粉土与粉质黏土互层中静压桩桩土界面孔隙水压力

为研究层状黏性土在静压桩沉桩过程中桩土界面孔隙水压力的分布规律,依托山东东营某桩基工程开展了现场足尺静压桩试验,分析了桩土界面孔隙水压力的变化规律,探讨了桩土界面超孔隙水压力的分布特征,明确了桩土界面孔隙水压力和超孔隙水压力的消散特性,并结合水力压裂理论和孔穴扩张理论,揭示了沉桩过程中桩土界面沿桩长方向超孔隙水压力的分布形式。试验结果表明：孔隙水压力、超孔隙水压力与土层性质密切相关,二者均在粉土层中增长较慢,在粉质黏土层中增长较快;在同一深度处,两者均存在明显的消散现象,在粉土中的消散程度明显大于粉质黏土中;采用水力压裂理论结合孔穴扩张理论计算的超孔隙水压力沿桩长方向的变化规律与试验值相吻合;桩身贯入深度越大,超孔隙水压力理论计算值与现场实测值越接近。     

岩样密实度对水力压裂特征参数的影响研究

为研究水力压裂在不同致密程度岩样中的压裂效果及其流固耦合作用机理，制作了不同密实度的两种重塑样，利用真密度测试仪、声波测试系统分别测定了两种试样的孔隙比例、声波大小，并结合三轴加载水力压裂监测系统，模拟一定地层压力条件下不同密实度试样的水力压裂试验。分析不同孔隙度下声波试验获得的声波数据得出:试验制得的试样致密程度不同，孔隙大的试样密实度较小，波速大小与试样密实度呈正相关；水力压裂试验中，致密试样的裂缝扩展方向与最大主应力平行。水压曲线变化趋势为:低密实度时，达到峰值压力的时间较峰后段持续时间短，高密实度试样则相反；低密实度试样的破裂压力值低于水力压裂缝内水压曲线的峰值，高密实度试样两压力值相当。结合高、低密实度试样的分析并进行高密实度试样的无围压试验可以得出:较小的流量变化对致密度较大的试样裂缝扩展方向影响较小，说明其渗流作用较弱。应力集中效应在无围压的试样和低密实度试样均表现明显，这说明，水力压裂试验中应力集中现象在低密实度试样中表现明显，这与其渗流作用较强有关，水力压裂渗流作用与注液流量正相关，在低密实度试样表现显著。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外试验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的"空气单元",表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在"空气单元"表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

非饱和土渗流及其参数影响的数值分析

基于一维的Richards方程,考虑van Genuchten提出的土-水特征曲线和水力传导系数的表达式,采用差分方法进行求解,研究该土-水特征曲线对孔隙水压力分布的影响,分析该模型四个参数θs、θr、α和n对孔隙水压力分布的作用特征。结果表明经验参数α和n对孔隙水压力分布产生显著的影响。α影响土-水特征曲线的位置和水力传导系数斜率,其值越大,基质吸力越滞后,孔隙水压力分布弯曲度随着α值的增大而明显;n决定土-水特征曲线的斜率,其值大意味着基质吸力易消散。计算分析显示θr值变化引起孔隙水压力分布微弱的差异,这差异随着时间的增长而增大;饱和含水量θs对孔隙水压力分布也产生不小的影响,随θs的降低孔隙水压力消散减慢。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外实验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的“空气单元”,表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在“空气单元”表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,本文提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外实验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的“空气单元”,表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在“空气单元”表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,本文提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

流量对水力压裂破裂压力和增压率的影响研究

水力压裂现场原位测试试验的破裂压力是计算构造地应力的重要参数。为了探究流量对水力压裂破裂压力和增压率的影响,设计4种不同恒定流量情况的低渗透硬脆灰岩室内大型水力压裂试验,结合声发射监测技术分析不同流量下水力裂缝破裂压力、破坏模式和缝网复杂程度的规律以及流量与增压率的内在关系。试验结果表明：流量越大,破裂压力越高,缝网复杂程度越低;典型压力?时间曲线分为缓慢增压段、急速增压段、稳定增压段和突然下降段;稳定增压段增压率保持不变,压力随时间线性增长,其增压率的大小和流量存在明显的线性关系;基于流量与稳定增压段增压率的线性关系,考虑流量因素的Ito理论可以很好地定量解释流量对破裂压力的影响,试验结果与理论预测吻合度较高。     

