一种水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统

1.本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统。


背景技术：

2.随着海洋强国战略的不断推进，我国能源开发也由陆地转向海洋，天然气水合物是一种重要的清洁能源，具有资源储量大、能量密度高、分布范围广的特点，是21世纪最具开发潜力的新型替代能源，且其中97％以上分布在海底沉积物中。外部环境变化会导致水合物分解，并释放大量自由气体，在海底高压情况下会产生显著的孔隙压力进而导致沉积物破坏，引发海底地层失稳滑动，甚至大规模滑坡等地质灾害，严重威胁水合物的安全持续开采及海底基础设施安全。海底工程地质调查显示，海底沉积物很多都是强度较低的软粘土，甚至是超软土。由于海底复杂地质环境的影响，海底沉积物具有强度低、灵敏性高的特点，其抗拉强度远小于抗剪强度，在水合物分解气体的膨胀作用下更易发生拉裂破坏，因此沉积物的抗拉强度是评估海底地层稳定的关键参数。综上，海底沉积物的稳定性是保障天然气水合物开发的重要前提，从国家重大战略需求出发，开展水合物分解作用下海底沉积物抗拉强度测试研究具有重要的科学意义。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提出了一种水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，能够在原位应力状态下实现水合物分解后气体膨胀作用下海底软弱粘性沉积物抗拉强度的测试。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，包括：
5.反力加载模块，包括加载电机；所述加载电机上安装有底加载板；所述底加载板通过密封件在模型箱内上下活动；所述模型箱内填充有沉积物；
6.通气控制模块，用于通过通气管贯穿所述底加载板，且向所述模型箱内通气，实现所述沉积物拉裂破坏；
7.数据检测模块，所述数据检测模块用于监测所述沉积物内部缝隙变化形态。
8.所述反力加载模块还包括实验平台，所述加载电机周侧设置有若干支撑杆；所述支撑杆竖直安装在所述实验平台上，且所述支撑杆顶端安装有所述模型箱；
9.所述模型箱包括顶加载板及环形块；所述顶加载板固定安装在所述支撑杆上；所述环形块安装与所述顶加载板底边，且置于所述支撑杆围成的区域内。
10.所述底加载板周侧开设有环状凹槽，所述环状凹槽内安装有所述密封件，所述密封件与所述环形块内壁抵接。
11.所述密封件为密封橡胶圈。
12.所述通气控制模块包括压力气缸；所述压力气缸与所述通气管一端连通，所述通
气管上安装有流量控制器；
13.所述底加载板中心开设有注气孔，所述通气管另一端伸入所述注气孔内。
14.所述数据检测模块包括孔隙压力计，所述孔隙压力计设置于所述通气管上，且靠近所述注气孔设置，用于监测拉裂破坏过程中所述沉积物内部的气体压力；
15.荷载传感器，所述荷载传感器安装于所述加载电机输出端，用于监测施加于沉积物的应力水平；
16.所述数据检测模块还包括相机和光源；所述相机置于所述顶加载板上方，所述光源置于所述顶加载板下方；用于配合记录所述沉积物内部裂缝的形态。
17.所述顶加载板和顶加载板均为透明玻璃板材质。
18.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明可实现海底沉积物原位应力状态模拟，进一步实现水合物分解气体作用下软弱沉积物的无接触拉裂模拟，同时实现沉积物内部参数演化和外部变形特征的实时监测。
附图说明
19.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
20.图1为本发明系统结构示意图；
21.图2为本发明沉积物变化曲线示意图；
22.其中，1、实验平台；2、支撑杆；3、加载电机；4、顶加载板；5、模型箱；6、底加载板；7、密封橡胶圈；8、沉积物；9、压力气缸；10、流量控制器；11、通气管；12、注气孔；13、孔隙压力计；14、荷载传感器；15、相机；16、光源。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.参照图1-2，本发明提供一种水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，包括：
26.反力加载模块，包括加载电机3；加载电机3上安装有底加载板6；底加载板6通过密封件在模型箱5内上下活动；模型箱5内填充有沉积物8；
27.通气控制模块，用于通过通气管11贯穿底加载板6，且向模型箱5内通气，实现沉积物8拉裂破坏；
28.数据检测模块，数据检测模块用于监测沉积物8内部缝隙变化形态。
29.反力加载模块还包括实验平台1，加载电机3周侧设置有若干支撑杆2；支撑杆2竖直安装在实验平台1上，且支撑杆2顶端安装有模型箱5；
30.模型箱5包括顶加载板4及环形块；顶加载板4固定安装在支撑杆2上；环形块安装
与顶加载板4底边，且置于支撑杆2围成的区域内。
31.底加载板6周侧开设有环状凹槽，环状凹槽内安装有密封件，密封件与环形块内壁抵接。
32.密封件为密封橡胶圈7。
33.通气控制模块包括压力气缸9；压力气缸9与通气管11一端连通，通气管11上安装有流量控制器10；
34.底加载板6中心开设有注气孔12，通气管11另一端伸入注气孔12内。
35.数据检测模块包括孔隙压力计13，孔隙压力计13设置于通气管11上，且靠近注气孔12设置，用于监测拉裂破坏过程中沉积物8内部的气体压力；
36.荷载传感器14，荷载传感器14安装于加载电机3输出端，用于监测施加于沉积物8的应力水平。
37.数据检测模块还包括相机15和光源16；相机15置于顶加载板4上方，光源16置于顶加载板4下方；用于配合记录沉积物8内部裂缝的形态。
38.顶加载板4和顶加载板4均为透明玻璃板材质。
39.本发明所述实验模拟系统组装及实验流程如下：
