• / 5
  • 下载费用:1 下载币  

考虑水合物分解的海底斜坡稳定计算方法研究

关 键 词:
考虑 水合物 分解 海底 斜坡 稳定 计算方法 研究
资源描述:
第 44 卷增刊2011 年土 木 工 程 学 报42011基金项目 : 国家自然科学基金重大研究计划项目 ( 90815024) , 国家自然科学基金 ( 50808032, 50908032) 和国家科技重大专项( 2008者简介 : 徐斌 , 博士 , 讲师收稿日期 : 20111, 2邹德高1, 2周 丹2孔宪京1, 2( 1. 大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室 , 辽宁大连 116024; 2. 大连理工大学 , 辽宁大连 116024)摘要 : 采用随时间变化参数的摩尔库伦本构模型和应力释放法模拟水合物分解过程中模量的软化和强度的衰化过程 , 开发相应计算程序并通过数值计算研究水合物分解对海底斜坡稳定与变形的影响规律 。计算结果表明 : 本文开发的计算方法能够较好地模拟水合物分解过程 , 根据收敛的迭代步数可以判断斜坡在水合物分解过程中是否达到极限平衡状态 ; 水合物分解导致的强度衰化和模量软化是海底斜坡发生水平位移和竖向沉降的主要原因 。关键词 : 水合物 ; 应力释放法 ; 分解 ; 稳定中图分类号 : 献标识码 : 10002011) on of 222( 1. 16024, 2. 16024, of of to is of on by in to by 天然气水合物是水和天然气在低温和高压条件下形成的笼形结构冰状晶体 , 又被称作 “可燃冰 ”, 主要分布于大陆边缘陆坡区海底 、深水盆地及永久冻土带[ 1]。典型的天然气水合物沉积物[ 2未固结或欠固结材料 , 水合物晶体与固体颗粒相互胶结 , 增强了水合物沉积层的强度 , 然而当温度和压力条件改变时 , 孔隙中水合物快速分解释放 , 导致沉积层的剪切强度减小 , 降低了基础承载力 , 引起海底大面积滑坡 ,甚至使附近的海洋结构物发生破坏 。针对水合物沉积物的力学特性 , W. J. 4]对加拿大的水合物原状样进行力学性质三轴试验 , 研究表明颗粒尺寸和孔隙压力对天然气沉积层强度的影响较大 ; A. [ 5]对日本南海水合物原状样岩芯进行了三轴压缩试验 , 研究表明随着水合物饱和度的增加 , 剪切模量和弹性模量有所增加 , 泊松比变化不大 ; M. [ 6]对甲烷水合物进行了三轴压缩试验 , 研究表明甲烷水合物的力学特性与温度 、有效围压和饱和度有关 。目前 , 分析由水合物分解为诱因的海底构筑物稳定性的数值计算很少 。王淑云等[ 7]利用 序 , 对海底管道及其附近地层的应力和位移场随着水合物分解范围逐渐扩大的变化情况进行了数值模拟·208· 土 木 工 程 学 报 2011 年计算 ; 刘锋[ 8]采用基于拉格朗日分析的有限差分法( 对水合物分解引起的海底滑坡进行了数值模拟 。本文采用了随时间变化参数的摩尔库伦本构模型和应力释放法模拟水合物分解过程中模量的软化和强度的衰化过程 , 建立了能够考虑水合物分解的有限元数值计算方法 , 开发相应计算程序并通过数值计算 , 研究了水合物分解对海底斜坡稳定与变形的影响规律 。1 考虑水合物分解软化的计算方法水合物分解过程中 , 其力学特性均发生了变化 。这种力学过程的模拟不仅要考虑计算过程中土体密度 、模量和泊松比 、强度 ( 包括摩擦角和凝聚力 ) 随时间变化对荷载 、刚度矩阵以及屈服面的影响 , 还要考虑模量软化和强度衰化的应力调整 。本文通过随时间变化参数的 型来考虑分解过程材料属性的变化 , 其参数 ( 包括密度 、剪切模量 、泊松比 、摩擦角和凝聚力 ) 均定义了一条随时间变化的曲线 , 进行计算时可根据时间步进行插值 , 根据时间步的变化来反应温度的变化 。强度衰化导致的应力调整可以在本构积分时考虑 。此外 , 本文通过应力释放法考虑模量软化产生的应力调整 。