岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (9): 2471-2482.doi: 10.16285/j.rsm.2021.1994

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

考虑填充和黏结作用的含水合物 沉积物弹塑性本构模型

刘燕晶1, 2,王路君1, 2,朱斌1, 2,陈云敏1, 2   

  1. 1. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州 310058;2. 浙江大学 超重力研究中心,浙江 杭州 310058
  • 收稿日期:2021-11-27 修回日期:2022-05-06 出版日期:2022-09-12 发布日期:2022-09-12
  • 通讯作者: 王路君,男,1985年生,博士,副教授,主要从事水合物沉积物力学特性和土体多相多场耦合方面的教学与研究。E-mail: lujunwang@zju.edu.cn E-mail:liuyanjing@zju.edu.cn
  • 作者简介:刘燕晶,女,1996年生,硕士研究生,主要从事水合物沉积物本构模型方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(No.52127815,No.52078458,No.51988101);浙江省自然科学基金重大项目(No.LCD19E090001)。

An elastoplastic constitutive model for hydrate-bearing sediments considering the effects of filling and bonding

LIU Yan-jing1, 2, WANG Lu-jun1, 2, ZHU Bin1, 2, CHEN Yun-min1, 2   

  1. 1. Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of the Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China; 2. Center for Hypergravity Experimental and Interdisciplinary Research, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China
  • Received:2021-11-27 Revised:2022-05-06 Online:2022-09-12 Published:2022-09-12
  • Supported by:
    This work was supported by the Natural Science Foundation of China (52127815, 52078458, 51988101) and Zhejiang Provincial Natural Science Foundation (LCD19E090001).

摘要: 天然状态下水合物生成后往往填充于沉积物土骨架孔隙中或黏结于相邻土颗粒之间,对沉积物具有填充和黏结作用,改变了沉积物原有孔隙比和密度,影响了沉积物的物理力学特性,因此在描述含水合物沉积物的力学和变形特性时需考虑水合物填充和黏结作用的影响。基于黏土和砂土的统一临界状态本构模型(clay and sand model,简称 CASM),结合水合物侵入孔隙的致密化特性,通过提出等效孔隙比来反映水合物的填充作用;同时引入黏聚强度来反映水合物对沉积物的黏结作用;并利用状态参数来反映土体的应力状态和剪胀性,采用非相关联流动法则,进而建立能够描述水合物填充和黏结作用的含水合物沉积物弹塑性本构模型。通过与室内试验结果和已有本构模型对比,表明所提模型能较好地模拟含水合物沉积物的应力−应变关系,可有效地描述水合物含量、有效围压对沉积物的强度、刚度、剪胀性等力学特性的影响规律。

关键词: 水合物沉积物, 水合物含量, 本构模型, 剪胀性, 黏土和砂土模型(CASM)

Abstract: Hydrates are often filled in the pores of sediment soil particles or bonded between grain contacts, which have filling or bonding effects on sediments. These formation patterns of hydrate change the original void ratio and density of soil, which significantly affect the physical and mechanical properties of sediments, so it is necessary to consider the effects of hydrate filling and bonding to describe the mechanical properties of hydrate-bearing sediments. In this paper, the equivalent hydrate ratio was proposed to reflect the filling effect of hydrate based on the unified critical state constitutive model for both clay and sand (clay and sand model, referred to as CASM) and combined with the densification characteristics of hydrate intrusion pores. The cohesive strength was introduced to reflect the cementation of hydrates on sediments. Furthermore, an elastoplastic constitutive model for hydrate-bearing sediments was established to describe the hydrate filling and bonding effect by using the state parameters to reflect the stress state and the dilatancy of the soil and adopting the non-associated flow rule. The comparison between laboratory test results and presented constitutive models shows that this model can effectively simulate the stress-strain relationship of hydrate-bearing sediments, and reasonably describe the influence of hydrate content and effective confining pressure on the mechanical properties of sediments, such as strength, stiffness, dilatancy, and so on.

Key words: hydrate-bearing sediments, hydrate content, constitutive model, dilatancy, clay and sand model (CASM)

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