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1.
《岩土力学》2017,(1):10-18
水合物含量和水合物赋存模式都会对含水合物沉积物的力学特性产生影响,但目前的本构模型很少考虑水合物赋存模式的影响。在分析水合物赋存模式对含水合物沉积物力学特性影响机制的基础上,提出了采用有效水合物饱和度来描述水合物赋存模式对沉积物力学特性的影响。基于前人建立的含水合物沉积物的统计损伤本构模型,假设含水合物沉积物微元强度服从Weibull分布,采用Drucker-Prager强度准则描述微元强度,建立了考虑水合物赋存模式影响的含水合物沉积物的统计损伤本构模型。该模型修正了水合物含量和试验围压对弹性模型的影响关系式,并且建立了模型参数m和F_0与水合物饱和度s_h和试验围压σ_3之间的关系。通过与试验数据的对比,说明该模型能很好地模拟含水合物沉积物的应力-应变关系,反映水合物含量和水合物赋存模式对含水合物沉积物的刚度、强度、应变软化等力学特性的影响规律。 相似文献
2.
天然气水合物被公认是解决当前能源危机的潜在新型能源而备受关注。含水合物的海底土体称为深海能源土。水合物在能源土中有不同的赋存形式（如填充型水合物和胶结型水合物等）,由于胶结型水合物对整体强度的贡献比其他存在形式更大,尤其是饱和度较低的情况。针对于胶结型水合物的赋存形式进行研究,水合物作为胶结物质存在于土颗粒之间,胶结厚度会在一定范围内变化。为真实地反映此现象,通过对能源土试样的电镜扫描图片整理分析,获得水合物饱和度与粒间胶结厚度的函数关系。基于前期已经完成的不同粒间胶结厚度下胶结力学特性的试验研究成果,为探究胶结厚度变化对能源土体宏观力学特性的影响,建立了考虑水合物胶结厚度的能源土粒间胶结模型,并介绍此模型中相关胶结参数及其确定方法。 相似文献
3.
基于微观胶结厚度模型的深海能源土宏观力学特性离散元分析 总被引：1，自引：0，他引：1
首先,引入蒋明镜等提出的考虑水合物胶结厚度的深海能源土粒间微观胶结模型,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,并将其引入离散单元法中;然后,对选定的水合物饱和度经过实际二维离散元模拟调算,得出相应的水合物胶结尺寸,以修正水合物临界胶结厚度、最小胶结厚度及胶结宽度,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,针对不同水合物饱和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、体变、剪胀角等方面与Masui等所进行的能源土室内三轴试验进行对比分析。结果表明：采用考虑粒间胶结厚度的水合物微观胶结模型,能够定性反映深海能源土的宏观力学特性,能源土试样的峰值强度、黏聚力和剪胀角均随水合物饱和度的增加而增加,但水合物饱和度对内摩擦角的影响规律不明朗;能源土试样的峰值强度、残余强度及体积剪缩量随着有效围压的增大而增大;剪胀角随有效围压的增大而减小。 相似文献
4.
天然气水合物的开采会带来一系列的岩土工程问题,为了保障相关工程设施的安全,有必要建立一个合理的水合物沉积物本构模型。通过深入分析水合物沉积物力学特点,从颗粒间的作用机制出发,认为水合物沉积物的力学响应是沉积物中土体颗粒间摩擦与水合物胶结二者共同作用的结果;考虑到摩擦与接触特性不同的力学机制,分别采用修正剑桥模型和弹性损伤模型对土体骨架及水合物胶结的应力-应变关系进行描述;通过假定水合物胶结的损伤演化规律,并认为在受力变形过程中二者的应变始终相等,初步建立了一个水合物沉积物的弹塑性损伤本构模型。不同水合物饱和度沉积物应力-应变曲线的模型预测结果与室内三轴排水试验结果吻合良好,表明了所建模型的可行性和合理性。 相似文献
5.
海底天然气水合物(以下简称水合物)的开采会劣化储层的力学性质,威胁钻井平台、破坏开采井甚至可能诱发地质灾害。为探究含水合物沉积物的力学特性及开采扰动下水合物储层的力学强度劣化机理,本文搭建了一套含天然气水合物土水-力特性联合测试装置,主要包括:压力室、压力控制系统,注/除气系统,温度控制系统,数据采集及人机交互管理系统。该装置可实现不同条件下含水合物沉积物试样的合成,并可开展渗透试验、等向压缩试验、以及不同应力路径下三轴压缩试验测试。以细砂作为赋存介质,采用富气法制备含天然气水合物沉积物试样,对其进行了一系列水-力特性试验测试,并对结果进行了简要地分析。这些试验结果证实了装置测试含水合物沉积物水-力学特性的功能和可靠性。 相似文献
6.
