Mechanical properties of gas hydrate-bearing sediments during hydrate dissociation

The changes in the mechanical properties of gas hydrate-bearing sediments(GHBS) induced by gas hydrate(GH) dissociation are essential to the evaluation of GH exploration and stratum instabilities. Previous studies present substantial mechanical data and constitutive models for GHBS at a given GH saturation under the non-dissociated condition. In this paper, GHBS was formed by the gas saturated method, GH was dissociated by depressurization until the GH saturation reached different dissociation degrees. The stress–strain curves were measured using triaxial tests at a same pore gas pressure and different confining pressures. The results show that the shear strength decreases progressively by 30%–90% of the initial value with GH dissociation, and the modulus decreases by 50% –75%. Simplified relationships for the modulus, cohesion, and internal friction angle with GH dissociated saturation were presented.     

浙东大运河非饱和粉质黏土抗剪强度特性的试验研究

浙东大运河绍兴段的土体整体上受河流相和海相沉积的影响,地质条件非常复杂．其中粉质黏土作为浅表层土体,受雨水影响较大,其状态经常处于饱和状态与非饱和状态之间．为了进一步探究绍兴段典型非饱和粉质黏土的稳定性差异,以及本构关系和强度指标的变化规律,通过全自动非饱和土应力路径三轴仪,对试验土样进行了三轴剪切试验．试验结果表明,初始干密度从1.4 g/cm3增加到1.6 g/cm3时,土体的抗剪强度、总黏聚力、有效内摩擦角和吸附内摩擦角均增大,应力-应变关系曲线由应变硬化型向应变软化型转变,并且基质吸力和净围压越大,区别越明显;基质吸力从0增加到300 kPa时,土体的抵抗变形能力提高,抗剪强度和总黏聚力增大,有效内摩擦角基本无明显变化,吸附内摩擦角逐渐减小．研究结果揭示了浙东大运河绍兴段非饱和粉质黏土的抗剪强度特性的变化规律,为该地域土质边坡、基坑等工程提供理论依据．     

Experimental study on mechanical properties of methane-hydrate-bearing sediments

Mechanical properties of methane hydrate-bearing-sediments (MHBS) are basic parameters for safety analysis of hydrate exploration and exploitation. Young’s modulus, cohesion, and internal friction angle of hydrate-bearing sediments synthesized in laboratory, are investigated using tri-axial tests. Stress-strain curves and strength parameters are obtained and discussed for different compositions and different hydrate saturation, followed by empirical expressions related to the cohesion, internal friction angle, and modulus of MHBS. Almost all tested MHBS samples exhibit plastic failure. With the increase of total saturation of ice and methane hydrate (MH), the specimens’ internal friction angle decreases while the cohesion increases.     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

被动桩中土拱效应特征与影响参数研究

采用平面有限元方法,对被动桩在粘性、无粘性土体条件下的土拱形成机理进行了分析。从土拱效应的4个主要方面:土拱形状、桩周土体塑性(拉裂)区的分布、竖向位移等值线及桩后土体残余荷载分担比,探讨了改变桩、土参数,如粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、剪胀角、桩土接触面特性时,土拱效应的变化规律。研究表明,土性不同时,土拱形成过程中土体的受力和破坏形式不同;泊松比、剪胀角、桩土接触特征对土拱效应的影响最明显;强度高、剪胀角大、桩土接触面粗糙或泊松比小的土体,易形成土拱。根据研究结果,指出Tom io Ito排桩塑性绕流土压力理论计算公式尚存不足。     

反倾层状岩质边坡失稳的断裂力学分析

反倾层状岩质边坡的高危地质灾害承载体在自然界中普遍存在,为研究其失稳破坏机制,将反倾边坡岩层简化为一个带裂缝的悬臂梁,建立了由一组结构面控制边坡稳定性的断裂力学模型,推导了各岩层结构面等效应力强度因子和岩层及边坡稳定性判据。分析了岩层倾角、层厚、结构面长度、内摩擦角和粘聚力5个因素对边坡的稳定性影响。结果表明,随着岩层倾角和结构面长度的增加,边坡不稳定区域增加,坡脚处的抗滑稳定性减小;随着内摩擦角和粘聚力的增大,边坡不稳定区域减小,坡脚处的抗滑稳定性增大;随着岩层厚度的增大,不稳定岩层的范围基本保持不变,但是岩层的抗滑稳定区域随着厚度增加逐渐向坡脚移动,厚度越大,坡脚处的抗滑稳定性越大。实例分析验证了本文理论的合理与可行性,研究结论对工程实践具有一定指导意义。     

