我国发展增强型地热开采技术所面临的机遇与挑战

介绍了增强型地热系统(EGS)的技术原理及增强型地热资源所具有的分布广、对环境污染小、可循环利用等优点。阐述了我国干热岩地热资源前景广阔,大陆地区3~10km深度段干热岩地热资源总量为2.09×107EJ,按2%的可开采资源量计算,亦达4.2×105EJ,相当于14.3×103亿t标准煤,是中国大陆2010年能源消耗总量的4 400倍。以青海共和贵德盆地为例,该盆地干热岩储层的地温梯度为7℃/hm,井深3 000m温度可达200℃。根据典型干热岩储层特征,讨论了我国开展干热岩吸热系统存在的技术难题,并对开展相关研究给出了建议。     

热-力耦合作用下能源群桩工作特性的数值模拟

为研究能源群桩工作特性,基于Abaqus有限元模拟,将换热稳定阶段的平均温度赋予桩体进行稳态热-力耦合计算,提出了能源群桩承载特性的简化分析方法,并通过与现场数据的对比分析,验证了该研究方法的可行性。结合算例,进一步利用该方法对纯力学荷载和热-力耦合作用下的能源群桩的承载特性进行了分析。结果表明:①群桩基础中能源桩分散对称分布的不均匀沉降要明显小于集中分布,而且分布形式对桩基结构响应特征影响较大;②桩基等刚度下,增大桩径和减小桩间距,群桩倾斜控制效果较好。研究成果可以为能源群桩的工程应用提供一定的参考。      

考虑挤土效应时楔形桩纵向振动阻抗研究

基于复刚度传递多圈层平面应变模型,研究考虑桩周土挤土效应时成层地基中楔形桩的纵向振动问题。首先根据桩周土体的纵向成层情况并考虑楔形桩的变截面特性,将桩土系统沿纵向划分为有限个微元段,对每个微元段的桩周土体建立复刚度传递多圈层平面应变模型,并通过剪切复刚度递推方法求得桩周土作用在桩身的剪切复刚度;然后将求得的剪切复刚度代入桩身纵向振动控制方程,运用Laplace变换技术和阻抗函数递推方法,推导得到考虑桩周土挤土效应时成层地基中楔形桩纵向振动时桩顶复阻抗的解析解;最后,采用参数研究方法在低频范围内分析挤土效应对桩顶复阻抗的影响及其规律。     

我国发展增强型地热开采技术所面临的机遇与挑战

介绍了增强型地热系统(EGS)的技术原理及增强型地热资源所具有的分布广、对环境污染小、可循环利用等优点。阐述了我国干热岩地热资源前景广阔,大陆地区3～10 km 深度段干热岩地热资源总量为2.09×107EJ,按2%的可开采资源量计算,亦达4.2×105EJ,相当于14.3×103亿t标准煤,是中国大陆2010 年能源消耗总量的4 400倍。以青海共和贵德盆地为例,该盆地干热岩储层的地温梯度为7℃/hm,井深3 000 m温度可达200℃。根据典型干热岩储层特征,讨论了我国开展干热岩吸热系统存在的技术难题,并对开展相关研究给出了建议。      

成层土中轴横受荷桩水平响应的非线性解

对于承受轴向荷载的水平受荷桩，以往研究大多基于线弹性或弹塑性水平荷载传递模型。为提升轴横受荷桩的计算设计水平，采用轴向荷载传递法计算桩身轴力，考虑桩身轴力引起的P-Δ效应，基于双曲线型水平荷载传递模型考虑桩-土体系变形的非线性特征，对成层土中轴横受荷桩的水平响应进行分析求解，得到了轴横荷载作用下桩身变形和内力的非线性有限差分解，并采用MATLAB语言编制了计算程序。使用模型试验算例与基于现场试验的有限元算例对非线性解的准确性进行对比验证，结果表明:计算结果与算例数据吻合良好，可靠性较高；采用不同荷载传递模型的计算结果在不同荷载水平下有所差异，在较大荷载水平下桩-土变形的非线性特点不容忽视。      

