考虑桩土间黏滑机制的桩基沉降动态特性研究

基于桩基运动控制方程,对荷载作用下的桩基沉降动态特性进行了研究。首先,考虑桩土间黏滞与滑动两种接触状态,建立了一种考虑侧阻软化及侧阻恢复的桩土相互作用模型;然后采用该模型及修正三折线模型分别模拟桩与桩侧土以及桩端土间的相互作用,结合有限差分法建立了考虑桩土间黏滑机制的桩基沉降分析方法;最后,基于建立的桩基受荷沉降分析方法,研究了桩基沉降的黏滑动态特性以及桩身的力学特性,并讨论了桩土相互作用模型中的参数对桩基沉降动态特性的影响。结果表明:当桩顶荷载接近桩基单级加载极限值,桩基沉降表现出黏滞位移与快速滑动位移交替的动态特性;桩身力学响应表现出加载路径相关性,与单级加载相比,分级加载时桩侧摩阻力能得到更好发挥,桩基极限承载力更高;提出的分析方法能够较好地模拟桩基静载试验沉降过程。

Power-V诱导的钻柱黏滑振动特征分析

黏滑是石油钻井过程中影响钻井效率和井下钻柱安全的一种振动形式.垂直钻井系统Power-V在提供有效控斜力的同时,还会诱导钻柱黏滑振动.通过研究垂直钻井系统Power-V与井壁的接触作用及钻头与地层的相互作用模型,基于钻柱动力学有限元方法,深入分析Power-V的作用机理,研究其对扭转振动的影响,指出Power-V和井壁间的相互作用会导致钻柱与井壁的摩阻显著增加,进而引起摩阻扭矩的增大,诱导井下黏滑振动.实测振动数据证实,Power-V与井壁间的相互作用是引起钻柱黏滑振动的关键因素.这对于揭示黏滑振动的成因和更好地发挥Power-V的作用具有重要意义.

连接界面黏滑摩擦行为的非线性载荷重构方法

提出一种连接界面黏滑摩擦行为的非线性载荷重构方法。基于非线性动力学子结构建模方法,将复杂连接结构视作线性子结构和非线性连接两部分,通过虚拟非线性激励载荷进行关联。以线性子结构为研究对象,采用两次动刚度矩阵求逆的反转技术消除传递函数的病态奇异性,建立观测点自由度和非线性连接自由度之间的传递关系。考虑连接界面黏滑摩擦行为的影响,将观测的非线性动力响应进行谐波级数展开,直接辨识连接界面的局部非线性接触载荷。利用螺栓连接梁结构的数值仿真和实验结果进行验证。结果表明:重构的虚拟非线性激励载荷能够直接反映连接界面黏滑摩擦行为的影响,并且能够有效地识别螺栓连接界面预紧性能的变化。

钻柱的黏滑与高频扭转耦合振动测量与分析

钻井系统的自激扭转振动会导致钻头和地层之间的接触力或切削力相对速度出现下降特征。为减轻这种机制的影响,通过对三轴振动的时域、频域分析,研究了钻柱扭转振动特征。研究结果发现,低频的扭转振动会引发黏滑振动,黏滑振动频率为0.128 Hz,三轴振动和转速会出现周期性波动。钻柱发生高频扭转振动(HFTO)时,三轴加速度都出现了177.2 Hz的主频率。时域分析发现,切向加速度远大于轴向和法向加速度峰值,均方根值也较高,表明切向振动波动较大、能量高,说明此时井下正发生扭转振动。黏滑与HFTO发生耦合时,法向加速度会出现2个主频,即黏滑时的主频和HFTO的主频。高扭转频率会提高扭矩和机械转速导致钻具疲惫。研究结果对描述扭转振动的特征,判断钻井过程是否发生黏滑、HFTO和及时采取消除黏滑振动、缓解钻具疲惫技术措施具有指导作用。

