目的:水合物沉积物开采过程是一个热-水-力-化多场耦合过程,该过程包含了不同土层间的热对流、压缩引起的局部变形以及胶结结构破坏引起的应力松弛. 不适当的开采会引起出砂、塌孔等破坏问题. 本文旨在建立天然气水合物沉积物多场耦合计算模型,以量化由开采引起的地质灾害风险.
创新点:1. 通过COMSOL Multiphysics实现水合物开采过程多场耦合有限元控制方程的计算; 2. 建立的模型考虑变形-渗流双向全耦合过程.
方法:1. 通过理论推导,给出开采天然气水合物过程模拟的控制方程;采用偏微分方程模块实现除力学之外其他物理场的耦合计算;采用结构力学模块实现变形计算. 2. 通过与试验数据进行比较验证模型的可靠性. 3. 通过对比全耦合模型与半耦合模型,分析双向耦合对水合物开采过程中沉积物物理力学行为的影响.
结论:1. 所建立模型能够精确模拟水合物开采过程中沉积物的物理力学行为. 2. 当考虑压缩对渗流的影响时,由于孔隙率的降低,计算得到的水合物分解速度要小于不考虑该影响时的速度. 3. 由于存在层间对流效应,非均质模型计算得到的水合物分解速度要快于均质模型.

关键词组：水合物沉积物;多场耦合模型;COMSOL;产气

目的:研究一种使用连续的土壤模型模拟土壤-结构界面的新方法,并阐述这些模型增强土壤-结构相互作用的建模方法
创新点:1. 基于先前的亚塑性模型,通过将晶粒间应变的概念融入模型公式来模拟循环载荷. 2. 整体性较好的模型具有更好、更精确的模拟结果.
方法:1. 采用一种砂浆接触的力学方法,其中一个表面作为主面,另一个表面作为从属面. 2. 采用砂浆接触的力学方法并结合用户定义的子程序,对土壤-结构界面进行建模. 3. 基于先前的亚塑性模型,将晶粒间应变的概念融入模型公式来模拟循环载荷.
结论:1. 整体性较好的模型具有更好、更精确的模拟结果. 2. 本文提出的土壤-结构界面建模方法不仅提高了模拟结果,且在某些模拟中提高了数值收敛性.

关键词组：亚塑性;接触面;循环荷载;细颗粒和粗粒土

目的:能量桩在工作状态下的热力学响应十分复杂,同时受到桩顶荷载、桩侧摩擦以及温度等多重因素的影响. 当群桩中出现部分能量桩不工作时,将造成上部结构的额外应力与变形. 因此,本文重点探讨摩擦型能量桩群桩中部分能量桩在加热制冷作用下的热力学响应,并与单桩的热力学效应进行对比分析.
创新点:1. 通过建立摩擦型能量桩群桩模型试验,探讨桩侧摩擦对能量桩群桩的影响规律; 2. 利用能量桩群桩与单桩对比,揭示能量桩群桩与单桩热力响应特性的区别; 3.揭示部分能量桩加热制冷作用对能量桩群桩的影响机理.
方法:1. 建立摩擦型能量桩群桩及单桩的模型试验; 2. 将能量桩群桩与单桩进行对比,研究能量桩群桩与单桩热力响应特性的区别; 3. 进行能量桩群桩部分加热制冷试验.
结论:1. 对于长期工作的能量群桩,可以将其视为一个长宽高与整个群桩相同的热交换体,其表面温度与群桩的平均表面温度一致. 2. 能量桩单桩在加热过程中,由于桩底受到的限制较大,所以桩顶位移大于桩底位移. 3. 能量桩单桩在制冷过程中,由于土体及桩体收缩,会出现明显的下沉. 4. 能量桩群桩桩帽在加热过程中,桩帽的位移与群桩的上半部分长度相关;在本文的试验中,由于群桩上半部分受土的限制较小,因此其位移与桩自由膨胀的位移一样. 5. 能量桩群桩在制冷期间,群桩的下沉量级要比单桩的大. 6. 在制冷过程中,能量桩群桩在群桩效应作用下,内部桩的桩底热位移较大. 7. 能量桩群桩在部分加热的情况下,会出现不均匀沉降,且在加热期间,沉降主要受到不工作桩的牵制影响;而在制冷期间,沉降主要受工作桩的下沉影响. 8. 摩擦型能量桩的热引起的桩身轴力是与桩侧的土压力大小相关的;由于群桩在群桩效应作用下,桩侧土压力要小于单桩,因此群桩的热引起的桩身轴力要大于单桩.

关键词组：能量桩;纯摩擦型桩;群桩;不均匀加热;不均匀沉降

目的:本文旨在建立简单实用的饱和软黏土不排水强度损伤弱化模型,应用于波浪循环荷载作用下沉箱式防波堤与软土地基相互作用的非线性数值计算,为解决防波堤软土强度弱化计算问题提供有效途径.
创新点:1. 基于不排水强度循环损伤弱化机理,得到软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平的变化规律; 2. 结合Tresca屈服准则进行数值开发,应用于波浪循环荷载作用下沉箱式防波堤与软土地基相互作用的数值计算.
方法:1. 引入累积塑性变形相关的损伤变量表征土体结构性的损伤和重塑对软黏土不排水强度弱化的影响(公式(3)和(11)); 2. 建立软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的损伤弱化模型(公式(14)); 3. 结合Tresca屈服准则,实现软黏土不排水强度损伤弱化的数值计算过程(图9); 4. 针对烟台软黏土动三轴试验数据进行分析,对模型及其数值开发过程进行验证(图11和12); 5. 将模型应用到软土地基上沉箱式防波堤数值运算,分析软土地基响应,验证模型的有效性(图15~18).
结论:1. 在临界循环应力比以下,损伤变量和归一化最大孔压比随循环荷载作用次数的增加逐渐增大,并趋于稳定;随循环应力比增大逐渐增大.循环后不排水强度折减系数随着循环荷载作用次数和循环应力比的增加而减小. 2. 有限元数值开发过程是正确的,不排水强度损伤弱化模型是合理的. 3. 该模型简单实用,可应用于波浪等循环荷载作用下沉箱式防波堤与软土地基相互作用的非线性数值计算,且能模拟循环荷载下软土地基的孔隙水压力增长以及不排水强度弱化等响应. 软土地基的响应主要分布在基床两趾及正下方的软土层上部.

关键词组：饱和软黏土;不排水强度;循环弱化模型;损伤;数值模拟