连续排水边界下分数阶黏弹性饱和土体一维固结分析

采用分数阶Kelvin模型来描述饱和土体的流变特性,在连续排水边界条件下,利用Laplace变换推导出变换域内的饱和土体一维固结解析解,再通过Crump法对有效应力和固结沉降进行数值反演,得到了分数阶导数黏弹性饱和土体的一维固结半解析解。将连续排水边界退化到Terzaghi排水边界,退化后的结果与已有文献一致,验证了所得半解析解的可靠性。最后,基于所得解,分析了相关参数对土体固结的影响。结果表明,界面参数反映排水边界的透水性,从而影响土体中超孔隙水压力的消散速率;黏滞系数在固结后期对沉降发展影响较大,其值越大,沉降发展越慢;当阶次a不为零时,分数阶次越小,土体表现出的黏滞性越强,整体固结沉降发展越缓慢,次固结沉降发展也越缓慢。     

软土地层矩形顶管掘进引起地表隆沉变形分析

准确预测并及时控制软土地层矩形顶管掘进过程中引起的地表隆沉,可有效降低掘进施工对紧邻结构设施的影响。结合弹性力学Mindlin解和随机介质理论,进一步考虑顶管开挖面附加推力、非均匀分布且具有软化特性的机体-土体侧摩阻力、受触变泥浆特性影响的管节与土体间的侧摩阻力,管节附加注浆压力及基于开挖面收敛模式的土体损失共同作用,推导得到矩形顶管掘进期间地表隆沉位移解析解。经与3个工程算例的实测结果进行对比分析,发现所提方法可预测矩形顶管在软土地层掘进引起的地表隆沉变形规律。分析结果表明：顶管开挖面前方地表表现为隆起;随着顶管开挖面的远离,摩阻力、注浆压力对地表的影响逐渐减小,开挖面后方地表主要受土体损失作用发生沉降;土体损失引起的地表沉降量受开挖面收敛模式影响。     

盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析

盾构机在沿曲线掘进或轴线纠偏过程中,盾尾非对称推力会在管片端部产生附加弯矩,从而引起隧道发生纵向变形。现有解析方法多是将盾构隧道简化为等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化。首先,建立一种能够同时考虑环间张开和剪切错台的简化纵向梁-弹簧盾构隧道模型（simplified longitudinal beam-spring shield tunnel model,简称SLBSM）;其次,将在建隧道简化为Winkler地基上的SLBSM,采用状态空间法推导了非对称推力作用下盾构隧道纵向变形解析解答。通过与既有文献有限元及现有两种连续梁模型计算结果进行对比,验证了所提方法的可靠性和适用性,并对部分参数进行敏感性分析。研究结果表明：连续梁模型计算得到的隧道纵向位移表现为连续特征,而所提方法得到的隧道纵向位移表现为非连续特征,隧道纵向位移在接头处会发生突变;通过参数分析可知：增大接头转动刚度可有效降低隧道隆起和环间张开量;增大接头剪切刚度可有效降低环间错台量,但会导致隧道隆起和剪力的增加;增大地基刚度能显著降低隧道环间张开量和隆起,但会导致环间错台量的增加;管片始端轴力对隧道纵向变形的影响不可...     

孤岛工作面动力灾害预防控制方法研究

为研究孤岛工作面安全开采方法,理论分析其动力灾害多发的岩层运动及应力条件,并提出其安全开采的准则。认为只要合理设计开采参数,就可以避免孤岛工作面动力灾害的发生。分析表明:孤岛工作面长度大于相邻工作面支承压力影响范围之和时,孤岛工作面支承压力无法叠加,工作面较安全;相邻工作面长度大于关键层断裂步距时,覆岩关键层可充分塌垮,孤岛工作面无动压冲击危险;在稳定的内应力场开掘回采巷道时,回采巷道无冲击危险。     

循环荷载作用下不均质地层中盾构隧道纵向响应研究

修建在纵向不均质地层中的地铁隧道,由于列车循环荷载的作用,会导致隧道下部的土体产生不均匀沉降,对既有隧道产生不利的影响。针对这一问题,提出考虑隧道剪切效应的地基不均匀沉降对既有隧道竖向变形影响的解析解。既有隧道简化为搁置在Winkler地基上的Timoshenko梁,通过两阶段分析法,分析下卧地层不均匀沉降引起的隧道响应。首先确定列车荷载引起的动偏应力,并运用土层的力学指标计算出静偏应力和破坏偏应力。然后运用累积应变的经验公式计算出隧道下部土体的累计沉降,将土体的沉降转化为力施加在隧道上。基于Timoshenko梁理论,建立考虑隧道剪切效应的隧道竖向变形微分方程,求解得到隧道变形的解析解,进一步可以得到隧道的弯矩、剪力、转角、错台。