饱和土液化

 饱和砂土的液化是一种重要的土体破坏形式，与滑坡泥石流等载荷、地震引起的结构物破坏等密切相关。由于涉及到孔隙水和土体骨架在静动载下的相互作用，以及孔隙水压的累积、土体骨架的破坏过程，到目前为止，仍然是土力学研究人员致力于解决的问题。在这方面的工作如下:

 侧限条件下饱和土体本构：通过系列实验，获得了侧限往复荷载条件下不同松密程度的细砂在加、卸载路径，包括等幅的及不等幅情况下的应力应变数据；并获得了以双曲线形式表述的砂土应力一应变关系,包括加载曲线和卸载曲线，可以反映非线性和滞回特性并能方便地应用于液化分析；

 垂向动载荷下的饱和砂土液化发展：详细分析主要因素对垂向载荷下液化的影响，分析了垂向动载荷作用下空分析压力、有效应力、变形、液化区扩展等参数的发展演化过程液化后土体中水层产生及演化：首先对土体液化条件和发展进行了研究，然后重点对液化后"水层"的产生条件和发展演化规律进行了较深入的研究，获得了"水层"形成、扩展和闭合的演化过程的机理，并将研究结果用于滑坡和泥石流的起动分析。主要完成的工作包括： (1) 提出针对该问题的考虑土体中细颗粒冲刷与重沉积的拟三相介质数学模型，以及渗透率随孔隙和孔隙中细颗粒含量变化的关系； (2) 获得了饱和砂层液化后"水层"产生的条件； (3)获得了水层扩展、闭合的演化特性：砂层液化后，发生重固结，细颗粒被孔隙水流从骨架上冲刷下来并随孔隙水运动。细颗粒的运移使得初始分布有微小不均匀的孔隙更加不均匀，在某处出现堵塞，堵塞位置下孔隙水发生集中，形成只有水的"水层"(下图a)；当堵塞处由于某种原因如孔压差增加到一定程度而被冲开，则"水层"又会逐渐消失(下图b)。

 岩土局部化变形的形成与演化是当前国内外力学界和土工界共同关心的问题。饱和土的局部化变形一般是指薄的剧烈变形的局部化带。由于很多岩土体的变形特征是由剪切带内岩土特性控制的，故对该问题的研究具有重要的实际意义。一般地将岩土中的局部化变形视为连续介质的分岔问题。这部分的研究工作主要为：

 基于分岔理论，获得了饱和土体中剪切带在简单剪切、平面应变剪切、反平面剪切等条件下的剪切带产生条件。

 致密储层的非常规油气藏既具有重要的开采潜力，储层具有包含微裂隙和微小孔喉的多重孔隙结构以及应力敏感性强的特征。多重孔隙网络模型不仅可以考虑基质、微小孔隙、裂隙三部分，而且引入孔隙和微裂隙的微观流动和基质变形的物理机制。因此，本项目将研究：1）含微裂缝系统的超低渗透油藏储层的孔隙结构和变形特征和表征参数；2）基于实验统计规律和物理机制的多重孔隙网络模型及模拟技术；3基于建立的多重孔隙网络模型分析含微裂缝的低渗储层渗流特性。

CT扫描实验
 建立了三维孔隙网络模型模拟软件，可实现静态、准静态和动态的不同孔隙结构类型和不同孔喉分布的油水两相驱替的数值模拟，根据动态孔隙网络模型的经验，在模型中可引入微观变形和渗流的物理机制，从而开展超低渗透油气藏微观流动机理的研究。

 建立了三维孔隙网络模型模拟软件和双重逾渗模型,也可进行裂隙连通性、含裂隙双重网络的渗透率的分析和模拟。

 应力敏感性这一影响因素，对低渗透条件下单相一维渗流和径向流，以及油水两相一维渗流的理论公式进行了推导，并通过数值计算，研究了渗流过程中压力分布、流量以及渗透率的变化规律及其影响因素。 

泥石流

 通过研究震后泥石流物源区松散土物理和土力学特性的变化、坡面降雨入渗、产流，及与地震耦合作用下泥石流形成机理，提出震后松散土体泥石流启动的判据，为灾区震后重建和灾区社会经济的长期发展提供科学依据，为灾区重点区域的泥石流监测和预警报提供理论方法和途径(1) 降雨起动与降雨历时的关系、冲刷量与水量间的关系、细颗粒对泥石流起动的影响；获得了细颗粒在泥石流起动中的作用；获得了泥石流起动条件。 (2) 提出泥石流的流变关系； (3) 泥石流起动模式。

