波动推力引起的超孔压对开挖面稳定性的影响分析

盾构施工过程中地质条件变化、刀盘旋转切割土体、停盾拼装管片等因素会造成开挖面推力的波动,从而在开挖面前方产生超孔压,此超孔压对开挖面稳定性的影响需进行分析。首先通过建立分层土分析模型,结合太沙基固结理论,得到开挖面前方超孔压的计算方法;进而采用楔形体模型,给出超孔压对开挖面稳定性影响的计算方法。计算结果显示超孔压将显著降低开挖面的安全系数,因此在开挖面最小支护力的计算中需考虑推力波动变化的影响。最后通过参数分析给出了不同工况下产生的超孔压及其对开挖面安全系数影响的大小,为盾构施工参数的制定提供了参考。     

考虑水合物分解的海底斜坡稳定计算方法研究

采用随时间变化参数的摩尔库伦本构模型和应力释放法模拟水合物分解过程中模量的软化和强度的衰化过程,开发相应计算程序并通过数值计算研究水合物分解对海底斜坡稳定与变形的影响规律。计算结果表明:本文开发的计算方法能够较好地模拟水合物分解过程,根据收敛的迭代步数可以判断斜坡在水合物分解过程中是否达到极限平衡状态;水合物分解导致的强度衰化和模量软化是海底斜坡发生水平位移和竖向沉降的主要原因。     

考虑固相分解的含水合物沉积物体积应变分析模型

水合物开采通过打破固相水合物相平衡状态使其分解为水和气体,含水合物沉积物（gas hydrate-bearing sediment,GHBS）固相组分减少使孔隙体积增大,土骨架间胶结作用弱化,产生的水和气显著改变孔隙压力,造成沉积物软化和体积收缩。基于GHBS三轴压缩试验,考虑水合物降压分解过程对GHBS变形特性的影响,将固相骨架分为惰性土骨架和可分解的水合物固相,引入随水合物饱和度变化的压缩参数,建立了能够描述GHBS应力和水合物分解耦合作用、体积应变随时间变化的分析模型。该模型能够描述降压速率、降压幅值及水合物分解速率对GHBS变形特性的影响,结果表明：降压速率增大,降压阶段体积应变速率增大,达到相平衡时间缩短,降压开采时应综合考虑开采过程中储层变形速率和开采效率间的关系;不同粒径组成的沉积物水合物分解速率存在差异,分解速率对储层变形速率影响明显;降压开采稳定孔压影响储层最终沉降量,降低稳定孔压可以提高开采效率,但最终变形量增大。     

天然气水合物分解超孔隙压力研究

针对海洋油气资源开采和海洋工程施工过程中天然气水合物分解所引发的工程风险问题,展开了天然气水合物分解超孔隙压力理论模型研究。研究中采用理论解析方法,基于水合物分解前后的相态模型和热力学中的通用气体定律,推导了水合物分解导致的沉积物体积膨胀模型,进一步采用土力学中土体的压缩和回弹特性,最终获得了水合物分解超孔隙压力理论解析模型。采用典型的海底滑坡工程案例,验证了模型的合理性与正确性,并针对模型中复杂的影响参数展开参数考察,获得了不同参数的影响效应。研究对认识水合物分解产生的超孔隙压力的演变机理,保证水合物的储层稳定性,规避水合物分解带来的工程灾害具有重要的理论价值和现实意义。     

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。     

快速沉积作用对海底滑坡的贡献机制及影响因素研究

众多海底滑坡都与快速沉积作用相关，然而，对海底滑坡的贡献机制以及影响因素缺乏系统研究。通过收集与快速沉积作用相关的海底滑坡相关案例，归纳和总结了海底滑坡基本特征。在此基础上，阐明了快速沉积作用触发海底滑坡机制，并给出在ABAQUS中的实现方法，最后对快速沉积作用触发海底滑坡的影响因素进行系统分析。研究结果表明：快速沉积作用导致海底地层超孔隙水压力累积，造成地层有效应力和强度增长减缓甚至降低，形成类似于“低重力场”环境，使海底斜坡在抵御地震、水合物分解、底辟等地质作用下能力减弱。此外，随着海底斜坡坡度的增加，沉积速率的加快，沉积物压缩性的增大，海底斜坡更易出现短滑动周期的浅层破坏。在低沉积速率，沉积物高压缩性条件下，也会导致海底地层欠固结，最终对海底斜坡稳定性产生不利影响。     

考虑初始地应力的海底斜坡稳定性分析

基于大型有限元非线性软件ABAQUS,运用有限元强度折减法,将初始地应力的平衡应用到海底斜坡模型的稳定性评价中.选取均质海底斜坡及折线型海底斜坡两种模型进行分析,计算出斜坡的稳定安全系数,并给出了失稳时的塑性区等信息.验证了初始地应力的平衡运用到海底斜坡模型中的可行性;且平衡地应力对斜坡模型的塑性区及稳定安全系数均有一定影响.将初始地应力的平衡运用到海底斜坡的稳定性评价中,为海底斜坡的进一步探索提供了参考.     

考虑桩土局部分离的饱和土体中桩基水平动力响应分析

采用有效应力的方法,根据不排水过程中的土体应力应变关系,计算孔压变化,并利用UMAT子程序模块进行二次开发,实现考虑孔压生成的修正Mohr-Coulomb本构模型在数值模拟上的运用。结合桩土接触面条件,研究考虑桩土局部分离的饱和土单桩及群桩的水平动力响应。将本文结果与已有文献进行对比,验证了本文方法的有效性和正确性。通过参数分析,研究桩土局部分离、桩间距、加载频率对桩基动阻抗及孔压分布的影响。研究结果表明：水平动力荷载作用下,桩土分离显著地降低了桩基水平动阻抗,土体塑性和超孔压对桩基动阻抗也有相应影响,高频荷载作用时,其影响更大;循环加载后,桩周上部土体产生超孔压,削弱了土体有效应力和桩基水平承载力。     

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。     

考虑温度影响的饱和软黏土累积变形特性研究

通过开展饱和软黏土温控动三轴试验,研究了不同温度作用下土的不排水累积变形、孔压、阻尼比及动弹性模量变化规律,建立了考虑温度、初始静偏应力、围压、超固结比等影响的应变模型,并获得了模型参数与温度的关系。结果表明:温度对土的累积塑性变形、孔压、阻尼比及动弹性模量有较大影响,土体的累积塑性应变、孔压、阻尼比均随着温度升高而减小,动弹性模量则随着温度升高而增大,土体表现出热硬化特征;在不同温度作用下,考虑温度影响的应变模型计算结果与试验结果较为吻合,验证了模型的合理性,可用于预测同一试验工况下任意温度时土的累积塑性应变结果。