隧道应力扰动区地应力测试及反演研究

通过对隧址区地应力的调查和现场测量,初步确定该区域存在较大的构造应力,但因岩芯破碎,只获得隧道应力扰动区的应力实测值。为此在三维数值模拟过程中模拟了河谷的下切过程,以反映地形对应力场的影响,并采用试算的方法调整侧压系数,从而确定合理的初始应力,使试算结果与现场测量的数据基本吻合,最终确定出合理的侧压系数和初始地应力的数值,弥补了现场测量的不足。研究结果表明,隧道轴线各点的地应力与隧道的埋深、地形地貌有关,且在K42段处于极高的应力状态,为隧道的开挖、支护及稳定性分析提供了科学依据。     

深部隧道爆破开挖诱发围岩损伤与扰动效应数值分析

现阶段,不同地应力条件下深部岩体受爆破作用的损伤破坏分析尚显不足。为了研究深部隧道围岩爆破开挖损伤破坏规律,基于有限元软件ANSYS/LS-DYNA,采用Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型,对不同地应力环境下隧道爆破效果影响因素、围岩扰动范围等问题进行数值分析。结果表明：双向等压隧道的断面损伤程度与地应力水平呈负相关;随着地应力上升,地应力对隧道底板的损伤抑制作用渐为明显;隧道腰部围岩受爆破扰动较为突出,其应力和振动速度均随侧压力系数增大而大幅升高,且振动速度增幅超过40%,明显高于顶部围岩;在垂直应力20 MPa条件下,腰部测点应力、振动速度幅值随侧压力系数增加而增大的趋势较缓;当垂直应力升高至60 MPa时,侧压力系数对围岩扰动的影响较大。相关结论对实际工程施工具有重要指导意义,同时对隧道围岩稳定性监测与支护参数优化具有一定参考价值。     

等速型砂泥岩区自然伽马反演可信度探讨:以YQ2井三维地震区为例

工区目的层的岩性主要为低速煤层、高速灰岩和等速砂泥岩,地震资料中波阻抗和强振幅主要反映了低速煤层和高速灰岩,由于砂泥岩为等速,所以利用速度反演和波阻抗不能有效解决该类型砂岩储层的识别问题.通过孔隙度反演和有争议的自然伽马反演探讨了砂岩厚度和有利储层预测的可信度.3种反演的结果对比表明,在砂泥岩等速和存在煤层、灰岩等异常...     

泥岩渗流-应力耦合蠕变损伤模型研究(Ⅰ):理论模型

在室内和现场试验的基础上,根据泥岩的非线性蠕变变形特点,构造了基于摩尔-库仑准则的蠕变势,建立了泥岩非线性蠕变损伤本构模型及其损伤演化方程;对泥岩裂隙自愈合机制进行了探讨,得到围压、孔隙水和饱水时间是影响裂隙愈合的主要因素,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了泥岩渗透性自愈合模型。研究结果表明,泥岩非线性蠕变是其内部结构损伤在蠕变过程中的综合表现,泥岩的蠕变速率不仅与应力水平、时间相关,而且还与累积蠕变变形密切相关,提出的模型能较真实反映泥岩蠕变变形过程、损伤演化、渗透性演化和裂隙自愈合,且材料常数较少,便于从实验数据中获得。文中涉及到的数值算法、程序实现、模型参数的确定以及工程应用将在本文的Ⅱ部分给出     

考虑空间效应的地下洞室爆破开挖松动区参数场位移反分析

将地下洞室爆破开挖松动区视为一个随开挖过程演变的非均匀、非稳定三维扰动场,松动区内岩体力学参数则是一个具有时空演化特性的参数场。考虑爆破开挖扰动空间效应和岩体真实变形响应,提出了真实工作状态下开挖松动区岩体参数场辨识的位移反分析方法。基于局部监测变形空间插补得到的空间位移场,通过分析洞室爆破开挖围岩变形扰动机制,建立了开挖松动区岩体变形模量参数场数值演化模型,并进行了模型适用性和参数敏感性分析。在此基础上,以变形模量参数为例,结合围岩实测位移信息,提出了开挖松动区参数场位移反分析的动态实现过程。将该方法应用于溪洛渡地下洞室群施工期参数场反演和围岩稳定动态反馈评价及预测,结果表明,该方法合理有效,在大型地下洞群施工开挖与快速监测反馈方面具有显著的工程适用性及实用性。     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

