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。

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

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。

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PFC2D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。

不同温压环境下深海能源土力学特性离散元分析

深海能源土宏观力学特性与所处温度与水压环境密切相关,明晰温压对能源土力学特性的影响对水合物的安全开采具有重要意义。首先,介绍深海能源土的温度–水压–力学微观胶结模型,用以描述能源土粒间的水合物胶结接触力学特性;其次,将该模型导入至离散元商业软件PFC2D中,开展不同温度与水压环境下的离散元双轴试验;最后,结合离散元双轴试验结果及同已有室内试验结果的对比分析,探讨温度与水压对深海能源土宏观力学特性的影响规律和微观作用机理。结果表明:引入胶结模型的离散元双轴试验可较好地描述深海能源土强度、变形等力学特性随温度与水压的变化关系;温度与水压影响深海能源土宏观力学特性的微观机理是颗粒间水合物胶结强度与刚度同温度与水压间的相关性;建议采用温压距离参数L(在无量纲化的温度–水压坐标平面内,水合物赋存温度与水压点至其相平衡线的最小距离)评价实际复杂温压场下的深海能源土宏观力学特性。

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。