推进天然气水合物资源开采是我国能源战略的重要任务。层状赋存形态的含水合物沉积物在目标开采储层中普遍存在,水合物开采引起的沉积物层扰动会直接诱发剪切变形影响储层的稳定性,严重制约水合物资源的安全开采。现有水合物沉积物的本构表征主要基于空间均匀分布、各向同性的材料特征假设,缺少考虑水合物沉积物的强非线性力学特性受层状赋存形态影响的本构表征方法,无法准确预测目标开采储层的应力-应变规律。本文采用均匀化理论,基于每层沉积物的弹塑性刚度矩阵构建层状形态代表体积单元的宏细观控制方程,建立了层状赋存含水合物沉积物的本构表征方法。代表体积单元内每层的沉积物模型参数可基于均质含水合物沉积物试样的三轴试验标定获取。通过将层状本构模型预测和层状沉积物三轴试验以及数值试验的应力-应变关系对比验证,本研究提出的层状本构模型可准确描述原位储层中层状赋存含水合沉积物的力学行为。 相似文献
7.
海域孔隙型天然气水合物储层中,水合物主要以颗粒胶结、包裹胶结、骨架支撑、孔隙悬浮4种赋存模式充填沉积物孔隙,水合物饱和度与赋存模式的不同导致了储层弹性和电性的差异,利用声波和电阻率测井资料联合处理可以进行水合物赋存模式的定量表征。首先利用Simandoux公式计算水合物饱和度,然后通过有效介质模型构建的岩石物理模板识别水合物赋存模式,最后计算储层中不同赋存模式水合物的相对占比。以全球范围内三个典型区域(中国南海神狐海域、北美Blake海台、新西兰Hikurangi边缘)为例,利用水合物储层的实际钻探资料,对水合物赋存模式进行定量分析：(1)中国南海神狐海域SH2站位储层中,水合物主要以骨架支撑模式产出,约占水合物总量的64%;(2)Blake海台994C站位储层中,水合物主要为颗粒胶结和包裹胶结模式,分别占总量的27%和51%;(3)Hikurangi边缘U1518B站位的水合物储层中,水合物主要为包裹胶结和骨架支撑模式,分别占总量的32%和47%。前人针对水合物形成和赋存模式的实验研究显示,水合物更易以颗粒胶结、包裹胶结和骨架支撑模式赋存,从侧面验证了上述分析结果的可靠性。本研究使用... 相似文献
8.
天然气水合物沉积物因其作为绿色新型能源且具有广阔的开发前景而备受全球瞩目。水合物在水合物沉积物（俗称能源土试样）中有不同的赋存型式,如孔隙填充型和胶结型等。针对孔隙填充型水合物的赋存形态,生成特定饱和度的能源土试样。开展了同一 平面上不同中主应力系数（b = 0、0.25、0.50、0.75、1.00）的真三轴排水试验的三维离散元模拟,将微观参数接触组构及剪切滑移率的演化规律与材料的宏观力学响应相结合,分析了中主应力对孔隙填充型能源土的宏微观力学响应的影响。结果表明：强接触处组构张量的大、中、小主值随b的变化规律与大、中、小主应力及大、中、小主应变随b的变化规律表现出良好的相关性。三向应力状态下的破坏强度接近Lade-Duncan破坏准则。能源土试样剪切滑移率随着中主应力系数的增大而增大;当处于三轴拉伸状态时,试样的剪切滑移率最大。 相似文献
9.
天然气水合物赋存在低温高压环境中,会在土颗粒间形成胶结从而增大深海能源土抗剪强度。基于损伤力学理论,将结构性砂土本构模型推广应用于深海能源土分析中,模拟计算了三轴固结排水剪切试验,再根据应力-应变曲线关系定量反演初始屈服系数与水合物饱和度之间的函数关系,并修正了原有的结构性砂土破损规律,建立了深海能源土弹塑性本构模型。另外,根据该模型模拟了另外一组深海能源土三轴剪切试验和等向固结压缩试验。计算结果表明：新建立的深海能源土本构模型可以有效模拟深海能源土剪切强度随水合物饱和度之间的增长关系;随着水合物饱和度的增加,三轴压缩试验中深海能源土峰值强度及割线模量(E50)逐渐增加,等向固结压缩试验中屈服强度增加,与试验结果有较好的一致性,表明了该模型的合理性。 相似文献
10.
