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。     

细粒迁移及组构变化对黏土渗透性影响的试验研究

为进一步探究水化学环境下土体渗透性的变化规律及作用机理,对饱和重塑压实黏土样在不同水化学条件及渗流路径下进行了一系列变水头渗透试验,分析了不同浓度的NaCl溶液在不同渗流路径下对饱和黏土渗透性的影响。结果表明：不同干密度试样的渗透性随浓度增加展现出较大的差异,干密度为1.40 g/cm³时,渗透系数呈先升后降,而干密度为1.50 g/cm³时,渗透系数不断降低;逆转渗流方向,试样渗透系数发生突变;孔隙盐溶液浓度周期性变化,试样渗透性不可逆。基于核磁共振（NMR）分析技术,测试了土体内部孔隙结构分布随孔隙盐溶液浓度的变化。最后基于上述试验结果从细粒迁移产生的孔隙堵塞效应和组构改变引起的孔隙封闭效应两个方面,解释了孔隙盐溶液浓度变化对黏土渗透性的影响。     

天然气水合物沉积物的强度模型

建立有效描述含天然气水合物（以下简称“水合物”）沉积物强度特性的强度模型是水合物开发前必须解决的关键问题之一。在调研前人对含水合物沉积物强度试验结果的基础上,分析了水合物存在对土体强度的两种影响机理,分别是水合物作为持力体分担土骨架部分应力以及土颗粒之间的胶结作用。在此基础上,把含水合物沉积物视为复合材料（土颗粒骨架相和水合物相复合）进行考虑,建立了含水合物沉积物的强度模型,该模型能较好地反映不同水合物赋存模式、不同水合物含量、不同围压作用下的含水合物沉积物的强度特性。同时,该模型还能很好地反映细粒土中水合物形成后内摩擦角的减小。然而,由于前期相关试验数据的缺乏,该模型的一些关系式还有所欠缺,在后期的工作中需要进一步的优化。     

氯化钠溶液对粘性土的强度影响

试验证实水化学状态变化对于以蒙脱石为主要矿物成分的粘性土的力学特性存在明显影响,但对于其他的普通粘性土却缺乏类似的研究。本文以普通粘性土（粘土矿物成分为高岭石、伊利石和蛭石）为研究对象,利用直接剪切试验研究了不同浓度氯化钠溶液饱和粘性土的强度特性,得出了以下结论：孔隙水化学状态的改变对粘性土强度有明显影响,在低竖向压力下,土体强度随盐溶液浓度的增大而减小;而在相对较高竖向压力下,土体强度随盐溶液浓度变化不大;对于该类粘性土,盐溶液浓度的提高会降低粘聚力,但对内摩擦角影响不大。该试验结果说明盐溶液产生的孔隙水化学作用除了减小双电层厚度还会改变粘性土的孔隙状态和结构,从而改变剪切过程中的变形破坏形式及强度特性。也就是说,普通粘性土对水化学状态改变展现出的强度变化规律也可以采用吸附电子双层理论来进行解释,但是必须考虑其对土体组构的影响。