胶结型深海能源土升温降压联合分解离散元分析

将一个新近提出的考虑温度-水压-力学综合影响的二维微观胶结模型引入离散元商业软件PFC2D中生成水合物胶结型能源土,通过在双轴试验过程中同时改变温度与反(水)压,在良好排水、排气的条件下模拟了被认为有较好开发前景的升温降压联合开采法,为探索可燃冰开采新方法提供参考.试验结果表明,偏应力小于净砂样破坏偏应力时,开采完成后土体未发生破坏;偏应力大于净砂样破坏偏应力时,开采完成后土体内会产生若干条未充分发展的剪切带;此外,对分解四个不同阶段的微观变量,如接触分布、平均纯转动速率及准静态速度场,进行了较为详细地分析.     

泥质粉砂型能源土的三轴剪切试验研究

天然气水合物的开采会导致储层承载能力降低,可能诱发海底滑坡等地质灾害,并对地球生态环境造成严重影响,深入掌握能源土的力学性质是水合物安全开采的前提条件.依据南海神狐海域能源土的颗粒级配,配置近似粒径级配的泥质粉砂作为甲烷水合物的赋存骨架并开展三轴剪切试验,研究了有效围压、水合物饱和度、黏土含量对泥质粉砂型能源土力学性质...     

循环荷载下深海能源含气土动力特性试验研究

以往对深海能源含气土的研究多以静荷载作用为主,且含气土的气泡尺寸多为不可控的离散小气泡。本研究提出一种能够控制含气量及气泡大小的制样方法,并对含有离散大气泡的深海能源含气土开展固结不排水循环加载动三轴试验,分析深海能源含气土在不同循环应力比(cyclic stress ratio, CSR)、有效围压、饱和度和黏土含量条件下的累积塑性应变、滞回曲线、动孔压和动强度发展规律。结果表明：累积塑性应变分为“稳定增长型”和“失稳破坏型”两类,累积塑性应变增长速率随着CSR增大、饱和度下降、围压增大和黏土含量增加而加快。含气土的滞回圈随振次增加、饱和度下降、围压增大及黏土含量增加,呈现出回弹模量降低、阻尼比增大的现象。含气土动孔压发展模式分为“缓慢增长型”和“孔压骤增型”,孔压增长速率随饱和度下降、CSR增大及黏土含量增加而加快,且在循环荷载作用下,动孔压均未达到有效应力水平,即在轴向应变达到5%前,试样未现液化破坏现象。动强度随饱和度降低而下降,且下降幅度随饱和度的降低,呈现出增大的趋势。     

循环荷载下颗粒材料力学行为的离散元模拟

本文基于离散单元法,研究了轴压和围压共同作用下的压缩实验中循环荷载对颗粒材料力学行为的影响.在PFC2D中建立了离散颗粒模型,并开发了相应程序以实现其数值模拟,重点关注了循环荷载条件下颗粒材料组构各向异性、应力应变曲线及剪胀性的演化规律.数值结果表明,加载阶段垂直方向组构各向异性变化增强,卸载阶段水平方向组构各向异性增强,且随着循环次数的增加,水平方向组构各向异性变化强于垂直方向组构各向异性.循环过程产生的塑性滞回环的第1次与第2次循环有明显的差别,循环次数越多,滞回环区别越小,近乎重合.随着围压的增加,积应变增加,且体积应变-轴向应变曲线随循环次数的增加更快趋近于重合.     

填充床中细小颗粒渗流行为的DEM模拟

为进一步探索COREX过程固体物料的运动状态,对COREX过程中涉及到的细小颗粒渗流行为进行了DEM模拟。考察不同颗粒直径比、阻尼系数及滑动摩擦系数对细小颗粒渗流行为的影响,特别是计算得到不同模拟参数下细小颗粒在填充床内的运动轨迹。模拟结果显示,渗流过程中细小颗粒的平均渗流速度为一定值。随着颗粒直径比的增加,颗粒竖直方向的渗流速度逐渐减小,停留时间与径向弥散逐渐变大。随着颗粒间阻尼系数的增加,颗粒渗流速度逐渐增加,停留时间逐渐减小,径向弥散逐渐变小。滑动摩擦系数对细小颗粒的渗流行为影响较小。从细小颗粒运动轨迹分析可知,颗粒直径比变大时,细小颗粒易在空隙中缓慢移动,易趋于静止床层中,导致颗粒沉积。随着颗粒间阻尼系数变小,颗粒运动轨迹向填充床边缘发展,偏离床层中心。     

