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水合物沉积物力学性质的三维离散元分析 总被引：1，自引：0，他引：1
水合物沉积物力学特性研究是天然气水合物开采领域中的热点问题。为深入了解水合物对沉积物力学特性的影响,在提出一个新的水合物沉积物离散元数值试样制备方法的基础上,模拟了不同水合物饱和度沉积物试样的三轴排水试验,并从其应力-应变关系、体变特性、弹性模量及峰值强度等方面对模拟结果及已有室内三轴试验结果进行了对比,然后利用该方法对具有不同微观胶结参数的水合物沉积物样进行了三轴离散元数值试验。研究结果表明：所提出的离散元模拟方法能较好地反映水合物沉积物的主要力学特性;天然气水合物与土颗粒间胶结性能的改变会对水合物沉积物的力学响应产生一定的影响;水合物沉积物强度和模量的增加是孔隙填充水合物和粒间胶结水合物共同作用的结果。 相似文献
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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
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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
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天然气水合物以胶结及孔隙填充等形式存在于深海能源土中,开采时因其分解会劣化地层力学特性进而引发海底事故,使得人们对能源土开采过程进行中力学特性的变化愈发重视。在前期室内试验的基础上,将一个温度-水压-力学二维微观胶结模型引入离散元商业软件PFC2D中,通过对排气、排水性较好的土体进行升温及降压法开采进行数值模拟,并将模拟结果与相同条件下的室内试验结果对比,验证了该胶结模型的适用性。进一步分析了颗粒接触分布与颗粒平均纯转动率（averaged pure rotation rate, APR）在水合物分解时的变化情况。升温分解过程中随温度升高,颗粒总接触分布各向异性程度增大;胶结接触逐渐减少并始终保持主方向为水平方向,无胶结接触增多并始终保持主方向为竖直方向;APR值逐渐增大且正负值分布逐渐趋于集中。降压分解过程中随反（水）压降低,颗粒总接触由各向同性分布逐渐发展为主方向为竖直方向的各向异性,APR值较小且分布均匀;恢复反压后,试样进一步破坏,颗粒总接触各向异性更加明显,APR值增大且正负值呈集中分布。 相似文献
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基于三维颗粒离散单元法,赋予颗粒相应的细观参数,并采用黏结发生在接触颗粒间有限范围内的模型来考虑冻土颗粒中冰的胶结作用,建立了冻结黏土三维离散元数值模型.在相同围压、不同温度和相同温度、不同围压下对冻结黏土的室内三轴试验进行数值模拟,对比了数值试验与室内测试的应力-应变曲线,两者吻合较好.数值模拟结果表明:围压增大会使得接触黏结逐渐失效,在剪切带中胶结冰的破坏区域将增大,而温度的降低则会产生相反结果,这些微观变化都将对冻结黏土的宏观力学变形产生较大影响,同时,细观参数对温度的依赖性也很明显.冻结黏土三轴试验微观变形离散元模拟思路及方法可为今后运用离散单元法研究冻土力学行为提供一定的参考. 相似文献
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人工胶结砂土力学特性的离散元模拟 总被引：1，自引：1，他引：0
采用离散单元法（DEM）对胶结砂土力学特性进行模拟。将基于室内试验测得的理想胶结颗粒接触力学响应引入到开发的二维离散元程序（NS2D）中,模拟胶结砂土颗粒间的胶结作用。对不同胶结强度和围压的胶结砂土进行平面应变双轴压缩试验模拟,并将模拟结果与Wang和Leung[1]提供的人工胶结砂土的试验结果进行比较。最后对数值模拟中胶结试样的微观力学响应（接触力链、胶结点破坏率和位移场）进行分析。结果表明,离散元数值模拟能够有效地反映胶结砂土的主要力学特性,相比同一初始孔隙比的无胶结松散砂土,胶结砂土将具有更高的强度,应力-应变关系呈应变软化,体变为先剪缩后剪胀,且两者的差异随胶结强度的增大和围压的减小而越趋显著。此外,胶结砂土宏观力学响应（应力-应变关系和剪胀性）与其微观力学响应密切相关。 相似文献
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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
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填埋场衬垫系统中,土与土工膜界面剪切强度较低,易造成失稳破坏。目前国内外学者主要采用室内试验对土与土工膜界面的宏观剪切特性进行研究,而对界面剪切特性的细观研究较少。为了从细观角度研究土与土工膜界面的剪切特性,本文采用EsyS-particle程序对土工膜与土界面直剪试验进行了离散元数值模拟分析。采用摩擦接触模型模拟砂土;采用黏结模型颗粒模拟土工膜,通过紧密排列土工膜颗粒以模拟土工膜的光滑表面。通过室内拟合试验,选取和校准材料的细观参数。分析结果表明,离散元模型能较好的模拟界面应力-应变关系;剪切带的厚度约为两倍平均土颗粒直径;剪切带中的土颗粒发生较大位移,孔隙比增大,而剪切带之外的土颗粒位移和孔隙比变化较小;随着剪切位移的增加,颗粒间接触力逐渐向左端集中,力链方向由垂直逐渐倾斜。 相似文献
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对基坑开挖影响范围内土体的应力路径进行平面应变试验离散元数值模拟,以研究结构性与卸荷形式对坑周土体宏微观力学特性的影响。首先,将一个描述土颗粒间胶结效应的简单三维胶结接触模型植入三维离散元软件PFC3D;其次,对初始K0固结状态的重塑土、结构性土试样分别进行常规三轴以及平面应变条件下4种不同卸荷应力路径的离散元模拟;最后,对经历不同卸荷形式的坑底土体单元进行再加荷模拟。模拟结果表明,在卸荷过程中,被动区土体峰值强度以及破坏时竖向应变随卸荷比增大而增大,且其强度小于主动区土体强度;在卸荷、再加荷过程中,被动区土体峰值强度随卸荷比增大而增大,但均小于不卸荷而直接加荷条件下的峰值强度;由于结构性的存在,土体由应变硬化向应变软化过渡,且强度增长;结构性与卸荷形式显著影响土体体积改变。在微观尺度,增大卸荷比或结构性均会增大垂直大主应力方向的平面上的法向接触力,进而提高其强度。 相似文献