聚丙烯纤维加筋绍兴非饱和黏土的剪切特性研究

为了研究纤维加筋非饱和土的剪切特性,以绍兴地区广泛分布的非饱和黏土为研究对象,聚丙烯纤维为加筋材料,通过一系列非饱和直剪试验,探讨了纤维长度对加筋土剪切变形特性、抗剪强度及其指标的影响规律,并简要分析了聚丙烯纤维的增强机理,最后得出了0.2%掺量下补强效果最佳的纤维长度．研究结果表明：随着净法向应力的增大,土体的剪应力-剪切位移曲线由软化型逐渐向硬化型转化,纤维长度L为12 mm的加筋土样表现出的剪切硬化特性最明显;不同净法向应力下,纤维加筋非饱和土的抗剪强度均高于素土;随着纤维长度的增加,纤维加筋土的黏聚力呈先增加后减小,内摩擦角先增加后趋于平缓;当纤维长度L为12 mm时,聚丙烯纤维对土体抗剪强度指标的补强效果能够最大程度得到发挥．     

直剪实验剪切面积的修正及误差分析

针对现行直剪实验没有考虑剪切面积不断减小对实验结果的影响,本文从理论上推导了计算有效剪切面积的公式,然后通过实验并采用最小二乘法对数据进行处理.结果表明,土体的抗剪强度误差随着环刀面积的增大而减小,当环刀面积为30 cm~2时,随着剪切位移的增大,土体的抗剪强度误差增大;当剪切位移达到4 mm和6 mm时,抗剪强度误差可达8.2%和12.38%.现行方法测得的黏聚力和内摩擦角均比真实值小,低估了土体的抗剪强度,因而需要修正.     

含水合物沉积物三轴剪切试验与损伤统计分析

天然气水合物开采诱发水合物分解,削弱水合物地层强度,可能导致地层滑动和生产平台倒塌等工程地质灾害,对水合物开采安全性构成严重威胁.深入理解含水合物沉积物力学性质并建立合理的本构关系模型是水合物开采安全性评价的前提条件.在自主研发的含水合物沉积物力学性质测试实验装置上,采用饱和水海砂沉积物气体扩散法制备了含水合物沉积物样品,并开展了系列的排水三轴剪切试验,通过时域反射技术实现了样品中水合物饱和度的实时在线测量;基于复合材料的罗伊斯(Reuss)应力串联模型和沃伊特(Voigt)应变并联模型提出了含水合物沉积物等效弹性模量的细观力学混合律模型,结合损伤统计理论和摩尔-库伦破坏准则改进了含水合物沉积物的本构关系模型.结果表明:随着水合物饱和度的增加和有效围压的减小,应力-应变曲线由应变硬化型变为应变软化型,割线模量和峰值强度均随水合物饱和度与有效围压的增加而提高,黏聚力受水合物饱和度影响明显,而内摩擦角基本不变;提出的等效弹性模量细观力学混合律模型与改进的本构关系模型均具有良好的适用性,模型参数少且物理意义明确.      

不排水条件下土石混合料双轴压缩离散元模拟

基于离散单元法构建了考虑碎石形状的柔性边界不排水双轴压缩模型,研究了11组不同含石量土石混合料在不排水条件下的宏细观力学特性。研究发现,(1)土石混合料强度随含石量增加先增后减,含石量超过约60%时形成碎石骨架,强度快速增长;含石量约80%时强度和内摩擦角最大;含石量增加,混合料黏聚力逐渐减小。(2)不排水受载下,土石混合料孔隙水压力先正后负、先增后减。含石量较小时,含石量增加,混合料孔隙水压力变化较小,混合料在碎石骨架形成初期孔隙水压力增加;碎石骨架完全形成后最大孔隙水压力减小。(3)含石量小于约30%时,混合料应变局部化呈规则剪切带,随后含石量增加破坏规则剪切带,当含石量约为80%时,混合料再次形成规则剪切带。含石量增加,配位数逐渐减小,颗粒间接触力在含石量小于60%时随含石量增加缓慢增长,超过70%时则快速增长。     

Travelling performance of a wheel on a finite thickness ground

Off-road terrain can often be regarded as a finite thickness ground consisting of a soft soil layer on a rigid base. Experiments for the traveling performance of a wheel in a dense sand layer on a rigid base revealed that as the soil layer thickness decreases under the condition of high constant slip, the drawbar pull does not increase monotonically but increases gradually to a maximal value, then decreases to a minimal value, and thereafter again increases rapidly to the highest value at zero soil layer thickness. The mechanical interpretation of the relationship between the drawbar pull and the soil layer thickness is given qualitatively from the aspects of the shear characteristics of dense sand and the rigid-body friction between the wheel and the rigid base of the soil layer. It is indicated that the relationship takes the same form as van der Waals' state equation for the pressure and the volume of an imperfect gas with a phase transition between gas and liquid. The equation representing the relationship of the drawbar pull to the soil layer thickness is proposed in accordance with van der Waals' equation.     