降压开采下深海能源土斜坡分解区的判定及其稳定性分析

深海能源土是指含新型战略性新能源-天然气水合物的海底沉积物。降压开采天然气水合物是一种相对经济、高效的方式,开采中水合物储层分解区域的确定与能源土斜坡稳定性分析是确保天然气水合物安全有效开采的前提之一。本文归纳了水合物降压开采的基本方程,通过自主编写USDFLD子程序,在ABAQUS中实现了降压开采条件下海底斜坡水合物储层分解区域的判断,模拟了水合物饱和度以及相关物性参数的变化情况。结合一实际海底能源土斜坡,完成了降压开采条件下能源土斜坡水合物储层分解区域、有效应力及变形场的计算,并结合有限元强度折减法对深海能源土斜坡降压开采的实际工况进行了数值模拟。结果表明开采前与开采后的安全系数变化不大,单井降压开采对斜坡的稳定性影响不明显。     

可用于塑性材料的离散单元滞回力矩滚动阻力模型

针对现有弹簧阻尼滚动阻力模型无法准确表达塑性材料形变的受力变化的问题,提出一种用于塑性颗粒材料的新型离散单元滚动阻力模型——滞回力矩滚动阻力模型.以粒子材料弹塑性形变理论为基础,将粒子滚动过程中离散单元的滚动接触摩擦力矩描述为滞回项和阻尼项,滞回项表示其接触中心点前后处于受力不平衡的塑性变形状态,阻尼项表示粒子表面的摩擦.通过沙堆试验对此离散单元滚动接触模型进行验证,实现了粒子接触中心点前后受力不平衡塑性变形状态的更高精度表达.从粒子接触微观过程而言,所提出的模型更符合材料塑性变形力学机理,能更好地应用于塑性颗粒材料的仿真研究.     

不同密实度土的微结构与其土水特性间的关系

针对土体微观结构与其宏观力学特性之间的关系问题,采用常规固结实验、土水特征曲线实验和扫描电镜观察的方法,研究了土体微结构与其土水特性之间的关系.结果表明:在排水过程中,随着平面孔隙比增大,土样含水度呈现出先增大再减小的变化趋势.在吸水过程中,随着平面孔隙比的增大,土样含水度呈现出先增大后减小再增大的变化趋势.土样的排水能力和吸水能力达到最大值时,其对应的平面孔隙比是不同的.     

胶结和孔隙比对结构性土力学特性的影响

结构性土具有与重塑土不同的力学特性,为了探讨胶结和孔隙比等物理因素对其影响,该文对具有不同胶结强度和干密度的人工制备结构性土以及相应的重塑土进行了对比常规三轴试验.试验结果表明,胶结可"滞后"土体的变形,使得结构性土在等向压缩条件下的e-lgp曲线发生转折.结构性土的破坏随围压的升高可依次出现纵向劈裂、剪切带和均匀剪切破坏等3种方式.胶结和孔隙比使得结构性土的变形模量和体变变化规律与重塑土差异很大,同时对结构性土的应变软化和剪胀特性也有显著影响.     

岩石细观强度离散元数值模拟中颗粒形状的影响

利用离散单元法,对3种不同成分的岩石样本进行强度数值模拟.通过改变岩石内部颗粒大小和形状,获得各个样本不同的强度值;利用颗粒形貌规律,分析岩石离散元建模时颗粒的组建规则.在不同单元组合方式下,进行双轴压缩试验和4点抗弯试验.结果表明,单一的圆盘形或圆球形模拟单元不能真正反映岩石内部的组织结构;弹性模量、抗压强度、抗弯强度和裂纹起始应力都随着单元组合方式不同而不同,单元组合方式越复杂,其数值也越大;配置不同单元组合形式的比例构建DEM样本,可以合理地模拟出岩石的细观强度值.     

基于边-边接触的三维离散数值计算模型

采用边-边（面-面）接触离散元模型，研制了三维离散元计算程序，计算了集中载荷作用下弹性基础的沉降和应力场，通过与解析解的比较，基本验证了该程序的可靠性，当单元之间的位移和变形相对于单元本身的尺度较小时，采用边-边接触模型研究不连续介质问题和颗粒散体问题比角-边接触模型更加有效。     

基于有限元强度折减法的H-V加筋地基破坏机理

基于边坡稳定性分析中的有限元强度折减法,利用ABAQUS软件对纯砂地基、水平加筋地基和水平与竖向（H-V）加筋地基进行多组数值模拟.采用安全系数分析H-V加筋地基对地基承载力的影响,通过ABAQUS软件后处理功能观察地基在强度折减系数增大过程中塑性区的扩展情况及最后破坏时的破坏面,并对不同加筋地基的破坏模式进行分析.结果表明：H-V加筋能使地基承载力得到大幅提高;地基的破坏模式因加筋体的存在而发生一定程度的改变;在同等试验条件下,H-V加筋效果高于水平加筋,单层H-V加筋地基的加筋效果随加筋深度的增加而减弱.