对土体稳定性计算中地下水作用力的探讨

针对在地下水作用力使用中易出现力的概念混淆、重复计算等问题,论述了土体中的孔隙水压力、浮力、渗透力三种地下水作用力的性质,从能量守恒角度论证了稳定渗流环境下的孔隙水压力与水深和水力坡角相关;探讨了浮力、渗透力两种体积力与边界孔隙水压力的等效关系,论述了在稳定渗流环境下的土体稳定性计算采用土水分算与土水合算两种方法时,前者应使用渗透力和土粒浮重度进行平衡计算;后者应使用孔隙水压力和土体饱和重度进行平衡计算。在此基础上,对现行滑坡防治工程的相关规范中,滑坡稳定性计算公式中的地下水作用力的不当使用问题进行了探讨,并采用工程实例对其引起的稳定性计算偏差进行分析。结果显示:相关规范中存在渗流条件下孔隙水压力未考虑水力坡角及孔隙水压力与浮力概念混淆的错误,这两种情况都将造成设计偏保守,工程治理时后者将造成较大的经济浪费。     

对土体稳定性计算中地下水作用力的探讨

针对在地下水作用力使用中易出现力的概念混淆、重复计算等问题,论述了土体中的孔隙水压力、浮力、渗透力三种地下水作用力的性质,从能量守恒角度论证了稳定渗流环境下的孔隙水压力与水深和水力坡角相关;探讨了浮力、渗透力两种体积力与边界孔隙水压力的等效关系,论述了在稳定渗流环境下的土体稳定性计算采用土水分算与土水合算两种方法时,前者应使用渗透力和土粒浮重度进行平衡计算;后者应使用孔隙水压力和土体饱和重度进行平衡计算。在此基础上,对现行滑坡防治工程的相关规范中,滑坡稳定性计算公式中的地下水作用力的不当使用问题进行了探讨,并采用工程实例对其引起的稳定性计算偏差进行分析。结果显示:相关规范中存在渗流条件下孔隙水压力未考虑水力坡角及孔隙水压力与浮力概念混淆的错误,这两种情况都将造成设计偏保守,工程治理时后者将造成较大的经济浪费。     

固结作用下粉土的持水性能与细观机制研究

针对传统仪器无法考虑岩土工程中温度和荷载等因素综合作用的缺陷,研制了一套多功能土-水特征曲线试验仪。以粉土为研究对象,开展了不同固结应力作用下粉土的土-水特征曲线试验,并测量其增减湿过程中土体的体积胀缩量,以便修正体积变化对其体积含水率的计算误差。结果表明,粉土在减湿过程中,土体的体积发生明显的收缩。其收缩量与固结应力水平有关,固结应力越小,则减湿引起的体缩量越大。但土体在增湿过程中的体积则基本保持不变。固结应力对粉土 土-水特征曲线的进气值、增减湿速率影响较大,固结压力越大,其进气值越大、减湿速率也越大。最后,为揭示固结应力对土的持水性能的影响机制,开展了不同固结应力作用下土体的细观试验。结果表明,固结应力主要改变了土体团粒间的大孔隙,而对黏土颗粒之间的孔隙影响较小。土体的持水性能与土体的孔隙大小和分布模式密切相关,大孔隙主要影响土体的进气值,而其孔隙分布模式则控制其增减湿湿速率。     

测试压裂分析技术在渤海B油田的应用

测试压裂分析技术是水力压裂施工前获取储层物性参数和分析压裂液性质的手段,是压裂施工顺利进行的技术保证。结合渤海某油田沙河街油藏压裂工程,介绍了测试压裂应用过程和理论基础,并简单介绍几种求取地层闭合压力的数学方法。闭合压力是压裂施工关键参数之一,不同数学计算方法推导出的闭合压力不尽相同,现场压裂工程师要根据实际测试结果选取可靠的数值。压降曲线拟合是在模型中反推出地层关键参数的方法,拟合完毕即得到针对施工地层的压裂模型,在此基础上进行主压裂设计和裂缝预测是较为准确的,以此进行施工也是安全的。     

