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非饱和沙漠地基土的理论和工程应用研究

韩晓雷  
【摘要】:工程学科的科学研究问题来源于工程实际,工程学科科学研究的任务是解决工程所遇到的问题,工程学科科学研究的目的是运用科学研究成果指导工程实践。这是论文作者对工程学科的科学研究的理解,也是本论文的主导思想。 “九五”期间我国制定了稳定东部发展西部的石油开发战略,并将西部石油开发的重点放在了塔里木盆地。由于沙漠表面的干粉砂层厚且松散,一般认为其压实性能差、抗剪强度低,是制约沙漠石油工程建设的重要因素。为了能在沙漠中安全、合理、经济地进行建设,顺利实施沙漠石油开发战略,中国石油天然气总公司(原)和塔里木石油勘探开发指挥部(原)提出了编制塔里木沙漠地基勘察、设计、施工技术规定的科技攻关目标。在列入“九五”科技工程攻关计划的“塔里木石油工程技术研究”项目中设立了“沙漠油田地面建设工程技术研究”课题,全面启动了沙漠地基的现场、室内实验和工程应用技术研究。该项目的完成不仅需要开创性地开展大量的室内外试验研究,而且需要建立相关的理论以指导沙漠石油工程建设。本论文的工作就是其中的研究内容。 为解决塔克拉玛干沙漠石油井场干粉砂场地基础施工过程中遇到的浸砂坑浸水量计算问题,根据浸水坑蓄水高度为零,砂是各向同性的均质体和水在粉砂中的流动呈层流状态等假设,引用达西渗透定律, 首次开展了粉砂场地上的浸砂坑浸水量问题理论研究,通过理论分析,得到了塔克拉玛干沙漠井场干粉砂场地基础施工中常见的圆形、矩形和∏形浸水坑的浸湿砂体积计算公式;引入了持水量的概念,给出了上述三种浸水坑的浸水量计算公式。对塔中404井井架基础∏型坑的浸水量进行了工程计算和验证。 通过一系列现场试验,首次提出了浸水密实法的沙漠地基加固理论,给出了浸水量计算公式和计算方法;该方法以本文给出的沙漠干粉砂场地基础施工中遇到的各种不同形状、不同尺寸和不同浸水深度要求的浸水坑浸水量计算方法和计算公式作为理论和设计计算基础,首次在塔中—63井井架基础下实施应用,并在以后建设的塔中16排—10井等多个沙漠腹地井场建设中成功应用。1999年建设的全部7口井架基础均采用了该方案进行施工,节约建设资金约210万。后续建设的沙漠腹地井架基础全部采用了此方案,为国家节约了大量建设资金,取得了显著的经济效益。 根据沙漠砂的特性和塔克拉玛干沙漠地基研究的需要,开展了塔克拉玛干沙漠砂渗透系数的室内测试,开创性的开展了沙漠砂持水量试验和非饱和沙漠砂室内侧限压缩试验研究。所得试验、测试成果可供塔克拉玛干沙漠石油工程建设或相近的地质条件下的工程建设参考或应用。 第一个提出了非饱和沙漠砂的研究问题;开展了非饱和沙漠砂的直接剪切试验和三轴剪切试验研究;在试验研究的基础上,首先建立了考虑密实程度影响的非饱和沙漠砂强度准则和不同密实度非饱和沙漠砂的强度准则确定方法,给出了可应用于沙漠工程实践的塔克拉玛干沙漠地基强度参数。 基于所建立的非饱和沙漠砂的强度准则,给出了与之相对应的屈服函数;基于非饱和沙


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