40.首先，将加载电机3固定于实验平台1，将模型箱5与顶加载板4密封连接，并将顶加载板4对应孔位穿过支撑杆2并固定，将底加载板6与加载电机3顶部固定，并在加载电机3顶端安装荷载传感器14；在底加载板6中心位置开设注气孔12，并在连接处涂抹密封胶，以确保密闭性。
41.固定安装压力气缸9，利用通气管11通过底加载板6内设管路连接压力气缸9与注气孔12，并安装流量控制器10与孔隙压力计13；制备沉积物8，将之置于模型箱5内部；在底加载板6凹槽位置安装橡胶密封圈7，控制加载电机3将底加载板6升入模型箱5，并施加一定压力以固定沉积物8；安装相机15与光源16于设计位置。
42.进一步的，安装相机15与光源16均朝向模型箱5。
43.在本发明的一个实施例中，注气孔12设置于下侧底加载板6中心位置，以减少边界效应影响；
44.进一步的，流量控制器10用以控制出口处气体的压力与流速，可利用通气的方式使沉积物8发生拉裂破坏。
45.进一步的，相机15设置于顶加载板4顶部，用以监测沉积物8内部裂缝的形态与扩展规律，为保证观测的清晰度与准确度，在底加载板6底部设置光源16。
46.组装完成后，根据实验工况，控制加载电机3通过逐级加载的方式使沉积物8达到原位应力状态，加载电机3与荷载传感器14通过计算机闭环连接，可实现实验过程中加载压力的精确控制。当沉积物8完成固结后，控制压力气缸9以设定压力与流速向沉积物8内部通气，诱发沉积物8发生拉裂破坏，并且利用孔隙压力计13与相机15记录实验过程中沉积物8内部的孔隙压力与裂缝扩展动态。待气体突破沉积物8边界时，关闭压力气缸9与加载电机3，停止实验。
47.进一步的，如图2所示，通过获取实验过程中沉积物的“气泡体积-通气压力”曲线信息，观察所述“气泡体积-通气压力”曲线中的沉积物破裂时的通气压力值和气泡体积，即可通过公式(1)计算得出所述沉积物的抗拉强度表征因子。
[0048][0049]
其中，pc、vb为沉积物破裂时对应的通气压力和气泡体积；k
1c
为抗拉强度表征因子；e、ν分别为沉积物弹性模量和泊松比。
[0050]
以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，其特征在于，包括：反力加载模块，包括加载电机(3)；所述加载电机(3)上安装有底加载板(6)；所述底加载板(6)通过密封件在模型箱(5)内上下活动；所述模型箱(5)内填充有沉积物(8)；通气控制模块，用于通过通气管(11)贯穿所述底加载板(6)，且向所述模型箱(5)内通气，实现所述沉积物(8)拉裂破坏；数据检测模块，所述数据检测模块用于监测所述沉积物(8)内部缝隙变化形态。2.根据权利要求1所述的水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，其特征在于：所述反力加载模块还包括实验平台(1)，所述加载电机(3)周侧设置有若干支撑杆(2)；所述支撑杆(2)竖直安装在所述实验平台(1)上，且所述支撑杆(2)顶端安装有所述模型箱(5)；所述模型箱(5)包括顶加载板(4)及环形块；所述顶加载板(4)固定安装在所述支撑杆(2)上；所述环形块安装与所述顶加载板(4)底边，且置于所述支撑杆(2)围成的区域内。3.根据权利要求2所述的水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，其特征在于：所述底加载板(6)周侧开设有环状凹槽，所述环状凹槽内安装有所述密封件，所述密封件与所述环形块内壁抵接。4.根据权利要求1所述的水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，其特征在于：所述密封件为密封橡胶圈(7)。5.根据权利要求1所述的水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，其特征在于：所述通气控制模块包括压力气缸(9)；所述压力气缸(9)与所述通气管(11)一端连通，所述通气管(11)上安装有流量控制器(10)；所述底加载板(6)中心开设有注气孔(12)，所述通气管(11)另一端伸入所述注气孔(12)内。6.根据权利要求5所述的水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，其特征在于：所述数据检测模块包括孔隙压力计(13)，所述孔隙压力计(13)设置于所述通气管(11)上，且靠近所述注气孔(12)设置，用于监测拉裂破坏过程中所述沉积物(8)内部的气体压力；荷载传感器(14)，所述荷载传感器(14)安装于所述加载电机(3)输出端，用于监测施加于沉积物(8)的应力水平。7.根据权利要求2所述的水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，其特征在于：所述数据检测模块还包括相机(15)和光源(16)；所述相机(15)置于所述顶加载板(4)上方，所述光源(16)置于所述顶加载板(4)下方；用于配合记录所述沉积物(8)内部裂缝的形态。8.根据权利要求2所述的水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，其特征在于：所述顶加载板(4)和顶加载板(4)均为透明玻璃板材质。

技术总结
本发明公开一种水合物分解气体作用下海底沉积物抗拉强度测试系统，包括反力加载模块，反力加载模块包括加载电机；加载电机上安装有底加载板；底加载板通过密封件在模型箱内上下活动；模型箱内填充有沉积物；用于通过通气管贯穿底加载板，且向模型箱内通气，实现沉积物拉裂破坏；数据检测模块用于监测沉积物内部缝隙变化形态；本发明可实现海底沉积物原位应力状态模拟，进一步实现水合物分解气体作用下软弱沉积物的无接触拉裂模拟，同时实现沉积物内部参数演化和外部变形特征的实时监测。物内部参数演化和外部变形特征的实时监测。物内部参数演化和外部变形特征的实时监测。


技术研发人员：宋晓龙 张通 刘健 宋帅兵
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/15