高压水作用高强混凝土井壁流固耦合损伤受力机理及承载力研究
发布时间：2023-10-31 18:17
我国西部地区全基岩深冻结井穿越的白垩—侏罗纪煤系地层,多为泥、钙质胶结充填的裂隙-孔隙双重介质,表现为“海绵式”出水特点。其砂岩、砾岩、砂质泥岩具有泥质胶结、遇水砂化泥化、遇风风化、强度较低、可注性差等特点。由此,冻结壁融化后,基岩冻结井壁长期承受地下高压水作用,致使井筒渗漏水屡屡发生,严重者引发井壁破损涌水事故。因此,开展冻结井高强混凝土井壁流固耦合损伤受力机理及承载力研究,对解决上述技术难题具有重要的理论意义和应用价值。本文通过高强井壁混凝土物理力学参数测试以及三轴压缩和渗流试验,观察其受力全过程损伤演化及细观结构变化;基于大量实验测试数据,以环向应变表征其损伤变量,建立其弹塑性损伤本构关系;分析围压、损伤变量、主应力差与混凝土渗透性之间关系,运用数理统计回归分析方法,获得混凝土渗透系数与围压、损伤等相关经验公式。基于有效应力原理,将混凝土视为多孔介质,引入上述弹塑性损伤本构方程,应用混凝土统一屈服理论和强度准则,考虑地下水渗流作用影响,建立高水压直接作用井壁荷载分析模型,并结合混凝土损伤本构关系以及渗透系数与损伤耦合方程,推导出高压水作用冻结井壁流固耦合弹塑性损伤外水压力解析解,...
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 混凝土渗透性研究现状
1.2.2 流固耦合研究现状
1.2.3 混凝土渗流损伤本构研究现状
1.2.4 冻结法凿井井壁结构形式的研究现状
1.2.5 井壁极限承载力研究现状
1.3 主要研究内容
1.4 主要研究方法与技术路线
1.4.1 研究方法
1.4.2 技术路线
2 冻结井壁高强混凝土配制及主要物理力学性能试验
2.1 冻结井壁混凝土的配制
2.1.1 井壁混凝土配制原则
2.1.2 井壁混凝土原材料
2.1.3 高强井壁混凝土配合比设计
2.2 高强混凝土物理力学试验设计
2.2.1 试样制备
2.2.2 试验装置平台
2.2.3 试验方案
2.3 高强混凝土物理力学试验结果与分析
2.3.1 单轴压缩试验
2.3.2 三轴压缩试验
2.3.3 混凝土孔隙率测定
2.4 本章小结
3 井壁混凝土渗透性试验及损伤演化规律分析
3.1 混凝土渗透性试验
3.1.1 试样制备
3.1.2 试验设备
3.1.3 试验方法与测试原理
3.2 试验结果与讨论
3.2.1 不同围压条件下应力应变-渗透关系
3.2.2 混凝土损伤演化与应力状态关系
3.2.3 围压与初始渗透性的关系
3.2.4 混凝土损伤演化与渗透性关系
3.3 渗透性演化规律分析
3.4 混凝土损伤本构关系
3.5 本章小结
4 高压水作用下高强混凝土井壁流固耦合试验研究
4.1 井壁结构模型设计
4.2 高水压作用下井壁模型试验方案
4.2.1 井壁模型制备
4.2.2 模型试验设备
4.2.3 传感器选用与布置方法
4.2.4 试验加载方式
4.3 试验结果与分析
4.3.1 井壁截面应变
4.3.2 井壁截面应力
4.3.3 井壁内孔隙水压力
4.3.4 井壁破坏特征
4.4 本章小结
5 井壁流固耦合损伤受力机理及承载力研究
5.1 井壁受力分析模型
5.1.1 基本假设
5.1.2 力学模型
5.1.3 混凝土损伤本构关系
5.2 井壁应力与外水压力求解
5.2.1 未损伤区渗流场
5.2.2 损伤区渗流场
5.2.3 未损伤区井壁应力
5.2.4 损伤区井壁应力
5.2.5 井壁外水压力
5.3 井壁受外水压作用过程损伤应力演化
5.3.1 外水压力与损伤区半径关系
5.3.2 井壁应力及其损伤演化
5.3.3 孔隙水压与渗透性关系
5.4 高水压作用井壁承载力分析
5.4.1 混凝土强度对井壁承载力影响
5.4.2 厚径比对井壁承载力影响
5.5 理论计算与试验结果对比分析
5.6 本章小结
6 井壁模型流固耦合数值模拟分析
6.1 高压水作用下渗流-应力耦合机理
6.2 高水压作用下渗流-应力耦合数学模型
6.2.1 应力场数学模型
