高速鐵路路基連續(xù)壓實(shí)控制指標(biāo)與控制機(jī)理研究

高速鐵路對(duì)路基結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，特別是在提高抗變形能力和物理力學(xué)性能的均勻性分布方面。而路基結(jié)構(gòu)性能取決于選擇優(yōu)良填料和充分壓實(shí)，其中壓實(shí)質(zhì)量控制是關(guān)鍵要素之一。常規(guī)的壓實(shí)質(zhì)量控制方法是點(diǎn)式抽樣檢驗(yàn)控制，存在較多問(wèn)題，很難控制路基填筑的整體質(zhì)量，因此需要研究覆蓋全面的控制方法。連續(xù)壓實(shí)控制是一類(lèi)新的控制方法，國(guó)外目前主要有早期的瑞典壓實(shí)計(jì)諧波比方法和德國(guó)的振動(dòng)模量方法。但瑞典方法局限性較大，沒(méi)有普遍應(yīng)用價(jià)值，而德國(guó)方法則與專(zhuān)用壓路機(jī)捆綁在一起且價(jià)格昂貴。因此有必要研究一種新的連續(xù)壓實(shí)控制方法，使之具有廣泛的適用性是本項(xiàng)目的目標(biāo)。 本項(xiàng)目主要在以下方面進(jìn)行了研究：（1）壓實(shí)過(guò)程中路基結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征及表達(dá)方式研究；（2）壓實(shí)過(guò)程中路基結(jié)構(gòu)抗力指標(biāo)識(shí)別研究；（3）基于路基抗力指標(biāo)的連續(xù)壓實(shí)動(dòng)態(tài)反饋控制機(jī)理研究；（4）試驗(yàn)驗(yàn)證研究。 通過(guò)這些研究，得到如下重要結(jié)果：（1）提出了采用路基結(jié)構(gòu)抵抗力進(jìn)行填筑碾壓質(zhì)量控制的指標(biāo)體系，解決了路基填筑碾壓過(guò)程中采用何種指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)控制問(wèn)題，即避開(kāi)了瑞典壓實(shí)計(jì)方法的局限性，又避免了德國(guó)方法求取振動(dòng)模量所需較多參數(shù)和需要專(zhuān)用振動(dòng)壓路機(jī)的問(wèn)題，可以裝配在所有性能穩(wěn)定的振動(dòng)壓路機(jī)上。不但適用于高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量控制，還可以廣泛應(yīng)用于普通鐵路路基、公路路基面層、機(jī)場(chǎng)、大壩、工業(yè)廠房地基、填海造地等諸多填筑工程領(lǐng)域的壓實(shí)質(zhì)量控制上。打破了國(guó)際上少數(shù)國(guó)家對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的壟斷，為國(guó)內(nèi)開(kāi)展這方面的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并且還可以為智能壓路機(jī)的研發(fā)提供技術(shù)支撐。（2）根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，提出了多方面的控制內(nèi)容，即振動(dòng)壓實(shí)工藝監(jiān)控、壓實(shí)程度控制、壓實(shí)穩(wěn)定性控制和壓實(shí)薄弱點(diǎn)控制等，為全面提高路基填筑碾壓質(zhì)量提供了新的技術(shù)途徑，彌補(bǔ)了目前高速鐵路路基填筑碾壓傳統(tǒng)控制方法的不足之處。（3）本項(xiàng)研究成果被納入有關(guān)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。 本項(xiàng)研究在理論上是“一個(gè)剛性圓柱體在彈塑性體上移動(dòng)和振動(dòng)狀態(tài)下所引起的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題”，屬于復(fù)雜的接觸動(dòng)力學(xué)范疇，尚無(wú)理想的解答。在應(yīng)用上的主要難點(diǎn)是如何解決連續(xù)控制指標(biāo)與常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)的一致性問(wèn)題。因此本項(xiàng)目在選擇何種簡(jiǎn)化力學(xué)模型、如何進(jìn)行信息處理、如何進(jìn)行反饋控制等方面進(jìn)行了系列研究，解決了工程上進(jìn)行應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，形成的應(yīng)用技術(shù)已在高速鐵路建設(shè)中開(kāi)始應(yīng)用。 2100433B