不同水力加载条件下非均质储层缝网扩展规律研究

水力压裂可显著提高页岩气等致密储层岩体的渗透性以增加油气产量,然而受多因素影响,水力压裂形成缝网结构的机理和压裂优化设计一直是研究的焦点和难点。本研究基于渗流-应力-破坏耦合计算模拟方法,对不同水力加载条件下的非均质储层水力压裂过程进行了模拟和对比研究。研究结果表明:水力压裂过程中起始注水压力和增量大小对水力压裂缝网扩展和改造区域形态有着显著的影响。当起始注水压力小于等于模型材料体抗拉强度,并缓慢增压致裂时,压裂过程可近似视为稳态应力-破坏-渗流耦合作用过程的不同阶段,这种情况下仅在压裂井孔周围形成两组对称式的伞状水力裂缝带。当对模型体施加高于模型材料体破裂压力的注水压力时,相当于对压裂孔快速施加高动水压力,水力裂缝沿压裂孔全方位迅速萌生并快速扩展,当注水压力值高于破裂压力一定幅值时,压裂改造可形成围绕压裂井全方位的放射状裂缝网络,使压裂储层得以最大范围改造。在拟静力和拟动力两种加载条件下,不同水岩相互作用机理是造成不同水力加载条件出现不同缝网结构的力学机制,而对于实际的页岩气储层改造,压裂产生围绕压裂井全方位放射状的缝网结构则是一种最优的体积压裂改造。     

页岩水力压裂过程的态型近场动力学模拟研究

水力压裂技术广泛使用于页岩气开采工程中。为了分析压裂过程中多裂缝扩展形成复杂裂缝网的机制,尝试将态型近场动力学理论引入页岩水平井水力压裂过程的力学建模与数值仿真,在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项以实现在新生裂缝面上跟踪施加水压力,建立了水力压裂过程的近场动力学分析模型。通过模拟页岩储层的水力压裂过程,可得到复杂的裂缝扩展路径、裂缝网络的形成过程以及裂缝扩展受射孔间距及页岩天然裂缝和层理的影响。研究结果表明:射孔间距过小会造成起裂干扰,使中心射孔的裂缝扩展受到抑制;在压裂压力一定的情况下适当增大射孔间距,可以显著增强页岩压裂形成裂缝网的能力;压裂过程中水平层理面可能张开形成水平裂缝,且天然裂缝会诱导形成更复杂的垂直裂缝。模型和方法可为页岩水力压裂过程和机制研究及工程实践提供参考。     

支挡结构上的水土压力特性试验研究

针对当前水土压力计算中很少考虑土自身性质对其影响的研究现状,以自制试验槽为研究工具,通过使用3种不同渗透性土样进行的支挡结构上水土压力测试研究,对比了水土压力实测值和由水土压力分算、水土压力合算得到的理论计算值,分析了孔隙水压力和土压力的变化规律。由试验结果可以得到,由水土压力合算得到结果偏小,但在一定条件下尚可以接受,在发生主动位移情况下墙后土体会产生负超孔压,渗透系数影响着负超孔压的消散和孔隙水压力的传递程度,并进一步影响支挡结构上水土压力的分布情况。由试验结果推知,当土体渗透系数小到一定程度时,水土压力合算的方法是合理的。     

黏性土剪切带的形成与其屈服的内在联系的探索

为了深入了解黏性土的应力应变特性,对黏性土进行了量测侧向变形的不排水平面应变压缩试验。分析试验结果发现,黏性土局部化变形的起始点与黏性土样中的孔隙水压力的突然增长的转折点非常接近,而孔隙水压力开始急剧增长变化的转折点为其屈服点,说明黏性土剪切带开始形成的偏应力为其屈服点,超过此点后黏性土局部化变形加剧,这个发现将有助于土体在强度理论、变形和稳定分析等方面的深入研究。     

