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承压含水层井水位对循环荷载响应的水动力过程研究

张艳  
【摘要】:循环荷载作用下含水层水动力过程的物理机制解释是当前地震地下流体研究和岩土工程稳定性研究的热点问题之一,其核心问题在于含水层孔压积累和消散的定量计算模型的完善和影响因素的分析。然而由于缺少场地条件下含水层内部观测数据,含水层孔压变化很难直接观测。封闭良好的承压水井能灵敏地反映含水层内应力应变状态的变化,因此利用承压井水位波动反映含水层孔压积累和消散过程具有理论价值和实际意义。这一研究工作既能一定程度上解释地震波引起井水位变化的物理机制,又能为岩土工程稳定性研究提供理论参考。本文以承压井水位对地震波响应现象为研究背景,系统分析了承压井水位对循环荷载响应的水动力过程,结合Biot固结理论、流体力学理论和渗流动力学理论,建立了反映承压含水层井水位对循环荷载响应的含水介质应力应变-渗流-井流耦合的水动力过程理论模型。该模型体现了含水介质动应力与地下水渗流动力过程的耦合过程以及地下水渗流与井流耦合过程,以场地震例和室内振动台实验为背景,对水动力过程进行了系统研究。论文取得成果如下:(1)以承压井水位对地震波响应为背景,提出了含水层孔压及承压井水位对地震动应力响应概念体系。通过全面分析承压井水位对循环荷载响应的水动力过程,提出了循环荷载、含水层形变、孔隙压力变化和井水位变化4个层次,弹性力学响应、渗流力学响应和水力学响应3个环节以及流固耦合、渗流-井流耦合的2个耦合过程。(2)基于多孔介质弹性力学平衡和渗流力学原理,建立了水平循环荷载作用下承压含水层孔压动态响应方程。水平循环荷载是触发地下水渗流的重要外动力因素,而地下水渗流产生的渗流力和循环荷载产生多孔含水介质动应力共同作用引起了含水层孔隙压力的变化。基于此,孔压的动态响应方程应是渗流条件下渗流力平衡模型和动应力作用下含水介质应力-应变力学模型的耦合模型。在探讨渗流力与循环荷载作用下含水介质渗流与变形机理的基础上,考虑水平荷载引起岩土体介质不对称性变形特征,拓展了Biot固结模型,建立了水平循环荷载下承压含水层孔压响应理论模型。(3)以流体力学理论为基础,建立了以井中水柱为研究对象的井流动力学方程和井流运动方程,并分析了井结构参数对井流动力学方程的影响。本文概化了井流动力模型,在简化了水流从含水层到井的交互流动过程中的水头损失和井储效应的基础上,重点关注了力的作用引起井中水流的运动特征。(4)建立一个以井为中心的井-含水层井流-渗流系统,通过井边界条件耦合渗流和井流模型,重新构建了含水层渗流动力条件下的井水位对循环荷载响应的动应力-渗流-井流耦合数学模型,并通过对数学模型求解,得到含水层超孔压变化与平均动应力变化的关系和承压井水位与动应力之间的定量关系,将过去的散点模型进行耦合成为连续的水动力模型,对水动力过程解释更加完整。(5)开展了井-孔隙承压含水层系统对单一频率正弦波荷载的振动台实验,基于实验结果和分析,揭示了渗流与静水两种不同水动力条件下承压井水位对振动响应均出现振荡上升、振荡下降和振荡型特征规律;实验中含水层孔压变化是动应力与渗流共同作用的结果,进一步验证了理论方程建立的合理性。同时,通过定量分析,阐明了动应力作用下影响承压井水位变化的因素的主次关系。


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