天然气水合物分解对海底结构物稳定性影响的研究

【摘要】：进入21世纪,随着经济全面飞速发展,人们对能源的需求与日俱增,油气资源巨大消耗,经济发展面临巨大考验。天然气水合物被认为是21世纪最具有开发前景的替代能源之一。然而,当环境条件改变时,破坏天然气水合物沉积层稳定性,释放出大量的气体和水,极大地降低海底沉积物工程力学特性,引起海底土体软化、边坡失稳、海底滑坡等地质灾害,进而毁坏海底工程设施,如海底基础、管线、钻井平台等。 由于水合物分解过程极其复杂,加之研究深海环境困难重重,目前关于水合物分解对海底结构物影响的研究较少,刚处于起步阶段。因此,现阶段有必要通过数值模拟手段针对水合物分解对水合物沉积层及其上工程设施的影响进行研究,以便为今后大规模海底开发活动提供参考。本文主要通过有限元数值模拟,研究水合物分解对海底结构物的影响规律,主要工作包括以下几个方面： (1)为研究水合物分解过程中水合物沉积物模量软化和强度衰减的过程,采用应力释放法,建立能够考虑水合物分解软化的有限元数值计算方法,开发了相应计算程序,并通过计算算例分析该程序的可靠性。 (2)首先,利用该程序计算水合物分解对海底斜坡稳定性影响,设计三种计算工况,分别研究模量软化和强度衰减对斜坡变形的影响。然后,进一步讨论水合物分解过程中斜坡上面不同厚度覆盖土层对斜坡稳定性和变形的影响。 (3)然后,分析在水合物沉积层中布设桩基础,当桩基础位于地层不同深度时,考虑桩端部承载力不同,分别比较桩端部在水合物层中和下部沉积层两种不同工况,分析水合物分解对桩基础及附近土层应力和变形影响规律。 (4)最后,研究桩基础距离水合物层不同距离时,水合物分解对桩基础的影响。对比设计了间距为10m,50m,70m和80m四种计算工况,以分析桩基础与水合物层间安全距离是多少时,水合物分解对桩基础应力和变形影响最小,可以忽略。以期为天然气水合物开发中海底桩基础的布置和稳定性分析提供参考。 【关键词】：水合物沉积物 数值计算 应力释放法 桩基础 稳定性
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P744.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 天然气水合物研究背景及意义9-12
• 1.1.1 天然气水合物的基本知识9-11
• 1.1.2 天然气水合物研究现状11-12
• 1.2 由水合物分解引起的海底斜坡失稳研究12-16
• 1.2.1 海底斜坡土体失稳机理12-13
• 1.2.2 海底滑坡实例13-15
• 1.2.3 水合物分解对海底结构物的影响15-16
• 1.3 水合物沉积层稳定性研究分析16-18
• 1.4 论文研究的内容、方法及意义18-20
• 2 水合物沉积层力学性质及数值计算方法20-30
• 2.1 引言20
• 2.2 水合物沉积物力学性质研究20-22
• 2.3 水合物沉积物本构模型22-25
• 2.4 考虑水合物分解软化的计算方法25-28
• 2.4.1 模量软化法25-26
• 2.4.2 应力释放法26
• 2.4.3 计算方法在程序中的实现过程26-28
• 2.5 计算软件简介28-29
• 2.6 小结29-30
• 3 考虑水合物分解的海底斜坡稳定性研究30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 数值计算模型及参数30-33
• 3.2.1 计算模型30-32
• 3.2.2 材料参数32-33
• 3.2.3 计算工况33
• 3.3 计算结果分析33-41
• 3.3.1 斜坡变形规律33-36
• 3.3.2 斜坡稳定性分析36-39
• 3.3.3 覆盖层厚度对斜坡变形的影响39-41
• 3.4 小结41-42
• 4 水合物分解对桩基础和地基的影响研究42-56
• 4.1 引言42
• 4.2 数值计算42-44
• 4.2.1 计算有限元模型42-44
• 4.2.2 计算参数44
• 4.3 计算结果分析44-54
• 4.3.1 位移变形分析44-51
• 4.3.2 应力分析51-54
• 4.4 小结54-56
• 5 桩基础与水合物层不同距离时水合物分解对桩基础的影响56-70
• 5.1 引言56
• 5.2 数值计算56-58
• 5.2.1 计算模型及工况56-58
• 5.2.2 计算参数58
• 5.3 计算结果分析58-69
• 5.3.1 水合物分解过程中桩的受力变形分析58-62
• 5.3.2 水合物层与桩基础不同距离时变形规律62-69
• 5.4 小结69-70
• 6 结论与展望70-72
• 6.1 结论70
• 6.2 展望70-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况76-77
• 致谢77-78

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