水合物开采及海洋环境诱发地质灾害机理和风险评估研究现状与展望

深海油气资源的开发利用是解决我国能源问题的重要途径。能源开采等人类活动和地震等自然因素极易诱发海底地质灾害,威胁重大工程和设施安全,成为制约我国深海水合物资源开发的重要因素。本文梳理了现有的海底地质灾害的发生机理、链生演化规律以及多尺度分析现状,并对海洋地质灾害易发性、工程设施易损性以及风险评估现状进行综述。调研显示,现有海底地质灾害研究面临的主要问题为监测数据的稀缺,并缺乏有针对性的多场多相耦合分析方法和跨尺度问题的数值分析手段;地质灾害易发性和易损性研究中基础数据、评价模型、评价精度都不满足现有需求;风险评估中评价指标体系不尽客观和科学,且缺乏适用于工程实践的系统理论方法与软件,以及相关的风险控制标准与应对措施规范标准。针对上述问题,本文从储层勘探技术,沉积物宏微观本构模型,多尺度数值模拟计算方法和滑坡冲击力动态理论几个方面提出解决方案。并建议采用风险识别、风险评价和防减灾措施相结合的方式,实现风险可控的工程开发。同时,本文借助人工智能等新型手段,提出了多尺度多时空耦合数字三胞框架,为我国下一步琼东南盆地等大型海底水合物赋存区开发提供参考。

面向月面原位资源利用的嫦娥五号月壤样品颗粒形态特征研究

月壤颗粒形态特征对月面原位挖掘、运输、3D打印等具有重要影响,我国自主获取的嫦娥五号样品可为月球科研站建设等提供月壤关键参数信息。以月面原位资源利用过程关注的月壤颗粒形态特征为目标,利用体视光学显微镜获取了同济大学获批的嫦娥五号月壤颗粒样品图像,构建了一套图像处理和颗粒识别方法,并提出方向差异指数表征颗粒表面粗糙程度,实现了自动提取颗粒边缘并计算其粒度和形态指标。结果表明,所研究嫦娥五号样品颗粒粒径范围为4.36~792.30μm,均值纵横比为0.66,均值圆形度为0.806,均值方向差异指数为0.111。小粒径颗粒占比大,10μm以下颗粒占44.19%。颗粒方向差异指数呈近似正态分布,表明大量颗粒表面粗糙程度近似,并存在少量表面较为光滑和粗糙的颗粒。小粒径颗粒大小与纵横比、圆形度均呈负相关,与表面粗糙程度相关性低,大粒径颗粒大小与形态没有相关性。研究还发现嫦娥五号样品比Apollo 11和Apollo 15样品的颗粒的圆形度更小,形态更不规则。

中国南海神狐海域水合物储层井壁稳定可靠度分析

天然气水合物具有巨大的潜在经济和环境价值,其开发利用对国家能源安全和实现国家碳达峰碳中和的“双碳目标”具有战略意义。我国天然气水合物资源主要分布于南海海域,海洋环境的复杂性和隐蔽性使工程测量数据具有较大不确定性,影响钻井安全。目前未见有水合物储层井壁稳定可靠度研究。为定量评估在我国南海神狐海域水合物储层钻井风险,基于水合物储层钻井井壁稳定解析理论和南海神狐海域具体地质条件,结合可靠度分析方法中的改进一次二阶矩法和响应面法,研究南海神狐海域水合物储层钻井井壁失稳概率分布特征,分析该海域井壁失稳概率及安全钻井液压力窗口对主要参数均值和不确定性的敏感性,结果表明:(1)若测量数据足够精确,在我国南海神狐海域水合物储层进行钻井活动的安全性较高,安全钻井液压力窗口也较大。测量数据的不确定性增大将使井壁失稳概率显著升高,缩窄安全钻井液压力窗口。(2)较低的钻井液温度对降低井壁失稳概率略有帮助,且能明显地扩大安全钻井液压力窗口。(3)5个主要参数的均值和不确定性对井壁失稳概率的影响次序相同,均为初始地应力>初始内摩擦角>弹性模量比>初始黏聚力>初始弹性模量。实际工程中对初始地应力数据精确测量,能够显著提高水合物储层钻井井壁稳定性。

