密實(shí)度對(duì)含水合物土體力學(xué)特性的影響1)

于鴻飛 楊德歡 顏榮濤 魏厚振 陸 地

*(桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

?(中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071)

天然氣水合物（以下稱水合物）是一種存在于海洋大陸架邊緣地區(qū)或寒區(qū)永久凍土層中的類冰狀的結(jié)晶化合物[1]，是迄今所知的最具價(jià)值的海底礦產(chǎn)資源[2]。由于石油煤炭等不可再生資源日益被消耗，難以滿足我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，因此開采水合物資源對(duì)我國(guó)保持穩(wěn)定高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及戰(zhàn)略能源安全具有重要意義[3]。我國(guó)含有豐富的天然氣水合物資源，僅在我國(guó)南海，天然氣水合物儲(chǔ)量就高達(dá)800億噸油當(dāng)量[4]。一般地，天然氣水合物填充于儲(chǔ)層孔隙中，對(duì)儲(chǔ)層土顆粒起膠結(jié)作用，增強(qiáng)了儲(chǔ)層的強(qiáng)度。然而，水合物開采過(guò)程會(huì)造成水合物的分解，相應(yīng)儲(chǔ)層的水合物充填和膠結(jié)作用也會(huì)隨之降低，造成含水合物土體力學(xué)強(qiáng)度弱化，進(jìn)而引起嚴(yán)重出砂、井壁坍塌等工程問(wèn)題[5]。因此，探究含水合物土層的力學(xué)性質(zhì)，是安全有效開采水合物的關(guān)鍵前提和必要的前期工作。

眾所周知，在砂質(zhì)沉積物中天然氣水合物含量較高，具有良好的滲透性，含水合物砂土沉積物被認(rèn)為是最具有商業(yè)開采價(jià)值的一類水合物。因此，學(xué)者們針對(duì)于含水合物砂土的物理力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究。為了研究含水合物砂土沉積物宏觀力學(xué)行為，Hyodo等[6]人工制備了氣飽和含天然氣水合物砂土試樣并且進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，證實(shí)了水合物飽和度、凈圍壓和孔隙壓力能夠顯著影響試樣的力學(xué)特性。Song等[7]在不同溫度下，對(duì)各個(gè)分解時(shí)段的含水合物沉積物試樣進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著分解時(shí)間的增加，試樣的破壞強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸降低，并且溫度越高，強(qiáng)度隨水合物分解時(shí)間下降越快。在微觀力學(xué)特性的研究方面，趙亞鵬等[4]系統(tǒng)總結(jié)了天然氣水合物在孔隙中的微觀賦存模式，并歸納了多種微觀測(cè)試技術(shù)的原理及特點(diǎn)，為水合物微觀力學(xué)研究提供了重要依據(jù)。Best等[8]在海底富水條件下對(duì)含天然氣水合物砂土試樣進(jìn)行了一系列地震頻率試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了水合物飽和度與水合物的P波和S波衰減之間存在復(fù)雜關(guān)系。Le等[9]采用注水飽和、注水飽和后升溫/降溫循環(huán)兩種方法制備非膠結(jié)型（孔隙填充型）含水合物砂土試樣，并對(duì)其進(jìn)行縱波波速測(cè)量試驗(yàn)以及三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果與膠結(jié)型含水合物砂土力學(xué)特性對(duì)比發(fā)現(xiàn)，孔隙填充型試樣縱波波速明顯低于膠結(jié)型試樣，水合物飽和度同樣可以明顯提高孔隙填充型試樣的強(qiáng)度和剛度。Han等[10]對(duì)比了天然粉質(zhì)黏土沉積物和人工合成砂土沉積物在水合物分解時(shí)的變形以及溫度壓力關(guān)系，分析結(jié)果顯示：在水合物分解時(shí)，人工合成砂土沉積物經(jīng)歷的分解階段更多，溫壓條件在沉積物中一致性更好，天然粉質(zhì)黏土沉積物由于顆粒不均勻、鹽度的影響，水合物在不同區(qū)域呈現(xiàn)不平衡狀態(tài)。Lei等[11]使用CT三軸聯(lián)合測(cè)試技術(shù)研究了含水合物砂土試樣在三軸試驗(yàn)中的微觀尺度行為。研究發(fā)現(xiàn)，水合物通過(guò)支撐沉積物骨架以及形成水合物骨架承擔(dān)載荷來(lái)增強(qiáng)沉積物強(qiáng)度。為了研究原位試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，Priest等[12]利用高分辨率三維X射線CT對(duì)原位壓力下鉆取的含水合物沉積物巖心進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的水合物分布，隨后又進(jìn)行了一系列巖土試驗(yàn)，證實(shí)了水合物是影響沉積物強(qiáng)度的主要因素。

