非飽和沙漠地基土的理論和工程應(yīng)用研究.pdf

1、工程學科的科學研究問題來源于工程實際，工程學科科學研究的任務(wù)是解決工程所遇到的問題，工程學科科學研究的目的是運用科學研究成果指導(dǎo)工程實踐。這是論文作者對工程學科的科學研究的理解，也是本論文的主導(dǎo)思想。 “九五”期間我國制定了穩(wěn)定東部發(fā)展西部的石油開發(fā)戰(zhàn)略，并將西部石油開發(fā)的重點放在了塔里木盆地。由于沙漠表面的干粉砂層厚且松散，一般認為其壓實性能差、抗剪強度低，是制約沙漠石油工程建設(shè)的重要因素。為了能在沙漠中安全、合理、經(jīng)濟地進行

2、建設(shè)，順利實施沙漠石油開發(fā)戰(zhàn)略，中國石油天然氣總公司(原)和塔里木石油勘探開發(fā)指揮部(原)提出了編制塔里木沙漠地基勘察、設(shè)計、施工技術(shù)規(guī)定的科技攻關(guān)目標。在列入“九五”科技工程攻關(guān)計劃的“塔里木石油工程技術(shù)研究”項目中設(shè)立了“沙漠油田地面建設(shè)工程技術(shù)研究”課題，全面啟動了沙漠地基的現(xiàn)場、室內(nèi)實驗和工程應(yīng)用技術(shù)研究。該項目的完成不僅需要開創(chuàng)性地開展大量的室內(nèi)外試驗研究，而且需要建立相關(guān)的理論以指導(dǎo)沙漠石油工程建設(shè)。本論文的工作就是其中的研

3、究內(nèi)容。 為解決塔克拉瑪干沙漠石油井場干粉砂場地基礎(chǔ)施工過程中遇到的浸砂坑浸水量計算問題，根據(jù)浸水坑蓄水高度為零，砂是各向同性的均質(zhì)體和水在粉砂中的流動呈層流狀態(tài)等假設(shè)，引用達西滲透定律，首次開展了粉砂場地上的浸砂坑浸水量問題理論研究，通過理論分析，得到了塔克拉瑪干沙漠井場干粉砂場地基礎(chǔ)施工中常見的圓形、矩形和∏形浸水坑的浸濕砂體積計算公式；引入了持水量的概念，給出了上述三種浸水坑的浸水量計算公式。對塔中-404井井架基礎(chǔ)∏型坑

4、的浸水量進行了工程計算和驗證。 通過一系列現(xiàn)場試驗，首次提出了浸水密實法的沙漠地基加固理論，給出了浸水量計算公式和計算方法；該方法以本文給出的沙漠干粉砂場地基礎(chǔ)施工中遇到的各種不同形狀、不同尺寸和不同浸水深度要求的浸水坑浸水量計算方法和計算公式作為理論和設(shè)計計算基礎(chǔ)，首次在塔中-63井井架基礎(chǔ)下實施應(yīng)用，并在以后建設(shè)的塔中16排-10井等多個沙漠腹地井場建設(shè)中成功應(yīng)用。1999年建設(shè)的全部7口井架基礎(chǔ)均采用了該方案進行施工，節(jié)約

5、建設(shè)資金約210萬。后續(xù)建設(shè)的沙漠腹地井架基礎(chǔ)全部采用了此方案，為國家節(jié)約了大量建設(shè)資金，取得了顯著的經(jīng)濟效益。 根據(jù)沙漠砂的特性和塔克拉瑪干沙漠地基研究的需要，開展了塔克拉瑪干沙漠砂滲透系數(shù)的室內(nèi)測試，開創(chuàng)性的開展了沙漠砂持水量試驗和非飽和沙漠砂室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗研究。所得試驗、測試成果可供塔克拉瑪干沙漠石油工程建設(shè)或相近的地質(zhì)條件下的工程建設(shè)參考或應(yīng)用。 第一個提出了非飽和沙漠砂的研究問題；開展了非飽和沙漠砂的直接剪切

