含黏粒砂土的循环弹塑性本构模型及其动力数值研究

首先完善上下负荷面中超固结状态参量R与结构性状态参量R*的定义表达,并以此重新推导了应力诱导各向异性上下负荷面模型,并在数值程序中再现该模型,实现土的统一本构的数值化模拟。分析了黏土以及砂土的力学特性,及其在数值模型状态变量中的差异,为模拟含黏粒砂土的实现进行理论分析。通过参数试算找出含黏粒砂土的不同黏粒含量分别所对应的模型参数。     

沉积岩储藏系统小断层在油气田注水诱发地震中的作用——以四川盆地为例

以四川盆地为例,通过分析沉积岩储藏系统中断层的发育特征和典型沉积岩断层形成前后岩石变形破坏过程的实验研究,探讨沉积岩层中小断层在油气田注水诱发地震中的作用及较大地震发生条件。首先,通过分析已有的有关四川盆地深部注水诱发地震活动情况的资料得到具有一定普遍性的认识:诱发地震的空间分布明显受已有断层或破裂的控制,有感地震尤其是可导致一定灾害的中强地震往往都是已有断层的重新活动所致。其次,结合石油地质资料及盆地边缘地区出露的一些未成熟小型断层的地质与构造特征观察分析,发现这些断层的存在具有普遍性而且是地下油气纵向运移的主要通道。进而,在实验室条件下对四川盆地几个典型沉积岩样本进行了三轴压缩破坏实验。采用多通道宽动态高速声发射观测技术与三维X射线CT成像技术分析断层形成过程及形成后的几何特征和摩擦系数的变化。最后,通过融合各方面研究结果分析注水诱发地震的发生机制和模型,探讨了较大地震发生条件,为提升注水诱发地震评估能力和建立安全注水操作管理指南提供理论基础。该结果有助于理解为何四川盆地油气田注水诱发地震活动如此剧烈。主要的前三叠系沉积岩(包括白云岩、页岩及白云质灰岩)均具有较高的破坏强度和脆性变形破坏特征,使四川盆地油气储藏系统有条件保持较高的应力水平和在一定条件下导致地震性断层破坏。一般,一条尺度达到几km的断层便足以产生M5级别的中强地震。这些条件使得该区具有发生破坏性注水诱发地震的可能。有必要在对注水孔周围的破裂及断层构造的空间分布、尺度大小及力学性质特征有基本了解的条件下,通过注水数值模拟和监测注水诱发地震的时空演化,建立适当的统计模型实现诱发地震的统计评估和预测,指导注水操作而达到减少灾害性地震发生的风险。     

能源技术诱发地震的可能性

正经济社会的稳定发展依赖于可靠稳定的能源供应。近年来,能源开发引起的地震事件已引起了公众关注。为此,应国会要求,美国能源部(DOE)委托国家研究理事会(NRC)对这一问题进行专门研究,对能源开发中诱发地震的规模、范围和影响进行调查,找出当前所掌握知识与更深入认识诱发地震的研究之间的差距,发现诱发地震灾害评估方法与缩小上述差距研究之间的不足,并评估迈向能源开发与诱发地震可能性之间最佳实践的过渡手段[1-2]。本文将对这次研究的成果做一简要介绍,以期对我们相关研究工作有所借鉴。     

高温冻土区填土路基融化固结变形分析

基于修正拉格朗日（U.L）描述下的大变形固结理论和考虑相变作用的温度场得到大变形融化固结理论,对不同路堤高度下填土路基温度场和融沉变形进行研究. 结果表明：高温冻土区合理高度的路堤在5~10 a内使冻土上限略微抬升,但冻土有明显升温. 冻土上限在未来的5~10 a后会急剧下降,且路堤高度越小,下降量越大. 与小变形融化固结理论相比,大变形融化固结理论预测高含量冻土融沉变形的精度更高. 融沉量与路堤高度成正比,且随着时间的增长,融沉变形呈阶梯型发展,路堤越高,阶梯现象越显著. 定义融沉量与路堤高度之比为沉降比,研究发现路堤越低,其沉降比越大,且随时间线性增长. 沉降比是冻土融深增量的单值函数,与路堤高度无关,通过沉降比函数可以快速而实用的求出融沉变形量.     

基于同伦分析法的非饱和土层固结问题的级数解

由于非饱和土的渗透系数是基质吸力的函数,使得控制方程带有强非线性的特征,进而使得控制方程的解析求解变得十分困难。同伦分析法对级数基函数和辅助线性算子的选择具有更大的自由性、灵活性,且收敛性的控制和调节更加容易实现,求解强非线性微分方程时在选择线性算子以及辅助参数上具有明显的优势。因此,针对非饱和土固结方程的非线性特征,对于处于地表浅层的非饱和土层,假设孔隙气压力为大气压力,在Richard经验公式与非饱和土一维固结理论的基础上,推导了非饱和一维固结无量纲控制方程;应用同伦分析法,通过选取适当的初始猜测解与辅助参数,将该非线性方程转换为线性的微分方程组并求解得到固结问题的级数解。此外,以压实高岭土为研究对象,在收集相关试验参数基础之上,将由同伦分析法求得的固结问题的近似解析解与有限差分法数值结果相对比,分析结果验证了解析解的正确性。     