根據(jù)上述分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)砂土沉積物做了大量的工作。相比之下，對(duì)含水合物細(xì)粒沉積物的研究相對(duì)較少，能否直接將含水合物砂土的力學(xué)特性移植給含水合物細(xì)粒土沉積物還有待考證。然而，目前全球天然氣水合物總量的 90%以上都賦存于海底黏土質(zhì)粉砂或淤泥質(zhì)沉積物中[13]，例如，我國(guó)南海水合物儲(chǔ)存砂為泥質(zhì)粉砂型[14]，具有極大的開采價(jià)值。因此，針對(duì)于含水合物細(xì)粒土沉積物的物理力學(xué)特性的研究也逐漸活躍起來(lái)。為了探究細(xì)粒含量對(duì)水合物沉積物力學(xué)行為的影響，Hyodo等[15]對(duì)不同細(xì)粒含量、密實(shí)度的含甲烷水合物沉積物進(jìn)行了一系列三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)粒的加入大大提高了剪切強(qiáng)度，并促進(jìn)了含甲烷水合物沉積物的膨脹行為。Madhusudhan等[16]研究了一系列不同比表面積和顆粒形狀的顆粒材料水合物膠結(jié)效應(yīng)。結(jié)果表明，膠結(jié)含水合物沉積物的強(qiáng)度增加很大程度上取決于顆粒的比表面積、大小和形狀，并且顆粒大小似乎對(duì)沉積物的強(qiáng)度有顯著影響。Wu等[17]通過(guò)考慮不同水合物飽和度和粒徑導(dǎo)致的孔隙特征、滲透率、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的演化，系統(tǒng)研究了膠結(jié)水合物的物理性質(zhì)。Wang等[18]利用蒙脫石黏土代替南海淺海土，研究其力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)含水合物細(xì)粒土破壞強(qiáng)度隨著溫度的降低而增大，隨著圍壓的增大而增大，隨著孔隙比的減小而增大。此外，破壞強(qiáng)度的變化主要受黏聚力的影響，黏聚力隨溫度的降低而增大。

從以上的研究可以得知，水合物對(duì)土體顆粒的膠結(jié)增加了試樣的強(qiáng)度和剛度[4]。在不同的密實(shí)度情況下，土顆粒的排列形式是不一樣的，水合物對(duì)土顆粒的膠結(jié)也存在影響。因此，在不同的密實(shí)度情況下，含水合物沉積物的力學(xué)特性也受到密實(shí)度的影響。然而，目前針對(duì)密實(shí)度對(duì)含水合物土體的力學(xué)影響研究還比較少見。在此背景下，本文針對(duì)含水合物土體進(jìn)行一系列三軸壓縮試驗(yàn)，通過(guò)分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線、割線模量以及強(qiáng)度等力學(xué)參量來(lái)研究密實(shí)程度對(duì)含水合物土體力學(xué)特性的影響規(guī)律。這些研究成果對(duì)揭示含水合物土體的力學(xué)特性具有重要意義。

1 試驗(yàn)儀器與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器是本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于前人研究工作，搭建的一套含天然氣水合物土水-力特性聯(lián)合測(cè)試裝置[19]。試驗(yàn)儀器主要由壓力室、圍壓控制系統(tǒng)、軸壓控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、氣源等組成。壓力室最大可承受35 MPa的壓力。圍壓控制系統(tǒng)采用圍壓伺服系統(tǒng)（傳感器最大壓力30 MPa，精度為0.1%F.S.）驅(qū)使水對(duì)試樣施加圍壓，具有恒壓（施加恒定的設(shè)定壓力），跟蹤（圍壓自動(dòng)與孔壓保持設(shè)定壓差），線性梯度（按照設(shè)定速率升高/降低至設(shè)定壓力）三種加載模式，其中跟蹤加載模式是在設(shè)定指定壓力數(shù)值后，圍壓自動(dòng)與孔壓保持設(shè)定壓差。軸壓控制系統(tǒng)具有應(yīng)力、應(yīng)變兩種加載模式，應(yīng)變模式可控制加載速率為0.06～6 mm/min；應(yīng)力模式可控制加載速率為0.001～0.6 MPa/min。溫度控制系統(tǒng)為恒溫水域槽，其可控制溫度范圍為-25℃～50℃，精度為 ±0.1℃，還可設(shè)定不同升/降溫速率，范圍為0.01～1 ℃/min。裝置實(shí)物圖見圖1。