 吸力式桶形基础是近年来正在开发的一种新型海洋平台基础，其形状像一个倒扣的圆桶。在"十?五"期间，我们课题组争取到海洋石油总公司与中科院针对这种新型基础的联合支持。桶形基础在受到动载（如动冰载、波浪载荷）作用后，与地基相互作用；地基在动载下将产生液化或软化，承载力降低，导致桶形基础变形甚至失稳。这是一个涉及动态渗流和土体液化和软化的复杂的结构与土体的相互问题。目前在海洋平台基础承载力特性研究方面，主要获得了如下的成果。

实验方面

 在国内首次研制并建成用于高速离心上承受加速度150g的静、动力加载系统（图11）。该系统除了可以分别提供静、动载荷，还可以提供在静载荷基础上施加的动载荷，可以提供的动载荷具有高频（最大频率200Hz）、大载荷幅值（最大输出力200N）、体积小和自重轻（直径15cm，长度18cm，自重15kg。）的特点，以满足离心机实验的要求。同时研制了多通道的孔压、变形和力的多种类实验数据测量系统以及模型箱。加载系统、测量系统和模型箱构成一套离心机实验系统，并很好地用于桶形基础承载力实验。后来多家单位（天津大学、中国军事医学科学院、广东某企业）来咨询并请我们为其加工这类系统。另外，研制了用于土性实验的静动三轴仪、改造了原有的固结仪、测量设备等，形成了整套的从土性实验到不同尺度模型实验的系列装置。

 用自行研制的离心机实验系统在国内率先开展了系列的桶形基础静、动载离心机实验（图1），在国内首次得到了动载下桶形基础承载力的一些关键特性和数据，如桶基周围土体在动冰载荷下的响应可以分解初期和后期阶段，初期只有明显的孔压增长直到液化，后期才有明显的变形伴随孔压消散；长时间动载荷下存在一个有限的影响区和沉降（图2）。同时给出了影响区特征尺度和发展到液化所需的特征时间的估算方法，为工程设计提供了定量的依据，主要特征参数是：在设计条件下（渤海工况）变形区约为桶深的一倍；液化区发生在上部近0.4倍桶深；沉降量约为桶深的14％；承载能力降低约20%；地基的液化临界应力比为15％。

 提出了新的离心机渗流模拟方法，可以不换材料，而采用对实验结果进行小参数修正的办法。

理论分析和数值模拟方面

 提出了基于摄动理论的桶形基础动载响应分析方法，使得工程设计有了实用的理论分析工具，用该方法获得了在高频外载作用和零阶近似条件下渗流效应可忽略的结论，为简化实验和分析提供了依据。
建立了桶形基础静、动承载力的分析软件系统。

工程应用方面

 得到了分析桶形基础承载力的整套方法，其中包括：土工地质调查、实验方案、计算模拟、承载力分析等；
上述研究结果已经用于实际工程，包括为长江口防波堤大圆筒安全性评估、渤海JZ-93桶形基础平台承载力分析、用于风电塔的桶形基础设计。

天然气水合物研究

 天然气水合物被普遍认为是21世纪替代煤炭、石油和天然气的新型洁净能源。目前世界上已有100多处海域直接或间接发现了天然气水合物。2007年，我国在南海北部陆坡成功取得了水合物样品；2008年，我国在祁连山南麓成功取得了水合物样品。我国已将水合物开采研究列入了国家中长期科技规划中的重大专项"大型油气田勘探开发和煤层气开采"中。争取到如下课题的支持：（1）国家重大专项"大型油气田和煤层气开采"子课题 "水合物分解渗流及对地层和结构安全性影响" （2008年-2020年）；（2）863子课题：水合物开采关键技术预研（2006年-2015年两期）；（3）院创新方向性项目子课题：水合物沉积物力学性质和热物性特性研究（2005年-2010年）；（4）院创新方向性项目子课题：水合物沉积物渗流特性研究（2009年-2012年）；（4）所创新重点项目：水合物力学和热物性实验（2007年-2009年）；（5）自然科学基金面上项目：水合物分解对结构物安全性影响（2008年-2010年）；自然科学基金面上项目：水合物分解对结构物安全性影响（2010年-2012年）。目前在水合物研究方面主要完成了如下的工作：

