深部岩石考虑残余强度时三轴试验离散元定量模拟及参数分析

深部岩石在工程中具有高应力、大变形等典型特点,因此,高围压下考虑岩石残余强度的三轴试验对于分析深部岩石力学特性具有重要意义。离散单元法是分析岩石力学特性的重要数值方法,但是长期以来采用离散单元法定量模拟岩石的三轴试验一直存在诸多挑战,即数值模拟与室内试验得到的应力-应变全过程曲线难以定量匹配。采用改进的三维胶结抗弯-扭模型对深部砂岩考虑残余强度时的三轴试验进行了定量模拟,实现了数值模拟与室内试验应力-应变全过程曲线的定量匹配,获得了岩石较大的峰值/残余内摩擦角及非线性强度包线,克服了经典BPM模型存在的3个突出问题。通过参数分析,研究了峰值/残余内摩擦角及黏聚力与离散元微观参数之间的关系,同时这些大量的算例也证明了该模型具有较高的计算效率,可以满足模拟三维室内常规试验的要求。     

水合物沉积物力学性质的三维离散元分析

水合物沉积物力学特性研究是天然气水合物开采领域中的热点问题。为深入了解水合物对沉积物力学特性的影响,在提出一个新的水合物沉积物离散元数值试样制备方法的基础上,模拟了不同水合物饱和度沉积物试样的三轴排水试验,并从其应力-应变关系、体变特性、弹性模量及峰值强度等方面对模拟结果及已有室内三轴试验结果进行了对比,然后利用该方法对具有不同微观胶结参数的水合物沉积物样进行了三轴离散元数值试验。研究结果表明：所提出的离散元模拟方法能较好地反映水合物沉积物的主要力学特性;天然气水合物与土颗粒间胶结性能的改变会对水合物沉积物的力学响应产生一定的影响;水合物沉积物强度和模量的增加是孔隙填充水合物和粒间胶结水合物共同作用的结果。     

不同水合物含量含二氧化碳水合物砂三轴试验研究

天然气水合物是一种战略性替代能源,又是全球气候环境问题和地质灾害的诱发因素之一。研究含天然气水合物沉积物的变形和强度等力学特性成为保障天然气水合物开发利用中工程与环境安全的重要一项研究内容。通过不同初始含水率控制试样的水合物含量的方法,开展不同水合物含量的粉质砂的三轴剪切试验,研究水合物含量对赋存介质的强度与变形特性的影响。试验结果表明,水合物在砂样中的填充与胶结作用,使得含水合物试样的剪切模量明显增加,进一步采用双曲线模型对各试样初始模量的计算与分析后发现,相同净围压下,随着水合物含量增加,试样的初始剪切模量具有上升趋势,但上升趋势变缓;试样强度随水合物含量增加而增大,但水合物含量高的试样破坏峰值强度与净围压并不是线性关系,净围压越大其峰值强度相应偏小;通过摩尔-库仑定律得出的试样强度指标可知,试样内摩擦角随水合物含量增加而增大,但增加幅度不大,但水合物含量31.0%和51.0%试样的与含水合物0%和19.7%试样相比,前2组试样具有较大黏聚力c值。因此,水合物对试样强度增长的贡献主要是其在试样中的胶结作用产生,且其对强度影响还受含量和赋存形态的控制     

人工胶结砂土力学特性的离散元模拟

采用离散单元法（DEM）对胶结砂土力学特性进行模拟。将基于室内试验测得的理想胶结颗粒接触力学响应引入到开发的二维离散元程序（NS2D）中,模拟胶结砂土颗粒间的胶结作用。对不同胶结强度和围压的胶结砂土进行平面应变双轴压缩试验模拟,并将模拟结果与Wang和Leung[1]提供的人工胶结砂土的试验结果进行比较。最后对数值模拟中胶结试样的微观力学响应（接触力链、胶结点破坏率和位移场）进行分析。结果表明,离散元数值模拟能够有效地反映胶结砂土的主要力学特性,相比同一初始孔隙比的无胶结松散砂土,胶结砂土将具有更高的强度,应力-应变关系呈应变软化,体变为先剪缩后剪胀,且两者的差异随胶结强度的增大和围压的减小而越趋显著。此外,胶结砂土宏观力学响应（应力-应变关系和剪胀性）与其微观力学响应密切相关。     

孔隙填充型能源土的宏微观力学特性真三轴试验离散元分析

天然气水合物沉积物因其作为绿色新型能源且具有广阔的开发前景而备受全球瞩目。水合物在水合物沉积物（俗称能源土试样）中有不同的赋存型式,如孔隙填充型和胶结型等。针对孔隙填充型水合物的赋存形态,生成特定饱和度的能源土试样。开展了同一 平面上不同中主应力系数（b = 0、0.25、0.50、0.75、1.00）的真三轴排水试验的三维离散元模拟,将微观参数接触组构及剪切滑移率的演化规律与材料的宏观力学响应相结合,分析了中主应力对孔隙填充型能源土的宏微观力学响应的影响。结果表明：强接触处组构张量的大、中、小主值随b的变化规律与大、中、小主应力及大、中、小主应变随b的变化规律表现出良好的相关性。三向应力状态下的破坏强度接近Lade-Duncan破坏准则。能源土试样剪切滑移率随着中主应力系数的增大而增大;当处于三轴拉伸状态时,试样的剪切滑移率最大。     