含水合物的沉积物力学参数是水合物储层稳定性评价的基础数据。我国南海神狐海域含水合物的沉积物中含大量的黏土,深入了解黏土矿物对沉积物力学特性的影响对水合物开采具有十分重要的意义。基于PFC三轴压缩模拟,首先分析了沉积物中不含水合物时,黏土矿物颗粒特征的力学效应,然后分析了水合物对颗粒的胶结作用和围压对沉积物力学特性的影响。结果表明,不含水合物模型的偏应力-应变曲线呈明显的应变硬化特征。黏土矿物的含量、颗粒形状和排列对沉积物三轴压缩特性具有显著影响。黏土矿物含量的增多对沉积物力学强度具有明显的降低作用,黏土矿物形状为条形的沉积物强度和弹性模量要明显高于圆颗粒模型,在细观上受颗粒平均接触数影响,条形黏土颗粒的定向排列使模型的力学参数具有各向异性。水合物对颗粒的胶结作用可显著提高模型的峰值强度和弹性模量,随着颗粒胶结程度的增大和围压的减小,含水合物的沉积物的破坏方式由塑性破坏向脆性破坏转换。 相似文献
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A constitutive mechanical model for gas hydrate bearing sediments incorporating inelastic mechanisms
Gas hydrate bearing sediments (HBS) are natural soils formed in permafrost and sub-marine settings where the temperature and pressure conditions are such that gas hydrates are stable. If these conditions shift from the hydrate stability zone, hydrates dissociate and move from the solid to the gas phase. Hydrate dissociation is accompanied by significant changes in sediment structure and strongly affects its mechanical behavior (e.g., sediment stiffenss, strength and dilatancy). The mechanical behavior of HBS is very complex and its modeling poses great challenges. This paper presents a new geomechanical model for hydrate bearing sediments. The model incorporates the concept of partition stress, plus a number of inelastic mechanisms proposed to capture the complex behavior of this type of soil. This constitutive model is especially well suited to simulate the behavior of HBS upon dissociation. The model was applied and validated against experimental data from triaxial and oedometric tests conducted on manufactured and natural specimens involving different hydrate saturation, hydrate morphology, and confinement conditions. Particular attention was paid to model the HBS behavior during hydrate dissociation under loading. The model performance was highly satisfactory in all the cases studied. It managed to properly capture the main features of HBS mechanical behavior and it also assisted to interpret the behavior of this type of sediment under different loading and hydrate conditions. 相似文献
12.
Mechanical properties of methane hydrate‐bearing soils are complex. Their behavior undergoes a significant change when hydrates dissociate and become methane gas. On the other hand, methane hydrates are ice‐like compounds and, depending on the hydrate accumulation habits and the degree of hydrate saturation, may cement soil particles into stronger and stiffer soils. A new constitutive model is proposed that is capable of capturing essential characteristics of hydrate‐bearing soils. The core of the model includes the spatial mobilized plane concept; a transformed stress, tij; the critical state; and the subloading framework. The proposed model gives soil responses due to stress changes or hydrate saturation changes or both. The performance of the model has been found satisfactory, over a range of hydrate saturation and confining pressures, using triaxial test data from laboratory‐synthesized samples and from field samples extracted from Nankai Trough, Japan. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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深海能源土是指含天然气水合物（俗称"可燃冰"）的深海沉积物,其本构特性的模拟对可燃冰的安全开采至关重要。首先分析了水合物对能源土强度、剪胀和软化等力学特性的影响机理,水合物饱和度越大,对能源土力学特性影响越显著。然后在修正剑桥模型的基础上,通过引入水合物的饱和度和统一硬化参数来修正屈服函数,以反映水合物对能源土强度、剪胀、软化等特性的影响,建立了能考虑天然气水合物胶结作用形成及退化影响的深海能源土弹塑性本构模型,推导了相应的弹塑性矩阵。最后,通过模拟结果与已有能源土三轴试验数据对比分析,表明模型能很好地预测能源土强度、剪胀和软化等特性,验证了模型的合理性和有效性。 相似文献