深层搅拌桩周围土体劈裂的研究与分析

现场测试结果表明：深层搅拌桩施工可以在周围土体中产生很高的超静孔隙水压力,其量值可能超过土体的静水劈裂压力。搅拌桩施工时和周围土体的相互作用可以用受剪的孔穴扩张过程来模拟。针对搅拌桩施工引起的周围土体的劈裂现象,提出了一种基于拉伸破坏原理的劈裂分析方法。分析结果表明：搅拌叶片的旋转对桩周围土体的劈裂起着很重要的作用。通过室内模型桩打设试验可以观测到搅拌桩周围土体的劈裂现象。分析现场搅拌桩施工时桩周土体中的孔隙水压力测试结果,表明现场施工可以引起劈裂。劈裂裂缝对于搅拌桩的性状有如下两方面的正面作用：其一,水泥浆体可以流入劈裂裂缝;其二,超静孔隙水压可以通过劈裂裂缝快速消散。这两者的作用加快了受扰动的周围土体的强度恢复。     

饱和土中劈裂灌浆压力研究

在塑性力学和大变形理论的基础上,分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机理。将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为两个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在塑性区中服从大变形假设。利用水力压裂理论和圆孔扩张理论,假设孔隙水压力大于或等于初始应力与扩张应力增量之和时,土体将出现拉应力,若拉应力超过土的抗拉强度,土体将产生开裂,此时的灌浆压力就为初始劈裂灌浆压力。当土体在灌浆压力作用下,大小主应力正好换位时,则出现劈裂时的灌浆压力就为二次劈裂灌浆压力值,推导出饱和土体劈裂灌浆压力的理论公式。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。     

水平井水力压裂影响参数的数值模拟

水力压裂是低渗油气藏的主要开发手段,传统数值模型所得到的基质-裂缝窜流量以及断裂参数精度不足.为此以流固耦合理论与断裂力学相结合的压裂模型为基础,模拟了水力裂缝扩展过程.在模型中分别引入离散裂缝模型和广义J积分计算基质-裂缝流量交换和断裂参数,并采用动态网格技术对裂缝尖端进行局部加密,以提高模拟的效率和精度.模型计算结果显示,影响水力压裂过程的主要参数中:基质渗透率和压裂液粘度主要影响水力裂缝的最终形态;岩石弹性模量影响裂缝宽度.对压裂车而言,最高工作压力一般都能够满足压裂增产需求,其最大输出功率和最大输出流量是限制压裂能力的主要因素.      

煤岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究

为了分析煤岩水力压裂裂缝扩展规律,采用真三维水力压裂物理模拟实验平台进行煤样真三轴水力压裂物理模拟实验,模拟不同地层应力、渐进角条件下煤样水力压裂过程。实验表明:天然裂隙和割理是影响煤岩裂缝扩展的重要因素,导致裂缝扩展规律复杂多样化;当水平应力差系数值kh1时,水力压裂裂缝趋于沿最大水平主应力方向扩展,当kh值1时,水力压裂裂缝趋于沿天然裂隙方向扩展,当kh值=1时,水力压裂裂缝扩展方向处于不定状态;渐近角对水力压裂裂缝扩展的影响程度总体上小于天然裂隙、割理和水平应力差,实验结果与煤矿井下压裂裂缝观测结果一致。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-衬砌系统动力响应

假定土骨架服从标准线性固体黏弹性本构关系,研究了深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-弹性衬砌耦合系统在轴对称爆炸作用下的瞬态动力响应。首先,基于饱和土的Biot模型和衬砌的弹性理论,通过引入势函数和Laplace变换,利用弹性衬砌和饱和黏弹性土界面处的连续性条件以及边界条件,得到饱和黏弹性土体和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析解。其次,利用Laplace数值Crump逆变换得到耦合系统在时间域的动力响应,数值分析了不同土体模型下土体-衬砌耦合系统的径向位移和环向应力以及土体孔隙水压力等。结果表明：对不同土体模型的土体-衬砌耦合系统,其在爆炸载荷作用下的动力响应性态基本一致,但动力响应的振动周期和幅值等具有明显的差异。同时,对于饱和黏弹性土-弹性衬砌系统,土体黏性参数对土体径向位移和孔隙水压力有明显的影响,但对土体环向应力影响较小。