膨胀岩体中的湿度应力场理论

软岩工程中的岩体一般为膨胀岩体,受水作用后的应力应变场分析问题十分困难。本文提出了分析膨胀岩体受水作用的湿度应力场理论。重点讨论了建立湿度应力场理论的两大要素:膨胀岩石含水率变化对其力学性质的影响和岩体中湿度变化规律。并给出了湿度应力场理论的控制方程和用该理论分析了简单的平面轴对称问题。     

基于湿度应力场理论的硬石膏岩膨胀试验研究

传统的湿度应力场理论处理硬石膏围岩膨胀问题时,未反映膨胀特性与湿度状态之间的时变关系。以该理论为基础,设计硬石膏岩膨胀试验：不同初始湿度下的膨胀,不同浸水时间的膨胀,以及膨胀后的抗拉强度测试。试验发现：随初始湿度的增加,硬石膏岩膨胀持续的时间增长,最大膨胀应变和应力增大,终止时的吸水率和结晶水率增加,而自由水率近于0;相同初始湿度下,随浸水时间增加,其吸水率先快速后缓慢增加,结晶水率逐渐增大到接近于吸水率,自由水率逐渐减小到接近于0;随吸水率的增加,其最大轴向膨胀应变、最大侧向膨胀应力和抗拉强度都呈增大趋势。根据试验结果,建立了湿度状态时变系列方程以及含时间效应的膨胀本构模型。     

基于湿度应力场理论的膨胀岩弹塑性本构关系

由于含水率的变化使膨胀岩的弹性模量、泊松比和屈服极限等力学性能都将发生变化,从而引起膨胀应力、塑性流动和随湿度场而变化的屈服准则等都相互耦合在一起,因此,提出了基于湿度应力场理论的膨胀岩的弹塑性本构模型,并运用参变量变分原理建立了处理这一类问题的数值变分原理及其相应的有限元形式。     

井底压差对垂直井井底应力场的影响研究

井底压差是影响钻井机械钻速的重要因素之一。实践证明欠平衡钻井与常规钻井相比机械钻速有显著提高,不同钻井条件下的井底应力场需要深入地研究。在分析井底岩石所受载荷的基础上,建立了轴对称条件下井底岩石流固耦合模型,并利用有限元方法进行求解,通过对不同井底压差下的井底岩石应力场进行数值模拟计算,针对井壁岩石的理论解和数值模拟结果进行对比验证模型的合理性,并对井底待破碎岩石进行了力学分析。结果表明,数值模拟结果与理论结果相符,验证了模型的正确性;井底待破碎岩石按照应力状态分为3个区域,分别为3向拉伸区、2向压缩区和3向压缩区。井底压差对井底应力场的影响研究为快速高效破岩提供理论基础。     

土质边坡非饱和渗流场与应力场耦合数值分析

阐述了坡面径流-非饱和渗流分析与应力场耦合分析的重要意义和作用;介绍了在非饱和渗流分析中具有重要作用的土-水特征曲线,包括考虑固结压力条件下的土-水特征曲线,并介绍了部分试验成果以及坡面径流-非饱和渗流耦合分析的计算方法;提出坡面径流-非饱和渗流分析与应力场的耦合计算方法,并编制相应的有限元程序;通过算例对比了耦合与非耦合情况下应力场、渗流场的差异,说明耦合分析更符合实际,且所提出的方法是切实可行的。     

渗流场与应力场相互关系研究中应注意的两个问题

渗流场与应力场耦合模型应反映双场相互作用的真实过程;双场耦合模型必须以概念模型为基础。     

岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型

岩体系统具有复杂的结构。一般认为，岩体系统是非均质各向异性不连续的多相介质体系。当岩体以裂隙为主，且其分布较密集时，可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。本文运用等效连续介质理论，提出了两种岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型：一是以渗透水压力与隙变形关系、应力与渗透系统数关系为基础，建立渗透系数张量计算公式，进而建立等效效连续介质渗流为数学模型。以裂隙岩体应变张量分析为基础，建立裂隙岩体效应力张量     

非均质土坝稳定性的渗流场和应力场耦合分析

綦于多孔介质的渗流特性和土的非线性本构关系，研究了渗流场与应力场的耦合效应，并针对一实际十坝建立了非线性耦合分析模型，探讨了位于软基之上的非均质土坝的渗流与应力耦合规律。分析结果表明，在渗流作用下，坝休和坝基中渗流与应力的相互作用是不应忽视的，其作用结果将会使土坝、特别足防渗心端附近应力水平和渗透坡降均有不同程度的提高，表明考虑渗流场和应力场耦合作用的计算结果对土坝稳定安全性不利。     

冻土地区水渠的温度场和应力场数值分析

建立了含损伤的冻土弹性本构模型,对于在不同冰体积含量和不同温度下的冻结砂土,由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线相吻合.利用自行开发的程序进行数值模拟,通过对渠道冻结水分场、温度场、应力场三场的数值计算结果分析,得到了比较准确且符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果,与前人计算结果相符合,规律一致.算例表明,此程序能够计算冻土材料的相关物理量,且能很好地描述它们之间的关系,可为工程设计和施工提供必要的参考.     