多功能水合物沉积物三轴试验系统的研制与应用

研制了新型多功能水合物沉积物三轴试验系统,系统由供-排气模块、应力加载模块、温控模块、数据采集模块和辅助模块组成。利用泵驱动高压液体施加围压和轴压,加载方式有恒压、恒流、梯度增压、跟踪气压模式,可以实现不同条件下的水合物合成、三轴剪切。围压跟踪气压的功能使水合物生成过程中净围压不变,保证了试样初始条件一致性。根据围压液体积变化测量试样体积变形,通过设置回压泵压力变化方式控制水合物气压,可以模拟不同降压速率条件下的水合物沉积物分解变形。以泥质粉细砂和二氧化碳为材料制作了三轴试样,进行了水合物合成、三轴剪切和降压分解试验,检验了仪器的可靠性。     

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。     

加筋黄土变形和强度特性的三轴试验研究

用三轴压缩试验方法研究了土工合成材料加筋黄土的应力—应变及强度特性,探讨了在各种不同加筋方式和围压下加筋机理。结果表明,加筋可以增加土体破坏时的轴向应变和土体的抗拉能力,减小土的侧向变形;试验结果发现,并不是加筋层数越多越有利于土体的稳定,而是表现为加筋土的强度与布筋位置和层间距有一定的关系;同时,分析和解释了未加筋土的变形破坏和筋材在土体剪切破坏过程中的阻裂机理。试验研究得出了在土体中部加筋是最经济合理的布筋方式。     

控制应力路径散体材料真三轴试验强度特征的离散元模拟与细观机制分析

通过一系列真三轴离散元数值试验,模拟了不同应力路径下的等b试验中散体材料的强度特征。根据模拟结果详细地分析了三维应力条件下中主应力和应力路径对散体材料峰值强度的影响,研究了峰值摩擦角、峰值应力比的变化规律,并根据真应力的概念和组构张量的演化结果分析了散体材料的强度成因。研究表明,在不同类型的数值试验中峰值偏应力随b参数的变化规律不同,但采用初始围压归一化后的应力-应变曲线规律一致。峰值强度线的斜率只与b值有关而与应力路径无关,且随着b值的增加,峰值应力比qf /pf逐渐减小,数值模拟结果与室内试验结果吻合较好;随着应变的发展,数值试样的组构也随之发生变化,产生了明显的应力诱发各向异性;散体的强度为颗粒摩擦及材料各向异性共同作用的结果;理论上,组构比-应力比坐标系中破坏点位置仅取决于颗粒摩擦角 ,而数值模拟结果与理论值的差异源于颗粒间咬合和滚动摩擦的影响,其影响与颗粒表面摩擦系数有关,也受空间应力状态的影响。     

陕南泥岩三轴压缩蠕变试验及其数值模拟研究

在对泥岩进行室内三轴流变压缩蠕变试验的基础上,确定了泥岩Burgers流变模型本构方程中的各参数数值,描述了陕南勉宁地区泥岩的流变特征。结果表明:随着荷载的增加,泥岩出现明显的三个阶段的蠕变曲线,试块的总体蠕变量较大。利用FLAC3D软件对三轴压缩蠕变试验(围压1MPa)进行了模拟计算,确定泥岩计算机模拟时的流变计算参数。在此基础上,分别对泥岩不同围压和不同试件形态状态下的三轴压缩蠕变试验进行了数值模拟计算,结果表明:圆柱体试件的应变量数值整体小于立方体试验试件的应变量数值。     

A distinct element simulation including surface tension – towards the modeling of gas hydrate behavior

Gas hydrate bearing sediments are an integral part of the world’s continental margins. Several tsunamigenetic continental slope failure events have been triggered by gas hydrates, but their mechanical behavior is poorly understood. In this work, we propose a method to simulate a surface tensed medium such as gas hydrate in soil, using distinct element method (DEM). For implementation in sediment pore size, we scaled up attractive particle interactions governing surface tension on molecular level. Several virtual experiments are used to benchmark the proposed method. A simulation of gas hydrate growth in sediment with differing grain sizes demonstrates the potential of the new approach.     

