周 遠(yuǎn) 韋昌富 陳 盼 周家作

1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國科學(xué)院大學(xué)

0 引言

天然氣水合物（以下簡稱水合物）在開采過程中會發(fā)生相變，固相水合物分解成液相水和氣相甲烷，水合物作為賦存于沉積物中的一種固相物質(zhì)，對沉積物的力學(xué)強(qiáng)度有重要貢獻(xiàn)[1-2]。當(dāng)相變發(fā)生后，原本沉積物骨架的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生重要變化，甚至導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)坍塌破壞，對儲層的沉降及穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[3]。因此，為實(shí)現(xiàn)水合物安全有效開采，亟需對含水合物沉積物的力學(xué)特性演化開展相關(guān)研究[4]。

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，影響含水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的因素主要有溫度、圍壓、剪切率、水合物賦存模式和飽和度等[5-11]。Hyodo等[12]研究了不同溫度和圍壓對含水合物土的力學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，含水合物土的強(qiáng)度隨溫度的降低而增大，隨圍壓的增大而增大。Liu等[13]采用直剪試驗(yàn)研究了不同剪切速率對含水合物土的強(qiáng)度影響，發(fā)現(xiàn)剪切速率越快，含水合物土的強(qiáng)度越高。李彥龍等[14]通過非飽和法制備不同飽和度的甲烷水合物土進(jìn)行三軸剪切，結(jié)果表明，隨著水合物飽和度增加，黏聚力增加，內(nèi)摩擦角基本不變。盡管針對上述因素的研究已較為全面且研究成果豐富，但大多采用蒸餾水制備含水合物土，很少考慮到鹽分對含水合物土強(qiáng)度的影響。事實(shí)上，海相水合物賦存于含鹽環(huán)境中，海水的平均鹽度為35‰[15]，在海底洋流作用下，海水鹽度會發(fā)生變化；此外，在水合物生成與分解過程中由于水分的消耗與釋放，儲層中孔隙水鹽溶液濃度也會發(fā)生變化?？紫吨宣}分的變化會引起孔隙水物理—化學(xué)特性的改變[16]，從而使得土體的相平衡條件（如孔隙水凍點(diǎn)和水合物生成分解條件）以及水—力學(xué)性質(zhì)（持水特性、強(qiáng)度等）發(fā)生明顯的變化[17-19]。

Chong等[20]對甲烷水合物合成與分解過程的研究結(jié)果表明，鹽分明顯抑制水合物合成動力學(xué)過程，鹽分增加降低水合物轉(zhuǎn)化率，增加合成時間。Zhou等[17]通過試驗(yàn)證明，鹽溶液濃度增大，相平衡線發(fā)生偏移，導(dǎo)致相平衡條件的溫度降低，壓力增大，使得形成水合物的溫壓條件更加苛刻；在此基礎(chǔ)上，建立了不依賴于初始條件的廣義相平衡理論模型。盡管鹽分影響水合物相平衡條件的研究已經(jīng)比較深入，但迄今為止，鹽分對含水合物土力學(xué)特性的試驗(yàn)研究及影響規(guī)律的揭示工作有待進(jìn)一步開展。

筆者利用自主研發(fā)的含水合物沉積物低溫高壓三軸試驗(yàn)機(jī)，通過制備不同鹽溶液濃度下的試樣，實(shí)現(xiàn)含二氧化碳水合物土的室內(nèi)制備，開展不同應(yīng)力條件下的三軸剪切試驗(yàn)，研究鹽溶液濃度對含水合物土應(yīng)力—應(yīng)變及抗剪強(qiáng)度特性的影響規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示鹽溶液影響的土體中水合物形成過程、含水合物土強(qiáng)度與變形特性演化的內(nèi)在機(jī)制，以期為開采條件下水合物分解與生成過程及儲層穩(wěn)定性的準(zhǔn)確評估提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用純度為99.99%的二氧化碳?xì)怏w，由武漢翔云特氣有限公司提供，實(shí)驗(yàn)室自制蒸餾水，實(shí)驗(yàn)采用過0.5 mm篩的標(biāo)準(zhǔn)砂和伊利石粉按5∶2質(zhì)量比混合，混合后的配土與中國南海水合物賦存層沉積物級配相似[21]，級配曲線如圖1所示，土樣比重2.65，土樣干密度為 1.65 g/cm3。

圖1 泥質(zhì)粉細(xì)砂級配曲線圖

1.2 三軸試驗(yàn)