圖1 三軸壓縮試驗(yàn)裝置Fig.1 Test apparatus for triaxial compression

1.2 試驗(yàn)材料

參照中國(guó)南海神狐海域水合物賦存沉積物的顆粒級(jí)配情況[20]，人工配制試驗(yàn)土體。試驗(yàn)土體的顆粒級(jí)配曲線如圖2所示，圖中顯示顆粒大小在0.006～0.075 mm區(qū)間內(nèi)的顆粒占87%左右，不均勻系數(shù)Cu= 20，曲率系數(shù)Cc= 2.45。試驗(yàn)土體的比重Gs為2.65，液限為32.8%，塑限為23.31%，塑性指數(shù)為9.49%，故試驗(yàn)土體屬于黏質(zhì)粉土。試驗(yàn)所采用的氣體為純度99.99%的甲烷氣體，由佛山華特氣體有限公司提供。試驗(yàn)用水為去離子水。

圖2 顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Grain size distribution curves

1.3 制樣與試驗(yàn)方法

含水合物沉積物采取富氣法制樣，具體方法如下。

（1）根據(jù)試驗(yàn)所需水合物飽和度[21]，在密封袋中加入定量的烘干土和蒸餾水，充分混合后密封靜置24 h后復(fù)測(cè)含水率，以保證蒸餾水均勻分布在土顆粒的孔隙中。根據(jù)試驗(yàn)所需干密度、試樣體積（直徑50 mm，高度100 mm）、含水率稱取相應(yīng)質(zhì)量的試驗(yàn)用土，分四次裝入模具，分層壓實(shí)，每層土體質(zhì)量相等。為保證土樣的層與層之間的良好接觸，每層土樣壓實(shí)后，將其表面用細(xì)鐵絲刨毛。

（2）利用千斤頂將試樣從模具中頂出，在兩端放置等直徑透水石并置于壓力室底座。而后將兩層厚度為0.5 mm的乳膠膜套在試樣外側(cè)，并在兩層乳膠膜之間嵌入薄錫箔紙。錫箔紙的隔離作用可以保證高壓甲烷氣體不擴(kuò)散進(jìn)入圍壓液。隨后，將試樣放入壓力室，壓力室浸泡在恒溫水浴槽中，溫度設(shè)定為10℃。

（3）連接儀器管路，運(yùn)行圍壓伺服系統(tǒng)的跟蹤模式（圍壓自動(dòng)與孔壓保持設(shè)定壓差）預(yù)壓試樣，設(shè)定凈圍壓值為0.2 MPa。待圍壓穩(wěn)定上升為0.2 MPa后，開啟真空泵，抽除儀器管路和試樣孔隙中的空氣。接著將甲烷氣體緩慢注入試樣，以防止試樣內(nèi)水合物分布不均勻。將恒溫水浴槽的溫度以0.1 ℃/min的速率降至2℃，以達(dá)到天然氣水合物生成所需的高壓低溫條件。在水合物生成過(guò)程中，凈圍壓值一直保持在0.2 MPa。水合物的生成會(huì)消耗甲烷氣體，從而使甲烷氣體壓力減小，當(dāng)8 h內(nèi)甲烷氣體壓力變化小于0.01 MPa，則認(rèn)定水合物生成完畢。

（4）水合物合成完畢后，利用注入泵提升試樣孔壓至8 MPa。待孔壓穩(wěn)定后，開始施加試驗(yàn)所需凈圍壓，試樣開始固結(jié)過(guò)程。當(dāng)觀察到每小時(shí)試樣體積變形小于初始試樣體積的0.05%時(shí)，則視為固結(jié)已完成。最后，采用應(yīng)變軸向加載模式開始試樣剪切，應(yīng)變速率設(shè)置為0.12 %/min。當(dāng)軸向應(yīng)變剪切至20%時(shí)，剪切過(guò)程停止。在試驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)記錄應(yīng)力、軸向應(yīng)變、體應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

