基于颗粒组构模型的水合物沉积物三轴压缩力学性质研究

天然气水合物是一种重要的新型清洁能源，具有广阔的开发前景。天然气水合物沉积物可看作土颗粒与水合物颗粒组成的混合物，具有明显的非连续力学特征。针对水合物沉积物力学性质，本文采用同时生成土体–水合物两种类型颗粒并赋予线性接触的方式制备不同饱和度的水合物沉积物颗粒组构模型试样，并研究其三轴压缩力学特性。本文模拟水合物的力学性质结果与Brugada等结果取得较好的一致。研究结果表明：水合物沉积物的峰值强度及残余强度随着水合物饱和度增加而增大；围压的增加有助于提高试样弹性模量、剪切强度、体积应变等力学参数；饱和度的变化对水合物沉积物试样内摩擦角影响显著。本研究可为水合物的安全开采提供基础力学参数和技术参考。

天然气水合物，是水和天然气在低温高压下形成的晶体状固态混合物，其沉积物是指含水合物的天然土体。作为一种新型能源，天然气水合物清洁无污染、燃烧放热量大，1 m3 水合物相当于164 m3 的天然气燃烧释放的热量[1]，是世界各国研究开采的重点。目前水合物开采工艺尚不成熟，且水合物储层复杂，开采环境恶劣，开发过程中储层极易坍塌。因此研究水合物沉积物的力学性质对于保证水合物的安全开采具有重要意义[2]。

目前国内外已有众多学者对水合物沉积物进行研究， 加深了人们对于水合物沉积物力学性质的认识。

但水合物在土壤中的赋存条件苛刻，采集水合物沉积物原状试样所需设备昂贵，且相关的试验技术不成熟，试验研究存在极大困难。因此许多学者选择通过人工合成水合物或者似水合物的方式来进行室内试验研究。Soga 等[3] [4] [5]通过在低于冰点的砂子和细冰粒的混合物中人工合成水合物，研究了水合物沉积物的强度以及其他力学参数与饱和度的量化关系；Hyodo 等[6] [7]利用冰–砂混合物和水–砂混合物与天然气形成两种不同类型的水合物沉积物，研究了不同形成方法、温度、有效围压以及水合物分解等对沉积物强度及变形特性的影响。然而室内试验无法对水合物沉积物力学性质的各项影响因素进行单独探讨，限制了水合物沉积物复杂力学性质的系统研究。

颗粒流方法[8]因其在计算混合体材料以及表现岩体的几何特点等方面的巨大优势，在岩土问题研究应用中愈加广泛，成为研究这类问题的有力工具。Brugada 等[9]利用颗粒流软件对两种不同生成顺序的水合物沉积物进行了三轴压缩模拟，并对两种不同生成顺序的试样对比分析水合物沉积物的力学特性；Jung 等[10]模拟了两种赋存方式的水合物沉积物，分析了不同类型水合物沉积物的应力应变关系及微观力链网络的差异；Masui 等[11]使用颗粒流软件对砂土颗粒介质进行双轴压缩试验的数值模拟， 从速度场、位移场、转动场以及力链网络等4 个方面对砂土颗粒介质体系剪切带的形成与演化过程和机理进行了详