倾斜储层压力拱比计算方法

压力拱效应影响储层应力、有效应力的计算,而有效应力又影响孔隙度和渗透率的应力敏感性分析结果。通常用压力拱比来表征压力拱效应的强弱,而常规压力拱比计算模型未考虑地层倾角和方位角的影响。以复合材料细观力学中的夹杂理论为基础,建立倾斜储层压力拱比计算模型,利用张量运算法则进行求解,分析地层倾角、方位角、泊松比和岩石固结系数对压力拱效应的影响;在此基础上理论推导和分析压力拱效应对孔隙度和渗透率的影响。研究结果表明:当地层倾角、泊松比较小,纵横比较大,岩石固结系数较小时,垂向压力拱效应越强;地层倾角较大,纵横比、泊松比较小,岩石固结系数较小时,水平压力拱效应越强;平均压力拱比仅与岩石固结系数和储层泊松比有关。压力拱比一般为正值,但受应力集中的影响,倾斜储层主地应力方向的压力拱比可能为负值。有效应力的计算与压力拱比有关,而有效应力影响储层的应力敏感性。对于垂向、最大水平、最小水平和平均压力拱比分别为0.107 2,0.674 7,0.718 1和0.5的储层,当地层压力降低30 MPa时,利用夹杂理论计算的孔隙度和渗透率较常规变形理论的计算结果分别提高32%和76.7%。压力拱效应的存在降低了储层孔隙度和渗透率的应力敏感性,因此在低渗透致密油气藏开发过程中须考虑压力拱效应的影响。

基坑开挖卸荷对下卧隧道压力拱的影响研究

城市地下空间的开发与利用日益增多,运营的城市隧道周边不可避免地需要开挖,而隧道上方基坑的开挖卸荷对既有隧道压力拱的形成存在较大影响。针对前人研究,总结了基坑开挖3种卸荷比模型,并依据压力拱内外边界判别方法,通过数值模拟研究了基坑开挖卸荷对下卧隧道压力拱形成的影响作用。结果表明:隧道拱顶岩土体受到上方基坑两侧岩土体侧压力的综合作用,相较于一维卸荷比N 1,二维卸荷比N 2与压力拱边界的相关性更为显著。基于基坑开挖对下卧隧道压力拱形成的影响分析,提出了基坑开挖卸荷的工程影响分区,即一般影响区、次要影响区、显著影响区、强烈影响区;基坑开挖宽度L不大于D且基坑开挖深度h小于0.15H时,视为一般影响区;基坑开挖宽度L不大于D且基坑开挖深度h介于0.15H与0.225H之间时,视为显著影响区;基坑开挖宽度L大于D且其二维卸荷比N 2小于0.33时,视为次要影响区;基坑开挖的二维卸荷比N 2不小于0.33时,视为强烈影响区。

基于压力拱发展规律的隧道初次支护时机研究

本文依托济莱高铁宅科隧道工程,利用现场监测和FLAC 3D数值模拟的方法,基于隧道应力传递路径的改变探究压力拱形成机制和分布范围,得出隧道纵截面压力拱形态特征图,引入位移完成率衡量围岩的开挖扰动程度,建立位移完成率和应力释放率的对应关系,得到最优初次支护时机。研究结果表明:在隧道开挖过程中,上部围岩中应力逐渐偏转,围岩荷载逐渐向四周传递,最终达到新的应力平衡状态,即在隧道四周产生形成封闭环状应力现象的压力拱;隧道仰拱靠近拱脚部位围岩产生应力集中,在1.8 D(D为隧道截面宽度)范围内的围岩均参与成拱效应,承担隧道拱部上方的围岩荷载;对塑性区体积率进行计算与分析,认定70%~80%应力释放率较为缓慢,应作为最佳初期支护时间点;在开挖时隧道初期支护滞后于掌子面的距离宜控制在4.3~7.6 m。

基于压力拱理论的深埋节理岩体隧道围岩压力研究

为研究节理岩体隧道围岩压力计算方法,以隧道压力拱理论为基础,通过离散元数值模拟分析了岩体的坚硬程度、完整程度和结构面的抗剪强度对隧道压力拱的影响,应用多元线性回归拟合了多因素围岩压力公式,并结合依托工程对拟合公式进行了适用性分析。结果表明:节理岩体隧道压力拱范围为拱顶到最大主应力方向的偏转点,隧道压力拱高度随着节理间距和结构面的抗剪强度的增大而减小,岩体力学参数对压力拱高度的影响较小;与现场实测的围岩压力相比,计算误差在15%以内。所提围岩压力公式适用性良好,为节理岩体的围岩压力计算提供了新的思路。

考虑压力拱效应的苏里格气田上覆压力计算

目前所有的应力敏感实验都假设上覆压力不变,事实上,油气田开采时储层部分甚至整个上覆岩层的应力将重新分布,上覆压力将随着生产时间不断变化,因此计算不同形状储层上覆压力变化值对低渗储层应力敏感评价具有重要的意义。统计苏里格砂体展布特征,将储层模型简化为近饼状体模型和近椭圆柱体模型,以Sohanzadeh非均质理论为基础,计算了苏里格气田两种简化储层模型在油气开采时上覆压力的变化情况,并应用于储层的应力敏感评价中。结果表明:油气开采时,苏里格气田上覆岩层中形成压力拱,不同形状储层的压力拱比不同,近饼形储层和近椭圆柱体储层的最大压力拱比分别为0.276和0.119。地层压力降低30 MPa时,近饼状体储层上覆压力最大降低14%,近椭圆柱体储层上覆压力最大降低6%,对应的应力敏感渗透率较常规应力敏感实验分别提高38.57%和23.25%,对于压力拱效应显著的低渗储层,常规实验夸大了储层的应力敏感效应。

软弱破碎围岩高铁隧道压力拱演化规律分析

选取双线高铁隧道为研究对象,对隧道开挖过程中压力拱的形成及发展规律进行研究,得到以下结论:1)压力拱的演化规律分为三个阶段,即外边界形成阶段,内边界连通阶段,内、外边界发展阶段.2)对于软弱破碎围岩而言,应在压力拱发展的第一阶段,采取适当的超前支护措施,防止隧道周围松动区的连通.3)为了保证隧道施工过程中的安全,建议超前预支护的长度应大于1倍隧道跨度,重点对隧道的拱部180°范围进行预支护.相关研究成果为确定超前预支护时机及范围提供参考,对支护设计和指导隧道施工有着重要的意义.

深埋圆形毛洞隧道围岩压力拱范围研究

为揭示深埋圆形毛洞隧道围岩压力拱范围,基于复变理论及经典弹塑性理论,结合M-C屈服准则,提出了一种准确预测围岩压力拱内、外边界的方法,并通过数值计算验证了预测方法的正确性.在验证预测结果正确的基础上,研究了隧道埋深、侧压力系数和围岩条件3个主要因素对围岩压力拱范围的敏感性.研究结果表明:1)软弱松散岩体中深埋圆形毛洞隧道上半部分是施工的关键,施工时应考虑对隧道拱顶120°范围内采取适当的超前支护手段,以确保隧道施工安全;2)围岩条件较差时,隧道施工促使周边围岩松动区贯通,必要时建议采取全断面超前注浆加固措施,以防止围岩松动区进一步发展.研究理论为判定毛洞隧道周围松动区是否贯通和确定隧道超前支护的位置及范围提供参考.

地下工程压力拱拱体的确定与成拱分析

对压力拱拱体进行定义,通过应力分析确定拱体的边界,并用数值分析方法对拱进行分析.分析结果表明,岩性和围岩中水平应力对围岩中应力拱的位置和形状有很大影响,围岩强度越高,拱体越靠近硐室,形状陡峭;围岩强度较低者,拱体则远离硐室,形状平缓.足够的水平应力是压力拱成拱必不可少的条件.

特大断面隧道分步施工动态压力拱分析研究

特大断面隧道的建设越来越多,传统规范荷载计算方法未考虑特大断面隧道施工的实际情况,计算结果偏大。在确定隧道压力拱判别方法的基础上,采用大型二维模型试验探究开挖过程中特大断面隧道压力拱的动态发展。从开挖洞周应力随开挖步变化的情况可以看出,大断面隧道压力拱是随着开挖步分区域、分阶段形成的,并采用数值分析对试验中的规律进行验证总结。为得到支护对压力拱发展的限制作用,采用二维精细化数值模型,模拟施工工况,探究支护对限制压力拱扩展的作用,得到大断面隧道复杂施工过程下压力拱的动态变化、压力拱高度折减系数,用于指导设计计算。

黄土连拱隧道开挖的模型试验与压力拱分析

针对黄土连拱隧道复杂的施工力学特性,研究黄土连拱隧道动态开挖全过程中隧道轮廓位移、围岩的应力及压力拱分布规律.通过大型室内模型试验模拟黄土连拱隧道中的导洞开挖,利用相关监测元件对隧道轮廓位移、围岩的径向及环向应力进行采集和分析;采用有限差分软件对开挖过程的位移及压力拱进一步分析.研究表明:随着黄土连拱隧道不同导洞的开挖,各监测点位移时程曲线总体形状呈台阶形增长,且各台阶的增长对应各导洞初期开挖的位移突变;黄土连拱隧道的压力拱范围比同等级围岩的连拱隧道更大,先行导洞开挖完时,其拱顶压力拱大约为1 D(D为隧道洞高),单洞开挖完时,其拱顶压力拱范围大约1.5 D;从第一先行导洞开挖到双洞完成,中隔墙上部围岩压力拱范围经历了0.5 D→1 D→0.5 D→1 D的变化,形成了多次应力重分布,对此范围的围岩应及时注浆或打入锚杆,加强支护.

深埋圆形隧道的压力拱研究

针对压力拱存在概念不明确的问题,阐述了隧道中压力拱的概念,指出压力拱是一条受压的曲线,隧道开挖后会形成一次开挖压力拱,当围岩出现拉应力时会导致二次开挖压力拱出现。然后,在现有深埋圆形隧道解析解基础上,将地应力分为静水压力、双向常应力、与深度成正比三种情况进行压力拱分析。研究结果表明:对于地应力为静水压力情况,一次压力拱和隧道的轮廓线重合;对于地应力为双向常应力情况,一次压力拱和水平与竖向应力比有关,还和受拉判断标准有关,当竖向应力是水平应力的3倍以上时,拱顶将产生拉应力,且压力拱和隧道轮廓线间的受拉体随其值的增大而增大;对于地应力与深度成正比情况,一次压力拱的特性和地应力为双向常应力情况类似,隧道顶部受拉时的水平地应力与竖向地应力比值要小于0.2。从工程安全角度考虑,压力拱宜以最小主应力受拉为判断标准。

近距离巷道群覆岩活动的扩大压力拱理论与岩柱荷载研究

随着各类采矿工程和其它岩土工程的不断发展,越来越多的地下工程都涉及到近距离巷道群的设计、施工与维护问题。近距离巷道群围岩的变形破坏规律和巷间岩柱荷载计算成为地下工程界十分关注的热点课题之一。在对单个巷道周围有极限平衡区应力分布规律研究的基础上,结合巷道覆岩活动的压力拱理论,系统研究了近距离巷道群周围的应力分布规律,提出了近距离巷道群覆岩活动的"扩大压力拱"理论,给出了计算近距离巷间岩柱荷载的计算公式,提出了防止近距离巷间岩柱连锁破坏的技术措施。

煤矿层状岩体压力拱演化规律的相似模拟

采动作用下的岩体应力转移变化所形成的压力拱特征研究,对于采矿岩层控制和巷道围岩稳定具有重要的科学价值。基于理论分析和相似材料物理模型实验,分析了综放工作面上覆岩层变形破坏形态及其应力转移变化规律,证实了采矿矿压以压力拱的形式转移。研究表明:采煤工作面推进后,伴随着采场岩层应力的不断转移和调整,将在采场岩层中形成一个承担上覆岩层重力的压力拱,其空间形态近似为长轴在开采面推进向短轴与工作面平行向的鸡蛋壳形厚壁结构。工作面初采开始后,随其推进距离的增加,压力拱向周边岩层深部延伸;拱体厚度增大、拱内岩层应力升高。

普氏压力拱理论的局限性

普氏压力拱理论一直是我国隧道与地下工程设计的力学基础,但学界和工程界对此也有一定质疑,文章试图对此做些探索,以便澄清概念。通过应用有限元极限分析中的强度折减法和模型试验方法,分析了普氏压力拱的真实含意和形成条件,研究了洞跨、围岩强度与压力拱自稳的关系,研究了不同埋深条件下隧洞的破坏机理。结果表明:压力拱理论只在矩形和拱顶平缓以及围岩稳定且埋深不大的隧洞中才能成立;拱形隧洞不会形成压力拱;围岩强度太低,隧洞跨度太大,不会形成自稳的压力拱;围岩稳定性好,隧洞不会破坏,也不会形成压力拱;隧洞埋深较大时,两侧首先发生破坏,压力拱理论不起作用。

基于离散-连续耦合方法的隧道压力拱特性研究

隧道压力拱问题一直是隧道工程研究的关键问题,目前常用的连续介质数值模拟方法对于隧道压力拱特性的微观研究有所欠缺,而擅长微观力学研究的离散元数值模拟方法对计算机存储空间和计算时间的要求太高。基于现有离散-连续耦合思路,通过力的传递实现离散-连续模型的耦合;研究了耦合算法中的平均应力计算方法、平均应力计算区域面积及耦合程序遍历颗粒方法;基于自行开发优化的离散-连续耦合程序,模拟了隧道开挖后的围岩受力特性,研究了隧道压力拱形成机理及压力拱特性;计算了埋深分别为10 m,14 m,18 m,22 m,26 m,30 m和34 m情况下的隧道开挖产生的压力拱应力集中等效区域,揭示了隧道压力拱随着隧道埋深的变化规律。研究结果表明,自行开发优化的离散-连续耦合程序能在保证计算精度的前提下,充分发挥离散元方法在微观力学研究方面的优势;隧道开挖后,开挖面周边范围出现层状压力环,但在拱顶和仰拱底附近区域的围岩压力环的环间接触力降低,围岩承载能力急剧降低,形成压力拱;随着隧道埋深的增加,隧道压力拱应力集中等效区域减小,隧道周边围岩的压力拱承载能力越来越大;但当隧道埋深达到一定界限后,隧道压力拱高度趋于稳定。

隧道压力拱与围岩变形关系

压力拱是隧道工程开挖后围岩的自承载现象,对隧道稳定有着重要意义。通过数值分析可以发现,压力拱拱体内的岩体变形增长缓慢,压力拱内边界与隧道之间的岩体变形急剧增加;压力拱内边界越靠近隧道,隧道的变形量越小;压力拱厚度小,外边界处的变形也相对较小。在节理倾角分别为30°和60°及不同的节理间距条件下,压力拱位置、形态及拱体厚度均有所变化。

基于模型试验与FEM的TBM圆形隧道压力拱成拱规律

不同于软土盾构隧道,TBM隧道多用于岩体条件下隧道的挖掘,传统土力学方法不适用于TBM隧道的荷载计算。在岩石隧道中,荷载的产生与压力拱的形成息息相关,通过对TBM圆形岩石隧道的压力拱分析来确定荷载大小及围岩开挖影响区。通过对围岩开挖后应力变化的理论分析与简化,得到便于使用、结果直观的岩石隧道压力拱范围的判别方法。随后采用大型模型试验,对隧道开挖的塌方情况以及洞周应力变化情况分析,以验证该方法的合理性。最后,将该方法用于TBM圆形岩石隧道中,与各规范计算结果进行对比分析,并对不同埋深下TBM圆形隧道的压力拱区域进行分析,得到盾构隧道压力拱成拱情况以及其对衬砌受力情况的分析结果,以指导工程。

大同矿区综放开采覆岩压力拱演化规律研究

为研究大同矿区综放开采的覆岩运动特征,以同忻矿8105工作面为研究对象,运用关键层理论确定了同忻矿8105工作面关键层分布,采用理论分析、相似材料模拟方法对压力拱的演化规律进行了研究,并结合现场监测数据对研究结果进行了验证。结果表明,在同忻矿双系煤层开采条件下,关键层破断影响着压力拱的发展高度,沿工作面推进方向,压力拱的失稳步距为283~330 m。拱脚位置在工作面前方40~55 m,压力拱承载着大部分的覆岩载荷,一旦发生失稳破坏,会造成石炭系岩层与侏罗系采空区连通,引起工作面强矿压显现。

无衬砌隧道压力拱的变化规律

结合衬砌与围岩的相互作用,分析无衬砌隧道开挖后压力拱的形成过程,根据隧道衬砌后应力位移的分布规律来研究衬砌施工时间对隧道压力拱的影响,得到如下结论:隧道开挖后,不进行衬砌施工,应力重新分布后顶部水平应力和侧边垂直应力增大,顶部垂直应力和侧边水平应力减小;随着时间的发展,形成的压力拱的垂直外界基本不变,垂直内界逐渐减小,水平内外界逐渐减小,压力拱拱体内最大应力均逐渐增大;隧道围岩较好时,衬砌时间选在稳定压力拱形成的时间,而围岩较差时,衬砌时间选在隧道压力拱开始形成的时间。

煤矿采空区空间几何特征对岩石压力拱的影响

岩石压力拱对采空区围岩稳定具有重要维护作用。本文基于采场围岩应力函数讨论了压力拱的影响因素,进而借助数值模拟软件,定性分析了煤矿采空区空间几何特征变化对压力拱的影响程度。得到如下主要结论:当采空区埋深达到能形成完整的压力拱后,再增加埋深不会改变压力拱的空间形态,但压力拱承载能力提高;采空区宽度增加对压力拱的影响最大,尤其是覆岩内的拱体内边界将远离采空区;采空区长度增加对覆岩内工作面走向的压力拱拱体影响较大,对其他方向拱体的影响甚微。