深海能源土桩基承载特性的宏微观机理研究

天然气水合物是解决我国未来能源战略需求、缓解巨大环境压力的新型绿色能源，全球广泛分布在永久冻土区和深海海床的沉积物（称为能源土）中。然而，未来深海能源土开采可能诱发海洋平台基础破坏，带来潜在的工程隐患。为了完善深海能源土地基与基础设计理论和方法，保障我国深海能源土可持续开发战略的顺利实施，本项目围绕深海能源土与基础结构相互作用机理之一关键科学问题，采用物理模型试验和数值模拟分析相结合的研究方法，开展了深海能源土中基础结构承载特性宏微观机理的研究。主要研究内容包括：1）深海能源土基础结构宏观承载性能基本特征的缩尺模型试验研究，揭示关键影响因素支配下深海能源土基础承载性能发挥模式和宏观变化规律；2）深海能源土基础结构承载性能演化宏微观机制的数值模拟研究，揭示支配深海能源土基础结构承载性能发挥和演化的内在微观物理机制。围绕上述研究内容，本项目的主要成果包括：1）研制了一套水合物热开采过程中基础抗拔性能模型试验装置；2）开发了水合物合成/分解THMC耦合数值分析模块；3）建立了含水合物地基锚板桩基础拉拔承载力系数与影响因素的定量关系； 4）结合物理模型试验和数值模拟分析，阐明了深海能源土基础结构承载性能发挥与演变的宏微观机制。研究成果有助于丰富水合物开采工程相关研究的试验手段和数值分析工具，可以推广到水合物开采相关的土体-结构相互作用的物理模拟和边值问题分析，对于发展含水合物土体与复杂结构的相互作用理论具有学术意义，可为水合物富集区深水基础结构承载力估算、水合物开采工程环境影响评价等工程实践提供理论参考。基于上述研究，培养毕业研究生3名，正式发表学术论文12篇，获软件著作权1项，申请发明专利1项。 2100433B

能源土是广泛分布在永久冻土区和深海海床的含天然气水合物的土体，是解决我国未来能源战略需求、缓解巨大环境压力的新型绿色能源。但是，未来深海能源土开采可能诱发海洋平台的基础破坏，是潜在的重大工程隐患之一。深海能源土与基础结构相互作用机理是认识深海能源土基础承载性能的关键科学问题，存在非常广阔的探索空间。深海能源土微观力学行为是导致其错综复杂的宏观力学响应的本质原因，并进而影响其与结构物的相互作用规律。本项目拟采用物理模型试验和离散元数值模拟的互补研究方法，研究深海能源土与桩基相互作用的宏微观机制，揭示深海能源土地基中单桩承载性能的基本特征及关键影响因素，阐明水合物热分解引发的桩基承载性能劣化规律及其与微观颗粒行为演化的内在关联，建立深海能源土桩基承载力的评价方法，为完善深海能源土地基与基础设计理论和方法、保障我国深海能源土可持续开发战略顺利实施提供重要的理论依据。

《污染红土的宏微观响应关系》以云南红土为研究对象，以盐酸、氢氧化钠、六偏磷酸钠、硫酸亚铁作为污染物，人工制备污染红土，通过宏观和微观试验手段，采用试验、理论以及图像处理技术相结合的研究方法，对比分析了云南污染红土的宏观工程特性及其对应的微结构特性。其研究成果对于有效防治红土的污染具有重要的指导价值。

混凝土自修复技术近年日益得到广泛关注，并陆续提出了若干种技术手段，得到部分修复效果的验证，但较少有深入的机理性理论研究。虽然有些学者试图从理论角度建立若干以为相为基础的宏观模型，进一步研究其作用机理，还没有学者针对混凝土材料自修复技术给出较完整的解释以便能指导自修复材料的设计。本项目针对混凝土材料自修复技术，结合宏微观尺度，通过微观试验考察微胶囊对混凝土内部微结构的变化影响，提取与强度及渗透性等宏观性能相关联的参数表证；建立基于微胶囊的混凝土性能修复模型；通过模拟胶囊的试验，研究胶囊材料、胶囊与混凝土界面参数的影响机制；建立胶囊与混凝土基体的相互作用模型；进而考察混凝土中微胶囊的影响机制，建立微胶囊自修复混凝土的力学性能及离子传输行为与微胶囊含量及粒径的量化关联模型。确立微胶囊对混凝土宏观性能回复的影响规律，为基于微胶囊的混凝土自修复材料设计奠定基础。 2100433B

混凝土自修复技术近年日益得到广泛关注，并陆续提出了若干种技术手段，得到部分修复效果的验证，但很少有深入的机理性理论研究。以申请人的调研结果看，虽然有些学者试图从理论角度建立若干以为相为基础的宏观模型，试图进一步研究其作用机理，还没有学者针对混凝土材料自修复技术给出较完整的理论解释以便能指导自修复材料的设计。本项目针对此问题，结合宏微观尺度，通过微观试验考察微胶囊对混凝土内部微结构的变化影响，提取与强度及渗透性等宏观性能相关联的参数表证；建立基于微胶囊的混凝土性能修复模型；通过模拟胶囊的试验，研究胶囊材料、胶囊与混凝土界面参数的影响机制；建立胶囊与混凝土基体的相互作用模型；进而考察混凝土中多胶囊影响机制，建立多胶囊力学分析模型及离子传输电化学弥散分析模型。确立微胶囊对混凝土宏观性能回复的影响规律，为基于微胶囊的混凝土自修复材料设计奠定基础。