高地应力硬脆性围岩开挖损伤区时效性扩展案例分析——特征与机制

硬脆性围岩在开挖完成后,其强度在高应力的影响下具有明显的时间效应,这导致围岩开挖损伤区的发展也呈现出与时间相关的特征。在岩石强度时效性演化模型的基础上,以锦屏二级水电站试验洞钻孔摄像、声波、变形监测等开挖损伤区实测结果为目标函数,采用正交设计方法、最小二乘支持向量机模型、粒子群优化算法等方法,建立了考虑时间效应的LSSVM-PSO智能反演分析方法,并以锦屏二级水电站试验洞为例,研究了开挖完成后的25 d里,围岩强度在高地应力条件下的时效性演化特征,进而获得这一时段内开挖损伤区扩展过程。研究结果表明:(1)高应力地区,隧洞开挖后,围岩损伤区的主要扩展方向受地应力控制,且最大扩展方向为最小主应力方向,且破坏区(破坏接近度FAI≥2)也集中于该方向;(2)开挖损伤区面积随时间近似呈S形曲线变化,表明开挖损伤区初始发展较为缓慢,随着时间推移呈现线性增加的趋势,最后又逐渐趋于稳定;(3)开挖后第3～10 d为开挖损伤区快速增长阶段。该研究成果对高应力地区硬脆性围岩开挖损伤区时效性演化研究具有指导意义。     

基于自平衡法的泥岩地基中大型灌注桩的承载特性分析

采用自平衡试桩法对龙华寺松花江特大桥1号墩的大型钻孔灌注桩进行了试验研究,得出单桩竖向抗压极限承载力〉53102kN,泥岩地层极限侧阻力可达336kPa。对两根试桩Q－S曲线、桩侧土层位移－摩阻力曲线、桩端荷载－桩端位移曲线及试桩受力－桩端阻力曲线形态和数值进行对比分析,发现成孔时间长,泥浆比重大,孔壁泥皮厚,会导致桩侧摩阻力降低,且侧阻力发挥所需的桩土间相对位移增大。     

考虑时空效应软土地区深基坑开挖变形分析

以天津软土地区某深基坑工程为背景,对基坑开挖过程中不同工况下支护桩深层水平位移、支护桩竖向位移、周边建筑竖向位移、周边地表竖向位移的现场监测数据进行归纳总结,分析其变化规律,对其所受到的时空效应的影响进行研究,研究结果表明:基坑开挖施工对支护桩及周边环境具有显著的时空效应影响,位移主要发生在土方开挖阶段,尤其是土方开挖阶段第三步,位移增量较大,变化速率较快,在基坑底板施工完成后,位移逐渐趋于稳定;支护桩深层水平位移呈现出"鼓肚"状变化趋势,位移最大值出现在开挖面附近;周边地表位移最大值点出现在距离基坑边6 m(即0.51H)位置处,位移变化曲线呈盆状,至基坑地下结构施工完成时,最大位移出现在DB2-3监测点,位移值为-22.7 mm,约为0.19H%;提出建议在基坑南侧和西侧采用桩锚支护结构取代原设计支护形式的优化措施,研究成果可为类似工程提供参考。     

典型红层滑坡滑带土自愈合效应试验研究

在滑坡稳定性分析和设计计算中往往选用滑带土的残余强度值,但许多研究发现滑带土在稳定期会有自愈合现象发生,表现为抗剪强度的提高。对于以蠕滑为主的红层滑坡,自愈合恢复值应该在滑坡稳定性评价中予以考虑。通过对典型红层滑坡滑带土样进行"剪切―保持―剪切"试验,研究处于残余状态下的剪切面在不同法向应力、不同保持时间下的愈合情况,并进行相应的分析与讨论。试验结果表明:(1)残余状态下的土样在保持一定时间后再次剪切出现明显峰值,证明了剪切面自愈合效应存在,但是继续剪切时恢复的强度随位移快速消失;(2)随着保持时间的增长,剪切面的强度恢复值越来越大;(3)剪切面的自愈合相比法向应力更依赖于保持时间。将得到的摩擦系数值运用断层强度恢复经验公式拟合,提出不同法向应力下常数A的取值,可在滑坡安全系数计算中参考。     

