盐岩中能源(石油和天然气)地下储存力学问题研究现状及其发展

盐岩作为石油和天然气等战略与商业地下储存介质在欧洲、美国和加拿大等国家获得了广泛的应用。首先将盐岩中能源储存的相关力学问题的研究,划分成4个发展阶段:(1)20世纪60年初——简单应用阶段。此阶段利用采矿工程方面的力学知识和经验,对能源地下储存的力学方面进行了简单研究和应用;(2)20世纪60年代中期到70年初——模型研究与应用阶段。此阶段利用大型盐岩试样在实验室进行模拟石油或天然气储存,研究盐岩在储存方面的力学特性;(3)20世纪70年代末到90年代中期——数值模拟计算阶段。此阶段利用有限元技术,结合盐岩的试验结果,模拟能源储存过程,进行储存力学方面模拟计算与分析研究;(4)20世纪90年代中期直到现在——损伤模型设计阶段。结合盐岩的损伤与损伤恢复特性及其试验研究,提出了盐岩的几个损伤与损伤恢复本构模型。利用这些模型,使储存库的力学特性得到了更充分的发挥;同时对每个阶段的研究情况进行了分析,重点指出了每一个阶段的主要代表人物及其主要研究成果;其次,对盐岩的本构方程进行了系统总结与评价,指出了各类本构方程的建立依据与工程应用特点,重点介绍了Norton材料模型和Hou/Lux盐岩损伤与损伤恢复本构模型,并指出了这两种计算模型的优缺点;最后提出了今后盐岩研究的主要发展趋势。

基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型研究

在对盐岩在蠕变试验中所表现的损伤特征认识基础上,利用对应性原理建立了基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型。该模型能够体现考虑损伤和不考虑损伤的蠕变力学过程的巨大差别,应变率随着有效蠕变应力的增大而增大的特征,及在一定畸应力作用下随着静水压力的增大蠕变应变率变小的特征。

化学腐蚀下灰岩力学效应的试验研究

结合三轴压缩试验结果,详细分析了不同化学溶液作用下,化学腐蚀对灰岩全应力-应变过程曲线各阶段的影响特征,并对化学溶液的腐蚀影响机理进行分析,获得了不同化学溶液对灰岩变形及强度腐蚀效应的影响规律。

大宁河特大拱桥桥址溶崩角砾岩力学特性研究

由于大跨径上承式拱桥在拱座处将产生巨大的水平推力,导致地基变形,而溶崩角砾岩岩质较软,对工程的稳定性有重要影响。以大宁河特大桥桥址处溶崩角砾岩为研究对象,通过系统的试验与理论研究,得到溶崩角砾岩抗压特性并提出溶崩角砾岩的流变力学模型,并将建立的流变力学模型所得的研究成果与试验成果进行对比分析,最后通过数值仿真对流变力学模型进行验证。本文研究成果为对我国建设中最长的上承式钢管拱桥———巫山大宁河大桥的长期稳定性分析及相关工程建设提供依据。

跨海隧道风化槽围岩力学特性研究

厦门海底隧道工程是我国建设的第一条海底公路隧道。隧道在建设过程中穿越F1、F2、F3、F4四条断层破碎带,破碎带处洞体围岩软弱、破碎,岩体主要为风化破碎类花岗岩。该类岩体尤其是强风化花岗岩强度低,压缩性高,自稳和自承能力差,给隧道衬砌结构的设计和施工工艺的选择方面带来一系列特殊的问题。本文主要通过对风化破碎类花岗岩(主要包括微风化花岗岩和强风化花岗岩)试样进行一系列的室内试验,重点研究风化槽花岗岩的力学行为,建立适合风化槽围岩特点的流变力学模型。本文的研究成果为海底隧道风化槽隧道围岩注浆加固和衬砌设计提供可靠依据和技术支撑。

广西原状红粘土力学性状与水敏性特征

对广西原状红粘土的力学指标、胀缩特性与孔径分布随脱湿过程的演化规律进行了较为系统的室内试验研究。结果表明:广西原状红粘土为裂隙发育的硬塑性粘土,不同脱湿阶段的力学指标与胀缩性能在较高含水量范围内受基质吸力控制,在较低的含水量范围内主要受控于裂隙性;转折点处含水量与重型击实(干法备样)最优含水量相接近;原状红粘土的孔隙主要以孔径从0.01 靘～0.05 靘的小孔隙为主,在脱湿过程中,干密度增大,总孔隙体积减小,以0.01 靘～0.05 靘与0.1 靘～1.0 靘两个区间内孔隙体积减小最为明显。

岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究

详细地研究了闭合裂纹在单轴、双轴载荷作用下,裂隙扩展、贯通的规律,应用8节点奇异等参单元模型来模拟节理尖端应力场的奇异性,实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性,实验结果对研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。最后,将砂岩圆柱梁三点弯曲测试验得到的KIC,计算万家寨引黄工程总干一、二级泵站地下厂房在开挖和支护过程中围岩的破损区。

裂隙水对节理岩体裂隙扩展影响的CT实时扫描实验研究

采用与 CT 机配套的加载装置,使用相似材料,对单裂纹含水和不含水的标准试件进行了 CT 实时监测实验,以观测裂纹扩展的全过程。探讨试件在不同复杂应力状态和原生裂纹处于不同地下水压的情况下,其裂纹的萌生、演化、发展及最终破坏形式。通过在试件中原生裂纹内不注高压水、含有压裂隙水和注水致裂来分别模拟岩体工程中裂隙不受水的影响、受有压水的影响及水压致裂的破坏过程。目的在于探讨 3 种情况下,岩体的不同破坏形式。从实验结果来看,3 种条件下,试件都经历了微裂隙被压密、损伤演化开始、微裂纹扩展贯通、宏观裂纹产生等阶段,但其破坏形式各不相同。说明了在分析岩体结构时要充分考虑地下水的存在状态对工程结构的影响。同时,也为进一步建立岩体结构合理的损伤演化方程、本构关系和研究岩石破坏机理提供了科学依据。

盐岩时效特性实验研究与理论分析

通过对盐岩单轴、三轴的强度与蠕变实验结果的分析,研究了应力状态对盐岩的强度及其时间相关性特征的影响。分析结果表明:盐岩是一种软岩,围压对盐岩力学性质影响较大;盐岩稳态蠕变率是应力状态的函数。通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了盐岩的蠕变本构方程,结果表明该方程能较好的模拟实验结果。

岩盐时效特性实验研究

本文通过对盐岩单轴、三轴的强度与蠕变实验结果的分析,研究了应力状态对盐岩的强度及其时间相关性特征的影响。分析结果表明:盐岩是一种软岩,围压对盐岩力学性质影响较大;初始蠕变极限可以表示成稳态蠕变率的函数。通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了盐岩的蠕变本构方程,结果表明该方程能较好的模拟实验结果。

岩土材料基本力学特性与屈服准则体系

比较了岩土材料与金属材料特性及其力学性质差异,认为岩土材料属于多相体的摩擦型材料,存在内摩擦性质,并对岩土材料在弹性状态及极限状态下的摩擦特性进行了分析。详细介绍了高红-郑颖人岩土材料三剪能量屈服准则,给出了其在各种特殊情况下的具体形式,并与Mohr-Coulomb准则进行了比较,提出了三剪能量与三剪应力状态下的Drucker-Prager准则。最后总结了各国常用的应力与应变屈服准则及能量屈服准则,并对其进行了分析比较。

弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用

应用弹塑性小应变大变形理论,运用三维有限元方法研究了台湾软岩隧道在高地应力和围岩岩体力学参数较低的情况下,围岩变形、受力及破坏状态与开挖方式和支护方案的关系,得到了一些有益的结论,为该地区隧道合理施工提供了依据。

急倾斜层状岩体中巨型地下洞室群开挖施工理论与优化研究

洞室群的开挖顺序和支护是影响洞室稳定性的重要因素。应用三维断裂损伤有限元法和施工过程力学的基本原理,研究龙滩电站急倾斜岩层中开挖大型地下洞室群的稳定性及最优的施工方案,根据围岩的破损区及位移场的变化规律,提出了较优的开挖施工方案。其计算方法和一些结论可为国内的相关工程设计和建设提供借鉴。

