考虑损伤的含天然气水合物沉积物本构模型

对含天然气水合物沉积物施加荷载后,其内部固体颗粒间将会发生错动、滑移及滚动,当荷载较小时,沉积物表现为弹性变形;随着荷载的增大,内部将出现塑性流动,水合物晶体重新定向,此时沉积物表现为塑性变形;随着荷载的进一步增大,最终导致沉积物发生破坏,这一过程可以看作是沉积物内部损伤产生和逐渐发展的过程。从复合材料的细观力学机制出发研究含水合物沉积物的材料特性,得到等效弹性常数与水合物含量之间的关系;同时基于损伤力学理论,推导出损伤变量的表达式,建立考虑损伤的含天然气水合物沉积物的本构模型。通过比较不同水合物含量下的计算结果与试验结果,结果表明,所建模型能较好地反映含天然气水合物沉积物的应力–应变关系,验证了模型的可行性。     

富水相环境下含水合物沉积物的本构模型

富水相环境和富气相环境下水合物的赋存模式不同,造成在两种环境下含水合物沉积物的力学特性不同。在富水相环境下,随着水合物饱和度的增大,水合物的赋存模式会由悬浮模式逐渐向持力模式转变。为了描述水合物赋存模式的转变对沉积物力学性质的影响,本文基于有效饱和度的概念,提出了有效饱和度新的计算公式。然后,根据有效饱和度得到有效孔隙比的计算式。接着,基于粘土和砂土统一的UH模型(CSUH模型),通过将有效孔隙比引入到状态参量和弹性模量中,建立了富水相环境下含水合物沉积物的弹塑性本构模型。最后,通过与富水相环境下含水合物沉积物的室内三轴试验数据进行比较验证了该模型的合理性。     

混凝土弹性模量预测的混合夹杂模型

基于细观夹杂理论,将混凝土看作是由骨料、界面、砂浆、孔洞和微裂缝组成的多相复合材料,将骨料和其外部包裹着的界面看作是球形等效颗粒,作为夹杂相,将含有孔洞和微裂缝的水泥砂浆作为等效基体,采用多步法建立了混凝土混合夹杂模型。将广义自洽方法和Mori-Tanaka方法相结合求得了模型的解析解。通过算例验证了模型的有效性,表明文中提出的模型能够较为真实全面的反映混凝土的细观组成相对其宏观弹性模量的影响。     

含四氢呋喃水合物沉积物无侧限压缩试验研究

参考南海神狐海域SH2站点含水合物地层沉积物颗粒级配分析结果,人工配置试验土骨架,制备不同水合物饱和度(0%,40%,50%,60%)的含四氢呋喃水合物沉积物试样,并在低温环境下进行无侧限压缩试验,获得了不同水合物饱和度试样的应力应变曲线、刚度和强度。结果表明,试样的应力应变曲线呈现应变软化现象,随着水合物饱和度的增加,软化现象更为明显;水合物能够显著增加试样的弹性模量,并随着水合物饱和度的增大而增大;随着水合物饱和度的增加,试样的无侧限抗压强度呈指数增加,与三轴和直剪试验所测得强度的趋势一致。     

含水合物沉积物强度特性的三轴试验研究

针对含水合物沉积物基础力学试验数据相对缺乏的现状,分别采用通气法和预冻结法制备了含甲烷水合物和含四氢呋喃(THF)水合物的砂性沉积物试样,并通过低温高压三轴试验系统研究了含水合物沉积物的强度特性及其影响因素,重点分析了试样强度在不同水合物饱和度情况下的发展规律,并证实了试验反压的重要影响。结果表明：试样黏聚强度随水合物饱和度增加呈指数型增长。当水合物饱和度不高时(<50%),试样内摩擦角变化不大;当饱和度较高时（>80%),由于土颗粒咬合作用不能充分发挥,试样内摩擦角降低。另外,反压有助于提高水合物强度,从而提高含水合物沉积物的强度。     