应力释放法是同时输入分解前和分解后的材料参数 , 运用分解前的材料参数和应力 应力 σA、应变 εA) , 然后对单元进行约束 , 固定其应变 , 再根据分解后的材料参数和应力 将产生的不平衡力 F 加到土体上 , 按分解后的材料参数和应力应变关系 , 则可以求出分解产生的附加应力和变形 。分解软化计算过程可表示成图 1 所示的 A→B→C( 实际路径为 A→C) 。其中 , 不平衡力 F 为 :F =∫σA- σB( εA) ] 1)式中 : B 为应变 σ σ应变关系计算得到的应力 。图 1 应力释放法示意图 of 9]的基础上采用面向对象的方法开发了随时间变化参数的 型类和应力释放法荷载类 , 实现了水合物的软化分解过程 。2 计算模型及材料参数采用开发的计算程序 , 考虑水合物分解过程中密度 、模量和强度的变化 , 对含水合物层斜坡进行应力和变形分析 。斜坡模型尺寸如图 2 所示 , 水合物层厚度 95m, 上覆土层厚度为 5m, 坡比为 1∶2。计算模型网格如图 3 所示 。上覆土层的参数取为 ρ = 1. 98g/φ = 30°,c =10E =18.9然气水合物分解前后的物理参数见表 1[ 10]。计算共分为 20 步 , 假定材料参数随计算步数按线性规律变化 。表 1 水合物分解前后沉积物的材料参数 of υ φ( °) C ρ( g/解前 186 0.2 39.4 0 1.98分解后 26.8 0.2 15 0 1.923 结果分析根据不同位置特征点 ( A, B, C) 的位移情况说明水合物分解导致的密度 、模量和强度变化对斜坡变形的影响规律 。为了分别研究模量软化和强度衰化对斜坡稳定和变形的影响 , 计算分为 3 个工况 , 如表 2 所示 , 其中 : 考虑模量软化表示弹性模量随分解而变化 ,不考虑模量软化则表示模量始终保持不便 ; 考虑强度第 44 卷 增刊 徐 斌等 ·考虑水合物分解的海底斜坡稳定计算方法研究 ·209·衰化表示强度参数随分解而变化 , 不考虑强度衰化则表示强度参数始终保持不变 。表 2 计算工况 量软化 强度衰化1 考虑 考虑2 考虑 不考虑3 不考虑 考虑3.1 斜坡变形规律图 4 和图 5 分别给出了表 2 中不同计算工况下斜坡水平位移和竖向位移等值线 。从图 4 和图 5 中可以看出 , 同时考虑模量软化和强度衰化时 , 第 10 步计算得到的最大水平位移为 5. 8此时仅考虑模量软化和仅考虑强度衰化计算得到的最大水平位移分别为1.0 5.8同时考虑模量软化和强度衰化时 , 第10 步计算得到的最大竖向沉降为 19. 2此时仅考虑模量软化和仅考虑强度衰化计算得到的最大竖向沉降分别为 15.0 4. 4表明水合物分解导致的强度衰化和模量软化分别是斜坡发生水平位移和竖向沉降的主要原因 。3.2 斜坡稳定性分析图 6 和图 7 为工况 1 中特征点 C 的水平位移及竖向沉降和计算步数的关系曲线 。可以看出 , 随着水合物的分解 , 特征点 C 的水平位移和竖向沉降逐渐增加 。大约在第 14 步左右 , 特征点 C 的水平位移和竖向沉·210· 土 木 工 程 学 报 2011 年降的变化速度增大 。计算时假定每步不平衡力小于 1% 为收敛标准 ,当迭代 500 步时 , 如果不平衡力仍大于 1%, 则认为该步计算不收敛 , 结构发生破坏 。图 8 给出了同时考虑模量软化和强度衰化时 , 每步计算收敛所需的迭代步数与计算步数的关系 。从图中可以看出计算到第 14步时不再收敛 。图 8 工况 1 中迭代步数与计算步数 in 根据第 14 步时水合物层的密度和摩擦角 ( ρ =1.939g/φ =22.7°) , 采用 计算斜坡安全系数为 1.0 左右 , 这说明可以根据收敛所需迭代步数来判断水合物分解时斜坡是否达到极限平衡状态 。这也表明本次研究开发的有限元程序可以考虑水合物分解对海底斜坡稳定和变形的影响 。图 9 给出了计算第 14 步时 , 临界滑弧与水平位移等值线分布图 , 可以看到临界滑弧穿过部分 , 斜坡水平位移达到 25右 。图 10 为计算第 14 步时网格变形图 , 可以认为此时已发生滑移破坏 。