基于嫦娥五号月壤粒形特征的离散元模拟方法

为满足当前中国探月任务中的“堪测、采、建”战略规划,获取更加贴近真实的月壤物理力学特性,考虑月壤颗粒形状的影响,结合嫦娥五号探月任务中的月壤颗粒图像,将月壤粒形特征与颗粒级配联系起来,提出考虑中国月壤粒形特征的离散元数值模拟方法。首先,基于嫦娥五号探月任务获取的部分月壤颗粒图像,对颗粒的形状特征及尺寸信息进行提取,依据其球度特征将月壤的颗粒形态分为6类,并同月壤颗粒的粒形特征与颗粒尺寸建立对应关系;其次,结合本团队开发的三维离散元月壤接触模型,引入形状参数用以表征月壤颗粒的抗转动能力,进而在离散元中考虑月壤颗粒的粒形特征,最终建立考虑中国月壤粒形特征的离散元数值模型;通过与已知月壤试验结果的对比表明,该方法可将月壤颗粒形状的可变性直接映射到离散元中。在此基础上,通过与不考虑粒形特征的数值样进行对比,探究考虑月壤粒形特征的优势。结果表明:含嫦娥五号月壤粒形特征的离散元数值模型可以有效捕捉月壤力学行为的主要特征,为开展月球资源勘探及开发利用研究提供基础。

风机荷载作用下频率比对砂土动力响应的影响

海上风机在运行过程中风荷载与波浪荷载频率耦合作用对土体动力特性的影响不容忽略,为了探究这种影响,采用多向循环动单剪系统(VDDCSS)对砂土进行了一系列试验研究,分析了双向剪切频率比f_(r)对砂土动应变、动孔压比以及动强度的影响。试验结果表明:剪应变发展受双向频率耦合及应力组合效应的影响。循环应力比(C_(SR))为0.15时,双向频率耦合效应大于应力组合作用;随着应力水平的增加(C_(SR)=0.20或0.25),频率耦合效应和应力组合作用均得到了加强。在低应力水平时,破坏试样的孔压曲线呈“上凹型”且频率比对试样孔压发展影响不大。而随着应力水平增加(C_(SR)=0.20或0.25),孔压最终值u_(max)随之增大。除f_(r)=1.00与10.00对应试样外,土体动强度随f_(r)与C_(SR)值增大而减少。f_(r)=5.00对应试样应变大、孔压值高、强度低的原因与此比值下土体受双向频率耦合与应力组合的叠加效果增强有关。

岩石化学风化力学特性的宏微观定量关联

为了分析化学风化对岩石力学性能的影响机制,采用密集排列的颗粒集合体模拟岩石材料,将与化学风化时间相关的质量损失率引入颗粒刚度和胶结模型。基于均匀化方法和格构模型,推导获得了风化岩石弹性阶段应力‒应变关系和强度准则以及宏观弹性和强度参数与微观参数(颗粒接触响应特性、风化损伤参数等)的定量关联,并探究了化学风化及其时效性对岩石力学性能的影响规律。结果表明,随着质量损失率的增大以及反应时间的增加,风化岩石的刚度和强度均呈负指数减小;当环境pH值较低时,岩石的峰值黏聚力和峰值内摩擦角随着反应时间的增大均显著降低;当环境pH值较高时,开始阶段岩石的峰值黏聚力显著降低,而峰值内摩擦角变化不大,峰值内摩擦角的显著降低需要更长的风化时间。

南海北部陆坡区深海软土宏微观特征与力学特性研究

针对中国南海深海软土的研究对于南海资源开发利用具有重要意义。由于取样困难,目前针对深海软土的研究较少,另外深海软土赋存环境特殊,其特性与常规软土有显著差异。通过基础物化特性试验、环境电镜扫描(ESEM)、一维固结及蠕变试验、常规三轴试验、对南海深海软土的材料特性、微观结构、压缩及蠕变特性、三轴剪切特性进行研究分析。试验结果表明该深海软土具有高含水率、低密度、高孔隙比、高饱和度的特点,为高液限粉土,矿物成分中以方解石和伊利石为主。电镜扫描结果显示该深海软土呈片状层理堆积结构,存在疏松架空骨架和贯通孔隙,能储存大量孔隙水,土体中存在生物残骸。一维固结及蠕变试验中,深海软土压缩性强,次固结变形大,固结系数随着竖向压力的增加而减小,次固结系数随着竖向压力的增加先增大后减小。在固结不排水三轴试验中,该深海软土表现出应变硬化特征,有效应力路径呈现先加载后卸载的特征,固结排水三轴试验中,应变硬化的特征更显著,有效应力路径呈现持续加载的特征。