断层黏滑失稳过程声-电信号响应特征研究

为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。结果表明:(1)侧压和断层倾角改变了断层的黏滑特征,进而影响了感应电荷量和声发射事件震级。侧压越大,间黏滑和黏滑失稳阶段的电荷量占比以及电荷累积速度越大。相较于56º断层,45º断层黏滑失稳时基于振幅的统计指标b值更小,大尺度破裂占比更大。(2)声-电信号幅值的分形特征可以反映断层面黏滑错动释放能量的差异。声-电信号频域的阶段性响应特点可有效辨识实验室尺度下断层黏滑失稳的演化过程,可以将声-电信号主频幅值急剧提高作为断层黏滑失稳前兆特征之一。临近断层黏滑失稳时声发射和电荷感应参量(能量、分形维数、频谱幅值)均呈现明显的“突增”特性。(3)声-电信号能量突增与黏滑应力降之间具有较好的对应性,但并不完全同步。断层黏滑失稳时,声发射会先于电荷感应产生高幅值信号。仅采用单一声发射或电荷感应信号来预警有可能造成信息漏报、误报,需结合声发射和电荷感应信号特征以实现声-电二元信号的相互补充与验证。

基岩断层面黏滑和蠕滑时岩石表层光释光信号模拟

重建断层的黏滑(seismic slip)和蠕滑(creep)历史对于更好地了解断层活动和地震危险性评估至关重要。近年来,利用大地测量技术研究活动断层的蠕滑和黏滑过程成为一个研究热点。然而,在地质历史时期(如百年尺度以上),如何判断活动断层的滑动方式(黏滑或蠕滑),并获取其滑动速率仍然是一项挑战。文中基于近十年来发展的岩石表层光释光测年方法,结合内蒙古狼山断裂花岗岩样品的光释光晒退参数进行理论模拟,得到了基岩正断层发生黏滑、蠕滑和崩积楔侵蚀等情形的光释光晒退模型。模拟结果表明,该方法能够有效区分断层的黏滑和蠕滑,获得相应的活动期次和位移量,并且有潜力记录崩积楔侵蚀。文中还分析了该方法区分断层活动方式、期次的时间分辨率和获得位移量的空间分辨率。

走滑断层黏滑作用下隧道纵向及横断面分区破坏机理

黏滑作用下走滑断层将出现永久性的错动位移,当隧道与此类断层相交时将发生严重破坏,并且具有明显的分区特征。为了揭示隧道纵向和横断面的分区破坏机理,为穿越活动断裂带隧道抗震设计提供支撑,本文首先通过震害实例调研总结得到隧道的三种破坏模式,即环向裂缝、斜向裂缝和纵向裂缝。给出并讨论了断层类型、交角、错动量和隧道刚度等关键影响因素。结果表明:1)断层类型是影响隧道力学响应和安全性的最显著因素,而倾角影响很小;2)受左旋走滑断层黏滑作用的隧道沿纵向可分为弯曲-压缩-剪切(L-BCS)区和弯曲-压缩(L-BC)区,而受右旋走滑断层黏滑作用的隧道可分为弯曲-拉伸-剪切(L-BTS)区和弯曲-拉伸(L-BT)区;3)L-BCS区和L-BTS区的范围为1.4D~1.7D(D为隧道直径),而L-BC区和L-BT区范围随关键影响因素变化而变化;4)隧道横断面可分为偏心受压(C-EC)区和偏心受拉(C-ET)区,分别发生偏心受压破坏或偏心受拉破坏。C-EC区和C-ET区的范围约为距断层面5D;5)穿越左旋走滑断层隧道的C-EC区包括上盘左拱腰、下盘右拱腰、拱顶和仰拱,C-ET区包括下盘左拱腰和上盘右拱腰。穿越右旋走滑断层隧道的横断面分区分布与左旋对称。

基于离散元法的PDC钻头切削复合地层黏滑振动特性研究

针对煤矿井下钻孔时钻头穿层钻进过程中遇到坚硬岩层而发生黏滑振动的问题,借助离散元数值模拟技术开展了PDC齿在5种典型硬度地层中切削破岩性能及黏滑振动特性研究。结果表明:钻头黏滑现象随着地层硬度的增加愈发明显,PDC齿切削极硬岩层时在岩石表面滑移而无法有效钻进;提高钻头转速在一定程度上能够减弱黏滑振动,但对提高钻进性能无明显增益效果;增加钻压能够显著提高钻头钻进效率,但同时会导致更严重的黏滑振动;采用扭转冲击方法能够有效减弱甚至抑制钻头的黏滑振动且能够提高钻头的钻进性能,但过大的扭转冲击会导致钻头所受冲击载荷增加。