4 结论( 1) 本文通过随时间变化参数的 型和应力释放法模拟水合物分解过程中模量的软化和强度的衰化过程 , 为分析水合物分解导致的海底滑坡对结构物的影响提供了一种简化分析方法 。( 2) 水合物分解导致的强度衰化和模量软化分别是斜坡发生水平位移和竖向沉降的主要原因 。( 3) 本文开发的计算方法可以同时考虑水合物分解对海底斜坡变形和稳定的影响 。( 4) 水合物分解对海底结构物 ( 如输油管道 、海底油气开采设备基础等 ) 的应力和变形影响规律有待于进一步研究 。参 考 文 献[ 1] D. of M] . 21998: 12] , , . of C] / /2005: 133] , , , et a of C] / /2008[ 4] J, A, F, et of J] .2004, 89: 12215] , , , et in C] / /of 007: 536] , , , et C] / /of 2007: 13267] 王淑云 , 王丽 , 鲁晓兵 , 等 . 天然气水合物分解对地层和管道稳定性影响的数值模拟 [ J] . 中国海上油气 ,2008, 20 ( 2) : 127 i, et of of on of J] . il 2008, 20( 2) : 127)[ 8] 刘锋 . 南海北部陆坡天然气水合物分解引起的海底滑坡与环境风险评价 [ D] . 北京 : 中国科学院 , 2010( A ea to D] . 44 卷 增刊 徐 斌等 ·考虑水合物分解的海底斜坡稳定计算方法研究 ·211·2010( )[ 9] 邹德高 , 孔宪京 , 徐斌 . —用说明 [ M] . 大连 : 大连理工大学土木水利学院工程抗震研究所 , 2003( M] . 2003( )[ 10] W, P, W, et of J] .2004, 89: 1221 ( 1981-) , 男 , 博士 , 讲师 。主要从事粗粒土工程特性及其测试技术 、土工建筑物抗震与加固措施等方面的研究 。邹德高 ( 1973-) , 男 , 博士 , 副教授 。主要从事高土石坝和核电厂构筑物抗震 、粗粒土力学特性 、岩土工程数值分析及软件开发等方面的教学与研究工作 。周 丹 ( 1986-) , 女 , 硕士研究生 。主要从事水合物分解模型与计算方法方面的研究 。孔宪京 ( 1952-) , 男 , 博士 , 教授 。主要从事岩土工程数值分析及模型试验技术 、高土石坝抗震 、粗粒土工程特性 、环境土力学等方面的研究 。( 上接第 185 页 )[ 16] 谢康和 . 双层地基一维固结理论与应用 [ J] . 岩土工程学报 , 1994, 16( 5) : 24of of J] . 1994, 16( 5) : 24)[ 17] Q, J, T, et in 1.on in J] . 991, 25( 9) : 1578 1986-) , 男 , 硕士研究生 。主要从事地下水污染方面的研究 。谢海建 ( 1981-) , 男 , 博士 , 讲师 。主要从事环境土工和地质工程方面的研究 。陈培雄 ( 1979-) , 男 , 硕士 , 工程师 。主要从事水污染与海洋工程方面的设计和研究 。陈云敏 ( 1962-) , 男 , 博士 , 教授 。主要从事环境土工方面的研究 。金爱民 ( 1973-) , 男 , 博士 , 副教授 。主要从事水文地质方面的研究 。楼章华 ( 1963-) , 男 , 博士 , 教授 。主要从事水文地质方面的研究 。
展开阅读全文
  石油文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:考虑水合物分解的海底斜坡稳定计算方法研究
链接地址:http://www.oilwenku.com/p-51717.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2016-2020 石油文库网站版权所有
经营许可证编号:川B2-20120048,ICP备案号:蜀ICP备11026253号-10号
收起
展开