An overview of methods to convert cone index to bevameter parameters

This paper reviews experimental methods for the conversion of cone index measurements to bevameter parameters in support of vehicle soil/tire/track interactions for two general soil types, sand and lean clay. The accurate prediction of traction, motion resistance, and sinkage of tire/tracks off-road requires estimates of soil strength. Equipment used in the measurement of soil strength to support predictions of off-road mobility include the bevameter and the cone penetrometer. The portability of the cone penetrometer and rapid estimates of spatial/temporal variability in all terrain conditions make it an invaluable tool. The bevameter, a less portable tool, is used for the mechanical analysis of soils. The bevameter measures parameters defining soil strength in terms of cohesive modulus of soil deformation (k_c), frictional modulus of soil deformation (k_φ), exponent of soil sinkage (n), cohesion (c), angle of internal friction (φ), and the plate pressure at 1 in. (2.54 cm) of penetration (K) (Bekker, 1969). The field of terramechanics would greatly benefit from having the ability to convert cone penetrometer data in areas where bevameter parameters are difficult to collect. That ability to convert from cone index to bevameter parameters could be used for the large sets of existing cone index data to support determination of traction and motion resistance. This paper examines those methods for converting cone index to bevameter plate penetration parameters k_c, k_φ, and n.     

交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究

沿海地区特别是广州地区地铁建设多在复合地层中进行盾构施工,开挖引起的地层沉降很难控制,如何防止大面积的地层沉降,保证既有建(构)物安全成为施工难题。基于此,本文提出了复合地层盾构施工的地质概化模型,运用三维有限元方法对交叉隧道盾构施工进行了建模分析,研究了不同的复合地层类型及不同的覆土厚度与间距下,新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道沉降的影响。结果表明,新建隧道在近似均一土层中下穿施工引起的既有隧道沉降最大,上软下硬地层次之,长距离硬岩段最小,沉降随土层弹性模量的增加而减小; 同时,既有隧道沉降随覆土厚度的增加而增大; 随隧道间距的增大而减小,当间距小于2倍衬砌外径时,既有隧道沉降较大,存在损坏的危险。最后,提出了相应的沉降控制对策。     

软化Mohr-Coulomb材料强度参数的测定方法

为了得到试件的粘聚力和内摩擦角随轴向塑性压应变变化的曲线提出本方法。试件的弹塑性本构关系遵循相关联的Mohr-Coulomb强度准则;对常规三轴试验,试件受力进入塑性状态后,处在棱椎状屈服面的棱上,加载过程遵循Koiter流动法则。按经典塑性力学理论,推导得到轴向塑性压应变与轴向应力与轴向应变的关系;在常规三轴试验机上获得不同围压下试件的全程应力-应变曲线,进而可得到各自围压下轴向塑性压应变随加载过程的变化曲线;把来自不同围压下对应同一轴向塑性压应变的应力分别代入屈服面方程,即可求得对应的粘聚力和内摩擦角。结果表明,Mohr-Coulomb材料的两个强度参数的变化由轴向塑性压应变确定。轴向塑性压应变可以作为塑性变形的状态参数,它和试件的受力过程可以唯一确定试件的变形过程。     

结构面抗剪强度参数对岩质边坡稳定的影响

边坡工程中,结构面抗剪强度是非常重要的力学参数,合理地选择确定抗剪强度的方法,常常要分析c、φ值在边坡稳定中的作用。根据极限平衡原理,对10~30m高的平面滑动型边坡不同抗剪强度的控稳结构面c、φ值在边坡稳定中的作用进行了定量分析。研究表明c值对稳定系数的影响随坡高增大逐渐减弱,φ值对稳定系数的影响随坡高增大逐渐增强。得到了不同坡高下c、φ值边坡稳定作用等值曲线,该曲线很容易确定抗剪强度参数c、φ值在边坡稳定中的作用。     

冻融循环次数和含水率对尾细砂力学性质的影响研究

为研究冻融循环次数和含水率对尾细砂力学性质的影响,利用GDH-2005B型高低温试验箱对尾矿砂试样进行冻融循环,并通过FST-200型应变控制式三轴剪力仪开展五种冻融循环次数(1次、3次、5次、7次、9次)和五种含水率(11%、13%、15%、17%、19%)尾矿砂试样常规三轴试验。研究表明:(1)相同含水率时,随着冻融循环次数的增大,变形模量逐渐减小,内聚力和内摩擦角均呈现降低的趋势;经历9次冻融循环后,内聚力降低至17.4kPa,内摩擦角降为14.82°。(2)相同冻融循环次数条件下,随着含水率的增大,尾矿砂的峰值应力降低,对应峰值应变增大;围压100kPa时,含水率19%的尾矿砂在经历9次冻融循环后应变为18.21%,应力为139.37kPa;各冻融循环次数下的尾矿砂抗压强度均呈现下降的趋势,内聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而减小。研究成果可为尾矿砂物理力学性质理论的丰富以及尾矿砂相关工程的安全运营提供参考。     

