卸荷作用下含气砂灾变失稳机制与变形演化特征研究

气相赋存的不稳定特性决定了自然界中含气土具有独特的力学性状，而自然或人为的卸荷作用触发大量气体出溶是导致含气土工程灾变的重要诱因之一。本项目拟针对气相以封闭气泡和溶解相态赋存的含气砂进行研究，考察其在外部卸荷条件下的短期不排水行为特性，阐明含气砂的卸荷力学响应机制并揭示其灾变机理。主要研究包括：(1)基于试验对比分析，探索适宜的含气砂土人工制样和室内量测方法。(2)通过GDS三轴试验，解析气体脱溶、膨胀及初始状态和应力水平等因素对含气砂孔压响应、强度和变形特性的影响，探讨其在卸荷作用下的短期强度与变形演化规律，认清其破坏模式，阐明破坏条件并给出破坏判据。(3)考虑气相效应和孔隙流体的压缩性，建立能够描述含气砂强度与变形特性的宏观本构模型，实现其卸荷力学响应过程的数值描述和预测分析。成果可为含气土区域内的工程建设、能源开采与资源利用及近海岸工程中的防灾减灾提供理论依据和技术支持。

以浅层气工程地质灾害为背景，从浅层气的组分和成因条件出发，探讨了含气土的分布特征、成因机制和赋存状态。采用沸石技术和自行研制的变压可控气体置换反应装置和高压溶气饱和试验装置，在实验室环境下，探索出适宜的含气土室内人工模拟制样与量测方法，并检验了方法的有效性。现场调研发现，粉砂是杭州湾浅层气体的主要储集层，而贝壳砂则是温州湾浅层气的主要储集层。基于室内试验，分别对杭州湾含气粉砂和温州湾含气贝壳砂进行强度与变形特性试验。结果表明：含气砂土是一类特殊的非饱和土，借助非饱和土力学原理，可实现基于饱和土试验的非饱和参数预测；不同应力路径下含气砂土的强度可用统一的幂指函数来描述；贝壳砂在变形过程中存在显著的颗粒破碎现象，引入基础熵，可有效的评价贝壳砂的颗粒破碎特性，并发现颗粒破碎粒度熵与围压之间存在明显的双曲线关系。借助GDS三轴试验，研究了卸荷作用下含气粉砂的不排水力学响应特性与体变规律，揭示出气体脱溶膨胀引起的孔压响应是含气砂土卸荷灾变的主要影响机制；基于稳态强度理论，建立了描述含气砂土卸荷力学响应特性的弹塑性力学模型。以气体释放路径试验为基础，分析了含气砂土的变形特征，建立了描述气体释放工程路径下含气砂土的本构模型，借助三轴试验和数值模拟试验对比，验证了模型的可靠性。此外，针对浅层气工程地质灾害特点，给出工程不同实施阶段的灾害防治措施。研究成果可为能源开采与资源利用和近海岸工程的防灾减灾提供理论和技术支持。