不同活化方式锂渣地聚物性能研究

为揭示不同活化方式锂渣制备碱激发地聚合物可行性,对比分析了未活化、微波活化和热活化锂渣基地聚合物物理力学性能。结果表明,热活化和微波活化可以显著提高锂渣活性,增强锂渣基地聚合物放热速率和放热量,且热活化锂渣活性高于微波活化锂渣。掺2%NaOH和4%Na_(2)SiO_(3)时地聚物放热速率和放热量最佳,在Na_(2)SiO_(3)掺量相同的情况下,NaOH掺量过多会导致放热速率减慢,累计放热量降低。热活化和微波活化可以显著提高锂渣基地聚合物的抗压强度。掺加2%NaOH和4%Na_(2)SiO_(3)时,微波活化锂渣基地聚合物3 d抗压强度最高,较未活化锂渣基地聚合物增加9.3%。热活化锂渣基地聚合物28 d抗压强度最高,较未活化锂渣基地聚合物增加18.69%。掺加4%NaOH和4%Na_(2)SiO_(3)时,热活化锂渣基地聚合物3 d抗压强度最高,较未活化锂渣基地聚合物增加23.75%。微波活化锂渣基地聚合物28 d抗压强度最高,较未活化锂渣基地聚合物增加9.73%。热活化和微波活化活性增强,锂渣地聚合物碱激发反应生成的钙矾石、水化硅铝酸钙或硅铝酸钠((N)C-A-S-H)凝胶等含量高于原始锂渣地聚物,在Na_(2)SiO_(3)掺量相同的情况下,锂渣基地聚合物的活性随NaOH掺量的增加而降低。

火星探测器着陆试验场地研造

火星距地球遥远,通信延迟约为20min,且表面地形复杂,遍布岩石及斜坡等障碍物,探测器着陆需自主完成一系列动作,不可控因素多,难度大。为确保火星探测器安全着陆,采用“材料学+地貌学+岩土力学”多学科交叉的方法来模拟火星地表重要特性,在此基础上为保证场地建设及使用经济合理、保护环境和试验工况的快速布置等需求,采用“区域组合+移固组合”的方法对试验场地进行研究并建造。随后分别对该着陆试验场地貌区和着陆区进行激光、微波特性和承载力特性相关测试。测试结果表明:试验场整体布局合理,各区域可拆卸设备质轻易搬运,便于快速进行不同试验工况设置;地貌区激光和微波反射及散射特性与着陆区的基本物理力学特性等相关测试结果与真实火星表面目标值吻合程度较好;本试验场地已为“天问一号”相关避障和着陆测试提供服务,助力“天问一号”成功登陆火星乌托邦平原预选着陆区。

三轴剪切条件下胶结型深海能源土应变局部化离散元模拟分析

天然气水合物(后简称为“水合物”)开采期间会导致其储层的变形和破坏,继而引发一系列的工程问题。为实现水合物安全有效的开采,需要对其赋存条件下的水合物沉积物(后称为“能源土”)的剪切变形特性进行相应研究。采用温-压-力-化胶结接触模型用以考虑水合物的胶结效应和对赋存环境温度压力的敏感性。此外,柔性边界被应用于离散元模拟的三轴剪切试验,用以保证剪切带的充分演化。通过考虑局部变形、孔隙率、平均纯转动率、胶结破坏及组构各项异性等变量研究了剪切带的形成规律及其宏微观机制。结果表明:(1)在三轴剪切试验中所采用的柔性边界在有效模拟深海能源土的应力-应变及体变响应的同时保证了试样的自由变形。(2)剪切带在剪切初期应变硬化阶段已经开始萌发,并在应变软化阶段愈发明显。(3)剪切带内外宏微观参量例如颗粒转动、局部孔隙率变化等均表现出明显差异。(4)水合物胶结的存在对于其宿主砂土具有双重作用,一方面增强了其强度特性,另一方面作为剪切过程中的薄弱环节率先发生破坏促使剪切带的萌发。研究结果对于理解深海能源土变形中的细观演化机制具有参考价值。