含水合物土的抗剪強(qiáng)度通過三軸試驗(yàn)獲取，試驗(yàn)采用含水合物沉積物低溫高壓三軸試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備特點(diǎn)及功能詳細(xì)介紹見本文文獻(xiàn)[22]，這里簡要敘述如下：試驗(yàn)裝置主要包括反應(yīng)釜、圍壓控制系統(tǒng)、軸壓控制系統(tǒng)、回壓控制系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、低溫水浴系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖2），其中反應(yīng)釜提供水合物合成的高壓密封環(huán)境，圍壓控制系統(tǒng)主要由圍壓泵通過跟蹤模式使液壓隨著氣壓變化自動調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程中有效圍壓不變；軸壓控制系統(tǒng)通過軸壓泵施加軸壓作用在土樣上進(jìn)行土體的三軸剪切；回壓控制系統(tǒng)主要起壓力保護(hù)作用，保證試樣中的氣壓不超過回壓值。供氣系統(tǒng)主要包括真空泵、二氧化碳?xì)馄亢途彌_容器，在加壓之前通過真空泵對土樣抽真空，抽出殘余氣體，反應(yīng)環(huán)境為恒容環(huán)境，加壓使反應(yīng)釜中的壓力達(dá)到設(shè)定值后，關(guān)閉氣源，緩沖容器為反應(yīng)提供一定量所需的氣體。低溫水浴系統(tǒng)采用乙二醇水溶液為冷卻液。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多個壓力傳感器，溫度傳感器，采集器和電腦終端組成，可實(shí)時采集反應(yīng)過程中各參數(shù)的變化。

室內(nèi)采用蒸餾水與NaCl晶體配制濃度為0 mol/L、0.2 mol/L、0.5 mol/L 的 NaCl溶液，制備含水率分別為6%、8%、10%的含鹽土樣，按照1.65 g/cm3的干密度將一定質(zhì)量的土樣裝入直徑50 mm、高100 mm的壓樣器中，壓實(shí)靜置后脫模取出；將土樣放在反應(yīng)釜底座上，在土樣上依次套上一層橡膠模、一張錫箔紙、兩層橡膠膜，這是為了防止高壓氣體沖破土樣和橡膠模，然后將反應(yīng)釜底座裝在試驗(yàn)機(jī)上。

反應(yīng)釜裝好后，泵入圍壓液，排出圍壓腔中的氣體，關(guān)閉各通氣閥，打開真空泵抽真空約1 min，設(shè)置圍壓泵跟蹤壓力0.5 MPa，打開氣瓶，緩慢通氣，通氣過程中始終保證圍壓大于氣壓，使反應(yīng)釜中壓力增至約3.3 MPa，關(guān)閉通氣閥，創(chuàng)建合成過程數(shù)據(jù)文件，每2 min采集一次數(shù)據(jù)；一段時間后反應(yīng)釜中的壓力穩(wěn)定不再變化，將設(shè)置好溫度的恒溫水浴浸沒反應(yīng)釜，開始反應(yīng)生成水合物，反應(yīng)時間約20 h；當(dāng)反應(yīng)釜中的壓力不再變化時，認(rèn)為水合物反應(yīng)完全，然后施加有效圍壓（總圍壓減去孔隙氣壓）固結(jié)，固結(jié)壓力分別為 1 MPa、2 MPa、4 MPa，固結(jié)穩(wěn)定時間 24 h。

固結(jié)完成后，通過軸壓控制系統(tǒng)施加軸壓，以1 mm/min的剪切速率剪切，創(chuàng)建剪切過程數(shù)據(jù)文件，每5 s采集一次數(shù)據(jù)，直至土樣破壞。

1.3 水合物飽和度及未合水含量的計(jì)算方法

水合物飽和度是通過生成水合物過程所消耗的氣體量計(jì)算得出。通過采集到的生成前后土樣和緩沖容器中的溫度和壓力值，根據(jù)范德華實(shí)際氣體狀態(tài)方程計(jì)算出生成前后系統(tǒng)中的氣體摩爾數(shù)，即

式中p表示氣體壓力，Pa；V表示氣體體積，m3；a、b表示氣體常數(shù)，二氧化碳?xì)怏wa取0.365 8 （Pa·m6）/mol2，b取 0.428×10－4m3/mol1[23]；n表示氣體摩爾量，mol；R表示氣體常數(shù)，取8.31 J/(mol·K)；T表示氣體溫度，K。反應(yīng)前后的差值即表示反應(yīng)消耗的氣體摩爾數(shù)，二氧化碳水合物的水合數(shù)取5.75[24]，通過氣體消耗量可得出水的消耗量，反應(yīng)的水體積與水合物的體積比表示0.87∶1[25]，可計(jì)算出水合物的飽和度：