预制裂纹煤体静载黏滑亚失稳及声电信号响应特征

亚失稳阶段是断层黏滑失稳过程中前兆信息最丰富、变化最激烈的阶段。为深入探索煤体黏滑亚失稳阶段显现特征及该过程的声电信号响应规律,开展了不同预制裂纹倾角煤样单轴下的分级加载实验,同步采集了试样的内部破裂源定位和表面位移场,以及声发射和电磁辐射信号,并对煤体亚失稳过程力学行为和声电特征进行了分析。结果表明:①预制裂纹倾角显著影响受载煤样内部应力分布,及亚失稳阶段新生裂纹的拓展分布情况,声发射计数和能量对应力和破坏响应明显,临近黏滑亚失稳时,声发射计数和能量同时出现激增,信号占比接近20%,该响应特征可作为裂纹煤样进入黏滑亚失稳阶段的判断依据;②在进入亚失稳状态后,电磁辐射活动最为剧烈,与应力骤降的发生时间几乎相吻合,主破裂发生前,电磁辐射的能量和幅值急剧增高,且峰值能量随裂纹倾角的增加呈先增后减小,裂纹倾角45°的煤样在亚失稳状态时电磁辐射计数占失稳总过程的比例最大;③亚失稳阶段煤样的破裂轮廓已经基本形成,预制裂纹倾角对煤样亚失稳阶段时长影响显著,倾角45°时亚失稳阶段时长占比最长,倾角为60°时最短。研究成果可为断层亚失稳状态监测方案制定,及断层构造区大型冲击地压演化及致灾机理研究提供理论支撑。

断层黏滑动态变形过程的实验研究

实验研究断层黏滑过程的变形演化,尤其是失稳黏滑瞬间的断层位移演化特征,对于了解地震从孕育到发生的全过程具有重要意义.本文基于数字散斑相关方法(digital speckle correlation method,DSCM),用三套图像采集系统(两套低速和一套高速图像采集系统)搭建了断层黏滑过程的多观测区域、多时间尺度的变形场测量系统,并用此系统对一种花岗岩双剪滑动模型的黏滑过程进行了实验研究.对间黏滑期和黏滑期断层位移演化特征进行深入分析的结果表明:间黏滑期断层位移演化体现出空间上的非均匀性和时间上的"趋同化"特征,断层滑动趋同化也许是断层错动匀阻化的一种宏观表现形式;断层黏滑动态过程持续时间非常短(本文300mm断层黏滑过程持续时间约在1ms量级),黏滑失稳前会出现预滑,预滑出现到黏滑失稳发生所经历的时间与黏滑失稳过程所用时间相差一个量级;断层的一次黏滑由若干个滑动速度不同的、小的失稳滑动组成,黏滑失稳过程中断层的滑动速度呈现出波动性,整个滑动过程中断层经历了多个高速滑动和低速滑动的交错.

基于PCA-LSTM的黏滑振动水平评估方法研究

石油钻井过程中,井下工具的黏滑振动会导致钻头发生周期性的黏滞和滑脱,容易引起钻头和钻具组合失效,造成井下事故。为此,基于井下测量技术的发展,采用长短期记忆(Long Short-term Memory,LSTM)神经网络智能算法建立黏滑振动水平评估模型,采用井下近钻头工程参数测量工具在钻头处采集7类高频井下工程参数,验证使用PCA-LSTM神经网络黏滑振动水平评估模型的准确性。研究结果表明,该评估模型均方根误差为0.026,较LSTM、PCA-BP、PCA-SVM评估模型分别下降了0.033、0.011和0.018,表明该模型抑制了过拟合造成的滞后效应,具有较高的精度,可有效评估钻头处黏滑振动水平。研究结果对指导钻井过程,及时调整地面参数,有效抑制黏滑振动,推动安全、快速、高效钻井具有重要作用。

