基于扩展有限元分析的页岩水力压裂裂缝扩展规律探究

水力压裂是开采地下页岩气资源的有效技术手段,探究页岩水力压裂裂缝的扩展规律,可为页岩气的高效开采提供科学的指导依据。通过运用大型有限元软件ABAQUS中的扩展有限元模块,针对不同地应力差工况条件下均质页岩中初始裂缝的位置、方位角、数量和含层理页岩中层理的构造方向、内部倾角、岩性对水力裂缝扩展的影响进行探究。结果表明：对于垂向扩展的水力裂缝,水平主应力增大使裂缝更不易扩展,裂缝扩展长度减小、起裂压力增大;在注液体积流量相同时,向初始裂缝两端同时起裂所形成的水力裂缝长度大于仅向一侧起裂;当初始裂缝处于页岩中部且呈45°方向时,裂缝会向最大水平主应力方向偏转,且偏转程度随最大水平主应力的增大而增大;分时多簇压裂时,裂缝间的扩展会相互干扰,且会较大地影响裂缝扩展的形态和起裂压力,但对裂缝注液点裂缝宽度的影响较小;对于含水平和竖直构造层理的页岩,改变层理内部倾角,水力裂缝会出现不同程度偏转,且其偏转程度随着层理内部倾角的增大而减小;对于含45°方向构造层理的页岩,水力裂缝在层理分别为砂岩、煤岩和泥岩中的偏转程度依次增大,且裂缝偏移比随着最大水平主应力的增大而增大。     

基于孔压静力触探试验的水运工程土分类方法研究

土的工程分类是工程勘察和设计应用的关键问题之一。基于孔压静力触探测试（piezocone penetration test,简称CPTU）原位测试参数进行土分类是高效实用的方法。国内外现有分类方法的名称及标准与我国《水运工程岩土勘察规范》（JTS 133－2013）不符合。因此,建立基于CPTU原位测试参数、符合我国行业标准的土工程分类方法具有重要工程意义。在收集大量国内外水运工程CPTU测试资料的基础上,对比分析了616个间距小于5 m的CPTU测试孔和相应钻孔取样与室内土工试验成果。选择国内外7种常用的CPTU土分类图进行应用比较,发现这些土分类图所采用的应力修正计算方法在考虑浅层土体的有效上覆应力修正时存在一定的缺陷,通过引入新的应力修正方法和修正土分类边界线,建立了适合我国水运工程的CPTU土分类方法。对比应用分析表明,该分类图能够准确地进行水运工程土类划分,尤其适合于软土、粉细砂和中粗砂的划分,可作为我国水运工程的土工程分类方法。     

考虑应力变化速率的岩石脆性评价指标

脆性作为岩石的重要的力学指标,对深部岩体性态评价以及灾害预防具有重要意义。岩石应力−应变曲线能够很好地表征岩石的脆性。考虑到现有基于应力−应变曲线的脆性指标大多都只对曲线的一部分进行分析,且少有指标能够准确地应用于岩石II类曲线中,对整体判断的缺乏可能会导致工程应用上适应性及可靠性不足的情况。针对现有脆性指标普遍存在的物理意义模糊、评估结果与岩石脆性的关系非连续等问题,综合考量岩石应力−应变曲线中峰前应力上升速率、峰后应力跌落速率以及峰值点应变值对岩石脆性的影响,提出了一种物理意义明确、计算结果与岩石脆性之间的关系是单调且连续的岩石脆性指数计算方法。选取国内外常用脆性指标对锦屏II级水电站大理岩和某铁路隧道花岗岩、变质砂岩以及片麻岩的单轴压缩试验数据进行脆性评价后进行比较,验证了指标的适用性。进一步将提出的指标应用于常规三轴试验条件下大理岩脆性分析,结果表明,该指标不仅能够量化和分类不同岩石的脆性特征,还能表征围压对岩石脆性的抑制作用。     

应力幅值比对土-结构接触面非共轴特性影响研究

运用80 t大型三维多功能土工试验机（3DMAS）,进行了不同应力幅值比下粗粒土与结构接触面大型三维循环直剪试验,深入分析了应力控制往返椭圆剪切路径下接触面切向位移、非共轴角和剪切柔度等三维力学特性以及应力幅值比的影响规律。应力控制往返椭圆剪切路径下,接触面产生了明显的x向和y向位移、非共轴角和剪切柔度。x向和y向位移幅值、剪切柔度峰值均随循环剪切的进行逐渐减小而后趋于稳定,表现出演化特性。非共轴角受切向应力幅值及切向应力增量方向共同影响,其最值、稳定值随循环周次基本保持不变;正向剪切时非共轴角最大值（最小值）与反向剪切时最小值（最大值）基本出现在同一位置。接触面剪切柔度与非共轴角随旋转角度的变化趋势相反,剪切柔度的增加会抑制非共轴角的发展,反之亦然,两者对立统一。应力幅值比对接触面切向位移间椭圆关系及其时程变化形式、切向应力位移类椭圆关系等影响较小,主要影响切向位移幅值及其偏移程度、切向位移间椭圆关系的长短轴大小及方向、切向应力位移类椭圆关系的长短轴大小、非共轴角的数值及其随旋转角度的变化形式和最值出现位置、剪切柔度随旋转角度的变化形式和峰值及其产生位置等。应力幅值比越大,切向位移幅值越大、向负向偏移越大,剪切柔度峰值越大,随循环剪切的进行减小的速率越慢。应力幅值比ξ_τ=1和ξ_τ≠1时接触面非共轴角和剪切柔度随旋转角度的发展变化形式差别很大。     

