建筑材料物理力学特性对不同结构房屋承重最大化研究

卫剑霞

(长治学院沁县师范分院，山西 长治 046400)

在沉积物中形成天然气水合物时，不同形成过程，使得水合物将形成不同结构，通过实验室样品和有效应力条件进行的大量的实验证明[1]，随着建筑材料饱和度增加，压缩速度VP和剪切速度VS都会增加，同时也反映了建筑材料对小应变剪切刚度和沉积物体积模量的影响[2]。

在实际环境中，建筑材料物理力学特性在钻孔到区域尺度的水合物沉积物特征中获得了广泛的应用[3]，钻孔声波常用于估算水合物饱和度。垂直房屋承重剖面、海底电缆数据以及利用房屋承重属性，全波形反演和其他分析方法也被用于推断房屋结构的能力和抗震性。在这些研究中，房屋承重速度作为房屋抗震性函数的校准，用于基于宏观尺度的扩展和根据经验为房屋构筑物开发的微观结构关系[4-5]。

本文曾试图获取详尽的、内部一致的研究性实验室数据集，即记录了一系列不同结构房屋类型、有效应力条件和建筑材料饱和度下的小应变力学性质。这样的数据集是进行适当校准的关键的第一步，而它往往是以较低的频率和平均长度尺度获得，而不是实验模拟的数据。

1 基本物理力学实验

本研究中建造了两个实验室样品，以研究零横向应变条件下的建筑材料(见图1)。低流体压力单元在大气流体压力下操作，并用于收集复介电常数、压缩性以及数据。

图1 小应变机械测量而构建的实验单元

低流体压力单元和高流体压力单元的测试顺序包括加载到预定的垂直有效应力，冷却以形成水合物，加热以解离水合物，然后加载到下一个加载阶段，最后阶段为对低流体压力室内含水合物的建筑材料试样进行卸载。在每个阶段确定VP和VS的值，以研究和分析其对从原位(现场)条件取回样品的影响[9-12]。

1.1 无水合物沉积物的可压缩性

1.2 剪切速度

图3显示含水合物样品的S速度远高于仅含水作为孔隙填充材料的相同样品。当Shyd≤0.5时，在所有沉积物中和所有应力水平下,VS均小于650 ms-1；在Shyd=1.0的沉积物中，VS达到1 200～2 300 ms-1。由于剪切刚度的增加，S的速度随着水合物饱和度的增加而增加。对于在Shyd中具有微小增量的砂子中的实验，剪切刚度的转变发生在Shyd≈0.4。在Shyd较高时，其中包括Shyd=0.5和1，水合物的存在对剪切刚度具有显着影响，并且变得比与垂直有效应力相关的硬化效应更重要。在高水合物饱和度下，小应变剪切刚度对垂直有效应力的变化不敏感。事实上，对于Shyd=1.0，变化几乎为零[16]。

图2 空隙率与垂直有效应力的关系

沉积物比表面压缩指数Cc流体a0% THF100% H2O流体b10% THF90% H2O流体c21% THF79% H2O膨胀指数Cs流体a0% THF100% H2O流体b10% THF90% H2O流体c21% THF79% H2O砂0.0190.020.030.030.010.010.01粉碎的淤泥0.1130.08-0.120.03-0.03粘土36.50.210.200.200.050.040.02沉淀的淤泥1200.701.401.400.140.120.05

1.3 压缩速度

水饱和沉积物的压缩速度由水相的体积模量控制。图4所示，由于孔隙率降低，Shyd=0的样品的VP值从脱气水的速度附近(V=1 480 ms-1)开始，随着垂直有效应力的增加而显示出轻微的增加，并且在固结期间增加房屋的刚度。当水合物浓度从0增加到0.5时，VP会有些微增加；当水合物浓度从0.5变为1时，VP会有明显的增加。图4所示的沙子，沉淀淤泥和粘土的结果与先前报道的数据一致。

图3 各水合物样等几方面对数空间中作为垂直有效应力函数的S速度

图4 各样品的对数线性空间中作为垂直有效应力函数的P速度

2 讨论

2.1 小应变泊松比

图5 所有有效应力水平下小应变泊松比

干沉积物的小应变泊松比v非常小(例如在0.05～0.15之间)，因为在颗粒间接触处局部化变形并且织物保持不变。绘制了在所有有效应力水平下，不同结构房屋类型图例(见图5)，其显示了VP和VS数据，以及从VP和VS推断出的Shyd=0(空心符号)，Shyd=0.5(灰色符号)和Shyd=1.0(实心符号)的小应变泊松比。叠加曲线对应于小应变泊松比的不同值。结果显示流体控制体积模量的演变，对于经受低垂直有效应力和缺乏水合物的样品，v接近0.5；对于高骨架刚度，在增加的垂直应力下v接近0.25，特别是当Shyd=1.0时。我们强调这些结果是水饱和沉积物的小应变泊松比的值，而不是粒状骨架，并且不应该用于分析含水合物沉积物中的大应变排水过程。

2.2 材料模型

对于含水合物的沉积物，我们选择了一个类似于将应力依赖的沉积物响应与水合物质量的刚度结合起来的数学模型。

(1)

其中因子θ反映了水合物与颗粒之间的微观结构关系，α和β值是从缺乏水合物的沉积物上进行的测试中提取的。在所有情况下，实验从溶解相THF形成水合物时θ≤0.15，而对于在不饱和介质中存在气相时形成的水合物，θ应该大得多。

图6—7所示，所有结构房屋的测量速度与估计速度(图例给出的符号)，水合物饱和度和重直有效应力水平。测量的VP不应用于确定水饱和含水合物沉积物的VS。Shyd的低值附近的VP中的测量误差在VS的估计中被放大。相反，测量的VS可以与每种组分的体积模量组合，以基于Biot-Gassmann型配方计算VP。对于骨架相对于矿物颗粒体积模量Bm的低刚度Bsk，VP可写为：

(2)

其中下标w，min和hyd分别表示含水合物的沉积物、矿物颗粒和水合物；νsk是骨架的小应变泊松比，通常为0.1±0.05。

图6 显示所有结构房屋的测量速度与估计速度

图7 水合物饱和度和垂直有效应力水平

3 结语