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水平定向钻孔应力—应变及失稳机理研究

作　者: 王建钧
导　师: 曹净
学　校: 昆明理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 非开挖水平定向钻孔应力-应变失稳机理 FLAC
分类号: TU452
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本论文从分析深埋水平定向钻孔围岩的应力-应变规律入手,将钻孔围岩分别看做理想弹性体、伯格斯线性粘弹性体及理想弹塑性体来推导其应力-应变及位移的解析解,根据解析解分析钻孔应力-应变及位移的规律,并取水平定向钻进铺管工程常见土层的物理力学参数对钻孔应力-应变及位移进行了计算和分析；系统地研究了影响钻孔稳定性的地质方面和工程方面的各种主要因素,分析了钻孔孔壁稳定条件及钻孔的失稳机理,得出钻孔钻进液最优压力计算公式,给出了比较实用的几种钻孔稳定措施；通过有限差分软件FLAC-2D的数值模拟,对浅埋钻孔与深埋钻孔在孔内钻进液压力为水压力时和钻进液压力为泥浆压力时的钻孔的孔壁孔壁位移、钻孔地表的沉降位移、钻孔围岩的主应力差、钻孔围岩的最大剪应变及钻孔围岩的弹塑性区域的分布等做了分析,将数值模拟解与解析解进行了对比,分析了岩土的抗剪强度指标粘聚力与内摩擦角对钻孔稳定性的影响规律。通过研究分析,本论文主要有以下结论：(1)影响水平定向钻孔的稳定性因素主要有地层压力、钻孔围岩性质、地面动荷载、土中水的活动情况、钻孔的直径、钻孔的埋置深度、钻孔的长度、钻具在孔中的进退、孔内的冲蚀与振动、钻进液的密度、钻进液的粘性、钻进液的滤失性和配伍性及成孔时间等；钻孔围岩变形和破坏主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出和重力坍塌等不同类型。(2)不管将钻孔围岩看做理想粘性体、线性粘弹性体还是理想弹塑性体,不管钻孔处于浅埋状态还是深埋状态,钻孔的直径越大,钻孔的径向位移越大,缩径率越大,钻孔内的钻进液压力越大,钻孔的径向位移越小,缩径率越小；水平定向钻进铺管工程必须考虑钻孔围岩的蠕变性质,钻孔裸孔的时间越长,钻孔的径向位移就越大,缩径率就越大；合理的配置钻进液密度,可使钻孔孔壁的径向位移达到最小值,钻孔不会出现缩径现象。(3)钻孔周围土体的主应力差值及最大剪应变值在土体距离孔壁越近时,主应力差值与最大剪应变值越大。当钻孔围岩为理想弹塑性体时,钻孔的塑性半径侧向大于竖向,钻孔剪切破坏先从侧壁开始。(4)钻孔的径向位移、主应力差值、最大剪应变等随围岩的抗剪强度指标粘聚力C及内摩擦角φ的提高而减小,并且同等条件下,岩土的内摩擦角φ对其的影响较粘聚力C的影响更大。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章:绪论  11-28
  1.1 定向钻进技术的概念  11-13
    1.1.1 定向钻进技术的含义  11
    1.1.2 定向钻孔的类型  11-13
  1.2 定向钻进技术的应用范围  13-17
    1.2.1 在石油、天然气钻井工程中的应用  13-14
    1.2.2 在固体矿产地质勘探中的应用  14
    1.2.3 在非开挖铺设地下管线工程中的应用  14-15
    1.2.4 在其它工程中的应用  15-17
  1.3 水平定向钻进铺管技术  17-25
    1.3.1 基本概念  17
    1.3.2 水平定向钻进铺管技术的技术特征与优势  17-18
    1.3.3 水平定向钻进铺管技术的施工工艺  18-23
    1.3.4 水平定向钻进铺管技术的国内外发展动态与现状  23-25
  1.4 课题的提出与研究意义  25-28
    1.4.1 课题的提出  25-26
    1.4.2 课题的研究意义  26
    1.4.3 课题的研究技术路线  26
    1.4.4 本论文的主要工作  26-28
第2章:水平定向钻孔围岩应力解析法分析  28-53
  2.1 前言  28-30
  2.2 钻孔围岩受力分析  30-31
  2.3 钻孔围岩弹性与粘弹性力学分析  31-49
    2.3.1 钻孔围岩的弹性应力状态  31-35
    2.3.2 钻孔围岩的弹性位移分析  35-40
    2.3.3 钻孔围岩的粘弹性位移分析  40-49
  2.4 钻孔围岩弹塑性力学分析  49-53
    2.4.1 钻孔围岩的弹塑性应力状态  49-51
    2.4.2 钻孔围岩的塑性位移的计算  51-53
第3章:水平定向钻孔围岩失稳机理研究  53-65
  3.1 钻孔围岩稳定性因素分析  53-57
    3.1.1 地质因素  53-54
    3.1.2 工程因素  54-57
  3.2 钻孔孔壁失稳机理研究  57-62
    3.2.1 钻孔孔壁稳定的条件分析  57-60
    3.2.2 钻孔失稳机理  60-62
  3.3 钻孔最优钻进液压力的确定  62-63
  3.4 钻孔围岩稳定措施  63-65
第4章:水平定向钻孔数值模拟分析  65-103
  4.1 概述  65-66
  4.2 有限差分法简介  66-74
    4.2.1 有限差分法基本方程  66-68
    4.2.2 平面问题有限差分方程  68-72
    4.2.3 显示有限差分算法-时间步法  72-74
  4.3 计算程序及模型  74-81
    4.3.1 FLAC-2D程序简介  74-75
    4.3.2 本构关系及屈服准则的选择  75-79
    4.3.3 计算模型和参数  79-81
  4.4 数值模拟结果分析  81-103
    4.4.1 理想弹性模型分析  81-89
    4.4.2 理想弹塑性模型分析  89-103
第5章:结论与建议  103-106
  5.1 主要结论  103-105
  5.2 不足与后续工作  105-106
致谢  106-107
参考文献  107-111
附录A:攻读硕士期间发表的论文  111

水平定向钻孔应力—应变及失稳机理研究

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