弹性模量与结构频率相关的动力模型相似律

根据材料的弹模与结构频率有关的特征 ,提出了修正物理模型相似比尺及换算原型量的公式 ,实例分析表明换算结果更符合实际。     

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。     

含水合物砂土力学特性及本构模型

天然气水合物(以下简称水合物)的不当开发可能会带来一系列的地质灾害和环境问题,因此,开展含天然气水合物地层开采过程中的安全稳定性评估显得尤为重要,而建立能有效描述含水合物沉积物的力学行为的本构模型是安全稳定性分析的核心前提。在分析含CO₂水合物砂土的三轴力学特性的基础上,把含水合物沉积物视为水合物和土颗粒骨架组成的复合胶结性材料,参考胶结土体的建模思路,引入附加内变量描述水合物对土体的胶结影响,建立了含水合物砂土的屈服函数和非关联流动法则,建立了含水合物砂土的本构模型。通过模型验证及分析,模型能较好地模拟不同围压下和不同水合物含量下含水合物砂土的应力应变曲线,反映含水合物砂土的力学特性。     

水合物形成对含水合物砂土强度影响

采用非饱和成样法（A法）和饱和试样气体扩散制样法（B法）两种试验室方法,合成了含CO₂水合物的砂土试样,并采用改造过的三轴剪切试验仪完成了相应的三轴剪切试验。实验结果表明：A法制得试样强度和刚度随水合物饱和度增大而增大,且相当敏感;而B法制得试样在水合物饱和度为19.44%与纯砂土的力学特征差别很小,在较高饱和度（26.73%）时,含水合物砂土的强度和刚度就有了较为明显提高;由此可以得出含水合物砂土的强度特征是水合物含量和水合物于砂土中赋存状态联合决定的;同时也发现随着水合物饱和度的增大,试样的剪胀性越来越明显。最后,通过对A法制得试样的强度参数分析表明：含水合物砂土的黏聚力随饱和度的增大而提高,而摩擦角基本不变。     

羌塘东北部水合物冻土沉积物型储集

陆域冻土区的天然气水合物,与永久冻土层密切相关。与常规储层相比,水合物赋存的决定因素是温度、围压和储集空间。而羌塘盆地东北部地区发育连续的永久性冻土,完全满足形成水合物形成的基本条件。本文根据羌塘盆地东北部水合物有利区野外冻土地貌的特征与冻土区地表土壤酸解烃关系,认为冻土沉积物是陆域冻土水合物的潜在有利储层。     

柱状节理岩体宏观等效弹性模量尺寸效应研究

以金沙江白鹤滩水电站工程为背景,结合相关的岩石力学试验方法,建立了柱状节理岩体三维离散元模型,对柱状节理岩体进行了三轴压缩试验数值模拟。数值试验研究了六棱柱形柱状节理岩体柱体直径变化、四棱柱形柱状节理岩体柱体边长、节理错距变化对其等效弹性模量的影响。为研究随机柱状节理岩体柱体尺寸对岩体等效弹性模量的影响,提出柱体大对角线长尺寸控制方案,并研究了柱体大对角线长变化对岩体等效弹性模量的影响。通过与现场试验的对比研究,结果表明：随机柱体尺寸控制方案可靠;柱体尺寸的变化对与柱体垂直方向的等效弹性模量影响较大,是主要影响因素;四棱柱形柱状节理岩体错距变化主要对与错距平行的岩体等效弹性模量产生影响,对其它两个方向的等效弹性模量的影响较弱,是次要影响因素。研究结果为工程实践中等效力学参数的确定提供了相关参考。     

不同受力状态的钢筋混凝土构件的等效弹性模量

为研究不同受力状态下的钢筋混凝土构件等效弹性模量的取值问题,基于刚度等效原理,计算了轴心受压构件、受弯构件和4种不同偏心距下偏心受压构件的等效弹性模量。结果表明:尽管构件的受力状态不同,等效弹性模量也有差异,但等效弹性模量与构件的配筋率都呈现较明显的线性关系。     

水合物赋存模式对含水合物土力学特性的影响

基于非饱和制样法(US法)和饱和试样气体扩散制样(SD法)2种制样方法,利用三轴剪切试验研究不同水合物赋存模式对含CO2水合物土力学特性的影响规律。试验结果证实水合物的赋存模式及其含量对含水合物土的力学特性存在重要影响,微观机制分析表明：US法制得试样属于胶结赋存模式,该模式表现出典型的胶结土的结构特性,而 SD 法制得试样根据水合物含量不同,属于填充模式、接触模式和透镜体模式,显示出明显的颗粒摩擦材料的力学特性,但由于水合物的破碎损伤效应也会导致应变软化现象。最后,利用有效水合物饱和度的概念,提出能考虑2种水合物形成模式下抗剪强度预测的经验公式。     