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Methane hydrate‐bearing sediments exist throughout the world in continental margins and in Arctic permafrost. Hydrates are ice‐like compounds when dissociate due to temperature rise or reduction in fluid pressure, release gas. Because of the mechanical property changes caused by dissociation in which the loads supported by the hydrates are transferred to soil grains, these sediments may become unstable. To quantify the risk of ground instability triggered by dissociation, which may happen during operation to extract methane gas or from climate changes, a reliable predictive model is indispensable. Even though many models have been proposed, a detailed validation of the ability to model dissociation impact is still needed. This study investigated the adequacy of an spatially mobilized plane constitutive model and a modeling framework using laboratory‐induced dissociation tests under shear from literature. Using laboratory‐imposed temperature and pressure changes and the resulting hydrate saturation changes as input, this study was able to capture the geomechanical responses and determine the stability state of methane hydrate‐bearing sediments as observed. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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天然气水合物是一种潜在的能源资源,开采过程中,水合物的分解会造成工程和地质等安全隐患。为研究降压开采过程中多因素综合影响条件下沉积物的力学性质,在自主研发的低温高压三轴仪上进行了不同围压条件下含水合物沉积物的剪切试验。试验结合常规三轴剪切及一个试样多级加荷的方法,并加入了水合物的降压分解过程。结果表明：水合物的存在可以显著提高沉积物的抗剪强度。在降压分解过程中,含水合物沉积物试样的力学强度受到有效围压和孔隙中水合物含量的综合影响。前期试样由于孔隙压力降低导致有效围压大幅增加,试样抗剪强度增大,后期由于水合物含量的大幅降低,试样在较高有效围压下抗剪强度下降。有效围压对含水合物沉积物试样的体积应变有较大的影响,较高的有效围压会导致含水合物试样产生显著的剪缩现象。 相似文献
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设计了尺寸相似比为1:25的室内试验模型,对两组不同支护方式下预设滑面的边坡模型进行逐级水平推移式加载,对比分析了在横向荷载作用下抗滑桩及桩板式挡墙（后置式挡土板）两种支护结构的受力及变形特点（考虑深层滑坡）。研究发现:边坡-支护结构系统的破坏明显分为3个阶段,即滑体土压密阶段、支护结构主要变形阶段及支护结构失效阶段;距桩顶14cm的同一水平位置桩后土压力传递效率较低,与距加载板位置远近成反比,呈指数变化规律;抗滑桩仍是两种支护结构的主要受力构件,挡土板延长了模型破坏的主要变形阶段,加固效果显著;桩板支护结构较抗滑桩支护多承受一级荷载（0.5kN）,承载力提高了14.29%;挡土板优化了桩后土压力的分布形式,使作用在整个桩背侧土压力合力的作用点更靠近锚固端,有利于抵抗桩身的挠曲变形。本研究可为这两种边坡支护结构形式的选择提供参考。 相似文献
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Gas hydrate bearing sediments are an integral part of the world’s continental margins. Several tsunamigenetic continental
slope failure events have been triggered by gas hydrates, but their mechanical behavior is poorly understood. In this work,
we propose a method to simulate a surface tensed medium such as gas hydrate in soil, using distinct element method (DEM).
For implementation in sediment pore size, we scaled up attractive particle interactions governing surface tension on molecular
level. Several virtual experiments are used to benchmark the proposed method. A simulation of gas hydrate growth in sediment
with differing grain sizes demonstrates the potential of the new approach. 相似文献
18.
为了揭示不同加载速率条件下重塑土的变形与强度特性对工程实践的影响,通过不同围压、含水率条件下重塑土样在4种加载速率条件下的三轴CU试验,对重塑土在不同状态下的加载速率效应进行分析,并从土的结构性入手对其与原状土加载速率效应的差异进行讨论。基于重塑土样的三轴试验成果,得到了加载速率对重塑土变形与力学特性的影响规律:重塑土的应力-应变曲线在不同加载速率条件下均表现出应变硬化特性;破坏强度随着加载速率的增大而表现出先增大后减小的特性,存在临界加载速率;随着加载速率的增大,黏聚力c先增大后减小,也存在临界加载速率,而内摩擦角φ则保持了小幅减小的趋势。 相似文献