6.2.2 渗流场数学模型
6.2.3 耦合方程
6.3 数值求解方法
6.4 计算模型与参数
6.5 计算结果与分析
6.5.1 混凝土井壁应力对比
6.5.2 混凝土井壁孔隙水压力对比
6.6 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 主要创新点
7.3 展望
参考文献
致谢
作者简介及读博期间主要科研成果
作者简介
攻读博士期间发表的论文
攻读博士期间申请的专利
主要参与的科研项目
本文编号：3859231
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 混凝土渗透性研究现状
1.2.2 流固耦合研究现状
1.2.3 混凝土渗流损伤本构研究现状
1.2.4 冻结法凿井井壁结构形式的研究现状
1.2.5 井壁极限承载力研究现状
1.3 主要研究内容
1.4 主要研究方法与技术路线
1.4.1 研究方法
1.4.2 技术路线
2 冻结井壁高强混凝土配制及主要物理力学性能试验
2.1 冻结井壁混凝土的配制
2.1.1 井壁混凝土配制原则
2.1.2 井壁混凝土原材料
2.1.3 高强井壁混凝土配合比设计
2.2 高强混凝土物理力学试验设计
2.2.1 试样制备
2.2.2 试验装置平台
2.2.3 试验方案
2.3 高强混凝土物理力学试验结果与分析
2.3.1 单轴压缩试验
2.3.2 三轴压缩试验
2.3.3 混凝土孔隙率测定
2.4 本章小结
3 井壁混凝土渗透性试验及损伤演化规律分析
3.1 混凝土渗透性试验
3.1.1 试样制备
3.1.2 试验设备
3.1.3 试验方法与测试原理
3.2 试验结果与讨论
3.2.1 不同围压条件下应力应变-渗透关系
3.2.2 混凝土损伤演化与应力状态关系
3.2.3 围压与初始渗透性的关系
3.2.4 混凝土损伤演化与渗透性关系
3.3 渗透性演化规律分析
3.4 混凝土损伤本构关系
3.5 本章小结
4 高压水作用下高强混凝土井壁流固耦合试验研究
4.1 井壁结构模型设计
4.2 高水压作用下井壁模型试验方案
4.2.1 井壁模型制备
4.2.2 模型试验设备
4.2.3 传感器选用与布置方法
4.2.4 试验加载方式
4.3 试验结果与分析
4.3.1 井壁截面应变
4.3.2 井壁截面应力
4.3.3 井壁内孔隙水压力
4.3.4 井壁破坏特征
4.4 本章小结
5 井壁流固耦合损伤受力机理及承载力研究
5.1 井壁受力分析模型
5.1.1 基本假设
5.1.2 力学模型
5.1.3 混凝土损伤本构关系
5.2 井壁应力与外水压力求解
5.2.1 未损伤区渗流场
5.2.2 损伤区渗流场
5.2.3 未损伤区井壁应力
5.2.4 损伤区井壁应力
5.2.5 井壁外水压力
5.3 井壁受外水压作用过程损伤应力演化
5.3.1 外水压力与损伤区半径关系
5.3.2 井壁应力及其损伤演化
5.3.3 孔隙水压与渗透性关系
5.4 高水压作用井壁承载力分析
5.4.1 混凝土强度对井壁承载力影响
5.4.2 厚径比对井壁承载力影响
5.5 理论计算与试验结果对比分析
5.6 本章小结
6 井壁模型流固耦合数值模拟分析
6.1 高压水作用下渗流-应力耦合机理
6.2 高水压作用下渗流-应力耦合数学模型
6.2.1 应力场数学模型
6.2.2 渗流场数学模型
6.2.3 耦合方程
6.3 数值求解方法
6.4 计算模型与参数
6.5 计算结果与分析
6.5.1 混凝土井壁应力对比
6.5.2 混凝土井壁孔隙水压力对比
6.6 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 主要创新点
7.3 展望
参考文献
致谢
作者简介及读博期间主要科研成果
作者简介
攻读博士期间发表的论文
攻读博士期间申请的专利
主要参与的科研项目
本文编号：3859231
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/kuangye/3859231.html