6、試驗和三軸剪切試驗研究；在試驗研究的基礎(chǔ)上，首先建立了考慮密實程度影響的非飽和沙漠砂強度準則和不同密實度非飽和沙漠砂的強度準則確定方法，給出了可應(yīng)用于沙漠工程實踐的塔克拉瑪干沙漠地基強度參數(shù)。 基于所建立的非飽和沙漠砂的強度準則，給出了與之相對應(yīng)的屈服函數(shù)；基于非飽和沙漠砂的固結(jié)試驗資料，給出了與現(xiàn)有工程條件相適應(yīng)的非飽和沙漠砂的雙線型彈性模型及相關(guān)的彈性參數(shù)和彈性矩陣；運用簡化的非飽和沙漠砂強度準則，推導(dǎo)出了非飽和沙漠砂的非線

7、性彈性本構(gòu)模型計算公式，給出了非飽和沙漠砂的非線性彈性矩陣。這些成果為非飽和沙漠砂地基設(shè)計計算奠定了理論基礎(chǔ)。 通過對塔克拉瑪干沙漠腹地59個自然沙丘新成坡角的現(xiàn)場測試和對測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，引用無粘性土坡的極限分析理論，得出了沙漠腹地表層粉砂的內(nèi)摩擦角，該參數(shù)的取得，為塔克拉瑪干沙漠石油開發(fā)工程中沙漠地基強度分析提供了一個重要依據(jù)。 土坡失穩(wěn)滑動時其滑裂面的形式多種多樣。土坡穩(wěn)定性分析是一個比較復(fù)雜的問題，直至目前仍有

8、許多不定因素有待研究。如滑動面形式的確定、土抗剪強度參數(shù)的合理選取、土的非均勻性及土中水的滲流對土坡穩(wěn)定性的影響等。路堤填筑、路塹開挖、基坑開挖、地下建筑、水壩修建、露天采礦等工程建設(shè)會形成大量的工程邊坡，非飽和沙漠地基中的基坑開挖也會遇到土坡問題，對其進行穩(wěn)定性分析是邊坡維護設(shè)計的基本前提，也是巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題。本文開創(chuàng)性地開展了非飽和沙漠砂的直立邊坡穩(wěn)定性試驗；系統(tǒng)研究了土坡穩(wěn)定性分析理論；首次將滑動土體劃分從有限條推進到

9、無限條，給出了土坡穩(wěn)定性分析無限條分法的計算公式；基于遺傳進化法的思想，建立了土坡穩(wěn)定性分析無限條分法的電子表格計算方法，簡化了土坡計算過程，提高了土坡穩(wěn)定性的計算分析精度。應(yīng)用土坡穩(wěn)定性分析的無限條分法對非飽和沙漠砂的直立邊坡穩(wěn)定性進行了理論分析。理論分析與實驗結(jié)果非常符合，證明了無限條分法的正確性。 通過基底壓力與樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律的現(xiàn)場測試研究，弄清了有樁體存在時，沙漠腹地井架基礎(chǔ)承臺底面壓力的分布規(guī)律；得到了在塔克拉瑪干

10、沙漠油田建設(shè)中，采用傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)作為井架基礎(chǔ)設(shè)計方案時，樁端阻力、樁側(cè)摩阻力和基底壓力分擔荷載大小的基本比例和樁側(cè)摩阻力、承臺底面壓力以及樁端摩阻力的共同作用相互影響關(guān)系；指出在塔克拉瑪干沙漠中的干粉沙場地上，許多工程條件下，井架基礎(chǔ)可以采用天然地基方案，并將該地基基礎(chǔ)方案首次應(yīng)用于沙漠石油工程建設(shè)。 通過在塔中-63和塔中-16排-10井開展的沙漠腹地井架基礎(chǔ)基底壓力的現(xiàn)場測試研究工作，取得了許多對沙漠工程建設(shè)有意義的基礎(chǔ)設(shè)計

11、參數(shù)和結(jié)論。開展了沙漠場地短樁承載機理的室內(nèi)模擬載荷試驗研究，結(jié)合沙漠場地鉆井井架大直徑短樁基礎(chǔ)基底壓力、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力現(xiàn)場測試研究成果，弄清了沙漠場地大直徑短樁的基本承載機理：樁端阻力在樁的承載力中發(fā)揮著主要作用；結(jié)合沙漠場地樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律的室內(nèi)試驗研究成果，確定了沙漠場地大直徑短樁的破壞機理；得到了極限承載狀態(tài)下模擬基樁樁端總阻力和樁側(cè)總極限摩阻力的比例大??；確定了模擬基樁的承載機理，得到了模擬基樁的摩阻力發(fā)展分布規(guī)律和極