本次試驗(yàn)主要研究不同密實(shí)度對(duì)含水合物土體力學(xué)特性影響，主要分析了含水合物土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強(qiáng)度和剛度受密實(shí)度的影響規(guī)律。表1給出了具體的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)全部采用固結(jié)排水剪切模式。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Text program

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

現(xiàn)有研究表明水合物形成會(huì)增加含水合物土體的強(qiáng)度和剛度，本試驗(yàn)也觀察到了相同現(xiàn)象。圖3給出了凈圍壓1 MPa下，干密度1.5 g/cm3（中密實(shí)度）不同水合物飽和度含水合物土試樣偏應(yīng)力q，體積應(yīng)變?chǔ)舦與軸向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系。其中，偏應(yīng)力q為最大主應(yīng)力減去最小主應(yīng)力的值；軸向應(yīng)變?chǔ)?為剪切過(guò)程中試樣高度變化與初始高度變化之比；體積應(yīng)變?chǔ)舦為試樣體積變化與初始體積變化之比；ρd為密實(shí)度；Sh為水合物飽和度。從圖中可以看出，水合物能夠顯著增加試樣的強(qiáng)度和剛度，并且這種貢獻(xiàn)隨著水合物飽和度的增加而增加。這主要是因?yàn)榇舜卧囼?yàn)采用富氣制樣法，水合物在土顆?？紫吨兄饕阅z結(jié)的賦存模式存在，增強(qiáng)了試樣的結(jié)構(gòu)性和整體性，并且水合物飽和度越高，膠結(jié)量越大，其對(duì)沉積物強(qiáng)度的提升越大。從圖中還可以看出，不同水合物飽和度的試樣在剪切過(guò)程中均出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)變硬化和剪縮現(xiàn)象。原因在于，細(xì)粒土粒徑較小，其表面水膜相較于砂粒表面水膜更厚，有效減小了顆粒間的摩擦，從而使土顆粒更容易填充到孔隙中。這種行為會(huì)使試樣出現(xiàn)剪縮現(xiàn)象并且整體性更高，抵抗變形能力更強(qiáng)。

圖3 凈圍壓1 MPa下含水合物土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of hydrate soils under confining net pressures of 1 MPa

為了說(shuō)明干密度對(duì)含水合物土體的應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響，圖4給出了干密度分別為1.4 g/cm3（低密實(shí)度），1.5 g/cm3（中密實(shí)度），1.6 g/cm3（高密實(shí)度）無(wú)水合物土和含水合物土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，低密實(shí)度、中密實(shí)度的含水合物試樣和無(wú)水合物試樣均出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。不同的是，低密實(shí)度的含水合物試樣應(yīng)變硬化效果更顯著，高密實(shí)度的含水合物試樣出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，且水合物飽和度越高，試樣應(yīng)變軟化現(xiàn)象越顯著；而無(wú)水合物試樣三種密實(shí)度應(yīng)變硬化程度近乎相同。應(yīng)變軟化現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)樵诩羟泻笃?，?duì)于高密實(shí)度試樣，由于其孔隙比較小，在圍壓和剪切力的作用下，土顆粒與水合物發(fā)生擠壓和摩擦，導(dǎo)致水合物被尖銳的顆粒刺破，部分水合物顆粒會(huì)喪失膠結(jié)能力，且水合物飽和度越高，水合物破損程度越大，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯。

圖4 凈圍壓1 MPa下不同干密度含水合物土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of hydrate soils with different dry densities under confining net pressures of 1 MPa

從體應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系中可以看出（如圖3和圖4），無(wú)水合物與含水合物試樣均出現(xiàn)剪縮現(xiàn)象，并且剪縮程度受水合物飽和度的影響不大，主要由密實(shí)度決定。對(duì)于含水合物土試樣，剪切后期低密實(shí)度試樣剪縮現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，而中密實(shí)度和高密實(shí)度試樣剪縮趨勢(shì)減緩，高密實(shí)度試樣甚至出現(xiàn)剪脹的趨勢(shì)。而素土試樣剪縮程度受密實(shí)度影響不大。分析不同密實(shí)度含水合物土剪縮程度不同的原因可知，隨著密實(shí)度的增加，土顆粒間膠結(jié)型水合物增多。在剪切過(guò)程中，膠結(jié)型水合物更易被土顆粒剪切破碎，破碎的水合物與土顆粒一起發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、滑移，從而使含水合物土的剪縮行為弱化。