水下盾构隧道渗流场应力场耦合效应研究

在高水压条件下施工水下盾构隧道,渗流场对于结构及围岩应力场有很大影响。结合重庆主排水过江盾构隧道的修建,针对不同水压情况下的盾构隧道,采用有限元法对围岩及结构的渗流场和应力场进行耦合分析,获得施工期管片应力、位移及孔隙水压力分布。重点研究了管片的水压力分布规律,并与现场试验进行相互验证。结果表明：耦合效应下隧道管片需要承担更大的拉力,在设计中应按更不利工况进行配筋。所得结论为类似工程的设计施工提供有了益参考及依据。     

考虑应力敏感性的煤层气井排采特征

与裂缝性砂岩气藏相比,煤层气藏是一种具有阶段性应力敏感特征的特殊裂缝性气藏。在煤层气排采初期, 有效水平应力起主导作用, 随着有效应力的增大,渗透率逐渐减小;当割理内部流体压力降低到解吸压力之后, 由于基质收缩,渗透率可得到一定程度恢复。所以,提高煤层气排采效果的重要举措,是尽可能提高煤层气压降-解吸的面积。在煤层气开采初期,不合理的高排采速率将引起近井地带渗透率降低,影响压降漏斗的传播,造成增排不增产的后果。通过岩心应力敏感实验,得到了岩心渗透率随有效应力的变化规律。以煤层气开采井为例,利用ECLIPSE E300三维双重孔隙介质多组份模拟器,证明了初期排采量并非越大越好,而是存在一个合理值。该结论可用于指导煤层气井的开采。     

基于损伤理论的圆形巷道围岩应力场分析

由于巷道掘进破坏了原岩地应力场,使围岩应力重新分布,应力集中区的高应力造成巷道变形破坏.特别是布置在高地应力区的巷道变形破坏更加严重.因此必须合理准确地计算巷道围岩应力场,为巷道变形破坏计算及稳定性分析提供理论依据.岩体内部存在微裂纹,其发生、扩展、并合,决定了岩石材料的宏观力学性能,因此巷道围岩应力场的计算应该考虑岩石材料的损伤特性.本文基于损伤理论计算得到的不同地应力情况下的圆形巷道围岩应力场,计算结果与实际情况符合得较好.     

压实方式影响路基湿度场演变规律相似模拟试验研究

探究路基湿度场演变规律是解决路基工程水损害的基础问题之一,为研究路基湿度场受压实方式影响所产生的变化与分布问题,在相似准则推导的基础上构建了4种具备不同压实方式的室内路基相似物理试验模型。通过分析二维入渗方式的降雨试验结果,总结了不同压实方式影响下路床湿度场扰动区扩距、前扰动区湿度分布、湿度梯度和路堤湿度值变化的主要规律,并阐述其作用机制以及提出了相关工程建议。研究结果表明：路床湿度扰动区扩距随着路床压实度的增加呈线性递减;整个湿度扰动区可划分为前、后两个区域,前扰动区湿度分布基本呈线性速降状态,湿度梯度值随着路床压实度的增加呈线性提高;路床压实度对其下的路堤湿度影响效果显著,综合效应表现为路堤湿度随路床压实度增加呈线性递减;工程中严格控制上部路基压实效果对防止下部路基水毁病害有显著作用。     

考虑三向地应力差时不同钻井条件下井底应力场研究

井底压差和三向地应力是钻井过程中影响井底岩石应力分布的主要因素,从而影响钻井机械钻速。主要针对欠平衡、平衡、过平衡和气体钻井4种钻井条件下三向地应力对井底应力分布进行定量研究。在井底岩石力学分析的基础上,建立了考虑正断层模型下的三向地应力、液柱压力和孔隙压力因素时的井底岩石流-固耦合模型,采用数值计算方法进行求解。结果表明,三向地应力差相同时,井底面岩石最大主应力与井底压差无关,井底面岩石最小主应力随井底压差增大而增大;不同钻井条件下井底面最小主应力与水平最小地应力无关,且随水平最大地应力增大而减小;不同钻井条件下井底面最大主应力与水平最大地应力无关,当井底压差存在时,其随水平最小主应力增加而减小后逐渐趋于稳定;当气体钻井时,其与水平最小主应力也无关。针对走滑断层和逆断层模型时的井底应力场尚需进一步研究。不同井底压差和三向地应力时井底岩石应力分布的定量化研究为实际钻井条件下钻头破岩机制研究和快速高效破岩提供理论基础。     

彭庄井田区域地应力场分析

通过对山东彭庄井田的区域地质构造发育规律及其地应力实测值进行分析与计算,讨论了井田内地应力及构造应力的状况,为下一步矿井生产工程地质条件的评价提供了资料基础。     

水平井压裂储层应力场分布模拟方法

在研究分析水力压裂对储层岩石力学特性参数影响的基础上,提出一种压力储层应力场分布模拟计算方法。通过建立水平井储层原地应力场模型和水力压裂产生人工裂缝诱导应力场模型,并且利用实际的水力压裂测井参数对储层原地应力场和压裂产生裂缝诱导应力场分布进行了模拟计算。模拟计算结果表明,压裂产生人工裂缝会对储层应力场分布造成很大影响;压裂后储层应力主要在裂缝周围得到积累,并且距离裂缝越远,应力值积累越少;压裂生成裂缝长度也会影响储层应力场分布,裂缝越长,裂缝诱导应力场减小越慢。