gas hydrate morphology in sandy sediment. The hydrate morphology in the sediment was assessed by measuring the compressional wave velocity combined with models to predict the wave velocities of the sediment containing gas hydrates. The mechanical properties of the MHBS were investigated by triaxial compression tests. The results obtained by the compressional wave velocity show that after saturating the MHBS sediment (created by the excess gas method) with water, the methane hydrates are partly or completely converted from grain contacts to pore spaces depending on the hydrate saturation (ranging from 0 to 50%). A subsequent temperature cycle completes this conversion process for high hydrate saturation. The results obtained with the triaxial compression tests show higher shear strength, a higher secant Young’s modulus, and a higher dilation angle at higher hydrate saturation. In addition, the effects of hydrate saturation on the mechanical properties of the MHBS obtained by the two procedures (with and without the thermal cycle) are similar at low hydrate saturation. The effect of gas hydrate morphologies can only be detected in the case where the conversion (and/or redistribution) of gas hydrates from grain contacts to pore spaces is not complete (at high hydrate saturation).     

冻结砂土三轴试验中颗粒破碎研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一,冻结砂土也是如此。对冻结砂土进行了不同温度和围压下的三轴剪切试验,并筛分得到三轴试验前后的颗粒大小分布曲线。通过引入Hardin定义的颗粒破碎率Br,分析了围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对冻土抗剪强度的影响。结果表明:在温度为-0.5℃,-1℃,-2℃,-5℃和围压为0.5,2,5,10 MPa的条件下,三轴剪切过程中会产生较为可观的颗粒破碎;颗粒破碎率Br随围压增大,到达一定围压后Br不再随着围压的增大发生明显变化,即存在一个颗粒不再发生明显破碎的临界围压σr。结合前人研究发现,-5℃下一般工程关心的围压范围内压融对冻土力学特性没有显著影响,而颗粒破碎起控制性作用。分析表明:-5℃条件下在不同的围压范围颗粒破碎对抗剪强度具有不同的影响。试验所采用的围压范围内,随着围压的增大,颗粒破碎率增大使得冻土的抗剪强度降低;破碎率达到极限以后,由于破碎的颗粒重排列又导致抗剪强度有所提高。     

压实黄土平面应变方向的主应力特性

对不同含水率压实黄土进行等小主动主应力σ_x的平面应变三轴试验,研究了含水率w及小主动主应力σ_x对加载过程中平面应变方向主应力σ_y特性的影响,根据试验结果提出了描述平面应变方向与其它方向主应力双线性关系的表达式,验证了基于典型强度准则的中主应力公式描述压实黄土σ_y变化的适用性。研究结果表明:在等向固结及初始加载阶段,平面应变方向主应力不是中主应力σ_2,而是小主应力σ_3;平面应变方向主应力比σ_y/σ_x随着主动主应力比R的增大先平缓后快速增大,转折点前后主应力之间分别呈线性和非线性关系;转折点处的主动主应力比Rz大于平面应变方向主应力由小主应力转变为中主应力临界点处的主动主应力比Rc,w及σ_x对Rz的影响较大,对Rc的影响很小。R较小时,w及σ_x对加载过程中σ_y/σ_x几乎没有影响。主应力参数K(=2σ_y/(σ_x+σ_z))与主动主应力比R之间呈双直线;前段为水平直线,K近似为常数Kc;后段为倾斜向上的直线;Kc及直线斜率m与w及σ_x的大小无关。提出的双线性函数能较好地预测压实黄土加载过程中σ_y的变化特性,而仅在土样破坏时,基于Lade-Duncan及SMP准则的中主应力公式的预测值与试验值比较接近。     

砂岩裂纹起裂损伤强度及脆性参数演化试验研究

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验结果表明,试样的侧向膨胀变形及声发射计数值可以较好地反映其内部的裂纹演化情况,二者随着裂纹的萌生积累都表现出一致的阶段性变化规律。同时通过进一步分析应变及声发射曲线中的阶段性变化拐点,确定了砂岩试样的起裂强度及损伤强度值。其中青砂岩平均起裂强度约为其峰值强度的0.42倍,红砂岩平均起裂强度则约为其峰值强度的0.48倍。最后通过对比不同围压下的试验结果,发现两组砂岩试样起裂阶段内摩擦角均小于其峰值阶段,初始φ0约为终值的1/2。由此定义了可反映岩石脆性程度的起裂摩擦水平φ_0/φ,并建立考虑摩擦作用的线性起裂准则。     

条形粗糙基础极限承载力求解与误差分析

利用滑移线法计算了粗糙条形基础极限承载力,计算时考虑了土的黏聚力c、内摩擦角φ和土体重度g的共同作用,避免了对破裂面形状的人为假定,并满足所有边界条件。将数值计算结果与其他学者的解答进行了对比,证明了解答的准确性。分析了地基承载力系数N_γ的影响因素,证实了N_γ除了与地基摩擦角φ有关外,还与超载比l有关。绘制了不同j值下N_γ随l的关系曲线,给出了N_γ的拟合公式,计算结果表明拟合公式的误差在±4%以内。最后对传统叠加方法计算承载力与精确解之间的误差进行了计算,总结了不同j值时误差e随l的变化规律,发现叠加计算结果比精确解小,且最大误差出现在l介于0.1~1之间。