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饱和砂中气体运移及地基破坏变形模型试验研究

龙轶雯, 王思刘, 孙伟伦, 孔德琼, 王路君, 朱斌

龙轶雯, 王思刘, 孙伟伦, 孔德琼, 王路君, 朱斌. 饱和砂中气体运移及地基破坏变形模型试验研究[J]. 岩土工程学报. DOI: 10.11779/CJGE20241030
引用本文: 龙轶雯, 王思刘, 孙伟伦, 孔德琼, 王路君, 朱斌. 饱和砂中气体运移及地基破坏变形模型试验研究[J]. 岩土工程学报. DOI: 10.11779/CJGE20241030
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Experimental study on mechanisms governing gas migration in saturated sands and resultant soil deformation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering. DOI: 10.11779/CJGE20241030
Citation: Experimental study on mechanisms governing gas migration in saturated sands and resultant soil deformation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering. DOI: 10.11779/CJGE20241030
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饱和砂中气体运移及地基破坏变形模型试验研究  English Version

  • 建筑工程学院, 浙江大学, 杭州, 310058, 中国;2

基金项目: 模拟深海岩土介质气体运移及诱发灾变的实验装置(52127815);海底重力流相物质运移机理及灾变评价(LR23E090001);多相介质超重力相演变(51988101);陈云敏；杨树锋；韩晓东；周创兵；詹良通

Experimental study on mechanisms governing gas migration in saturated sands and resultant soil deformation

摘要

    摘要
  • 摘要: 气体赋存与运移现象在海底沉积物中普遍存在，相关规律和机理的研究对于海底设施服役安全评价、海底地貌变化解读以及温室气体泄露预测等方面具有重要意义。为研究饱和砂性土中气体运移及地基破坏变形模式，本文研制了具备持续恒流精准注气能力的双缸柱塞泵，对0.15～0.3 mm（SG组）和0.3～0.6 mm（LG组）两种粒径土样进行了注气试验。试验结果表明：同一粒径的土样中气体突破土体的临界压力与气体注入流量表现出较强的线性相关性，且两种粒径试验组的突破压力差值与其配位数线性插值得到的最小毛细管压力理论值近似。SG组砂土中普遍发生毛细入侵-劈裂破坏；LG组砂土在低速注气下仅发生毛细入侵，在高流量下则先毛细入侵再发展为劈裂。定义了两个无量纲参数ΧC和ΧE衡量毛细力和超孔压对土体破坏变形模式的影响：ΧC影响毛细入侵过程中的运移方向和土体内部的气体饱和度；ΧE>1为发生劈裂破坏的必要条件，且ΧE值越大，初始劈裂起点高度越低。高流量SG组砂土试验中气体持续释放阶段的注气压力有明显的下降趋势，根据颗粒的流动特征可以推测土体发生流态化。分层土长历时注气试验结束呈现的V形土层特征可为流体管道反复喷发导致的地层变形相关假说提供试验论据。
    Abstract: Gas accumulation and migration are common in marine sediments, impacting the safety of subsea infrastructure, the evolution of submarine morphology, and potential greenhouse gas leakage. This study developed a dual-cylinder plunger pump for precise long-term gas injection to investigate gas breakthrough, migration, and associated deformation in saturated sands. Injection tests were conducted on soil samples with particle sizes of 0.15-0.3 mm (Group SG) and 0.3-0.6 mm (Group LG). Results show a strong linear correlation between breakthrough pressure and flow rate for the same grain size. Analysis indicates that the breakthrough pressure difference between the two grain sizes approximates the theoretical minimum capillary force calculated from linear interpolation of the coordination number for different particle arrangements. Regarding deformation patterns: In SG and LG under high injection rates, gas initially invades via capillary invasion, followed by fracture invasion. At low injection rates, LG exhibits only capillary invasion. Two dimensionless parameters, ΧC and ΧE, were introduced to quantify the influence of capillary forces and excess pore pressure. ΧC governs flow direction during the capillary invasion and the gas saturation of the soil. ΧE>1 is a necessary condition for fracture invasion and influences the height of the initial fracture onset. At high injection rates in SG, a downward trend in injection pressure suggests soil failure and fluidization. V-shaped features seen in layered soil in long-term gas injection tests can provide evidence for hypotheses related to stratigraphic deformation caused by repeated eruptions of fluid in conduits.
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  • 收稿日期:  2024-10-15
  • 网络出版日期:  2025-04-09

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