不同重力场下月基承载特性离散元数值分析

采用离散单元法(DEM)模拟不同重力场下的承载特性试验,分析高、低重力场对月基承载特性和月基破坏模式的影响。研究结果表明:当重力场小于1g时,随重力场增大,月基中受扰动范围和应力增大;当重力场大于1g时,随重力场增大,月基中初始应力增大,但受扰动范围减小,表现出承载力和地基弹性模量随重力场增加呈现非线性增长趋势,即归一化承载力系数(q_(u)^(n_(g))/q_(u)^(1g))和月基弹性模量系数(E_(0)^(n_(g))/E_(0)^(1g))与重力场系数n_(g)关系可采用以1g为界的“二折线”进行拟合;承载质量归一化系数则随重力场系数增大而减小,即低重力环境下月基承载质量更大;采用离心机模拟高重力环境来预测低重力环境下月基承载力特性不能正确反映低重力场时月基内受扰动范围的演化规律,将使月基的承载特性偏大。

基于流固耦合的含水合物地层井壁稳定非稳态解析模型

针对深海水合物地层钻井过程中的井壁稳定问题,考虑水合物分解、热传导、力场-渗流场全耦合作用,建立了过压和欠压钻井下渗流、温度、力场随时间和空间变化的非稳态解析模型。解析结果与相同条件下的数值结果吻合良好,且与力场-渗流半耦合解析结果进行了对比。基于解析模型对井壁稳定的关键参数如钻井液压力、水合物分解引起的地层弹性模量劣化程度等进行了分析,结果表明:(1)与半耦合分析结果相比,考虑体变对渗流的影响后,过(欠)压钻井时孔压减小(增大)、应力增大(减小),增量径向位移减小;(2)最危险位置在井壁处,过高或过低的钻井液压力均会导致井壁失稳,水合物分解引起的地层劣化将降低最安全钻井液压力;(3)水合物分解引起的地层刚度降低极易诱发井壁失稳。在通常条件下,过压钻井时分解域弹性模量降低50%即可导致井壁失稳。

模拟月壤地聚合物制备及其性能分析

为探究碱激发剂对模拟月壤地聚合物性能的影响,对含有不同碱激发剂掺量的模拟月壤地聚合物进行抗压强度、流变剪切应力、反应放热、差示扫描量热-热重(DSC-TG)和X射线衍射(XRD)分析。结果表明,在80℃养护条件下,适量NaOH能够显著提高模拟月壤地聚合物的抗压强度,其中掺入6%NaOH使地聚合物7 d、28 d抗压强度分别达到12.5 MPa和14.6 MPa。复掺NaOH与Na_(2)SiO_(3)可提高浆体黏度和剪切应力,当掺入4%NaOH和6%Na_(2)SiO_(3)时,剪切应力达到36.8 Pa。NaOH和Na_(2)SiO_(3)单独掺入或复合掺入均能与模拟月壤反应生成水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶和水化硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶。碱激发剂种类对模拟地聚合物的放热速率和放热量有显著影响,掺入Na_(2)SiO_(3)有助于提高模拟月壤的放热速率,同时随着时间的延长,放热速率在0~1 h范围内先增大后快速减小。相较NaOH,Na_(2)SiO_(3)更有利于提高模拟月壤地聚合物的热稳定性。

不同颗粒级配的某火山灰的力学性质试验研究

以吉林省靖宇县的红色火山灰为原材料,配制了5种不同级配的试样,通过比重、直剪和一维压缩试验测试了该火山灰材料的相对密度、剪切强度、压缩性等物理与力学特性,分析了颗粒级配对该火山灰的剪切和压缩力学特性的影响,为该材料的进一步应用提供参考。试验发现,所配制的火山灰试样的剪切特性与干砂土的抗剪性质类似,压缩特性都属于中压缩性土。

应力路径试验前后黄土孔隙变化及与力学特性的联系

应用压汞试验研究了不同应力路径试验前后原状和重塑黄土孔隙分布的变化,探讨了宏观力学特性与孔隙分布的联系。压汞测试结果表明:试验前两种土具有相近孔隙分布的双孔隙结构;两者w=15%试样等含水率试验后孔隙分布接近,两者饱和试样固结不排水试验后孔隙分布差异较大;应力作用主要对粒间孔隙分布产生影响;常规和减围压三轴等含水率试验后粒间孔隙体积分别减小和增大,相同固结压力下固结不排水减围压三轴试验后粒间孔隙体积比常规三轴试验后的大。原状黄土(w=15%)在低围压常规三轴试验后未出现剪切带,试样内不同部位孔隙分布未呈较大差异性。根据原状和重塑黄土相同应力路径试验后的孔隙分布差异,探讨了试样宏观力学特性的微观机理,研究结果表明胶结作用、基质吸力和粒间孔隙比对试样的强度和变形起主要作用。