节理岩体结构的分形几何研究

在岩体结构宏观分区的基础上,应用分形几何的观点从三维角度对分区内的岩体结构进行了研究。应用随机不连续面三维网络模拟技术建立岩体结构统计均质区内不连续面的概化模型,借助计算机模拟再现岩体结构;从岩体结构网络图中抽取“样本”,通过计算二维、三维样本的分形维数,表明三维分形维数等于二维分形维数加1,从三维角度表明统计均质区内岩体结构具有统计自相似性。

环境侵蚀下水泥土的力学效应试验研究

土木工程中广泛使用的软土地基加固方法主要有水泥土搅拌法、旋喷法、注浆法等,其原理主要是形成具有一定强度和稳定性的水泥土加固体。在我国广大地区地下水受工农业、生活以及海水等环境因素的影响,常含有一些具有侵蚀性的离子,如?24SO,?Cl,?23HCO等。通过模拟试验的方法,探讨了各种侵蚀性的离子在不同浓度和不同pH值条件下对水泥土的力学效应,并对环境侵蚀机理进行了探讨。试验结果表明,水化学作用对水泥土的力学性质具有明显的影响,对水泥土在复杂地质环境条件的设计和工程应用具有重要意义。

深层盐岩本构关系及其在石油钻井工程中的应用研究

在大量现场盐岩蠕变力学试验的基础上,对盐岩的蠕变特性进行了研究,分析了稳态蠕变规律,提出了稳态蠕变三维分析方程,并针对深层盐岩地区石油钻井中的泥浆密度确定难题,采用FLAC3D软件,给出了优化的泥浆密度图谱,为合理进行钻井液密度设计奠定了基础。

洛阳龙门石窟围岩风化特征研究

对洛阳龙门石窟围岩风化特征及风化作用影响因素进行调查研究,指出目前围岩风化作用主要为生物风化和物理风化作用,并进一步对其风化机理进行了探讨。以往研究结果认为风化作用主要类型为物理风化作用,本文研究表明,目前由于西山山顶植被的不断发育,随着植被根须机械破坏作用及植被腐殖质分解的产物引起岩体解离的生物化学破坏作用日益加剧,生物风化作用亦已成为风化破坏主要影响因素,应引起有关部门注意。

基于区域分解算法的岩土大规模高性能并行有限元系统研究

岩土工程规模大,加上岩土介质复杂的特性,使得当前有限元数值模拟在时间和精确度上很难达到工程要求。研究了在普通 PC 机群上实现的大规模并行有限元方法,以更好地发挥有限元在岩土工程中的应用。组建了Windows 下 PC 机群并行系统。采用“分而治之”的并行策略实现有限元并行,并实现了存储局部化。采用基于区域分解预处理技术的并行共轭梯度法来实现方程组的求解。集成以上方法,用 C++开发了并行有限元程序ParallelGeoFEM。对水布垭地下厂房进行了三维有限元并行模拟,得到了较好的加速比。结果表明,基于区域分解的并行有限元方法可以实现岩土工程大规模快速精细的模拟。

小湾水电站拱坝坝肩岩体加固方案分析研究

根据建立的多裂隙岩体弹塑性断裂损伤耦合力学模型,通过三维有限元计算,系统地研究了小湾水电站拱坝坝肩岩体的稳定性,得到了坝肩岩体应力和变形的定量结果,在此基础上,提出了技术经济较优的坝肩加固方案。

南京红山窑第三系红砂岩膨胀变形性质试验研究

针对原状红砂岩具有自由膨胀率为 3.5 %、而膨胀力高达 270 kPa、干燥岩样峰值强度为 5.85 MPa、饱和岩样抗压强度仅为 0.20 MPa 等这些特殊性质的膨胀岩,采用 MTS815.02 型岩石力学刚性伺服试验机与自行研制的岩石膨胀测量仪,进行了不同含水率红砂岩膨胀变形性质试验。结果表明:(1) 在低荷载状态下,红砂岩膨胀应变随着含水率增加而呈对数形增长;(2) 在高荷载作用下,红砂岩膨胀应变与吸水率之间存在着线性关系;(3) 红砂岩吸水膨胀应变在较短的时间内基本完成,随着时间的延长,膨胀变形将趋于稳定。在此基础上,提出了确定膨胀稳定时间的理想概化数学模型。研究成果对南京红山窑水利工程膨胀岩地基处理方案设计、施工具有重要的指导意义。