一个深海能源土的温度-水压-力学二维微观胶结模型

第 36 卷 2014 年
第8期 .8 月
岩
土
工
程
学
报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.36 No.8 Aug. 2014
DOI：10.11779/CJGE201408001
一个深海能源土的温度–水压–力学二维微观胶结模型
蒋明镜
1，2
，朱方园
1
能源土微观胶结力学模型
按照水合物在土颗粒粒间的分布形式可以将深 海能源土主要分为水合物填充型、水合物充当土骨 架和水合物胶结型 3 种。水合物胶结型深海能源土 是一种胶结砂土（结构性砂土） ，其在开采过程中土 体力学强度的劣化最为明显， 常见结构如图 1 所示。 离散单元法可以反映粒间胶结特性而成功用于探究 胶结砂土的宏微观力学响应。但需要注意，实际深 海能源土等胶结土体颗粒排列方式复杂、粒间胶结 特性多样化；而包括离散单元法在内的数值方法只 能模拟特定的排列方式和胶结特性（假设均匀或满 足某种规律） ，无法和实际情况一一对应，尚不能定 量分析。 结合图 1， 2 给出了水合物在土颗粒间的形成机 理和两种胶结模式。根据水合物生成时土颗粒间的 接触情况，将水合物胶结分为Ⅰ，Ⅱ两种模式，其 中模式Ⅰ对应于水合物生成时两颗粒直接接触的情 况（颗粒间可传递力或扭矩） ，模式Ⅱ对应于水合物 生成时两颗粒间相离的情况（颗粒间所传递的力或 扭矩为零） 。由于水合物的形成是一种物理成核过 程，当温度、水压条件达到其生成要求时，水合物 以固体的形式析出并附着于土颗粒间，此时接触间 受力状态未发生改变。在水合物生成后，接触间所
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蒋明镜，等. 一个深海能源土的温度–水压–力学二维微观胶结模型
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发生变化的作用力在模式Ⅰ中由颗粒和水合物胶结 共同分担，在模式Ⅱ中仅由水合物胶结传递；而当 接触间作用力未发生改变时，接触间受力仍保持为 水合物生成前的初始状态， 即水合物胶结受力为零。
0
引
言
天然气水合物是由甲烷与水所形成的类冰状晶 体，是一种储量巨大的新型战略能源，各国都在不遗 余力地开展天然气水合物的大量调查研究工作[1-2]。 日 本 2013 年于爱知县渥美半岛及三重县志摩半岛海域 的水合物中生产天然气，这标志着海底天然气水合物 的全球首例开采成功。对于天然气水合物储量巨大的 中国，与水合物开采相关的研究工作势在必行。 在自然界中，水合物常分布于深海或陆上永冻区
仅适用于颗粒间有间距且间距为恒定值的水合物胶结 形式。依据该简化模型，笔者等[24]采用离散元模拟了 胶结型深海能源土在不同水合物饱和度下的宏观力学 响应，并进一步分析了试验反压对深海能源土力学特 性的影响[25]。随后，笔者等[26]在前述模型的基础上， 由人工能源土试样 CT 扫描图中的水合物胶结厚度分 布统计和不同胶结厚度下的室内胶结铝棒力学测试结 果分析，建立了颗粒间有间距且间距可变化的能源土 微观胶结力学模型。前述两个模型的建立有助于初步 观察粒间水合物对能源土宏观力学响应影响的机理， 但仍存在以下不足：①仅考虑水合物在有间距的颗粒 间形成胶结，无法考虑水合物在接触颗粒间形成胶结 的情况。然而，颗粒间的直接接触极易阻碍甲烷气体 运移的通道从而形成水合物，后者情况的发生是必然 的； ②无法考虑实际中温度–水压对水合物胶结强度与 刚度的耦合影响以及对粒间水合物赋存的影响。 本文旨 [23-26] 在弥补前述缺陷， 在前期工作的基础上 ， 进一步建 立同时考虑温（温度）–压（水压）–力（力–位移 与胶结破坏准则）耦合影响并涵盖水合物形成瞬间土 颗粒直接接触和存在间距两种胶结模式的深海能源土 微观胶结力学模型。
等具有低温与高压条件的环境中[3-4]， 其中前者约占水 [5] 合物总量的 99%以上 。为便于描述，将深海中这种 含天然气水合物的沉积物简称为深海能源土。值得注 意的是，深海水合物的开采将引发水பைடு நூலகம்物的大量分 解，劣化沉积物的强度，引发其大量沉降变形，甚至 诱发一系列岩土工程灾害， 如海底滑坡、 钻井平台失
Abstract: The strength and deformation of methane hydrate bearing soils are influenced by their inter-particle cemented hydrate, the extent of which depends on the surrounding temperature, pore-water pressure and mechanical environment. It is aimed to establish a thermal-hydro-mechanical bond contact model for methane hydrate bearing soils. Firstly, contact force-displacement laws and bond failure criteria are presented according to two types of bond modes that methane hydrate may present. Secondly, the