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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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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 exists in the pores of methane hydrate-bearing sand (MHBS) and is considered to be a potentially significant source of methane and thus energy for mankind. However, before conducting a large-scale extraction of methane from MHBS, it is crucial to simulate the mechanical behaviour of MHBS and evaluate its stability during drilling and methane production. In this paper, a state-dependent critical state model for MHBS is presented. The critical state of MHBS is discussed, and critical state line formulations are introduced as functions of hydrate saturation. A simple nonlinear bonding and linear debonding law is incorporated considering the cementing mechanism of hydrate. A modified state-dependent dilatancy is proposed to account for the effects of stress level, internal state (density), bonding strength and hydrate saturation. Determination of the model parameters is described in detail. The proposed model is employed to predict results of drained triaxial compression tests on MHBS. Satisfactory performance is demonstrated, i.e., the model can adequately capture the stress–strain and volume change behaviours of MHBS over a wide range of hydrate saturations, confining pressures and densities using a unified set of parameters. 相似文献
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While methane hydrates (MHs) can be present in various forms in deep seabeds or permafrost regions, this paper deals with MH‐bearing sediments (MHBS) where the MH has formed bonds between sand grains. A bond model based on experimentally validated contact laws for cemented granules is introduced to describe the mechanical behavior of the MH bonds. The model parameters were derived from measured values of temperature, water pressure and MH density. Bond width and thickness adopted for each bond of the MHBS were selected based on the degree of MH saturation. The model was implemented into a 2D distinct element method code. A series of numerical biaxial standard compression tests were carried out for various degrees of MH saturation. A comparison with available experimental data shows that the model can effectively capture the essential features of the mechanical behavior of MHBS for a wide range of levels of hydrate saturation under drained and undrained conditions. In addition, the analyses presented here shed light on the following: (1) the relationship between level of cementation and debonding mechanisms taking place at the microscopic level and the observed macro‐mechanical behavior of MHBS and (2) the relationship between spatial distribution of bond breakages and contact force chains with the observed strength, dilatancy and deformability of the samples. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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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