密实散粒体宏微观特性的直剪试验离散元数值分析

为了分析直剪试验中试样内部的应力、应变状态,采用离散元商业软件PFC2D在不同围压下对密实散粒体进行了大量的数值模拟,分析了试验的边界效应,应力偏转,应力、应变路径以及颗粒群的微观运动状态.模拟结果表明:边界摩擦影响室内直剪试验的测试结果,所得密实散粒体的强度指标偏高,内摩擦角存在1.5°的误差;剪切过程中,主应力大小和方向均发生变化,中心点主应力偏转约44°.由剪切带内外颗粒运动状态和应力、应变路径分析可知,剪切带内部是主要的剪胀区,存在大幅度的加卸载反应,并且应力路径峰值超出了试样峰值强度包线;剪切带外体变较小,主要处于加载状态,应力路径峰值未超出试样残余强度包线.

考虑颗粒抗转动的砂土双轴试验离散元模拟

颗粒间抗转动作用是影响砂土力学行为的重要因素。将蒋明镜等(2005年)提出的考虑颗粒抗转动作用的颗粒接触模型植入PFC2D中,对砂土双轴试验进行了模拟,研究颗粒抗转动作用对砂土力学行为的影响。研究显示:颗粒抗转动对砂土力学行为影响显著。抗转作用越强,砂土强度越高;抗转系数为0.4时,松砂亦出现软化及剪胀现象。抗转动作用对孔隙比及配位数变化趋势影响也很显著。

基于微观力学机制的各向异性结构性砂土的本构模型研究

在岩土破损力学基础上,基于微观破损机制,提出了考虑各向异性的结构性砂土本构理论。采用Lade-Duncan强度准则考虑中主应力对抗剪强度的影响;采用考虑颗粒排列组构的各向异性状态变量A反映各向异性对土体强度和变形的影响;通过相似扩大重塑土的屈服面反映结构性对土性的影响;通过引入非相关联流动法则考虑各向异性和结构性对土体塑性变形的影响。同时,将基于微观力学机制的损伤演化规律引入结构性土的硬化规律;该硬化规律同时考虑了塑性体积应变和剪切应变对各向异性结构性土强度的影响。然后将该模型用于模拟室内三轴压缩试验,初步验证了该模型的合理性和适用性。

岩石微观胶结模型及离散元数值仿真方法初探

基于胶结铝棒接触力学特性的系列室内微观试验,提出用于模拟岩石的微观胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC2D,模拟岩石室内单双轴压缩、直接拉伸和巴西试验,并将数值试验结果与室内试验实测结果进行对比分析,验证该数值方法在反映岩石基本力学特性方面的有效性,研究结果表明,基于水泥微观胶结模型的离散单元法能够合理地描述岩石的主要力学特性;通过胶结破坏数目与轴向应力之间的关系曲线可以识别岩石裂纹扩展的规律及各个阶段,并能够确定裂纹扩展过程中的起裂应力、裂纹损伤应力和峰值应力。

岩石微观颗粒接触特性的试验研究

微观上,岩石是由许多大小不等的颗粒和粒间填充的胶结物构成,不同位置的胶结厚度不同。岩石的这种微观结构特征从根本上决定其宏观力学响应,从微观尺度出发采用离散元数值模拟有利于探索岩石宏观力学特性的微观机制。基于这一思路,通过室内铝棒胶结模型试验,研究不同胶结厚度下胶结颗粒在压剪扭加载作用下的接触力学特性,发现胶结铝棒在不同胶结物质、不同胶结厚度下的力学响应均呈现出一定的相似性。将蒋明镜提出的岩石微观胶结模型与D.O.Potyondy和P.A.Cundall提出的岩石微观接触力学模型进行对比分析发现,蒋明镜模型提出的破坏准则与岩石的实际较为符合,进一步为离散元模拟岩石奠定基础。