深海能源土桩基承载特性的宏微观机理研究

Methane hydrate bearing sediments (MHBS) are extensively found in permafrost regions and deep seabed. MHBS is regarded as the potential source of future green energy, providing promising solution to meet the increasing demand of energy in China as a result of rapid economic growth and relieve the pressure on our environment. However, exploitation of MHBS from deep seabed could trigger severe failure of foundation structures of widespread offshore infrastructures. This is a critical engineering concern that deserves intensive attention. Among other relevant subjects, the mechanism of interaction between MHBS and foundation structures is the most fundamental question which will lead to a possible solution. The local interaction between soil particles and hydrates at the pore scale plays an important role in controlling the interdependent macroscopic behavior of MHBS, and further affect the response of structures embedded in MHBS such as piles. Thus, this project will combine physical modeling and distinct element analysis to investigate the micro and macro mechanism of interaction between MHBS and piles, to reveal the major performance in terms of bearing capacity of a single pile embedded into MHBS and the key influential factors, to demonstrate degradation law of bearing capacity of the pile in MHBS attributed to thermal dissociation of MHBS, which is controlled by the mechanism at the particulate scale. The objective of this project is to establish the fundamental principal for a set of appropriate methodology for assessing the bearing capacity of pile foundations in MHBS, and to secure the energy strategy of our country.

能源土是广泛分布在永久冻土区和深海海床的含天然气水合物的土体，是解决我国未来能源战略需求、缓解巨大环境压力的新型绿色能源。但是，未来深海能源土开采可能诱发海洋平台的基础破坏，是潜在的重大工程隐患之一。深海能源土与基础结构相互作用机理是认识深海能源土基础承载性能的关键科学问题，存在非常广阔的探索空间。深海能源土微观力学行为是导致其错综复杂的宏观力学响应的本质原因，并进而影响其与结构物的相互作用规律。本项目拟采用物理模型试验和离散元数值模拟的互补研究方法，研究深海能源土与桩基相互作用的宏微观机制，揭示深海能源土地基中单桩承载性能的基本特征及关键影响因素，阐明水合物热分解引发的桩基承载性能劣化规律及其与微观颗粒行为演化的内在关联，建立深海能源土桩基承载力的评价方法，为完善深海能源土地基与基础设计理论和方法、保障我国深海能源土可持续开发战略顺利实施提供重要的理论依据。

天然气水合物是解决我国未来能源战略需求、缓解巨大环境压力的新型绿色能源，全球广泛分布在永久冻土区和深海海床的沉积物（称为能源土）中。然而，未来深海能源土开采可能诱发海洋平台基础破坏，带来潜在的工程隐患。为了完善深海能源土地基与基础设计理论和方法，保障我国深海能源土可持续开发战略的顺利实施，本项目围绕深海能源土与基础结构相互作用机理之一关键科学问题，采用物理模型试验和数值模拟分析相结合的研究方法，开展了深海能源土中基础结构承载特性宏微观机理的研究。主要研究内容包括：1）深海能源土基础结构宏观承载性能基本特征的缩尺模型试验研究，揭示关键影响因素支配下深海能源土基础承载性能发挥模式和宏观变化规律；2）深海能源土基础结构承载性能演化宏微观机制的数值模拟研究，揭示支配深海能源土基础结构承载性能发挥和演化的内在微观物理机制。.围绕上述研究内容，本项目的主要成果包括：1）研制了一套水合物热开采过程中基础抗拔性能模型试验装置；2）开发了水合物合成/分解THMC耦合数值分析模块；3）建立了含水合物地基锚板桩基础拉拔承载力系数与影响因素的定量关系； 4）结合物理模型试验和数值模拟分析，阐明了深海能源土基础结构承载性能发挥与演变的宏微观机制。研究成果有助于丰富水合物开采工程相关研究的试验手段和数值分析工具，可以推广到水合物开采相关的土体-结构相互作用的物理模拟和边值问题分析，对于发展含水合物土体与复杂结构的相互作用理论具有学术意义，可为水合物富集区深水基础结构承载力估算、水合物开采工程环境影响评价等工程实践提供理论参考。基于上述研究，培养毕业研究生3名，正式发表学术论文12篇，获软件著作权1项，申请发明专利1项。