式中nc表示水合物生成前后氣體的消耗量，mol；Vv表示沉積物中孔隙體積，m3。由于土顆粒表面對水的吸附作用，土中的水并不能全部合成為水合物，將土中未合成水合物的水定義為未合水，其計(jì)算方法為：

式中w0表示初始含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 水合物飽和度與未合水含量

不同初始含水率條件下含水合物土中水合物飽和度和鹽溶液濃度的關(guān)系如圖3-a所示，未合水含量與鹽溶液濃度的關(guān)系如圖3-b所示，為保證測試結(jié)果的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行多次試驗(yàn)。從圖3中可以看出，在相同含水率下，水合物飽和度隨鹽溶液濃度增加而降低。根據(jù)Zhou等[17]提出的水合物廣義相平衡模型：

圖3 水合物飽和度及未合水含量與鹽濃度關(guān)系圖

式中η=1.75 MPa/K；pc表示水合物沉積物毛細(xì)管壓力（或基質(zhì)吸力），MPa；c表示鹽溶液濃度，mol/L；R表示氣體常數(shù)；Tb表示相同氣壓下純水合物相平衡溫度，K。隨著c的增大，需要更低的溫度達(dá)到水合物的相平衡條件。因此，在相同的反應(yīng)條件下，含鹽水合物的飽和度較不含鹽土樣更低，表明鹽分在宏觀上對水合物合成起抑制作用，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[23]。合成水合物消耗的水量和未合水量的總和等于初始含水量，鹽分使水合物的飽和度降低也使土中未合水含量增加。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性

圖 4 分別是 0 mol/L、0.2 mol/L、0.5 mol/L 鹽溶液濃度下不同初始含水率土樣在不同圍壓下的三軸剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。從圖4中可以看出，不含鹽水合物土在低圍壓下表現(xiàn)為剪脹，而高圍壓下均表現(xiàn)為減縮，且隨著水合物飽和度增大，剪脹和應(yīng)變軟化現(xiàn)象更加明顯；隨著圍壓的增大，剪脹效應(yīng)減弱，表明高圍壓抑制了應(yīng)變軟化。在含鹽分情況下，只有在含水率為10%時且低圍壓條件下，含水合物土樣才表現(xiàn)為輕微的剪脹，其他含水率和圍壓下都表現(xiàn)為減縮。

圖4 三種不同鹽溶液濃度下不同初始含水率土樣在不同有效圍壓下應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系圖

2.3 抗剪強(qiáng)度特性

在本文中，當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線中有峰值強(qiáng)度時定義峰值強(qiáng)度為抗剪強(qiáng)度，否則將軸向應(yīng)變的15%對應(yīng)的強(qiáng)度值定義為抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)所得含水合物土的抗剪強(qiáng)度如表1所示，括號中為對應(yīng)的水合物飽和度。從表中可以看出，在相同鹽濃度下，試樣的抗剪強(qiáng)度和水合物飽和度隨含水率的增加而增大；在相同含水率下，試樣的抗剪強(qiáng)度和水合物的飽和度隨鹽濃度的增大而降低。

