水合物是由甲烷气体和液态水在低温和高压条件下形成的固态笼型晶体物质，具有能量密度高、分布广、储藏大和燃烧清洁的优点[1-2]。水合物常以胶结、填充、包裹和支撑的形式存在海底沉积层和冻土区域土颗粒之间的孔隙中，对沉积层土体强度、刚度和变形特性影响显著[3]。当前，对水合物的研究逐步从资源勘探过渡到勘查试开采阶段[4]。开采方式包括升温法、降压法、置换法和联合法，其目的是使得水合物所处的环境温度和水压力条件逼近对应的相平衡点，从而使水合物发生分解，实现水合物的开采[5]。然而，在水合物试开采阶段，沉积层中水合物的分解会引起沉积层温度、水压力、颗粒之间的接触应力和胶结应力在空间和时间尺度分布不均衡，对开采平台和海底环境产生较大威胁[6-7]。另一方面，学者们对含水合物沉积物的力学性质研究集中在水合物饱和度、围压和赋存模式等影响因素上，对于温度和孔隙压力的影响研究较少[8-9]。因此，有必要对沉积物赋存时的温度和水压力变化引起的力学性质演化进行研究。
近年来，学者们通过人工合成水合物沉积物试样, 开展室内试验研究水合物赋存条件对沉积物力学性质的影响[10-11]。研究表明在水合物未发生相变区域，水合物沉积物的宏观力学性质表现为赋存环境温度越低，孔隙压力和有效围压越大, 其对应的强度越高，应变软化性能和剪胀特性越明显[11]。而在微观性质研究上，Winters等[12]利用声波检测装置对砂土试样进行三轴剪切时发现孔隙中的游离气体对试样的强度响应有延迟作用。Chaouachi等[13]提出在微观层次, 相邻土颗粒之间的连接存在胶结模式和吸附水膜两种模式。赋存环境的变化同时影响着水合物产生量和吸附水膜的厚度。吸附水膜越薄, 离子强度越高，界面静电势越低，吸附水膜与土颗粒和水合物之间的范德华力增强[14]。宏观表现为沉积物试样强度增大。蒋明镜等[15]提出在温度和孔隙压力坐标系内，以状态点至相变线的最近距离为温-压耦合参数。该理论能够综合的考虑试验时的温度和孔隙压力对土体强度的耦合影响，但是存在着数值计算复杂问题。另一方面，文献[16]提出在温度和孔隙压力坐标内，采用试验温度和对应孔隙压力的相平衡温度差作为温-压耦合参数引入模型计算中。然而该方法忽略了试验孔隙水压对沉积物强度的影响, 对于不同孔隙压力和不同温度条件下的试样强度预测存在困难。因此，有必要定义一个同时考虑温度和水压影响且计算方式简单，物理含义明确的温-压耦合系数。
随着对水合物沉积物的力学特性的深入了解，研究者们开始采用不同的理论方法建立水合物沉积物的本构关系[17-18]。其中基于经典弹塑性理论的沉积物本构关系应用最为广泛[19-20]。然而，这类模型在建立过程中，对于流动法则和屈服函数的建立基于经验公式，缺少严格的理论论证。近年来，学者们开始采用颗粒热动力学理论建立材料的本构关系。该方法是基于颗粒重组和混合物理论，采用迁移系数矩阵和能量密度函数表征颗粒类材料能量耗散过程，能够建立材料的宏观力学行为同微观特性之间的联系，在非饱和土和特殊土的本构关系构建中得到成功应用[21-22]。
以水合物沉积物的颗粒重组理论为基础建立了温-压耦合作用下水合物沉积物的热力学模型。该模型定义了温-压耦合系数表达式，并将其引入到胶结应力和刚度参数表达式中。在理论模型中考虑水合物饱和度影响下的剪胀方程。通过对水合物饱和度、围压和温-压耦合系数影响下沉积物的力学特性进行预测，并将模拟结果与试验结果进行对比分析来验证模型的有效性。最后，对建模过程中的刚度参数和体应变衰减参数进行敏感性分析，从颗粒重组角度对参数的物理含义进行确定。
基于颗粒重组理论，建立了含水合物沉积物的温度-孔隙压力-应力耦合热力学模型。通过对含水合物沉积物进行三轴排水剪切试验模拟，并将模拟结果与Hyodo的室内试验结果对比，验证了模型的有效性。此外，分析了沉积物剪切时的温度和孔隙压力变化对力学性质的影响规律，并对模型建立过程中的刚度参数和胶结应力衰减参数
进行敏感性分析。
（1）引入温-压耦合系数和考虑水合物饱和度影响下剪胀方程，建立含水合物沉积物热力学模型能够有效的描述沉积物试样的应力-应变和体应变的变化规律同温-压耦合系数，围压和水合物饱和度的变化关系。
（2）从微观角度分析，降低水合物沉积物赋存时的温度或者升高孔隙压力能够提高沉积物内部初始胶结强度。对应的宏观力学响应表现为峰值剪切强度、初始弹性模量、应变软化性能和剪胀性得到提高。
（3）模型中的刚度参数
与沉积物的峰值剪切强度和初始弹性模量呈正相关，但对沉积物的应变软化性能和残余强度影响较小。而衰减参数
越大，沉积物试样的应变软化性越明显，残余强度越低，但对峰值强度和弹性模量影响较弱。
（4）沉积物试样赋存时的温-压耦合系数对峰值剪切强度、弹性模量和应变软化性影响明显。而剪胀性受温-压耦合系数影响有限。该系数可以用来评价复杂温-压环境下水合物沉积物的力学特性。
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《岩土工程学报》2024年第6期全文阅读
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