基于量纲分析的巷道围岩松动圈预测模型

为更合理地确定巷道围岩松动圈厚度,引入量纲分析理论,提出新的巷道围岩松动圈预测方法。选取岩石单轴抗压强度Rc、围岩节理系数F、围岩重度?、巷道埋深H、最大水平主应力?Hmax、巷道跨度B等物理量,应用量纲分析法构建巷道围岩松动圈厚度L与上述物理量间的无量纲关系式,其中L/H表征松动圈厚度L与巷道埋深H成正比,F表征巷道围岩的结构特征,?H/Rc、?Hmax/Rc 表征巷道围岩的力学特征,B/H表征巷道的几何特征。结合实测数据,推导了各无量纲量间的定量函数表达式,残差平方和为0.003 1,相关系数为0.937 9。选取3个矿山巷道围岩松动圈测试实例对所建立的松动圈预测模型进行验证,结果表明该方法计算结果与实测结果较吻合,平均相对误差为7.38%,能满足工程需要。     

深部泥岩渗透率测试方法及数据适用性分析

针对深部地层同一种泥岩,先后采用常规渗透测试、变围压渗透测试和三轴压缩下瞬态法3种方法开展渗透率的测试研究。试验发现,3种方法下泥岩的渗透率差别极大,其中常规渗透测试所得的渗透率高出后两种方法3~5个数量级;变围压法在围压大于5 MPa后与三轴压缩下的瞬态法所测得的渗透率值较为接近;瞬态法下泥岩渗透率随偏应力增加而缓慢 降低,偏应力高达30 MPa时仍未出现扩容现象。测试显示泥岩的渗透率具有强烈的压力敏感性,其内在原因是较高围压下裂隙闭合、孔隙压紧、孔喉连通性减小,进而导致渗透率下降,而制样、烘干处理等对渗透率也有一定影响。基于试验结果与泥岩所处实际地层应力状态,提出可采用变围压法开展油气储集层的盖层的渗透率及其演化规律研究,而三轴压缩下瞬态法则更适用于能源储库盖层及核废料处置室围岩的渗透规律研究;常规渗透方法所得数据的应用则须商榷。研究结论对研究深部泥岩的渗透特性和密封性能有一定参考价值。     

断层破裂带附近采场采动效应的流固耦合分析

矿井底板突水是一个复杂的多物理场耦合问题,结合含断层破裂带条件下采场开采的工程背景,通过离散元流固耦合分析,研究了采场工作面推进过程中断层带的变形与受力情况以及底板支承压力、渗流矢量和渗流速度的动态发展规律和分布特征。相关模拟结果表明,采场中煤层的开采与断层破裂带之间是相互影响的,以支承压力为代表的采动应力是底板破坏形成导水裂隙带及断层“活化”突水的一个主要诱因,而断层的存在也使得工作面与断层带范围内的围岩应力更加集中,增大了底板破坏突水的危险性。采动过程中,底板破坏所形成的导水裂隙带主要集中在工作面前方及下方围岩中,这些区域渗流速度较大,是形成突水的主要通道。     

含软弱夹层厚煤层巷帮外错滑移机制与支护研究

含泥岩软夹层大采高工作面回采巷道外错式变形破坏是巷道支护的新课题。通过对三道沟煤矿含软夹矸层5-2厚煤层回采巷道变形实测和围岩钻孔窥视,发现了巷道顶板存在垂直裂隙,巷道两帮破坏区集中于夹矸层附近,且具有副帮大于正帮的特征,巷道变形主要来自于相邻采空区的影响。通过数值计算和物理模拟,揭示了相邻工作面侧方支承压力导致顶板产生垂直向裂隙,引起顶板与巷道夹矸层以上煤体沿软夹层向相邻采空区外错滑移的机制。建立了含软夹矸层巷道自稳平衡拱支护模型,提出了加强巷道上帮支护,控制外错滑移破坏的控制原则,给出了顶板锚索与煤帮长锚杆加强支护方案,工程实践取得了成功。     