表1 不同實(shí)驗(yàn)條件下水合物飽和度和土的強(qiáng)度表

當(dāng)土樣剪切破壞時，偏應(yīng)力q=σ1′-σ3′和平均主應(yīng)力p=(σ1′-2σ3′)/3之間滿足 ：

式中M和d分別表示強(qiáng)度包線p—q曲線的斜率和截距 ；σ1′和σ3′分別表示最大和最小主應(yīng)力。

則p—q曲線用最大和最小主應(yīng)力可表示為：

使用摩爾庫侖破壞準(zhǔn)則來描述三軸試驗(yàn)中含水合物土的破壞，可表示為：

式中c和φ分別表示黏聚力（MPa）和內(nèi)摩擦角（°）。式（7）還可表示為：

結(jié)合式（6）、（8），可得到內(nèi)摩擦角和黏聚力的表達(dá)式為：

不同試驗(yàn)條件下的偏應(yīng)力和平均主應(yīng)力的關(guān)系如圖5所示，不同鹽濃度下含水合物土的黏聚力和內(nèi)摩擦角如圖6所示。從黏聚力在不同鹽濃度下隨飽和度的變化（圖6-a）可以看出，隨著水合物飽和度的增加，黏聚力增加；黏聚力的大小及變化與鹽濃度有關(guān)，無鹽狀態(tài)下的黏聚力最大且隨飽和度變化的幅度增加更顯著，鹽分的加入使黏聚力大幅降低，0 mol/L鹽分濃度下的黏聚力明顯高于鹽分濃度0.2 mol/L和0.5 mol/L，0.2 mol/L 與 0.5 mol/L 鹽分的含水合物土的黏聚力盡管差別稍小，但整體上，0.2 mol/L鹽分土體的黏聚力還是高于0.5 mol/L鹽分的含水合物土。從圖6-b可看出，鹽濃度及水合物飽和度對含水合物土內(nèi)摩擦角的影響較小。

圖5 不同鹽濃度及不同初始含水率條件下的偏應(yīng)力與平均主應(yīng)力的關(guān)系圖

圖6 不同鹽濃度下含水合物沉積物力學(xué)參數(shù)的比較圖

2.4 剛度

表2中列出了不同有效圍壓下的割線模量E50和歸一化割線模量E′50，其中E50是土體應(yīng)力應(yīng)變曲線上相應(yīng)50%抗剪強(qiáng)度的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，是表征剛度的常用指標(biāo)，E′50則是割線模量與有效圍壓1 MPa下E50的比值。從結(jié)果可以看出，水合物的存在顯著提高土體的剛度，含水合物土的剛度隨水合物飽和度的增大而增大。初始含水率相同時，鹽分濃度越高，E50越低。另一方面，有效圍壓的增大使E50增大，但不同土樣下有效圍壓對E50的影響程度并不相同。從表2中歸一化結(jié)果可以看出，不含水合物土體的E50對圍壓變化更為敏感。

表2 不同初始含水率和有效圍壓下含水合物土的E50和E′50表

水合物對土體剛度的影響主要表現(xiàn)在生成的水合物顯著增強(qiáng)了土體骨架顆粒間的膠結(jié)作用，這種結(jié)構(gòu)使土體的屈服強(qiáng)度增大，從而提高土體的變形剛度。當(dāng)土體中含有鹽分時，相同初始含水率下，鹽分會使土樣中未合水含量增多，導(dǎo)致水合物的膠結(jié)作用減弱，土體的剛度也隨之減低。而有效圍壓對土體剛度的影響主要體現(xiàn)在對土顆粒的擠壓密實(shí)作用，進(jìn)而提高土體的剛度。與不含水合物土相比，有效圍壓的增大會一定程度上會破壞含水合物土中的水合物膠結(jié)作用，導(dǎo)致土顆粒重排列，從而削弱了對含水合物土剛度增大的效應(yīng)。

2.5 剪脹性

土體的剪脹性是指土樣在剪切過程中，土樣由相對松散狀態(tài)變得密實(shí)，土顆粒擠壓、翻滾后體積發(fā)生膨脹。從應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以看出，當(dāng)土體中不含鹽分時，水合物的飽和度越高，剪脹性越明顯；有效圍壓越大，剪脹性則越弱。當(dāng)土體中含有水合物時，水合物會填充土體中孔隙，水合物的飽和度越高，孔隙填充越多，土體變得越密實(shí)。在剪切過程中，土顆粒將擠壓水合物進(jìn)行翻轉(zhuǎn)發(fā)生體積膨脹，有效圍壓增大時，將限制土顆粒的翻轉(zhuǎn)，剪切導(dǎo)致顆粒破碎，膨脹性減弱，這就是圍壓越大剪脹性越弱的原因。土體中含有鹽分時，只有初始含水率為10%且低有效圍壓下土樣才表現(xiàn)出剪脹性，其他剪切均為減縮。在相同初始含水率下，含有鹽分的水合物飽和度低，相對應(yīng)的土體中剩余孔隙水的含量較高。一方面，水合物飽和度低使土體孔隙填充少，土體相對松散，只有當(dāng)初始含水率達(dá)到10%時，含鹽水合物的水合物飽和度提高，使土體變得密實(shí)后才發(fā)生剪脹；另一方面，有效圍壓的影響與土體中是否含鹽無關(guān)，當(dāng)有效圍壓變大時，會導(dǎo)致土顆粒破碎而使土體發(fā)生減縮。