圖5給出了水合物飽和度Sh= 11.0%左右和無(wú)水合物試樣在凈圍壓3 MPa下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與凈圍壓1 MPa下的試樣相比（如圖4(a),4(b)），凈圍壓3 MPa下低密實(shí)和中密實(shí)試樣的應(yīng)變硬化現(xiàn)象更為顯著，高密實(shí)的試樣由應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化；含水合物土與無(wú)水合物土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于重合；三種密實(shí)度試樣的體積剪縮現(xiàn)象也沒(méi)有明顯的區(qū)別。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是高凈圍壓對(duì)試樣的箍筋效果和擠壓作用明顯，使土顆粒與水合物排列更加緊密，促使應(yīng)變硬化和剪縮現(xiàn)象的發(fā)生。此時(shí)圍壓擠壓顆粒產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)在剪切過(guò)程中占主導(dǎo)作用，因而無(wú)水合物和含水合物土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于重合。

圖5 凈圍壓3 MPa下不同干密度含水合物土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of hydrate soils with different dry densities under confining net pressures of 3 MPa

2.2 強(qiáng)度特性

圖6給出了試樣的破壞強(qiáng)度與干密度的關(guān)系曲線，主要用來(lái)分析密實(shí)度對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律。從圖6(a)中可以發(fā)現(xiàn)，在凈圍壓1 MPa下，隨著水合物飽和度的增加，三種密實(shí)度試樣的強(qiáng)度均逐漸增加；低水合物飽和度和無(wú)水合物試樣的破壞強(qiáng)度受密實(shí)度的影響不大，Hyodo等[15]通過(guò)研究不同細(xì)粒含量含水合物沉積物的力學(xué)性質(zhì)也得出了細(xì)粒含量較高的沉積物的強(qiáng)度受密實(shí)度影響較小的結(jié)論。在水合物飽和度較高時(shí)，高密實(shí)度試樣強(qiáng)度為3.82 MPa，中密實(shí)度試樣強(qiáng)度為4.06 MPa，低密實(shí)度試樣強(qiáng)度為3.86 MPa?？梢钥闯觯忻軐?shí)試樣強(qiáng)度高于低密實(shí)度、高密實(shí)度試樣。圖7給出了含水合物土剪切強(qiáng)度的機(jī)理分析圖。經(jīng)分析，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是密實(shí)度不同的試樣中水合物在孔隙中生成后的賦存模式略有不同，在低密實(shí)度下，部分水合物顆粒生成后填充于土顆粒的孔隙中，對(duì)沉積物強(qiáng)度貢獻(xiàn)較低，小部分水合物對(duì)土顆粒起支撐和膠結(jié)作用。在中、高密實(shí)度下，水合物更加均勻地膠結(jié)在顆粒表面形成膠結(jié)面，抑制了顆粒的運(yùn)動(dòng)和粘滑行為并增強(qiáng)了土顆粒間的結(jié)構(gòu)性，含水合物沉積物試樣的強(qiáng)度得到顯著增加。然而，水合物膠結(jié)效應(yīng)隨著剪切的進(jìn)行逐漸被破壞，而密實(shí)度的高低能夠影響其破碎程度，相較于低、中密實(shí)度試樣，高密實(shí)度試樣的孔隙土顆粒間相互摩擦、錯(cuò)動(dòng)活動(dòng)更加劇烈，膠結(jié)破壞嚴(yán)重，從而抑制了水合物對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)；在兩種影響下，處于中密實(shí)度的含水合物土強(qiáng)度最高。

圖7 不同密實(shí)度含水合物土剪切機(jī)理Fig.7 Shear mechanism of hydrate-bearing soil with different compactness

對(duì)比圖6(a)和圖6(b)不難看出，隨著凈圍壓的增加，試樣強(qiáng)度出現(xiàn)顯著的增加。但在3 MPa凈圍壓下，含水合物土與無(wú)水合物土強(qiáng)度相差不大，密實(shí)度與水合物飽和度對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)微乎其微。這是因?yàn)閮魢鷫涸龃髸r(shí)，較細(xì)的顆粒在擠壓作用下會(huì)填充到較粗顆粒的孔隙中，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，整體呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)，且由于凈圍壓的增大限制了顆粒的自由運(yùn)動(dòng)和裂縫的生長(zhǎng)，從而增大了土顆粒之間的摩擦[22]，致使試樣的強(qiáng)度得到增強(qiáng)。與此同時(shí)，水合物在剪切力與凈圍壓的作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷，喪失了對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