南京河西地区地面沉降成因分析

为了查明南京河西地区地面沉降的成因,笔者等在系统研究水文地质与工程地质条件的基础上,研究了地面沉降的分布特征和发展规律,以及地面沉降与地下水位、软土分布及建筑荷载之间的关系,进而揭示了南京河西地区地面沉降的成因。研究结果表明：南京河西地区不开采地下水,地面沉降与软土层厚度和建筑荷载分布关系密切,地面沉降主要受建筑工程影响,即建筑荷载和深基坑降水的作用。     

大同盆地形成机制的构造研究

大同盆地为位于华北地块中部的新生代断陷盆地,自中新世晚期以来经历了持续的强烈伸展作用。基于边界断裂滑动的运动学及动力学分析,结合对本区新生界沉积地层与玄武岩资料的总结归纳以及对区域动力学背景的讨论,本文提出了大同盆地的形成机制:自10~8 Ma以来,鄂尔多斯地块东北缘形成NW向伸展的构造应力场,其中σ1垂直,σ2、σ3水平,σ2的方位角为60°,σ3方位角为150°,此构造应力场控制边界断裂的运动,形成NE向大同断陷盆地。盆地的形成对应岩石圈减薄深部过程,可能受到了印度——欧亚板块碰撞、太平洋——欧亚板块碰撞板缘动力作用的影响。本文将岩石圈浅部构造应力场与深部地幔活动结合起来综合分析大同盆地的形成机制,并提出了一些新的认识:控制大同盆地形成的正断型构造应力场不同于华北区域性走滑型构造应力场;首次测得了与地幔活动相关的大同火山群大峪口玄武岩K-Ar年龄为0.68±0.13Ma;大同盆地具有板内狭窄型裂谷的构造特征。本文为建立鄂尔多斯地块东缘山西地堑系的运动学和动力学模型提供新的依据。     

Triggered seismicity in the Andean arc region via static stress variation by the MW = 8.8, February 27, 2010, Maule earthquake

We localized crustal earthquakes in the Andean arc, between 35°S and 36°S, from December 2009 to May 2010. This research shows a seismicity increase, in a narrow longitudinal area, of more than nine times after the great M_w 8.8 Maule earthquake.The localized seismicity defines an area of ∼80 km long and ∼18 km wide and NNW to NNE trend. The M_d magnitudes varied from 0.7 to 3.1 except for two earthquakes with M_w of 3.9 and 4.5, located in the northern end of the area. The focal mechanisms for these two last events were normal/strike-slip and strike-slip respectively.During 2011, a network of 13 temporary stations was installed in the trasarc region in Malargüe, Argentina. Sixty earthquakes were localized in the study region during an 8 month period.We explored how changes in Coulomb conditions associated with the mega-thrust earthquake triggered subsequent upper-plate events in the arc region. We assumed the major proposed structures as receiver faults and used previously published earthquake source parameters and slip distribution for the Maule quake. The largest contribution to static stress change, up to 5 bars, derives from unclamping resulting consistent with co-seismic dilatational deformation inferred from GPS observations in the region and subsidence in nearby volcanoes caused by magma migration.Three different Quaternary tectonic settings–extensional, strike-slip and compressional-have been proposed for the arc region at these latitudes. We found that the unclamping produced by the Maule quake could temporarily change the local regime to normal/strike-slip, or at least it would favor the activation of Quaternary NNE to N-trending dextral strike-slip faults with dextral transtensional movement.     

高钢级绳索取心钻杆管材残余应力的初步研究

有观点认为管材的残余应力是绳索取心钻杆非正常损坏的诱因之一。据此采用环切法对不同热处理和矫直工艺的冷拔绳索取心管材制造过程中的残余应力进行了检测比对,认为冷拔管材制造环节产生的残余应力是存在的,也是可控的。只要制造工艺措施得当,可以将高钢级合金管材的残余应力控制在可接受范围内;合格管材出厂时存在较高残余应力造成的钻杆折断等事故较为罕见。应从管材制造、钻杆加工、现场使用等方面入手,努力降低钻杆断裂事故。     

基于LS-DYNA的贯通式潜孔锤反循环钻头强度的优化分析

通体花键式贯通式潜孔锤反循环钻头在实际施工中尾部较易损坏,影响反循环钻头的使用寿命。为提高反循环钻头的使用寿命,对反循环钻头尾部结构进行了优化设计,并采用非线性动力学仿真软件LS-DYNA对改进前后的反循环钻头进行了仿真分析。分析结果表明：由于在冲锤的高频冲击作用下,反循环钻头尾部易出现较大的局部应力集中,导致钻头体出现疲劳破坏;通过对钻头尾部结构设计优化后,与通体花键式反循环钻头相比,新结构钻头在无泄风槽情况下,应力集中值减小44%,在有泄风槽的情况下,应力集中值减小19%。数值模拟分析表明,优化后能大幅度提高钻头寿命。     

应力分散型预应力抗拔桩系列技术研究与应用

根据目前国内外预应力抗拔抗浮桩、部分粘结预应力抗拔抗浮桩的优缺点以及使用的局限性——长螺旋钻机对于桩径＞800 mm或桩长＞30 m的桩力不从心,研究了应力分散型预应力抗拔桩及钢筋钢绞线笼系列技术,用于一个直径1 m、桩长60 m的抗拔桩工程,采用旋挖成孔,可实现在工程桩上进行大吨位试桩,受力合理,节省资金和工期,实践证明该系列技术有很好的应用前景。