岩石风化程度对土岩双元基坑变形的影响

土岩双元基坑是指开挖深度范围内,上部为土层、下部为岩层的基坑。由于下部岩层的力学性质与上部土层差异较大,因此传统纯土体的一元结构基坑设计理论与经验对该类基坑的适用性较差。利用FLAC3D有限差分软件,建立不同岩石风化程度的土岩组合基坑计算模型,研究不同岩石风化情况下土岩双元基坑的变形规律,并用连续-离散耦合模型模拟土+破碎岩石基坑失稳过程。结果表明:若岩层完整,最大水平位移出现在土层中,岩层中水平位移很小;若岩层为破碎状,最大水平位移有可能出现在岩层中;岩层中的黏土夹层也可能是基坑最大变形出现的部位;破碎岩石内部的破坏是同土层同步发育的,最终二者一起发生整体滑移破坏。了解基坑的变形规律,有助于针对性地采取加固措施,对破坏区域的细观研究为基坑支护设计提供了依据。

盐岩地下储气库注采气套管运行安全的物理模型试验研究

注采气套管结构是保证盐岩地下储气库注采气正常运行的重要枢纽,在盐岩地下储气库运行过程中,套管混凝土环极易因储库蠕变体积收缩而产生受拉破坏。因此,为了解套管混凝土环的受力和变形特性,采用三维地质力学模型试验技术,对江苏金坛盐岩地下储气库开展了不同采气速率、不同采气内压、储库失压等风险因素影响下的套管运行过程的物理模型试验,通过三维地质力学模型试验较好反映出储气库套管混凝土环的受力和变形特性。研究表明:(1)套管混凝土环的轴向拉应变随采气速率的增加而增大,为保证套管的运行安全,建议储气库的最大采气速率不超过0.65 MPa/d;(2)套管混凝土环的轴向拉应变和套管所受蠕变挤压应力随套管鞋离腔顶距离的减小而增大,为保证储气库运行安全,套管底部距离储库腔顶的距离应大于10 m:(3)套管所受蠕变挤压应力随采气内压的减小而显著增大,储气库的最低运行气压应大于3 MPa,并应最大限度地防止储气库出现失压事故。

光纤位移传感器在盐岩地下储气库群模型试验中的应用

为了研究盐岩地下储气库群运行过程中注采气压变化对洞周围岩变形的影响,设计开发了一种基于光纤布拉格光栅技术的棒式光纤位移传感器,并将其成功应用在盐岩地下储气库群模型试验的位移监测中。试验结果表明,注采气压速率是影响盐岩储气库运营安全的重要因素。采气过程中洞周出现径向收敛位移,该位移随采气速率和时间的增加而增加;注气过程中洞周出现扩张位移,该位移随注气速率和时间的增加而增加。空间上,气压变化对洞腔腰部位移影响最大。为了保证储气库运行安全,应控制注采气速率。针对所研究工程原型,建议储气库的最大采气速率应小于0.65 MPa/d,最大注气速率应小于0.75 MPa/d。

盐岩油气储库介质地质力学模型相似材料的研制

以江苏金坛盐岩地下油气储库为示范工程,以精铁粉、重晶石粉、石英砂、一级松香和医用酒精为原料,根据相似原理以及金坛盐岩油气储库地层中盐岩、泥岩和盐岩夹层的实测物理力学参数,开展了各种配比条件下材料的单轴压缩、三轴压缩、直剪和巴西劈裂试验,通过原岩和模型材料的重度、泊松比、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等基本物理力学参数以及相应变形特征和强度破坏特性的对比分析,研制出基本满足相似条件要求的盐岩油气储库介质(盐岩、泥岩和盐岩夹层)的地质力学模型相似材料,为开展盐岩地下油气储库运营的变形与失效破坏地质力学模型试验提供了可靠的材料保证。