圖6 不同凈圍壓下含水合物土的破壞強(qiáng)度與干密度的關(guān)系Fig.6 Relationship between failure strength and dry density of hydrate-bearing soil under different net confining pressures

2.3 割線模量

土體剛度與顆粒間的相互作用、顆粒接觸面積以及摩擦阻力等密切相關(guān)[23]。為了描述密實(shí)度對(duì)含水合物土體剛度的影響，選用割線模量Es來(lái)表示含水合物沉積物試樣的剛度。割線模量是應(yīng)力-應(yīng)變曲線上軸向應(yīng)變1.0%時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)和原點(diǎn)之間的直線斜率[24]。圖8給出了試樣的割線模量與干密度的關(guān)系。對(duì)比圖中數(shù)據(jù)可以看出，在1 MPa凈圍壓下兩種水合物飽和度和無(wú)水合物試樣的割線模量隨著密實(shí)度的增加呈線性增長(zhǎng)；在3 MPa凈圍壓下割線模量的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯減弱。這是因?yàn)樵嚇痈擅芏仍酱?，密?shí)程度越高，顆粒間接觸越充分，在圍壓與剪切力的作用下，水合物與土顆粒間咬合、摩擦作用越明顯，割線模量越大。然而，在高凈圍壓作用下，試樣中粒徑較小的土顆粒受到擠壓填入大粒徑土顆?？紫吨?，進(jìn)一步增加了密實(shí)程度，此時(shí)試樣剛度主要受凈圍壓影響，而與初始密實(shí)程度關(guān)系不大。

從圖8中還可以看出，相同密實(shí)度下，在1 MPa和3 MPa凈圍壓下，水合物的賦存都能提高試樣的剛度，這與Kasama等[25]所觀察到的結(jié)果相一致。然而隨著凈圍壓的增加，水合物對(duì)剛度的貢獻(xiàn)受到抑制。究其原因，相同密實(shí)度下水合物將沉積物顆粒膠結(jié)在一起，從而增強(qiáng)了沉積物的抗變形能力[22]。然而較小的凈圍壓低于試樣的屈服應(yīng)力，在固結(jié)階段對(duì)水合物膠結(jié)效應(yīng)影響不大；而較大的凈圍壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)試樣的屈服應(yīng)力，致使水合物膠結(jié)效應(yīng)在固結(jié)階段出現(xiàn)明顯的損傷，膠結(jié)鏈逐漸斷裂，削弱了水合物膠結(jié)對(duì)剛度的影響[22]。

圖8 不同凈圍壓下含水合物土的割線模量與干密度的關(guān)系Fig.8 Relationship between secant modulus and dry density of hydrate-bearing soil under different net confining pressures

3 結(jié)論

本文以細(xì)粒土作為沉積物骨架，采用富氣法制備含天然氣水合物沉積物試樣，通過(guò)一系列三軸壓縮試驗(yàn)，分析了密實(shí)度對(duì)含水合物土力學(xué)特性的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出如下結(jié)論。

（1）隨著水合物飽和度的增加，中密實(shí)度含水合物土體的強(qiáng)度和剛度呈現(xiàn)明顯的增加，但是均表現(xiàn)為不同程度的應(yīng)變硬化行為。

（2）低圍壓情況下，低密實(shí)度和中密實(shí)度試樣均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，而高密實(shí)度含水合物試樣表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象，并且在高水合物含量時(shí)更加明顯；而在高圍壓情況下，密實(shí)度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響并不明顯。

（3）含水合物土體的剛度隨著密實(shí)度的增加會(huì)增強(qiáng)，但是較高的圍壓會(huì)抑制這種增強(qiáng)效應(yīng)；在密實(shí)度越高的情況下，膠結(jié)賦存模式的水合物越多，但剪切行為也會(huì)破碎更多的水合物，這兩者行為共同影響了含水合物土體的強(qiáng)度。因此，含水合物土體在中密實(shí)度情況下的強(qiáng)度最高。