夹层对水平盐穴应力和破损的影响

从体积方面考虑水平盐穴适合于我国较薄的层状盐岩,但它有可能与夹层相交。为分析夹层对水平盐穴应力和破损的影响,建立一种含夹层水平盐穴的模型。基于夹层单元受力平衡和界面上荷载传递机制,推导出界面和夹层的应力解析解。并将应力公式与莫尔–库仑准则相结合,对界面滑移和围岩塑性区进行分析。研究表明:界面剪应力与盐岩夹层的相对位移成正比;盐穴附近界面剪应力最大,该处最易发生界面滑移,并且界面剪应力随夹层弹性模量和夹层厚度增大;夹层的平衡方程表明夹层径向应力的导数与界面剪应力有关,而界面剪应力的方向在中性点发生改变,所以夹层径向应力先减小再增大;主应力σ_1和σ_3分别为切向应力和径向应力,夹层切向应力和盐岩相等,而夹层径向应力小于盐岩,所以夹层塑性区的范围大于盐岩。     

预应力锚索锚固段的剪滞–脱黏模型

 基于预应力锚索锚固体从岩土体中拔出计算模式,通过锚固体与灌浆材料的界面界面层变形–破坏过程分析,将锚固段分为弹性区、塑性滑移区和脱黏区,建立锚固体–岩土体界面力学模型,采用与Coulomb条件关连的流动法则,导出界面应力分布的理论解;同时,构造具有剪胀和滑移特性的新型有限元界面单元,采用数值模拟的方法与界面应力分布的理论解进行相互验证,为锚固体受力的计算、分析与锚固体的设计提供理论依据。分析表明,锚固体的弹性区和脱黏区的受力较小,主要受力部分是塑性滑移区。因此,锚固体荷载的主要工况是塑性滑移状态,在研究或进行锚固体设计时应该主要基于这种变形状态。提高滑移区脱黏前的最大剪应力和增大滑移区的范围是提高锚固体的锚固力的实质。     

盐穴储气库夹层破坏机理研究

基于金坛储气库多夹层盐岩水溶造腔工程实际,应用圆环形薄板小挠度弯曲理论建立了夹层力学模型,根据求解结果得到了夹层剖面内各应力分量的分布特征,并对夹层破坏机理进行了分析,实例计算结果表明:夹层最大剪应力发生在夹层根端的中面上,而最大正应力发生在夹层根端的上下底面上。当最大剪应力首先达到极限值时,将在夹层根端发生剪切破坏,当最大正应力首先达到极限值时,将在夹层根端发生拉伸破坏。研究成果为含夹层盐穴储气库水溶造腔过程中夹层的坍塌预测提供了理论依据,给出了一种夹层坍塌计算的有效方法。     

考虑流-固耦合的天然气盐岩储库渗流特性研究

根据我国油气储库多为层状盐岩的实际情况,基于流-固耦合分析理论,利用快速拉格朗日有限差分法对层状盐岩储库的渗流特性进行分析。研究了含夹层盐岩天然气储库流-固耦合效应,不同内压下的体积应变与围岩渗透率变化,围岩塑性区分布以及渗流量与渗透压力的变化规律。结果表明:渗透率与体积应变的关系可近似采用线性函数描述,体积应变增大时,盐岩内部空洞和裂隙扩大,使盐岩渗透率增大;在某个渗流压力(洞室内压)条件下,随着盐岩的流变变形,渗流量会趋于某一定值,渗流达到稳定状态。在天然气内压与围岩应力共同作用下,储库围岩塑性区扩展深度随着内压的增大而减小,研究结果对盐岩储气库的安全运行具有一定的指导作用。     

湖北云应盐矿深部层状盐岩直剪试验研究

为了解湖北云应盐矿深部层状盐岩,特别是盐岩和硬石膏夹层界面的抗剪性能,开展3类典型岩体的直剪试验。试验结果表明:层状盐岩界面和盐岩、硬石膏的剪切应力–位移曲线较为相似,加载初期曲线的斜率较小,剪应力增加缓慢而位移增加较快;当剪应力达到某一数值后,剪切位移增加变得缓慢,曲线斜率变大;快达到峰值强度时曲线斜率再逐渐由陡变缓;达到峰值强度后出现软化,剪应力随位移的增加逐渐达到残余强度,从峰值强度到残余强度过程中,相对而言,层状岩石交界面的剪应力下降得比较快。试验结果还表明:盐岩硬石膏交界层面处的抗剪强度参数c,?值分别为4.08 MPa和45.9°,和盐岩试样和硬石膏试样的强度参数相差并不大,甚至还略强。这说明湖北省云应盐矿深部层状盐岩中盐岩和硬石膏夹层的交界层面具有较强的粘结力,不是一个弱面,这将有利于盐岩溶腔的密闭性和稳定性。层状盐岩的这一特殊力学特性对于在深部层状盐岩构造中开展能源储备是非常有利的。     

基于Hoek-Brown准则下的富水透水隧洞非线性解析

将具有衬砌的圆形隧道各影响因素简化为轴对称问题。以渗透体积力的方式作用在应力场,基于Hoek-Brown强度准则,推导出塑性区应力场和塑性区半径的解析表达式。实例分析表明,随内外水头差的逐渐增大,渗流场和应力重分布对应力场的影响作用将显著增大,且对切向应力的影响程度要比径向应力的大,洞周压应力和塑性半径逐渐减小。随着m的增大,应力和塑性区半径均随之增加,塑性区半径与参数m为非线性递增关系。算例对比分析表明:考虑应力重分布和渗流时其塑性区半径较不考虑二者时大。     

考虑渗流场影响深埋圆形隧洞的弹塑性解

将深埋圆形隧洞各影响因素简化为轴对称。首先，求解得到渗流场；然后，以渗透体积力方式作用在应力场，求解得到弹性位移和应力解析表达式，再应用Mohr-Coulomb屈服准则，求解得到塑性应力和塑性半径的解析表达式。通过考虑和不考虑渗流场影响两种方法的实例分析表明，随着洞内外水头差的逐渐增大，渗流场对应力场的影响作用将显著增大，但对切向应力的影响程度要比径向应力的大，且径向应力和切向应力不再符合无渗流时的分布规律，出现大小值交换：同时，随着内水水头的增大，涮周压应力和塑性半径逐渐减小，直到出现无塑性区；另外，考虑渗流场影响计算得到的塑性半径要比不考虑时大。     

蠕变作用下层状盐岩界面剪切应力变化规律研究

层状盐岩储气库在长期运行期间,盐岩层与泥岩夹层两种不同岩石材料会因较大的蠕变差异引起变形不协调,在交界面产生剪切应力导致界面滑移破损,使油气沿着界面破损通道泄漏。结合我国在层状盐岩地质构造中建设能源储库的实际情况,通过对湖北云应地区层状盐岩中的盐岩和泥岩夹层的三轴蠕变试验表明,盐岩蠕变率比泥岩蠕变率至少大一个数量级。建立蠕变本构模型,对储库长期运行期内层状盐岩界面剪切应力的分布和变化规律进行数值分析,并讨论了盐岩稳态蠕变率不同时,界面层间剪切应力的变化情况。研究结果表明,界面层间剪切应力集中分布在靠近腔体的小段范围内,其后层间剪切应力迅速降低,且随着蠕变时间的增加,层间剪切应力增加的越来越快;盐岩的蠕变特性越好,层间剪切应力越大,当界面剪切应力达到界面抗剪强度时,就会发生破坏。蠕变试验和数值模拟结果,对于层状盐岩渗漏稳定性和密闭性研究具有重要指导意义。     

淮安盐岩及含泥质夹层盐岩应变全过程试验研究

针对淮安盐矿深部层状盐岩的构造特征,对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩的全过程试验研究,对比分析3种岩样的应变和破坏特性。试验结果表明:(1)含夹层盐岩及纯盐岩在单轴及三轴条件下,表现出明显的塑性应变趋势,且其应力-应变全曲线表现出明显的应变硬化软化性质;(2)盐岩及含夹层盐岩表现出明显的塑性应变能力,采用多次加卸载循环后的弹性加载曲线来测定其弹性模量值较符合实际;(3)对于纯盐岩试件,随着加载的进行,黏聚力随着塑性应变的增加而越来越小,内摩擦角则先增大后减小;(4)泥质夹层的存在对盐岩试件的力学性质有很大的影响,主要表现为试件强度的提高,并且泥质夹层的情况决定含夹层盐岩试件的破坏形式。     

软硬互层盐岩变形破损物理模拟试验研究

 针对我国盐岩地层的地质赋存特征,开展一系列物理模拟试验,探讨倾角、夹层和界面对软硬互层盐岩变形破损的影响规律。试验结果及理论分析表明：(1) 软硬互层盐岩的单轴抗压强度随倾角变化呈两边高、中间低的U形变化规律。(2) 软硬互层盐岩的破坏模式：层面倾角θ＜30°时,为脆性硬夹层主控的整体破坏;45°＜θ＜75°时,为弱夹层或弱界面主控的剪切滑移破坏;85°＜θ＜90°时,为硬夹层劈裂破坏,局部弱夹层剪切破坏。(3) 沿弱夹层和弱界面的剪切滑移破坏是软硬互层盐岩单轴抗压强度呈现U形变化规律的内在原因。因此,设定储气库的运行压力时,需要着重考虑腔壁肩部和腰部弱夹层和界面的抗剪强度,防止其达到破坏强度而导致腔体破损,从而避免因气体泄漏而引发事故。     

不同侧压系数下锚固力变化规律试验研究

通过室内拉拔试验,研究不同侧压系数下锚固失效形式及锚固力的变化规律。研究结果表明：不同侧压系数下锚固破坏以锚杆-锚固层界面脱黏为主,并部分伴有锚固层破碎、锚固层-钻孔壁脱黏;锚杆承受最大荷载随侧压系数的增大而增大,当侧压系数达到1.3时,锚杆所承受最大荷载达到最大值,之后随侧压系数的增大,锚杆所受最大荷载下降;黏结界面随锚固的破坏相继出现弹性变形区、塑性滑移变形区和脱黏变形区,径向荷载主要增加锚杆-锚固层界面塑性滑移变形区的摩擦力,从而增大锚杆拉拔最大荷载。     

考虑温度影响的球形盐穴弹塑性解析分析

地下盐穴储库在存储运营过程中洞室内的高温是关乎盐穴稳定性的重要因素。将地下盐穴储库的形状简化为球形,考虑温度不均匀变化产生的热应力以及温度对黏聚力的影响,基于Mohr-Coulomb屈服准则、理想弹塑性模型以及非关联的流动法则,得到了存储内压、地应力和温度共同作用下盐穴储库围岩应力及位移的解析解答,与相同假定下有限元模型的结果吻合很好。分析了温度以及温度引起的盐岩黏聚力劣化对盐穴稳定性的影响。结果表明,温度对于盐穴洞室的稳定性有着不可忽略的作用,温度升高促进了塑性区半径和变形的扩展;高温差下盐岩黏聚力劣化对塑性区的影响更加明显。     

粉喷桩对桩周土体扰动的弹塑性分析

针对粉喷桩施工过程中对土体扰动的情况,提出了粉喷桩对桩周土体扰动的弹性阶段及塑性阶段的径向应力、切向应力变化及径向的位移解析解,并求解出塑性区与弹性区边界大小的解析解。     

层状盐岩温度应力耦合作用蠕变特性研究

在温度应力耦合作用下,通过对层状盐岩蠕变特性试验研究及理论分析发现:(1)层状盐岩的蠕变率与其组分、结构密切相关,盐岩组分、结构不同,蠕变应变、蠕变率均不同.(2)在常温下,随着应力水平的增大,层状盐岩的蠕变应变、蠕变率逐渐增大,层状盐岩的稳态蠕变率与偏应力之间成良好的幂函数关系.(3)在温度和应力耦合作用下,加载应力水平相同时,温度对层状盐岩的稳态蠕变率影响很大,层状盐岩的稳态蠕变率与温度服从指数关系;在同温同压作用下,纯盐岩的横向位移、横向蠕变应变和横向蠕变率都比高盐分泥岩夹层的大,纯盐岩的横向蠕变率是高盐分泥岩夹层的1.6～1.8倍.(4)层状盐岩体各层之间由于组分、结构不同,在应力和温度耦合作用下,蠕变率不同,应变不协调,导致剪切破坏.最后,通过试验数据拟合,建立层状盐岩的稳态蠕变率本构方程,对我国盐岩矿床中建造油气储库及稳定性分析具有一定的参考价值.     

长期荷载作用后钢-竹界面黏结性能分析

为研究钢-竹组合构件长期荷载作用后的整体工作性能,针对纯胶结型界面与复合胶结型界面共27个钢-竹界面试件进行了长期荷载作用后的推出试验,以界面形式、长期持荷水平以及持荷时间为基本参数,对钢-竹界面的承载力、黏结应力及相对滑移进行了分析。研究表明：钢-竹界面构造形式合理,具有较高的承载能力,长期荷载作用后试件界面完整性良好,复合胶结型界面试件的破坏具有显著的延性特征;2组纯胶结型界面试件在长期荷载作用后承载力发生衰减,衰减系数分别为0.91与0.81;纯胶结型界面的剪应力与相对滑移分布具有“两端大、中间小”的特征,2组试件界面最大剪应力分别为1.41MPa和1.25MPa,与短期荷载作用后试件相比,约衰减10%和20%,界面的相对滑移则略有增长;长期荷载作用后复合胶结型界面的承载力、黏结应力及相对滑移与短期荷载作用后试件相比,未发生显著变化,自攻螺钉可有效提高界面抗剪能力,按间距80mm加设自攻螺钉后,界面最大剪应力可达到1.7MPa。提出了长期荷载作用后的钢-竹界面黏结承载力计算方法,其计算结果与试验结果吻合较好。     

风化岩地基GFRP抗浮锚杆力学与变形特性现场试验

利用光纤光栅传感技术,对10根GFRP抗浮锚杆进行现场拉拔破坏性试验,研究了风化岩地基中GFRP抗浮锚杆的承载性能与变形特性。试验结果表明:发生滑移破坏的锚杆杆体、锚固体荷载-位移差曲线高于同型号发生断裂破坏的锚杆;锚固长度接近临界锚固长度的试验锚杆荷载-位移差曲线上升较平稳;增加杆体直径有助于提高锚杆承载能力、限制杆体位移并且降低杆体、锚固体的位移差。此外,杆体横截面轴应力沿锚固深度呈"反S型"分布,由孔口沿锚固深度方向递减;锚杆轴向界面剪应力沿锚固深度呈先增大后减小的趋势,且剪应力在锚固体内按斜向上方向由第一界面传递至第二界面。最后,利用剪应力分布简化模型求得杆体、锚固体位移差与发生滑移破坏的锚杆试验结果较为一致,可为GFRP锚杆的推广应用提供理论基础。     

含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型研究

针对中国地下油气储库建设中所出现的含夹层盐岩问题,考虑夹层和盐岩层之间存在地质界面,采用以节点位移和孔隙压力为自由度的界面单元来模拟水力损伤造成的地层界面的开裂、扩展和流体渗漏;并基于多孔介质流–固耦合理论,建立含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型。该模型克服了等效连续介质模型不能正确反映地层界面的渗流问题,又克服了双重介质模型不能考虑地层界面开裂问题。在此基础上,采用数值模拟技术,研究高压流体在泥岩夹层与盐岩的界面渗透及其开裂扩展特征,结果表明,高压流体沿腔体围岩渗漏过程中,含夹层盐岩界面呈扇形状张开,沿界面通道流体压力逐步降低。因此,在层状盐岩储库运营过程中,要严格控制腔体压力,避免在含夹层盐岩分层界面上产生油气渗漏,保持腔体的致密性及稳定性。     

采动过程金属矿山空区覆岩材料细观破裂特征

采空区覆岩材料的破裂与其应力变化关系密切,采用仿真试验方法,研究了在开采过程中金属矿山采空区覆岩材料在拉应力和剪应力作用下细观破裂特征。声发射是覆岩材料受外力作用发生破裂时释放的能量,其出现的位置和能量的大小间接反映了覆岩材料发生破裂的位置和严重程度。岩石材料发生破裂的主要原因是拉应力和剪应力,剪应力主要集中在采空区四周边角区域,拉应力主要集中在采空区顶板区域。剪应力和拉应力对覆岩材料的细观破裂都造成影响;最大剪应力值为11.4 MPa远比最大拉应力值7.77 MPa大,但拉应力的破坏效果更显著。剪应力是造成覆岩塑性破坏的重要因素,拉应力是覆岩垮落的主导因素。研究结果可为金属矿山安全开采提供一定参考依据。     

受约束混凝土的力学行为

在钢管混凝土轴心受压构件的加载实验中,核心混凝土是处于典型的横向受约束状态。令作用在距离载面圆心为r的微元体上的径向应力为σ_r,切向应力为σ_t,轴向应力为σ_2,钢管内径为r_1,外径为r_0,钢的切线模量为E,松比为ν,微元体在轴向、切向和径向的应变分别为ε_z、ε_tε_r、根据广义虎克定律,微元体的应变和应力之间的关系可写成如下形式。     

短期荷载作用下钢-竹界面黏结应力和滑移分析

为研究钢-竹界面黏结应力与滑移分布,设计了两种类型的界面：型钢与竹板仅通过胶黏剂粘贴的单纯胶结型界面以及在胶黏剂粘贴基础上用螺钉加强的复合胶结型界面,并进行6个钢-竹组合试件的推出试验,得到黏结界面的剪切承载力及外贴竹板的应变。通过力学分析推导出外贴竹板正应力二阶微分方程,结合边界条件与数据拟合解得外贴竹板正应力表达式,并建立了钢-竹界面剪应力与相对滑移计算式,在此基础上提出了短期荷载作用下的钢 竹界面承载力计算方法。试验与理论分析结果表明：钢-竹界面剪切黏结性能良好,复合胶结型界面试件的破坏具有显著的延性特征;外贴竹板正应力试验值与拟合值吻合度高,以此为基础计算剪应力与相对滑移较为可靠;钢-竹界面剪应力与相对滑移分布具有两端大中间小的特征,且竹板受力端黏结界面的剪应力和滑移量明显大于黏结基体受力端黏结界面,剪应力最大值约为1.64 MPa;钢-竹界面剪切黏结承载力计算值与试验值吻合较好,其计算误差小于8%。