天然岩体渗透系数反演研究

天然岩体存在很多裂隙,而水在这些裂隙中的渗流严重影响岩石工程的稳定性,因此确定天然岩体渗透系数具有重大的实际意义。反演方法是确定岩体渗透系数的一种较理想的方法,渗透系数反演可归结为一个复杂的非线性函数优化问题。由于采用传统优化技术存在不少问题,而目前采用的全局优化算法—遗传算法也存在本质的问题,因此,提出仿生算法-免疫进化规划进行岩体渗透系数反演,并用一个大坝坝基工程的算例证明了算法的有效性。结果表明,其方法可以在仅知道水头的条件下,得到接近实际的渗透系数值。     

伊拉克中部上白垩统Khasib组岩溶储层演化及异常高渗层成因

针对伊拉克艾哈代布(Ahdeb)油田Khasib组早期的注水突破难题, 本文以地球化学资料及取心薄片分析为基础, 结合区域沉积-构造演化背景, 对储层演化及异常高渗层的成因进行了研究, 并将储层演化划分为3个阶段: 沉积同生期、低沉降速率浅-中埋藏期和快速沉降深埋藏期。沉积同生期具两层高孔段: 即受同生岩溶改造形成的以砂屑粒间孔为主的Kh2-2-1砂屑颗粒灰岩和以藻屑铸模孔为主的Kh2-3-2藻屑泥粒灰岩。在此基础上, 浅-中埋藏期产生以走滑断裂为流体的运移通道, 以深部源岩降解形成的有机酸为溶蚀介质, 以同生期后形成的高孔层段为溶蚀的载体, 以非组构选择溶蚀作用为特征的埋藏有机酸岩溶, 它与同生期岩溶作用在时间上具有连续性, 形成的孔隙分布在空间上具有继承性。晚期地层快速沉降深埋藏期, 发生大规模烃类充注成藏, 阻止孔隙内水岩反应, 减弱储层内压实胶结破坏性成岩作用, 最终使得这两段具异常高渗透率特征。Kh2-2-1砂屑颗粒灰岩段以砂屑粒间孔、粒间溶孔、针状溶洞为主要孔隙类型, 以孔隙缩小型为主要喉道类型, 孔喉连通性好, 岩相区域分布稳定, 是造成早期注水突破的层段。总体而言, 本区异常高渗层的成因主要是: 优质储层的沉积基础及同生岩溶改造, 长期浅-中埋藏期有机酸溶蚀对储层的叠加和改造优化, 以及快速深埋藏期与烃类充注极好的耦合关系使其得以保存。     

考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的砂岩渗透特性研究

以往的研究多是从宏观层面建立孔隙压缩敏感性与渗透率之间的关系,缺乏砂岩不同尺度孔隙结构改变对渗透率演化规律的认识。从细观孔隙层面来看,不同尺度孔隙在应力作用下闭合程度差异明显,考虑不同尺度下孔隙压缩敏感性对准确预测渗透率演化至关重要。因此,利用多场耦合核磁共振试验平台开展了砂岩渗流-应力耦合试验,获得了不同应力作用下砂岩渗透率以及孔径分布曲线的变化规律,将孔径分成大孔(>1μm)、中孔(0.1～lμm)、小孔(<0.1μm)3类,计算了砂岩不同尺度孔隙压缩系数及其转化因子,提出了考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的砂岩渗透率计算公式。结果发现:砂岩不同尺度孔隙的压缩性差异明显,大尺度孔隙的压缩敏感性更强;考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的渗透率公式与试验值具有较好的一致性。     

考虑影响区真实形状的竖向排水井地基固结解

针对现有竖向排水井地基固结解析理论对影响区一律采用圆形等效假定的缺陷,研究了影响区真实形状为正六边形的按梅花形布置的竖向排水井地基的固结问题。通过建立新固结方程和引入新的边界条件,并考虑土体水平渗透系数变化,得到了相应的解析解。对于土体水平渗透系数的3种变化模式,分别给出了各种模式下的特殊解。在此基础上,分析了3种模式下3个主要的无量纲参数对地基固结性状的影响,并比较了计算结果和现有理论结果。分析结果表明,影响区和涂抹扰动区范围越大,固结越慢;土体的最大与最小水平渗透系数之比越小,固结越快;在相同条件下,考虑扰动区渗透系数线性变化的模式2固结最快,而假定扰动区渗透系数不变的模式1的解与现有理论解相当接近,验证了现有竖向排水井地基固结解析理论中对影响区采用圆形等效假定的合理性