【摘要】：天然氣水合物被認(rèn)為是21世紀(jì)極具開發(fā)前景的新型戰(zhàn)略性替代能源,是一種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì),溫度升高或是壓力降低都能導(dǎo)致水合物分解。深海能源土是指含天然氣水合物的深海沉積土體,水合物的形成和分解會影響能源土的強(qiáng)度、剛度、剪脹等特性。能源土本構(gòu)特性的模擬對天然氣水合物的安全開采至關(guān)重要。本文針對水合物的形成對能源土強(qiáng)度、剛度、剪脹等特性的影響,主要進(jìn)行了能源土本構(gòu)模型的研究及其基于ABAQUS的UMAT子程序的開發(fā)與驗證。本文主要完成了以下工作:(1)綜述了國內(nèi)外對深海能源土力學(xué)特性以及本構(gòu)模型的研究現(xiàn)狀,梳理了本構(gòu)模型的UMAT二次開發(fā)的進(jìn)展情況,簡介了建立巖土材料本構(gòu)模型的相關(guān)理論,包括屈服準(zhǔn)則、加卸載準(zhǔn)則、流動法則以及硬化規(guī)律等內(nèi)容。簡述了姚仰平等提出的統(tǒng)一硬化參數(shù)以及UH模型基本公式。(2)針對能源土強(qiáng)度、剪脹和軟化等力學(xué)特性,分析了水合物飽和度、賦存形態(tài)等因素的影響機(jī)理。引入了密實性參量和結(jié)構(gòu)性參量兩個飽和度參量來反映水合物對能源土強(qiáng)度和變形的影響。在修正劍橋模型基礎(chǔ)上,引入密實性參量和結(jié)構(gòu)性參量,采用統(tǒng)一硬化參數(shù)和關(guān)聯(lián)流動法則,建立了能源土的本構(gòu)關(guān)系,推導(dǎo)了相應(yīng)的彈塑性矩陣。通過模型模擬結(jié)果與已有能源土三軸試驗數(shù)據(jù)對比分析,驗證了模型的合理性和有效性。(3)梳理概括了ABAQUS及其UMAT子程序的相關(guān)理論,簡單介紹了顯示應(yīng)力積分算法,重點推導(dǎo)了半隱式應(yīng)力積分算法的公式,總結(jié)了半隱式積分算法流程,為實現(xiàn)能源土本構(gòu)模型的二次開發(fā)做好理論準(zhǔn)備。(4)根據(jù)能源土彈塑性本構(gòu)關(guān)系公式和二次開發(fā)所需的應(yīng)力應(yīng)變更新公式,利用ABAQUS提供的用戶材料子程序接口UMAT,采用FORTRAN語言和半隱式向后Euler積分算法開發(fā)出了UMAT子程序。并進(jìn)行了單個單元以及多個單元模型的三軸試驗路徑模擬,驗證了二次開發(fā)子程序的正確性。
【學(xué)位授予單位】：青島理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P744
【圖文】：

圖 3.3 水合物賦存方式[61]：(a) 填充型；(b) 土體骨架型；(c) 膠結(jié)型合物三種賦存模式，可以從微觀機(jī)理上分析水合物對能源土以及軟化等特性的影響。水合物以填充模式漂浮于孔隙中，為土顆粒之間的相互作用力，此種賦存模式下，水合物對土水合物起到增加沉積物密度的作用[62]，性質(zhì)與超固結(jié)土或密物顆粒生長到能與土顆粒相接觸，或沉積物受力過程中土顆水合物顆粒相接觸時，水合物會阻礙土顆粒的運(yùn)移，宏觀表繼續(xù)發(fā)展，影響了土顆粒的重排列和重分布，進(jìn)而對能源土。膠結(jié)賦存模式的水合物與前述兩種類型對土骨架的影響機(jī)明顯不同，如果考慮膠結(jié)結(jié)構(gòu)對于黏聚力的貢獻(xiàn)，膠結(jié)賦存學(xué)行為與超固結(jié)的結(jié)構(gòu)性土頗為相似[32]。由于水合物的存在成膠結(jié)作用，水合物膠結(jié)的存在限制了能源土在受力過程中相對移動，繼而提高了能源土整體剛度和抗剪強(qiáng)度[6]。然而

最后通入蒸餾水制備出飽和的能源土試樣后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)壓縮試驗，試驗數(shù)據(jù)如圖 3.4 中散點所示。由圖3.4中數(shù)據(jù)點分布形態(tài)可以看出，能源土壓縮曲線類似于結(jié)構(gòu)性土的壓縮曲線形態(tài)，蔣明鏡等在文獻(xiàn)[66]中也曾認(rèn)為能源土是一種特殊的結(jié)構(gòu)性土。土的結(jié)構(gòu)性是指土中顆�；蛲令w粒集合體以及它們之間的孔隙的大小、形狀、排列組合及聯(lián)結(jié)等綜合特征[67]。顏榮濤[62]、楊期君[33]等研究了能源土結(jié)構(gòu)性與水合物賦存形態(tài)之間的關(guān)系。水合物以填充模式漂浮于孔隙中，或以接觸模式粘附于土骨架顆粒上或包裹附近的骨架顆粒形成骨架的一部分。水合物占據(jù)土顆粒間的孔隙，增加了能源土密實程度，體現(xiàn)出密實性；水合物的附著增加了土骨架的承載能力，水合物還會阻礙土顆粒的運(yùn)移，宏觀表現(xiàn)為阻礙剪應(yīng)變的繼續(xù)發(fā)展，影響土顆粒的重排列和重分布，使能源土呈現(xiàn)出一定的結(jié)構(gòu)性。Pinkert[68]指出，在能源土變形過程中，水合物的賦存形態(tài)并不是恒定的，如水合物顆粒破碎或與骨架顆粒的膠結(jié)作用消失

圖 3.5 能源土的壓縮曲線示意圖壓縮試驗結(jié)果和力學(xué)特性表明：(1) 壓縮曲L，其差異主要由密實性引起。水合物飽和密實，類似于超固結(jié)土，顯示出水合物的(2) 壓縮曲線 KCL 越過 RCL，相同孔隙比由水合物生成過程、水合物賦存形態(tài)等引的結(jié)構(gòu)性性影響，用引入的結(jié)構(gòu)性參量 p了能源土的壓硬性和潛在強(qiáng)度，用潛在強(qiáng)此，能源土密實性和結(jié)構(gòu)性綜合影響了能材料，不含水合物（hS 0）時其等向壓砂土等向壓縮特性，RCL 方程為：e N ln( p +p)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2744320