strength and stiffness of inter-particle cemented hydrate are studied with respect to the parameter L which identifies the minimum distance from a point to the phase equilibrium line in the coordinate system with ordinate being dimensionless pore-water pressure and abscissa being dimensionless temperature. Finally, the size of cemented hydrate is calculated corresponding to the methane hydrate saturation. The proposed bond contact model can be easily implemented into the distinct element method (DEM), providing an efficient tool for investigating the macro- and micro-mechanical behaviors of methane hydrate bearing soils. Key words: methane hydrate bearing soil; methane hydrate; temperature and water pressure; bond contact model
1，2
(1. 同济大学土木学院地下建筑与工程系，上海 200092；2. 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)
摘
要：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。 关键词：深海能源土；水合物；温压环境；胶结模型 中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2014)08–1377–10 作者简介：蒋明镜(1965– )，男，教授，博士生导师，主要从事天然结构性黏土、砂土、非饱和土、太空土和深海能 源土宏观微观试验、本构模型和数值分析研究。E-mail: mingjing.jiang@。
─────── 基金项目 ：国家杰出青年基金项目（51025932） ；教育部博士点基金项 目（20100072110048） ；国家自然科学重点基金项目（51239010） 收稿日期：2013–07–24
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事等[6-7]，因此为实现水合物的安全开采，需对深海能 源土的基本力学特性具有较为清楚的认识。 目前，已有一些学者采用室内制备人工深海能源 土试样，较为系统地开展了其力学特性的研究 [8-15]。 这些试验表明，粒间水合物的存在（特别是当水合物 以胶结形式赋存于土体颗粒间时）对能源土强度贡献 显著， 且土体强度随着水合物含量的增加而逐渐增大。 然而，粒间水合物如何定量地影响能源土的宏观力学 特性仍不十分清楚，从而影响了其宏观本构模型的建 立。前述微观信息目前尚难以通过室内试验手段进行 直接观测，此外，室内试验中需严格控制水合物的形 成与含量，技术要求高，周期长且难以重复。笔者认 为，运用离散单元法，开展能源土力学特性数值试验 不失为一种较为有效的研究手段。 离散单元法立足于颗粒间微观接触力学规律和 牛顿第二运动定律，获取相应的宏观力学响应[16]。其 优势在于无需假设宏观本构关系、便于处理材料大变 形问题并可观察加载过程中胶结破坏、力链传递等一 系列微观信息，从而加深理解土体的宏观力学响应。 但是，离散单元法中颗粒粒间接触法则（特别是结构 性砂土等胶结材料）极难确定。目前，在国内广泛使 用的离散单元法商业软件 PFC2D 采用理想接触模型， 无法考虑不规则形状带来的颗粒抗转动和现实胶结的 环境相关性（如水合物胶结的温压影响）等实际土体 的特殊属性。 国外已有学者尝试采用离散单元法，对水合物填 [4,17] 充型 ，水合物形成[18]与分解[19]条件下的深海能源 土力学性质开展了分析。对于水合物胶结型深海能源 土，笔者等[20]认为采用宏、微观相结合，室内试验辅 以多尺度数值分析是开展其力学特性研究的一种有效 手段，即：首先利用室内微观力学测试结果[21-22]指导 能源土粒间尺度下水合物胶结力学模型的建立；其次 采用离散单元法开展单元尺度下的力学试验并作为桥 梁建立能源土微观接触力学信息和宏观力学响应间的 联系；最后将室内试验结果辅以该宏、微观联系，分 析建立深海能源土的宏观本构理论，从而为大尺度下 水合物开采过程的海床稳定、海底滑坡等工程灾害做 出合理的模拟和评估。该研究框架的主要关键点是一 个较为可靠且便于引入离散元分析的深海能源土粒间 水合物胶结力学模型。 为此， 笔者等[23]由水泥与环氧树脂胶结铝棒的室 内力学测试结果总结出可适用于两种胶结材料的强度 破坏规律，并结合纯水合物的强度特性建立了水合物 胶结强度准则， 提出了深海能源土简化胶结力学模型。 该模型考虑水合物饱和度、温度、水压等影响，但其