2.6 分析討論

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中存在相近水合物飽和度的情況。圖7中給出了不同圍壓下，相近水合物飽和度土樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系對比曲線。從圖7中看出，初始含水率為6%的無鹽和初始含水率為8%含0.5 mol/L鹽濃度土樣的水合物飽和度分別為18.5%和17.4%。在有效圍壓1 MPa下，含鹽水合物土的抗剪強(qiáng)度較無鹽水合物土降低約25%，在相似水合物飽和度分別為25.9%和25.3%時，含鹽水合物土的抗剪強(qiáng)度較無鹽水合物土降低約30%（圖7-a）。在有效圍壓2 MPa下，相似水合物飽和度分別為18.1%和17.6%，含鹽水合物土的抗剪強(qiáng)度較無鹽水合物土降低約21%，相似水合物飽和度分別為24.0%和25.7%，含鹽水合物土的抗剪強(qiáng)度較無鹽水合物土降低約24%（圖7-b）。在有效圍壓4 MPa下，相似水合物飽和度分別為19.0%和20.6%，含鹽水合物土的抗剪強(qiáng)度較無鹽水合物土降低約5%，相似水合物飽和度分別為25.8%和25.6%，含鹽水合物土的抗剪強(qiáng)度較無鹽水合物土降低約18%（圖7-c）。

從圖7還可以看出，在低圍壓（1 MPa和2 MPa）和相近水合物飽和度下，鹽分對強(qiáng)度的影響是不可忽略的。在高圍壓下，水合物飽和度較小的兩個土樣的強(qiáng)度僅相差5%，這主要是因?yàn)樵诟邍鷫鹤饔孟?，水合物對?qiáng)度的作用減弱。在圖7的對比中，雖然兩個土樣的水合物飽和度相近，但含鹽水合物土的初始含水率高，相應(yīng)的未合水的含量就多。本文使用的泥質(zhì)粉細(xì)砂，孔隙水化學(xué)條件（如鹽分）變化對砂土力學(xué)特性沒有直接影響，因此，鹽分對含水合物泥質(zhì)粉細(xì)砂力學(xué)特性的影響是通過改變未合水含量產(chǎn)生的。李彥龍等[26]通過試驗(yàn)深入分析了殘余含水率對THF水合物強(qiáng)度的影響，也證實(shí)孔隙中未合水含量（殘余含水量）對水合物土抗剪強(qiáng)度的控制作用。

圖7 相近水合物飽和度下不同有效圍壓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系比較圖

水合物合成過程中鹽離子不參與水合物的合成而不斷遷移到液態(tài)水中，鹽溶液濃度不斷增大。隨著水合物的生長，未合水的鹽濃度不斷增加，根據(jù)式（4）水合物廣義相平衡模型，鹽濃度的增加導(dǎo)致水合物合成需要更加苛刻的條件（更低的溫度或更高的壓力），導(dǎo)致水合物的合成受到抑制。那么在相同的初始含水率和溫壓條件下，含鹽水合物飽和度要比不含鹽水合物的飽和度低，相應(yīng)未合水的含量多。這些未合水附著在土顆粒和水合物表面，當(dāng)土體中不含鹽分時，孔隙中的水幾乎全部合成水合物，水膜的厚度薄，在宏觀上表現(xiàn)為膠結(jié)特性；當(dāng)加入鹽分后，水合物飽和度降低，未合水含量增加，水膜厚度增大，從而削弱了水合物與土顆粒之間的膠結(jié)作用，這使含水合物土的強(qiáng)度降低（圖8）。

圖8 鹽離子作用下水合物合成過程模型圖

為進(jìn)一步解釋上述鹽溶液濃度變化對含水合物土抗剪強(qiáng)度的影響，以下將采用簡化的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行分析。假設(shè)含鹽時土顆粒表面的水膜厚度和未含鹽的一樣，在單個孔喉，水合物在生長過程中，鹽離子不斷向中間遷移，隨著水合物的合成，中間未合水的鹽濃度逐漸增加，鹽濃度增加改變相平衡條件，水合物的生長逐漸停止，兩側(cè)水合物之間夾含濃度較高的鹽溶液，合成的水合物并未連通，與不含鹽的水合物相比，沒有完全膠結(jié)土顆粒，表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)就是弱膠結(jié)或者沒有膠結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明不含鹽含水率8%與含鹽0.2 mol/L含水率10%的土樣水合物飽和度相同，在二維平面中，紅色區(qū)域的面積等價水合物的飽和度，則這兩種狀態(tài)下水合物的面積相同，將水合物的面積近似簡化為一個梯形，面積為A（圖9），含鹽分土樣中水合物的面積為：

