非飽和沙漠地基土的理論和工程應(yīng)用研究.pdf

1、工程學(xué)科的科學(xué)研究問題來源于工程實(shí)際，工程學(xué)科科學(xué)研究的任務(wù)是解決工程所遇到的問題，工程學(xué)科科學(xué)研究的目的是運(yùn)用科學(xué)研究成果指導(dǎo)工程實(shí)踐。這是論文作者對(duì)工程學(xué)科的科學(xué)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(diǎn)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(rèn)為其壓實(shí)性能差、抗剪強(qiáng)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(jì)地進(jìn)行

2、建設(shè)，順利實(shí)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(jì)、施工技術(shù)規(guī)定的科技攻關(guān)目標(biāo)。在列入“九五”科技工程攻關(guān)計(jì)劃的“塔里木石油工程技術(shù)研究”項(xiàng)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(dòng)了沙漠地基的現(xiàn)場、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用技術(shù)研究。該項(xiàng)目的完成不僅需要開創(chuàng)性地開展大量的室內(nèi)外試驗(yàn)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(jì)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(dòng)呈層流狀態(tài)等假設(shè)，引用達(dá)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(jì)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(jì)算公式。對(duì)塔中-404井井架基礎(chǔ)∏型坑

4、的浸水量進(jìn)行了工程計(jì)算和驗(yàn)證。 通過一系列現(xiàn)場試驗(yàn)，首次提出了浸水密實(shí)法的沙漠地基加固理論，給出了浸水量計(jì)算公式和計(jì)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(jì)算方法和計(jì)算公式作為理論和設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)，首次在塔中-63井井架基礎(chǔ)下實(shí)施應(yīng)用，并在以后建設(shè)的塔中16排-10井等多個(gè)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(jìn)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(jì)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(yàn)和非飽和沙漠砂室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)研究。所得試驗(yàn)、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(gè)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(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)研究；在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，首先建立了考慮密實(shí)程度影響的非飽和沙漠砂強(qiáng)度準(zhǔn)則和不同密實(shí)度非飽和沙漠砂的強(qiáng)度準(zhǔn)則確定方法，給出了可應(yīng)用于沙漠工程實(shí)踐的塔克拉瑪干沙漠地基強(qiáng)度參數(shù)。 基于所建立的非飽和沙漠砂的強(qiáng)度準(zhǔn)則，給出了與之相對(duì)應(yīng)的屈服函數(shù)；基于非飽和沙漠砂的固結(jié)試驗(yàn)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(yùn)用簡化的非飽和沙漠砂強(qiáng)度準(zhǔn)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(jì)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(jì)計(jì)算奠定了理論基礎(chǔ)。 通過對(duì)塔克拉瑪干沙漠腹地59個(gè)自然沙丘新成坡角的現(xiàn)場測試和對(duì)測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)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(qiáng)度分析提供了一個(gè)重要依據(jù)。 土坡失穩(wěn)滑動(dòng)時(shí)其滑裂面的形式多種多樣。土坡穩(wěn)定性分析是一個(gè)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(dòng)面形式的確定、土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的合理選取、土的非均勻性及土中水的滲流對(duì)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(huì)形成大量的工程邊坡，非飽和沙漠地基中的基坑開挖也會(huì)遇到土坡問題，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析是邊坡維護(hù)設(shè)計(jì)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(yàn)；系統(tǒng)研究了土坡穩(wěn)定性分析理論；首次將滑動(dòng)土體劃分從有限條推進(jìn)到

9、無限條，給出了土坡穩(wěn)定性分析無限條分法的計(jì)算公式；基于遺傳進(jìn)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(jì)算方法，簡化了土坡計(jì)算過程，提高了土坡穩(wěn)定性的計(jì)算分析精度。應(yīng)用土坡穩(wěn)定性分析的無限條分法對(duì)非飽和沙漠砂的直立邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析。理論分析與實(shí)驗(yàn)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(shí)，沙漠腹地井架基礎(chǔ)承臺(tái)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(jì)方案時(shí)，樁端阻力、樁側(cè)摩阻力和基底壓力分擔(dān)荷載大小的基本比例和樁側(cè)摩阻力、承臺(tái)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(duì)沙漠工程建設(shè)有意義的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

11、參數(shù)和結(jié)論。開展了沙漠場地短樁承載機(jī)理的室內(nèi)模擬載荷試驗(yàn)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(jī)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(yàn)研究成果，確定了沙漠場地大直徑短樁的破壞機(jī)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(jī)理，得到了模擬基樁的摩阻力發(fā)展分布規(guī)律和極