极端风险因素影响的深部层状盐岩地下储气库群运营稳定三维流变模型试验研究

盐岩因其非常低的渗透特性与良好的蠕变行为被公认为能源储备最理想的介质。为有效反映不同采气速率、注气速率、运行低压、运行高压、储库失压、储气压差以及储库间距等极端风险因素对盐岩地下储气库群运营安全稳定的影响,采用满足流变相似条件的盐岩储气库介质模型相似材料,对江苏金坛深部层状盐岩地下储气库群的运营稳定进行三维流变地质模型试验。试验结果表明:(1)洞腔径向位移和径向应变随着注、采气速率的增加而逐渐增大;(2)洞腔随储气内压的减小而不断向洞内收敛变形,随储气内压的增大而不断向洞外扩张变形,当储库采气降压到3 MPa或注气升压到22 MPa时,洞腔出现加速蠕变现象;(3)相邻洞腔位移随着储气压差的增加而增大,当储气压差达到9 MPa时,洞腔出现加速蠕变现象;(4)储库群之间存在明显的相互影响,洞腔位移随着储库间距的减小而增大;(5)当盐腔突然失压时,洞周径向位移和径向应变瞬间突然增大。因此,为保证盐岩地下储气库群的安全运营,建议储气库群的最大采气速率应小于0.65 MPa/d,最大注气速率应小于0.75 MPa/d;储气库群的最低运行气压应大于3 MPa,最高运行气压应小于22 MPa;相邻储气库间的最大储气压差应小于9MPa;储气库之间的间距应大于1.5倍储库最大直径。这些研究成果可为盐岩地下储气库群的运营安全控制与管理提供重要的试验依据。

交变气压风险条件下层状盐岩地下储气库注采气大型三维地质力学试验研究

利用深部盐岩洞穴进行天然气储备是目前国际上广泛采用的一种方法。为研究注采气交变气压、气压变化速率对储气库运行安全的影响,设计研制出三维梯度非均匀加载地质力学模型试验系统、注采气智能控制系统以及基本满足相似条件且具有显著流变特性的层状盐岩模型相似材料。通过江苏金坛盐岩地下储气库注采气大型三维地质力学模型试验,有效获得交变气压、气压变化速率等风险因素对储库运营安全稳定的影响。试验结果表明:采气降压和注采气压变化速率是影响盐腔运营安全的重要因素,洞腔径向收敛位移和径向应变随储气内压的减小逐渐增大,为保证储库运行安全,储库储气内压应大于4MPa。注采气压变化速率越快,洞腔径向收敛位移和径向应变变化速率越大,因此,应有效控制储气库的注采气压变化速率。研究成果为储库运营安全控制提供可靠的试验依据。

具有流变特性的盐岩相似材料的研制及应用

为有效反映盐岩油气储库介质的蠕变变形特征与变化规律,以金坛盐岩储气库为背景工程,根据地质力学模型试验相似原理和原岩物理力学参数,通过大量的材料配比和相应材料试件的力学参数试验,研制出了基本满足相似条件且具有显著流变特性的盐岩相似材料。该相似材料采用精铁粉、石英砂和重晶石粉为骨料,以松香酒精溶液为胶结剂按照规定的配比拌合压实而成。材料力学试验表明:研制的盐岩相似材料具有明显的弹性变形、延塑性变形、应变硬化、应变软化和剪涨破坏特征。材料在低应力时以减速蠕变和等速蠕变为主,高应力时以减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变为主,盐岩相似材料与盐岩原岩的蠕变特性基本一致。将该材料应用到金坛盐岩地下储气库注采气三维地质力学模型试验中,有效获得注采交变气压变化过程中洞周径向位移和径向应变的变化规律,较好反映了盐岩储库介质的流变力学特性。

多随机因素作用下储气库套管运行期安全性分析

套管是地下储气库运行过程中的薄弱环节,各随机因素的变化会对套管系统安全性产生较大的影响。以三维套管-水泥环-围岩系统为研究对象,考虑几何尺寸、荷载、材料特性等多因素的随机特性,基于蒙特卡罗法对储气库运行期套管系统的失效概率及敏感性因素进行分析,通过与地质模型试验结果进行对比,验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明,各随机因素对套管系统可靠性的影响程度不同,其中套管厚度、套管内径、工作内压、水泥环厚度为高敏感性因素,且各因素的影响效果不同,在工程中可采取不同措施提高系统可靠性;采气阶段,根据储气库腔体应力状态和体积变形规律确定的最大采气降压速率不会影响套管系统的安全性。