水平井PDC钻头黏滑振动规律试验研究

黏滑振动会造成PDC钻头损伤和井下仪器失效,试验是研究水平井钻柱系统黏滑振动的常用手段。设计了一种微型PDC钻头,基于水平井试验台架进行破岩试验,分析了钻进砂岩和灰岩时钻头端黏滑振动的影响规律。试验结果显示:在相同的进尺和转速下,钻进灰岩时所需的钻压和扭矩比钻进砂岩时所需的钻压和扭矩大约5倍;在0.36 m/h的进尺和15 r/min的转速下,钻进灰岩的黏滑振动强度和黏滑振动倍率是钻进砂岩的5倍,随着转速提高到39 r/min,钻进灰岩的黏滑振动强度和黏滑振动倍率是钻进砂岩的3倍;当转速在30 r/min,随着钻速从0.05 mm/s增加到0.25 mm/s,钻进灰岩的黏滑振动强度增加到了原来的7倍,黏滑振动倍率增加到原来的约9倍,钻进砂岩的黏滑振动强度增加到了原来的约2倍,黏滑振动倍率增加到原来的约1.5倍。试验结果帮助了解钻进不同岩石时的黏滑振动现象,可为今后钻进不同岩石时减轻黏滑振动对井下工具的损伤提供依据。

钻头与岩石互作用下钻柱黏滑振动规律研究

黏滑振动会引起钻柱上产生高频波动的剪切应力,导致钻柱过早疲劳。为此,在考虑钻头与岩石互作用的情况下,耦合了钻头与岩石互作用模型与钻柱系统4自由度扭转振动模型,建立了考虑钻头与岩石互作用的钻柱系统扭转振动模型,并以现场实测数据对模型精度进行了验证;分析了井深、岩石类型对钻柱系统扭转振动特性的影响规律;据此提出了一些抑制深井/超深井黏滑振动的方法。研究结果表明:井越深越容易发生黏滑振动,且黏滑振动越强;岩石的可钻性越高,钻头在此类岩石中钻进时钻柱系统黏滑振动越弱;使用扭力冲击器等井下动力钻具可以有效地抑制黏滑振动,特别是在硬地层中钻进时,配合攻击性强的钻头可以有效抑制黏滑振动,提高机械钻速。

基于改进贝叶斯算法的黏滑振动等级评估研究

黏滑振动会导致钻井效率降低,是影响钻头和井下工具寿命的重要因素。为了评估黏滑振动严重程度,通过对井下近钻头测量参数与地面录井参数的综合分析,得到了衡量黏滑振动等级指标。通过对近钻头测量参数进行时频域分析,采用主成分分析法(PCA),建立了一种基于差分演化算法的属性加权朴素贝叶斯(DE-AWNB)改进模型,在朴素贝叶斯分类算法中加入属性权重,通过属性加权法估计后验概率,利用差分演化算法寻找最优权重属性。试验结果表明,DE-AWNB算法的分类精度可达92.38%,收敛时间可达4.95 s。改进贝叶斯算法在黏滑振动等级评估工程应用上明显优于传统贝叶斯算法、随机森林法和遗传算法属性加权朴素贝叶斯(GA-AWNB)算法。将该模型应用于实际钻井工程,能够有效提高黏滑振动识别水平,提高钻井效率。

深井钻柱纵-扭耦合下的黏滑振动特性分析

钻进过程中由扭转振动引起的黏滑振动会导致钻井质量下降、钻井工具失效,严重影响钻井成本和完井周期。为此,采用集中质量法,建立了深井钻柱的纵-扭耦合振动模型,借助5200 m实例井进行了模型验证及参数分析。分析结果表明:可以通过减小钻压或增加钻头刀翼来减弱钻柱系统的黏滑振动;较低的地层接触刚度将发生共振行为,共振会加剧钻柱系统的纵向振动,随着地层接触刚度增加,会出现明显的黏滑振动现象,其黏滞时间与地层接触刚度呈正相关;平滑的岩面轮廓下更容易发生黏滑行为,随着岩面轮廓起伏增加,钻柱的纵向振动加剧,瞬态钻压的波动范围进一步增加,并且钻头角速度抖颤现象更加明显。所得结论可为深井钻柱黏滑振动问题的研究提供理论参考。

