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)

中图分类号: 

  • TU443
[1] 何冠, 姚仰平. 统一硬化模型与下加载面模型的理论关系[J]. 岩土力学, 2022, 43(S2): 11-22.
[2] 张革, 曹玲, 王成汤, . 考虑多晶冰软化特性的弹塑性损伤本构 模型开发及应用[J]. 岩土力学, 2022, 43(7): 1969-1977.
[3] 袁宇, 刘润, 付登锋, 孙国栋. 结构性海洋黏土损伤模型的二次开发及应用[J]. 岩土力学, 2022, 43(7): 1989-2002.
[4] 康孝森, 廖红建, 黄强兵, 霍秉尧, . 结构性黄土的临界压力比及其边界面 塑性本构模型预测[J]. 岩土力学, 2022, 43(6): 1469-1480.
[5] 陶志刚, 郭爱鹏, 何满潮, 张瑨, 夏敏, 王鼎, 李梦楠, 朱珍, . 微观负泊松比锚杆静力学特性及其工程应用研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(3): 808-818.
[6] 于洪丹, 陈卫忠, 卢琛, 杨典森, 杨建平, 王震, . 黏土岩时效变形特性试验与理论研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(2): 317-326.
[7] 王学滨, 刘桐辛, 白雪元, 李继翔, . 基于考虑动力本构的连续−非连续方法的单轴压缩岩样开裂过程模拟[J]. 岩土力学, 2022, 43(10): 2911-2922.
[8] 张超, 杨楚卿, 白允. 岩石类脆性材料损伤演化分析及其模型方法研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(9): 2344-2354.
[9] 陈洲泉, 陈湘生, 庞小朝, . 砂土临界状态模型的隐式积分算法 在有限元分析中实现[J]. 岩土力学, 2021, 42(8): 2279-2286.
[10] 蒋浩鹏, 姜谙男, 杨秀荣. 基于Weibull分布的高温岩石统计损伤 本构模型及其验证[J]. 岩土力学, 2021, 42(7): 1894-1902.
[11] 马秋峰, 刘志河, 秦跃平, 田静, 王树立, . 基于能量耗散理论的岩石塑性-损伤本构模型[J]. 岩土力学, 2021, 42(5): 1210-1220.
[12] 时振昊, 黄茂松, 倪雨萍, . 基于颗粒间应变的饱和黏土小应变各向异性 非线性本构模型[J]. 岩土力学, 2021, 42(4): 1036-1044.
[13] 梁文鹏, 周家作, 陈盼, 韦昌富, . 基于均匀化理论的含水合物土弹塑性本构模型[J]. 岩土力学, 2021, 42(2): 481-490.
[14] 吴飞鹏, 范贤章, 徐尔斯, 杨涛, 颜丙富, 刘静, . 压裂液高压渗滤对砂岩基质损伤演化的 细观力学分析[J]. 岩土力学, 2021, 42(12): 3238-3248.
[15] 宋义敏, 凌小康, 张敬宗, 朱晨利, 任何, 苑德顺. 基于数字散斑相关方法和有限元法的岩土 材料力学参数反演[J]. 岩土力学, 2021, 42(10): 2855-2864.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[3] 向天兵,冯夏庭,陈炳瑞,江 权,张传庆. 三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2908 -2916 .
[4] 石玉玲,门玉明,彭建兵,黄强兵,刘洪佳. 地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2917 -2922 .
[5] 夏栋舟,何益斌,刘建华. 土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析[J]. , 2009, 30(10): 2923 -2928 .
[6] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[7] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[8] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[9] 易 俊,姜永东,鲜学福,罗 云,张 瑜. 声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型[J]. , 2009, 30(10): 2945 -2949 .
[10] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .