厦门海底隧道强风化花岗岩力学特性研究

 厦门海底隧道海域隧道地段存在多处风化深槽,岩体主要为全、强风化花岗岩。由于该类岩石强度低,压缩性高,自稳和自承能力差,在隧道衬砌结构的设计和施工工艺的选择方面会遇到一系列特殊的问题。主要通过对天然和重塑强风化花岗岩岩样进行一系列的室内试验,在掌握其基本物理力学特性的基础上,重点对其流固耦合作用下的力学特性进行研究,并建立该类强风化花岗岩的力学模型,通过反演分析对力学模型进行验证。研究成果对风化花岗岩类工程的力学参数取值有重要借鉴意义,对该类岩体中隧道的设计施工具有指导作用。     

非饱和岩石温度–渗流–应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点，考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响，应用修正的Darcy定律、Fourier定律等，推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程，重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律，以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。     

Boom Clay泥岩渗流–应力–损伤耦合流变模型、参数反演与工程应用

泥岩由于其低渗透性、良好的蠕变性和遇水损伤自修复特征被认为是一种良好的核废料储存介质,法国、比利时、瑞士等国相继建成地下试验平台,开展泥岩现场多场耦合试验研究.结合比利时地下大型试验室正开展的泥岩研究课题,从泥岩的力学特性、渗透性、开挖扰动区、地下水–围岩相互作用机制以及围岩流变性等方面开展研究,主要研究成果如下:博士学位论文(1) 建立了考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序;为描述泥岩的硬化和软化行为,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,基于损伤势函数的概念建立了泥岩弹塑性损伤本构模型,导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构程序.(2) 基于拉丁超立方抽样,提出了采用非参数统计方法中的秩相关系数来评价多因素敏感性的方法;分别建立了基于侧压力系数的三维地应场反演模型、位移量测反演模型和渗流场反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,以测点的实测值与计算值建立目标函数,采用精确罚函数法实现有约束的反演问题转化成无约束的反演问题,编制了优化反演分析程序.(3) 针对本构模型的参数辨识问题,编制了本构模型参数反演程序,并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数.(4) 在分析软岩与水相互作用机制、不同应力–应变阶段渗透性演化规律以及隧洞围岩渗透性分区的基础上,建立了渗透系数、孔隙度等参数的动态演化方程,导出了岩土介质的渗流–应力动态全耦合模型;基于应力–应变–渗透率全过程试验和渗透性工程试验,通过引入损伤的概念,建立了描述岩体破坏过程的渗流–应力–损伤耦合模型;对隧洞围岩裂隙自愈合机制进行了分析,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了描述泥岩裂隙自愈合特性的渗透性自愈合模型;基于现场监测的孔隙压力资料,采用有限元优化法反演了泥岩的渗透系数和渗透性演化方程中的待定参数.(5) 根据泥岩的非线性蠕变变形特点,建立了蠕变损伤与蠕应变的关系式,构造了基于Mohr-Coulomb准则的蠕变势,导出了考虑渗流–应力–损伤耦合的非线性蠕变损伤本构模型,采用了显式积分算法编制了UMAT蠕变本构程序;基于近20 a的现场监测成果,采用位移反分析法获得了本构模型中的待定参数.(6) 在泥岩力学特性、渗透性、本构模型及长期强度准则等研究成果的基础上,采用数值模拟方法,研究储库围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的损伤演化过程及渗透性演化规律,对围岩稳定性进行评价,预测试验巷道长期稳定性.     

关于研究生教育的思考

研究生教育处整个教育的金字塔顶,研究生教育理论的研究一向是薄弱问题。本文结合自己研究生教育管理中的实际,就研究生教育的定位,研究生教育主体研究学习活动的形式、功能与组织方法,进行了初步探讨。     

长山隧道不良地质段的TSP超前预报研究

武汉花山大道长山隧道不良地质段主要表现为岩溶和破碎地质带,给施工带来了相当的难度。为赢得时间,利用TSP超前地质预报技术,对不良地质段做了超前预报,探测表明在K3+180～K3+144段发育有溶洞并伴有少量裂隙水,K3+144～K3+114段为破碎地质带。实际地质情况与预报结果吻合较好,为隧道施工方案和施工措施的选择提供了重要的参考依据。     

杆式泵锁爪与支撑接头的接触数值模拟分析

用有限元方法对杆式泵锁爪与支撑接头之间的接触关系进行了数值模拟分析，通过计算，对锁爪与支撑接头之间的弹性摩擦接触有了初步了解，为杆式泵的内部结构设计和几何参数的确定提供了一定的参考依据。     

基于非参数统计的泥岩水-力耦合参数敏感性分析

敏感性分析是岩土工程中解决多参数辨识问题的一个主要方法,而位移和孔隙水压力对参数的灵敏度计算是其关键.针对传统的单因素敏感性分析法只能进行单因素变化的特点,提出了用非参数统计方法中的秩相关系数来评价岩体水-力耦合系统参数灵敏度的方法,实现了多因素敏感性分析.以比利时泥岩核废料库工程为例,对影响围岩稳定性的内在物理力学参数的灵敏度进行了数值分析,获得了影响围岩稳定的主次因素,为泥岩核废料库分析中的参数反演分析的简化处理奠定了基础.     

非均匀地应力下套管应力的敏感性分析

套损是影响地下储气库井筒完整性的关键问题,制约着储气库长期的安全生产。为此,基于弹性力学理论,运用有限元分析方法,建立了理想固井状态下的套管-水泥环-地层组合分析模型,对受非均匀地应力时组合体各层Mises应力的分布规律进行了研究,讨论了套管应力对水泥环与地层的弹性参数变化的敏感程度。结果表明：套管内壁的应力明显高于水泥环和地层内壁的应力且沿井周呈非均匀分布;地层弹性模量对套管内壁应力的影响最为显著,套管应力随地层弹性模量的增加急剧减小;其次为水泥石弹性模量,当其与地层弹性模量相同时,套管应力达到最大。该研究成果可为优化套管完井设计和预防套管损坏提供理论参考。     

油气井环空压力来源诊断研究进展

随着石油和天然气的勘探开发,在役油气井环空陆续有压力产生,环空带压问题越发严重。为此,统计分析了国内外部分油气井的环空起压情况,环空压力来源广泛,大体可分为热效应、气体窜流及人工作业诱发3个方面。归纳并总结了现有的环空压力诊断方法,结合国内某储气库井的实测数据,分析了其环空压力的可能来源。从安全性、适用性、经济性及可靠性等角度对现有诊断方法进行了对比,提出了综合来源初判、漏点定位与泄漏程度分析3部分内容的油气井环空压力诊断建议,为环空压力的有效预防与科学管理提供一定参考。