基于轮轨黏滑特性的地铁线路波磨趋势分析

针对地铁线路上普遍存在的波磨问题,依据实际运营情况,建立了车辆-轨道刚柔耦合数值模型,借助实测数据验证了模型的有效性.分析了直线和曲线轨道上的轮轨黏滑特性,并利用黏着系数总体离散率衡量了钢轨波磨的发生趋势,同时分析了黏滑振动的相位同步条件.结果表明:当不考虑轨面不平顺时,直线轨道轮轨界面具有发生横向黏滑振动的趋势,但振动强度相对较小;当存在短波不平顺时,直线轨道轮轨界面具有发生纵向黏滑振动的趋势,且振动强度相对较大;当存在长波不平顺时,直线轨道轮轨界面具有发生横向黏滑振动的趋势,但振动强度相对较小.对于直线无不平顺或存在长波不平顺情况,出现波磨或波磨进一步发展的原因与轮轨横向黏着系数达到饱和有关;而对于直线短波不平顺情况,波磨进一步发展的原因则与轮轨纵向黏着系数达到饱和有关.曲线轨道上内外侧轮轨均具有发生黏滑振动的趋势,且短波不平顺的存在会加剧黏滑振动强度.内侧轮轨界面纵横向黏着系数总体离散率大于外侧对应值,表明内轨更容易发生强度较大的黏滑振动,从而促使内轨波磨形成和发展.轨面固定缺陷会导致相同位置处产生同相位的钢轨磨耗,赋予同相位的周期黏滑振动,并沿着钢轨纵向发展,最终形成钢轨波磨.

基于物理信息神经网络的煤体黏滑冲击动力学分析

目前物理信息神经网络成为工程力学数值计算的新范式,其可以在无标签样本数据的情况下,通过融入神经网络物理机理进行偏微分方程的逼近求解,使用较小计算代价快速进行求解。阐明了物理信息神经网络(PINN)计算原理及进行煤体黏滑冲击控制方程求解框架,并通过算例与显式有限差分求解方法进行求解结果的对比,证实了其求解结果的有效准确性。以晋华宫矿12号煤层工作面为研究背景,进行了煤体黏滑冲击动力数值模拟,从数值模拟的手段得到了煤体黏滑变形过程出现时间间隔和波动性规律。通过数值模拟结果可知:当采场支承压力集中系数为2时,煤体黏滑位移(形变)的最大值有明显的增加;当采场支承压力集中系数为3时,采场煤体发生典型的黏滑现象,位移出现准周期性的变化,煤体黏滑系统储存弹性能逐渐增大以及出现煤岩黏滑过程的强度损伤;动摩擦因数对煤体黏滑动力学特性影响较大,当动摩擦因数变化时,煤体黏滑系统位移场数值变化明显。

界面黏滑摩擦现象的研究进展

从宏观尺度和微观尺度两个方面介绍了界面黏滑摩擦的研究进展,重点概述了宏观黏滑现象及其摩擦特性、微观黏滑现象及其摩擦特性、黏滑摩擦的建模以及黏滑实验研究进展,分析了现阶段界面黏滑摩擦研究中的重点问题。最后指出,从微观和介观尺度上研究界面摩擦行为是黏滑摩擦的未来发展方向。

某乘用车转向轴黏滑噪声的分析及优化

转向轴作为安装在汽车驾驶舱的关键转向零部件之一,其NVH特性表现直接影响驾驶的舒适性。针对某乘用车管柱电动助力转向轴产生的黏滑噪声问题,通过对噪声车辆的NVH数据采集分析,确定了噪声源。对转向轴进行拆解分析,并结合黏滑摩擦的理论和仿真模拟确认了转向轴产生黏滑噪声的根本原因。通过对转向轴外管加工工艺优化的手段改善了零件工作表面状态,并通过对路试车辆路谱的采集转化设计了黏滑噪声试验台架参数。优化后的转向轴通过模拟台架试验验证、整车路试验证及售后市场数据跟踪统计,彻底解决了转向轴黏滑噪声的问题。

一种实时诊断钻具黏滑现象的新方法

钻具黏滑现象严重时会损坏井下设备,造成井下事故,影响井下安全,如何及时有效发现并消除黏滑现象对钻井施工意义重大。目前国内多通过监测地面转盘驱动电流、转盘扭矩来观测井底钻具黏滑现象,为了更及时、准确地预测钻具黏滑现象,采用井下MWD磁传感器数据来分析钻具黏滑现象。通过井下计算机对传感器信号实时高速采集,计算出井底钻具的瞬时转速,用以诊断钻具黏滑现象并对黏滑严重程度分类形成黏滑程度特征码,并将这些特征码通过MWD实时传送到地面以便及时采取措施,有效减少了由于黏滑现象而引起的井下事故。