基于光栅传感的模型测量系统应用研究

模型试验作为解决复杂工程问题的一种有效手段已越来越受到重视。然而,与目前发展较快的模型试验系统和较为成熟的相似理论相比,测试技术相对滞后的问题依然存在。测量的精度与稳定性不能满足模型试验的需求。基于光纤/光栅传感技术的高精密性、稳定性和机光电一体的特性,结合模型试验的特殊测量要求,通过改进数据接收算法,研制了基于光学传感技术的模型位移/应变测量系统,包括光栅传感模型位移和光纤传感模型应变测试系统。该系统稳定、精度高、抗干扰,并能监测不连续位移。将该系统应用于注采气压变化条件下盐岩地下储气库变形特征地质力学模型试验中,测得了气压变化条件下围岩位移收敛和径向应变蠕变规律,测得在不同稳压阶段和不同注采气速率条件下围岩变形的不同特征。试验数据为合理确定盐岩储气库运营气压和注采气速率提供帮助,对盐岩储气库的安全稳定运营有重要意义。

高层建筑深大基坑支护稳定性评价与监测分析

针对济南市恒隆广场深大基坑工程所采用的"排桩+斜支撑"支护方式,采用弹性地基梁有限元和瑞典条分法进行单元及整体计算分析,获得了支护桩体和斜撑的位移及内力的分布变化规律以及基坑整体安全稳定性系数。同时将计算结果与监测数据进行了对比分析,计算结果与实测数据吻合较好,有效验证了基坑支护设计方案是安全可靠的。为类似工程的设计、施工积累了宝贵经验。

数控气压式柔性加载模型试验系统的研制及应用

地质力学模型试验中针对地应力的模拟,往往采用液压千斤顶刚性加载的方式,该加载方式具有以下不足:1)使得模型边界的位移同步一致,而模型应力则呈现非线性分布状态,与实际工程的地应力状态不符。2)无法应用于不同形状的洞室内,无法对含内压地下洞室(如隧洞内水压力、石油储备库油压等)进行有效模拟,因此成为制约有压洞室模拟的一个关键性难题。因此,有必要研制准确模拟洞腔内外压力的柔性加载装置。作者根据气压加载灵活的特性,设计研制了一套数控气压式柔性加载模型试验系统,有效实现了模型试验洞腔内的气压式柔性加载以及加载过程的自动化、数字化和可视化。通过气压式柔性加载控制系统能更真实地揭示深部软岩地下洞室围岩的非线性变形特征和破坏机理。将该系统应用于注采气压变化条件下盐岩储气库地质力学模型试验中,有效模拟了注采气压变化对盐岩地下洞腔的稳定性影响,获得了在不同注采气速率及不同气压条件下洞室收敛变形规律。试验表明,该实验系统可应用于有压洞室模型试验内压的有效模拟,具有广阔应用前景。

数控真三维梯度加载模型试验系统的研制及应用

为模拟深部地下洞室所处的非均匀三维地应力状态,研制了一种大型数控真三维梯度非均匀加载模型试验系统。该系统包括梯度非均匀加载装置、加载反力装置和数控加压系统。梯度非均匀加载装置分为6个加载面,其加载量值由其所处模型位置决定,并由数控加压系统控制施加。数控加压系统采用人机交互系统控制加载,实现模型加载过程的自动化、可视化和智能化。该系统能模拟真三维非均匀的真实地应力状态,并可据此研究深部地下洞室围岩的非线性变形特征,进而可更合理地评价地下洞室围岩的稳定性。将该系统应用于注采气压变化条件下的盐岩地下储气库稳定性模型实验,成功获得了在不同稳压阶段及不同注采气速率下的围岩变形收敛规律,发现了低压与稳压时间过长对储库稳定性的不良影响;得到了储气库安全运营的最低限制(4 MPa)。通过实验表明,该系统能真实有效模拟围岩应力状态,控制直观方便,可广泛应用于深部洞室大型地质力学模型实验中。