圖9 水合物面積二維簡化模型圖

不含鹽分土樣中水合物的面積為：

式中a1、a2、b1、b2分別表示梯形的上下底；h1、h2表示梯形的高，假設(shè)土顆粒是圓形，隨著遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的位置，a1+a2＞b1+b2恒成立，則h1＜h2恒成立。如果不考慮未合水的水膜厚度對強(qiáng)度造成的影響，而在相同水合物飽和度下，不含鹽水合物的膠結(jié)面積恒大于含鹽水合物的膠結(jié)面積，導(dǎo)致含鹽水合物的抗剪強(qiáng)度低于不含鹽水合物的抗剪強(qiáng)度。

在土體中，鹽分的遷移并不是理想的，并不是朝一個方向遷移，一方面鹽分增加了水膜的厚度，另一方面含鹽水合物土的膠結(jié)面積減小，這兩個方面的效應(yīng)均會降低含水合物土的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)土體中含有鹽分時，使未合水膜厚度增加，這將弱化水合物的膠結(jié)作用，在高圍壓下，土顆粒在擠壓時將水合物擠壓在孔隙中，此時水合物對土體的抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)減弱。因此，在高圍壓下，含鹽水合物土的強(qiáng)度隨水合物飽和度的變化并不顯著。

在水合物開采過程中，隨著水合物的分解，水合物飽和度降低，孔隙中水的含量增加。目前的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，含水合物土的強(qiáng)度隨著水合物飽和度的增加呈指數(shù)型增加，但在水合物分解后，在相同水合物飽和度下，實(shí)驗(yàn)室得到的強(qiáng)度結(jié)果由于沒有考慮原位分解后孔隙水的影響，強(qiáng)度偏高，不能作為現(xiàn)場開采的強(qiáng)度指導(dǎo)。筆者通過使用不同濃度的鹽溶液進(jìn)行分析，鹽分對含水合物土強(qiáng)度的影響是表因，其內(nèi)因是土中未合水含量增多改變了水合物與土顆粒之前的膠結(jié)強(qiáng)度，即使在相同水合物飽和度下，由于孔隙水破壞了膠結(jié)結(jié)構(gòu)，含水合物土的強(qiáng)度明顯降低。因此，只通過水合物飽和度這一變量已無法準(zhǔn)確描述不同合成條件下含水合物土的強(qiáng)度問題，在水合物開采過程中，應(yīng)考慮水合物分解造成未合水增多對強(qiáng)度的影響。

3 結(jié)論

1）進(jìn)行了含水合物土不同鹽濃度的三軸剪切試驗(yàn)，研究了鹽分對含二氧化碳水合物泥質(zhì)粉細(xì)砂抗剪強(qiáng)度特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水合物飽和度的提高，未合水中鹽分濃度增加，導(dǎo)致含水合物土的相平衡線發(fā)生偏移。鹽分濃度越高，合成水合物的溫壓條件越苛刻（更低的溫度和更高的壓力條件）。與不含鹽試樣的結(jié)果相比，鹽分表現(xiàn)出對水合物合成的抑制作用。

2）相同含水率下，含鹽水合物土合成的水合物飽和度低于不含鹽水合物土的水合物飽和度，相應(yīng)的未合水含量高于不含鹽水合物土。而當(dāng)水合物飽和度基本相同時，含鹽水合物土的抗剪強(qiáng)度要低于不含鹽的水合物的抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，鹽分對含水合物土的內(nèi)摩擦角幾乎沒有影響，而對水合物土的黏聚力有較大影響。隨著水合物飽和度的增加，含鹽水合物土的黏聚力略有增加，而不含鹽水合物土的黏聚力明顯增加。

3）鹽分在降低水合物飽和度的同時也使孔隙中未合水含量增加，鹽分對含水合物土力學(xué)特性的影響是通過改變未合水含量產(chǎn)生的。土顆粒和水合物表面的未合水膜厚度和膠結(jié)面積共同影響含鹽水合物的抗剪強(qiáng)度特性。因此，除水合物飽和度外，含水合物土的抗剪強(qiáng)度與未合水含量密切相關(guān)。傳統(tǒng)上僅考慮水合物飽和度對抗剪強(qiáng)度的影響，不能準(zhǔn)確描述物理—化學(xué)作用下含水合物土強(qiáng)度特性的演化。