天然盐渍土冻融循环时水盐迁移规律及强度变化试验研究

通过对新疆喀什地区12处天然盐渍土室内基本性质试验分析,选取典型天然盐渍土,在开放系统中进行反复冻融循环条件下的试验研究。研究了天然盐渍土在多次冻融循环时的水分和盐分迁移规律及强度变化特征。试验结果表明:经多次冻融循环,低液限粘土试样水分重分布与盐分重分布有很大的一致性,水分和盐分自下而上迁移;试样粘聚力自下而上线形减小,内摩擦角呈s形分布。含砂低液限粘土试样冻融循环过程中,易溶盐均随水分向冷端面迁移,离子剖面呈现中间大两端小的趋势;试样粘聚力呈反s形分布,内摩擦角均呈s形分布。     

基于指数准则在莫尔空间对岩石剪切强度的研究

岩石是多种矿物颗粒构成的天然材料,内部存在不同尺度的孔隙、裂隙等损伤;岩体工程设计及灾害防治所使用的强度准则仍在研究之中.材料的黏结和摩擦在局部不能同时存在,线性的Coulomb准则仅在小范围内近似描述圆柱试样的常规三轴强度,众多非线性强度准则只是经验公式而缺乏物理背景. 作者提出的指数准则可描述岩石剪切破坏时强度与围压的关系;基于对11组试验数据的拟合结果在莫尔应力空间分析黏结力和摩擦力的变化特征:岩石承载的剪切力存在上限即材料的真实黏结力c₀;在试验范围内莫尔概念的内摩擦力达到约为0.38 c₀的峰值,且黏结力在其附近相交. 材料真实黏结力与正应力无关,因而名义黏结力表征了完好材料剪切破裂的面积;基于裂隙面积计算的等效摩擦因子随正应力降低,意味着裂隙滑移的爬坡角减小,而后者取决于正应力与真实黏结力的比值. 等效摩擦因子与指数准则的材料参数具有确定关系,体现了岩石在压应力作用下剪切破裂的物理背景.      

不同拉压特性的厚壁圆筒极限内压统一解

厚壁圆筒在实际工程领域中应用广泛,若能精确计算出极限内压,对预防事故发生,降低风险有重要意义.工程中存在许多材料,其拉压强度和拉压模量均存在差异,这些差异对极限内压的大小有显著影响.以往研究表明,仅考虑拉压强度与拉压模量的一个方面,计算结果与实际情况存在一定的误差.本文基于双剪统一强度理论,综合考虑中间主应力效应及材料拉压强度和拉压模量的不同,推导了内压作用下厚壁圆筒的弹、塑性状态的应力分布及弹性极限内压、塑性极限内压与安定极限内压的统一解,通过与其他文献对比分析验证了本文计算结果的正确性,分析了半径比、统一强度理论参数、拉压强度比与拉压模量系数对弹性极限内压、塑性极限内压及安定极限内压的影响.结果表明:统一解均随半径比和统一强度理论参数的增大而增大,随拉压强度比的增大而减小,弹性极限内压随材料拉压模量系数的增大而减小,当壁厚增加到一定值后,安定极限内压随材料拉压模量系数的增大而减小;材料的拉压模量不同、拉压强度差异对厚壁圆筒的安定性影响显著,考虑中间主应力效应可使材料的潜能得到更充分发挥,极限内压随半径比的变化规律可为选择合理壁厚提供参考,该结论可为厚壁圆筒的工程应用提供理论依据.     

南海水合物黏土沉积物力学特性试验模拟研究

利用自行研制的含水合物沉积物合成、分解与力学性质测量一体化试验设备,以南海水合物区域的海底粉质黏土作为骨架,制备含水合物沉积物样品,并对其进行了三轴压缩试验研究,获得了水合物分解前后的应力应变曲线和抗剪强度特性. 结果表明:在水合物饱和度0%~45% 的范围内,水合物沉积物的应力应变曲线均表现为弹塑性变形,存在明显的应变硬化现象;抗剪强度、内摩擦角和黏聚力随水合物饱和度的增加而增加. 相对而言,内摩擦角随饱和度增加幅度较小,其他参数在水合物饱和度超过25% 时,呈陡然增高趋势;水合物分解后导致抗剪强度最大可降低为初始的1/4,不同初始饱和度条件下水合物完全分解后沉积物的抗剪强度基本相等,并大于同等围压条件下初始不含水合物的沉积物抗剪强度.