基于FLAC3D平台的边坡非饱和降雨入渗分析

为研究降雨入渗条件下三维边坡渗流场的变化过程,在全面研究FLAC3D软件渗流分析模块功能及算法的基础上,通过编写FISH函数完善了FLAC3D软件的非饱和渗流计算功能。基于降雨入渗机制的分析,编写了降雨入渗及停雨出渗边界的FISH函数,实现边坡三维降雨入渗过程的模拟。通过降雨条件下算例边坡的饱和非饱和渗流场变化过程的数值计算,研究了降雨入渗引起的边坡暂态饱和区变化过程,并与已有研究成果进行对比分析,从而验证了自编FISH函数实现边坡三维非饱和渗流计算结果的正确性。研究成果表明,文中提出的边坡三维非饱和降雨入渗分析是可行的,同时也为三维边坡非饱和渗流场的研究提供了一条有益的途径。     

竖向稳定渗流条件下的地震主动土压力分析

基于库仑土压力理论的基本假定和拟动力法的分析思路,以无黏性填土的刚性挡土墙为研究对象,考虑填土中存在竖向稳定渗流的两种工况,推导了地震主动土压力和修正土压力系数的计算表达式。通过程序求解问题并进行参数讨论,分析结果表明,主动土压力随水平地震加速度的增大而明显增大,竖向地震加速度对土压力影响较小,可以忽略不计。墙土摩擦角较小时,土压力随填土摩擦角的增大而单调减小,但当墙土摩擦角增大后,土压力随填土摩擦角的增大出现先减小后增大的情况。渗流方向向下时,土压力随水力梯度的增大而减小;渗流方向向上时,变化规律则相反。与已有的理论方法对比,计算结果基本吻合,验证了该理论方法的正确性。     

人工回灌物理堵塞特征试验及渗滤经验公式推导

人工回灌是提高水资源利用水平的重要工程措施,然而回灌过程中的堵塞问题会影响入渗效率和入渗工程的使用寿命。为了深入研究堵塞的机理,以控制堵塞问题,通过砂柱试验模拟了地下水人工回灌物理堵塞过程,通过测定含水率的变化分析了由堵塞引起的砂柱饱和-非饱和状态的转化。试验中出流速率经过了迅速增大到一峰值后快速减小,然后又缓慢变小的过程,即：仅经过72 h的回灌,砂柱的出流速率减小为2.18 m/d;72 h后砂样出流速率的减小明显放缓;192 h时,砂样出流速率为0.81 m/d,约为出流速率最大值的1/10。试验结果表明：回灌水悬浮物颗粒进入砂样空隙中引起渗透性减弱,和逐渐沉积在砂柱顶部形成的淤泥层是造成堵塞的直接原因,而淤泥层的形成是造成渗滤速率迅速下降的关键因素;淤泥层的弱透水性使砂样由上至下含水率发生了变化,导致了砂样导水率和水力梯度都降低,促使回灌渗滤速率迅速减小;回灌时间越长,淤泥层厚度越大,出流速率越小。由10组对比试验的结果,综合考虑引起雨洪渗滤系统堵塞的各种因素,建立了无砾石滤料雨洪水回灌过程计算渗滤速率变化的经验模型,拟合结果决定性系数为0.932。     

降雨和库水联合作用下边坡稳定性变化规律

降雨与库水位骤降是影响边坡稳定性的重要因素。为研究不同类型降雨(平均型,前峰型,中峰型,后峰型)联合库水位骤降情况下某自拟边坡渗流特性以及稳定性的变化规律,利用Geostudio软件对不同类型降雨联合库水位骤降工况下的边坡渗流特性以及稳定性的变化规律进行了数值模拟,结果表明:库水位下降过程中孔压变化有一个"响应延迟"现象,且随着距离库岸距离的变大越来越明显;库水位下降速率越大,最小稳定系数出现的时间越早,最小稳定系数越小;在静库水位作用下不同类型降雨影响了最大孔压峰值的出现时间,前峰型最小稳定系数最大,后峰型最小稳定系数最小;不同时段降雨改变了孔压瞬时变化规律;平均型降雨,前峰型降雨,中峰型降雨最小稳定系数随着降雨发生时间的延后而越小,而后峰型降雨最小稳定系数出现在库水位下降过程中(10～20 d),且后峰型降雨容易导致边坡失稳。研究成果为不同类型降雨联合库水位骤降工况下边坡渗透稳定性规律提供了一个直观的认识。     

含水层采能区热渗耦合三维数值模型研究

以西安市某水源热泵系统为例,建立三维热渗耦合数值模型,对研究区渗流场和温度场的演化进行模拟研究。结果表明:水源热泵系统运行初期,抽灌井水位变化明显,1. 5 h后趋于稳定;随着热泵系统的运行,在水动力的驱动下,回灌井冷热锋面逐渐到达抽水井,发生热贯通后抽水井温度变化显著;含水层渗透系数越大,温度锋面的移动速度越快;抽灌井连线上渗透速度最大,温度变化最明显,随着热泵系统的运行,温度场的影响范围逐渐增大。