天然气水合物分解对沉积物力学特性的多尺度影响机制及其海底边坡稳定性研究

这篇研究采用离散元-有限元(DEM-FEM)耦合的多尺度方法，创新性地建立了考虑温度效应的水合物接触模型，通过代表性体积单元(RVE)揭示了水合物分解过程中沉积物(HBSs)的微观力学响应机制。研究发现水合物饱和度降低会导致沉积物承载力下降，破坏模式与剪切带形成、颗粒旋转及孔隙率变化密切相关。研究进一步模拟了分层水合物分解对三轴压缩强度的影响，并首次通过多尺度模型量化了海底边坡因水合物分解导致的水平位移和剪切应变演化规律，为天然气水合物(NGHs)安全开采提供了重要理论支撑。

　　

Highlight亮点

• 开发了考虑温度效应的新型水合物接触模型，建立了精确表征水合物沉积物(HBSs)力学行为的代表性体积单元(RVE)

• 通过离散元(DEM)模拟验证了RVE在预测水合物沉积物有效力学特性方面的可靠性

Section snippets研究片段

FEM模型构建

针对准静态问题，区域Ω的平衡方程可表述为：?·σ + ρg = 0。根据虚功原理，其弱变分形式为∫Ω δu:σ dV = ∫?Ωt δu·t dA + ∫Ω ρδu·g dV，其中σ为内应力，g是重力加速度，ρ表示密度。

3D水合物沉积物RVE构建

开发的RVE能精确反映HBSs力学行为。首先建立温度依赖性粘结接触模型RVE，通过三轴压缩模拟与实验数据对比验证其有效性。随后构建不同水合物饱和度水平的RVE，为多尺度分析奠定基础。

NGHs分解的多尺度建模

为降低计算成本，建立二维RVE进行双轴压缩试验。该模型包含1331个颗粒，尺寸为5.4 mm × 5.4 mm，成功集成到有限元框架中，实现从微观到宏观的跨尺度力学行为预测。

不同区域NGHs分解对力学特性的影响

沉积物分层分布显著影响HBSs力学性能。通过改变分层角α的双轴模拟发现：随着α增大，三轴压缩峰值载荷降低，且达到峰值强度所需的轴向应变减小，揭示了各向异性对水合物沉积物破坏模式的影响规律。

水合物分解对海底边坡变形稳定性的影响

基于南海神狐海域地质特征建立二维边坡模型。多尺度模拟表明：水合物分解进程和温度升高会导致水平位移发展和剪切应变出现，最大剪切应变在海底边坡下方呈弧形分布，显著增加海底滑坡风险并破坏边坡稳定性。

Conclusion结论

DEM-FEM耦合的多尺度方法有效桥接了微观颗粒相互作用与宏观现象之间的鸿沟。研究发现水合物分解会通过改变沉积物剪切带形成、颗粒旋转等微观机制，最终影响宏观边坡稳定性，为天然气水合物安全开采提供了重要理论依据。