Discrete element analysis of uplift and lateral capacity of a single pile in methane hydrate bearing sediments

Methane hydrate (MH) is extensively found in outer continental margins where offshore infrastructures with pile foundations are also common. The presence of MHs significantly alters the mechanical properties of the host marine sediments, and therefore affects the behavior of piles inside. This paper presents an attempt to investigate the performance of a single pile in methane hydrate bearing sands in seabed using the distinct element method. A novel bond contact model was employed for sandy grains cemented by MHs at contacts, and calibrated from the triaxial compression tests on synthetic specimens of methane hydrate bearing sands. The response of the pile subjected to axial pullout loads and lateral loads was simulated under different subsurface conditions characterized by different saturation levels of MHs. The results show that the presence of MHs increases the uplift capacity of the pile by changing the failure mode of the soils from the perimeter failure to the conical failure. The uplift capacity of the pile significantly deteriorates as a result of de-bonding, while the onset of the rapid de-bonding triggers the softening of the uplift load. In addition, the lateral capacity of the pile largely increases due to the presence of MHs. The pile in methane hydrate bearing sands is considered flexible rather than rigid as a result of the increased deformation modulus of soils due to MH cementation between particles. The lateral load–displacement diagram of the pile in methane hydrate bearing sands is not as smooth as that in clean sands with an abrupt drop associated with the onset of de-bonding.     

不同开采方法下深海能源土离散元模拟

天然气水合物以胶结及孔隙填充等形式存在于深海能源土中,开采时因其分解会劣化地层力学特性进而引发海底事故,使得人们对能源土开采过程进行中力学特性的变化愈发重视。在前期室内试验的基础上,将一个温度-水压-力学二维微观胶结模型引入离散元商业软件PFC2D中,通过对排气、排水性较好的土体进行升温及降压法开采进行数值模拟,并将模拟结果与相同条件下的室内试验结果对比,验证了该胶结模型的适用性。进一步分析了颗粒接触分布与颗粒平均纯转动率（averaged pure rotation rate, APR）在水合物分解时的变化情况。升温分解过程中随温度升高,颗粒总接触分布各向异性程度增大;胶结接触逐渐减少并始终保持主方向为水平方向,无胶结接触增多并始终保持主方向为竖直方向;APR值逐渐增大且正负值分布逐渐趋于集中。降压分解过程中随反（水）压降低,颗粒总接触由各向同性分布逐渐发展为主方向为竖直方向的各向异性,APR值较小且分布均匀;恢复反压后,试样进一步破坏,颗粒总接触各向异性更加明显,APR值增大且正负值呈集中分布。     

三向土工格栅筋土界面及摩擦特性的离散元模拟

为研究筋土界面细观结构演化并定量评价格栅摩擦特性对加筋性能的影响,建立三维离散元模型,运用“clump”较真实地模拟了三向格栅的增强型节点。通过分析拉拔荷载下界面内颗粒及筋材的力学响应,并将其与前人模型试验及理论分析结果进行对比,验证了文中模型的准确性,得出了局部孔隙率以及配位数等细观参数的变化规律。分析格栅表面摩擦系数参数发现,表观黏聚力与摩擦系数具有正相关性,当摩擦系数达到一定值时摩擦角不再增长。统计结果表明,宏观上界面强度提高可归因于细观上的组构优化。分析筋土界面采用的方法和所得的结果可为加筋土结构机制分析提供新的认识。     

A bond contact model for methane hydrate‐bearing sediments with interparticle cementation

While methane hydrates (MHs) can be present in various forms in deep seabeds or permafrost regions, this paper deals with MH‐bearing sediments (MHBS) where the MH has formed bonds between sand grains. A bond model based on experimentally validated contact laws for cemented granules is introduced to describe the mechanical behavior of the MH bonds. The model parameters were derived from measured values of temperature, water pressure and MH density. Bond width and thickness adopted for each bond of the MHBS were selected based on the degree of MH saturation. The model was implemented into a 2D distinct element method code. A series of numerical biaxial standard compression tests were carried out for various degrees of MH saturation. A comparison with available experimental data shows that the model can effectively capture the essential features of the mechanical behavior of MHBS for a wide range of levels of hydrate saturation under drained and undrained conditions. In addition, the analyses presented here shed light on the following: (1) the relationship between level of cementation and debonding mechanisms taking place at the microscopic level and the observed macro‐mechanical behavior of MHBS and (2) the relationship between spatial distribution of bond breakages and contact force chains with the observed strength, dilatancy and deformability of the samples. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

三轴试验抗剪强度参数值回归分析法的区别与修正

对岩土三轴试验数据采用两种线性回归法计算所得的抗剪强度参数c、φ值会有差别。为了揭示这两种回归方法差别的根本原因,深入最小二乘法线性回归的基本原理指出,按大小主应力回归的结果是最佳估值,而按p-q曲线回归的计算结果不可靠,为了得到统一的结果,对后者所基于的最小二乘法进行了修正;推导了修正后的回归系数计算公式,证明了修正后两种方法得到的结果相同,并用一组千枚岩三轴试验数据进行了验证。结果表明,修正后用这两种方法确定三轴试验抗剪强度参数值都将得到同样的最佳无偏估值。