胶合板抗弯弹性模量潜在模型

衡量胶俣板抗变性能时，弹性模量ＭＯＥ是表征胶合特性必备数值之一。为此，美国材料试验标准ＡＳＴＭＤ－３０４３规定了支点跨距和试件几何特征。如果ＭＯＥ与试件几何尺寸无关，上述标准才有效。本研究结果表明，ＭＯＥ随某些参数而改变。本研究根据试验数据提出下一个数学模型，把ＭＯＥ变化作为支点跨距／试件宽度的函数表示出来。     

混合骨料混凝土的动弹性模量试验研究

通过试验,对混合骨料混凝土的动弹性模量进行了试验,分析研究了骨料替代率、水灰比以及龄期等对混凝土动弹性模量的影响,以及动弹性模量与静弹性模量之间的关系。     

含水合物细粒土的渗透特性

含水合物储层的渗透率是影响开采水合物效率的重要物理参数。为了研究水合物赋存对赋存沉积物渗透性的影响规律,参照南海神狐海域水合物赋存区的沉积物的颗粒级配,配制了试验土体,并合成了含四氢呋喃水合物细粒土,并且基于稳态法测试了含不同水合物饱和度沉积物试样的渗透率。试验结果表明,该试验含水合物细粒土的渗透率介于11.41mD和61.63mD之间;随着水合物饱和度增加,含水合物细粒土的相对渗透率明显下降,主要是由于水合物的形成填充了沉积物孔隙,减小了孔隙率,此外,水合物还有可能阻塞流体渗流关键通道,从而减小了渗流率;采用现有渗流模型对试验结果进行了对比,发现与Masuda模型(N=3)最为近似。     

混凝土早期弹性模量的预测RBF模型

混凝土的早期弹性模量对施工的进度和工程的可靠度有重要的影响。借鉴RBF神经网络具有很强的非线性映射功能,在测定混凝土早期强度的基础上利用RBF神经网络对其弹性模量进行预测。讨论了RBF神经网络的拓扑结构和修正算法。通过对检验结果进行分析比较,证明了利用RBF网络能对混凝土早期的弹性模量进行精确的预测。     

深水含水合物地层钻井井口稳定性研究

深水钻井过程中,重达数百吨的水下井口在固井之前主要依靠周围海底土提供承载力,如果钻遇天然气水合物层,随着水合物的不断分解,地层的稳定性和承载力大幅下降,可能导致水下井口和表层导管失稳下沉,造成井眼报废等重大安全风险。分析了钻遇不同埋深和分布位置的水合物层对井口稳定性的影响,并开展了物理模拟试验,分析了不同饱和度和静置等候时间对承载力的影响规律。结果表明：水合物的埋深较浅,喷射下入过程中穿过水合物层后,地层的承载力最低,水下井口失稳的风险最高。水合物分解后地层极限承载力下降幅度最大可达35%。喷射后的静置等候时间对于水合物分解后的地层承载力的恢复影响很大,地层承载力在初期的1～12 h内增长明显,随后逐渐放缓,近似呈对数形式上升,建立了静置等候时间同承载力折减系数拟合模型;基于研究结果南海含水合物地层某井进行了表层导管下入深度设计和井口优选,在含水合物层钻井过程中可以适当增加表层导管入泥深度,增加静置等候时间,或使用吸力桩井口提高承载力,防止井口下沉,为深水含水合物地层钻井设计及井口安全评估提供了理论基础。     

混凝土有效弹性模量计算模型的探讨

本文阐述了由四相球面模型分析混凝土三相复合材料的方法，考虑了集料最大粒径及其级配对混凝土有效弹性模量的影响。并介绍了两种计算方法，方法一通过计算混凝土有效体积模量求得有效弹性模量，方法二直接利用弹性理论计算混凝土有效弹性模量。有力论证了四相球面模型的合理性，最后讨论了集料最大粒径及其级配和界面过渡区性质对混凝土有效弹性模量的影响。     

考虑界面的混凝土弹性模量数值模型

由于骨料与水泥浆体的界面对混凝土的力学性能有很大影响,故在混凝土的弹性模量计算中需考虑此界面效应。文中考虑骨料与浆体间界面的几何复杂性,克服传统有限元因界面厚度太小而无法准确模拟的缺点,采用扩展有限元方法以及细观力学对混凝土弹性模量的预测建立了数值模型。最后通过试验结果与模型预测值进行比较,验证了数值模型的有效性。