1. 实验设备

 研制成功了我国第一套水合物合成与力学性质一体化装置。该套装置除了常规的应力、应变、体变、围压等参数测量外，还具有超声、温度和电阻测量功能。包括温控系统、水合物合成系统和三轴应力应变实验系统。整套装置置于4m2的低温室中。利用该装置可以合成水合物，并在不移动样品的情况下直接进行水合物及其沉积物的力学性质实验，避免非一体化装置中水合物合成后移动分解带来的力学性质测量的误差。系统参数为：最大围压14MPa， 温度+20~-20°C，试样直径：3.9cm，高度：8.0cm。研制了国内外第一套水合物分布区结构物安全性的离心机实验装置（图3a），另外还研制了小尺度模型实验装置（图3b）。离心机用压力室可承压5MPa压力，直径90cm，高度145cm，内装有土压力传感器、水压力传感器、位移传感器、温度传感器、照明和摄像头。研制了一维（图4a）和柱对称（图4b）水合物开采方法实验装置。一维装置的试件直径4.0cm，长度100cm，流量精度0.5%，最大围压30MPa，温度-20-20℃，劳伦斯实验室有一套类似装置（14cm，实验5MPa），利用该装置可测量降压、注热、注气等条件下水合物分解过程中的压力温度沿长度方向的变化，并且可与岩土CT结合测量分解过程中孔隙、水合物饱和度等微观参数的变化。柱对称装置的试件直径50.0cm，最大高度50cm，可调节，流量精度0.5%，最大围压40MPa，温度-30-20℃。利用该装置可模拟三维水合物分解渗流的演化过程，也可以进行水合物分解引起的地层和结构安全实验，因为在该装置中安装有加热、注热等部件。          

水合物及沉积物力学性质研究

 利用前述研制的水合物沉积物合成与力学性质一体化实验装置进行了系列的力学性质实验，在国内率先开展了人工水合物沉积物和南海与祁连山水合物沉积物的力学性质研究，获得了水合物形成前后沉积物的强度和应力应变曲线、纯水冰、水冰沉积物、CO2水合物沉积物和四氢呋喃水合物沉积物的强度、渗流性质、水合物分解对其动力学性质的影响等；最后在这些实验数据的基础上，提出了水合物沉积物的力学参数与各组分相应参数间的关系模型（图5a-c）。

水合物分布区内的海工结构安全性研究

 在国内最早系统开展水合物分解对地层和其中结构安全性的研究。利用前述研制的水合物区结构安全性实验装置，进行了水合物分解引起的地层和结构安全性的小模型和离心机模型实验研究，得到了基础承载力随水合物分解而变化的基础数据。实验中发现了两种新的破坏形式：在不同盖层和环境温度压力条件下，水合物分解除了可引起地层滑塌变形和基础承载力降低外（图6），还可引起地层的分层现象和剧烈喷发现象，这是对水合物区深海油气开采和水合物开采具有严重威胁的两种现象（图7）。这些破坏现象引起了我国产业部门的高度重视。

 采用ABAQUS商用有限元程序，根据典型的水合物地区的天然气水合物沉积物层分解前后和其上覆土层的物性和强度参数，对海底管道和其附近地层的应力和位移场随着水合物分解范围逐渐扩大的情况进行了数值计算（图8a）。水合物分解对地层和其中管道的变形和应力分布的变化影响显著，随着水合物分解范围的扩大，管道和地层的变形显著扩大，管道由弹性变形逐渐变化为整体倾倒变形即失稳；在只有管道供热条件下管道附近水合物分解范围有限（图8b）。在工程设计中，为保证地层中管道等结构物的安全，可采取措施使管道附近水合物的分解范围控制在管道等结构物稳定的临界值之内。

水合物沉积物中热传导的理论分析和喷发及分层破坏的临界条件

 与常规的热传导不同，水合物沉积物中的热传导伴随着水合物相变、水的汽化等过程，这样就在沉积物中形成不同性质和组分的区域。于是根据混合物理论，建立了简便且符合实际的数学模型： 
利用该方程进行的分析表明，随着水合物的分解，由于各相态的潜热不同，水合物沉积物可以分成四个区间：（1）水蒸气、四氢呋喃气体、土骨架；（2）四氢呋喃气体、液态水、土骨架；（3）四氢呋喃液体、液态水、土骨架；水合物未分解区域：（4）四氢呋喃水合物、土骨架如图9。在个相态界面处存在温度梯度（图10a），各相态的阵面内波速度不一样。相阵面的理论分析结果与实验结果吻合较好（图10b）。 在实验观察和力学极限破坏分析方法基础上，提出了水合物分解导致地层喷发和分层破坏的临界条件。