針對(duì)連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)中的難點(diǎn)和不足，本項(xiàng)目采用動(dòng)力學(xué)與控制理論方法，進(jìn)行高速鐵路路基連續(xù)壓實(shí)控制指標(biāo)與控制機(jī)理的研究。首先從路基結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)的基本定義出發(fā)，根據(jù)散粒體碾壓成型過(guò)程中的狀態(tài)變化特征，建立路基壓實(shí)過(guò)程中能夠反映壓實(shí)狀態(tài)變化的指標(biāo)評(píng)定體系；其次通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，建立路基結(jié)構(gòu)抗力與壓路機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間的相關(guān)關(guān)系，給出抗力信息的計(jì)算方法；最后研究基于路基結(jié)構(gòu)抗力指標(biāo)體系的反饋控制機(jī)理，研究壓實(shí)機(jī)具的振動(dòng)參數(shù)、路基壓實(shí)程度以及壓實(shí)穩(wěn)定性的控制準(zhǔn)則，提出連續(xù)壓實(shí)控制與常規(guī)控制相結(jié)合的綜合控制法。研究成果將建立以路基結(jié)構(gòu)抗力信息為控制指標(biāo)的連續(xù)壓實(shí)動(dòng)態(tài)控制理論體系，為發(fā)展適用于高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量過(guò)程控制的應(yīng)用技術(shù)提供理論支撐。成果可以轉(zhuǎn)化為實(shí)用技術(shù)，不但可以用于鐵路路基、還可應(yīng)用于公路路基、機(jī)場(chǎng)工程等領(lǐng)域，對(duì)于提高填筑工程的碾壓質(zhì)量具有促進(jìn)作用。

本書(shū)主要介紹連續(xù)壓實(shí)控制動(dòng)力學(xué)方法的理論體系、測(cè)試技術(shù)和工程應(yīng)用等，全書(shū)共7章。其中，第1章論述路基結(jié)構(gòu)的基本特征，分析連續(xù)壓實(shí)控制方法的特點(diǎn)；第2、3章為動(dòng)力學(xué)方法的理論基礎(chǔ)，從評(píng)定和控制指標(biāo)體系、壓路機(jī)與路基相互作用的動(dòng)力學(xué)原理等方面進(jìn)行論述；第4章闡述相關(guān)的測(cè)試技術(shù)；第5章介紹壓實(shí)過(guò)程的模擬試驗(yàn)成果，這是對(duì)一些結(jié)論的試驗(yàn)驗(yàn)證；第6章論述連續(xù)壓實(shí)控制的基本原理，這是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的技術(shù)基礎(chǔ)；第7章介紹一些典型工程應(yīng)用實(shí)例，這是對(duì)控制原理的試驗(yàn)驗(yàn)證。為了方便工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)，本書(shū)最后給出問(wèn)答形式的附錄，其中一些問(wèn)題是現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員與作者之間展開(kāi)的問(wèn)答實(shí)錄。

項(xiàng)目基于煤層氣開(kāi)發(fā)中儲(chǔ)層傷害問(wèn)題突出，賈敏效應(yīng)是主要傷害原因的研究背景，聚焦煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)形成的地質(zhì)、工程條件與排采控制機(jī)理這一科學(xué)問(wèn)題，以黔西土城區(qū)塊煤層氣開(kāi)發(fā)工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用自主設(shè)計(jì)的非穩(wěn)態(tài)氣水兩相滲流裝置為主要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合氣水相滲影響下的儲(chǔ)層數(shù)值模擬，開(kāi)展了兩相驅(qū)替下煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度、相滲及應(yīng)力敏感性，煤儲(chǔ)層氣水兩相滲流規(guī)律，賈敏效應(yīng)的排采表現(xiàn)與影響機(jī)理，賈敏效應(yīng)的排采控制及緩解賈敏效應(yīng)的排采制度優(yōu)化等內(nèi)容的研究。結(jié)果表明：由于氣阻、液阻共存，且氣、水粘度存在較大差異，賈敏指數(shù)（I=ΔPw/ΔPo）不適用于煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。含水飽和度、滲透率等對(duì)啟動(dòng)壓力梯度、相滲曲線及應(yīng)力敏感性的影響顯著，可用來(lái)表征煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)的強(qiáng)弱。水驅(qū)條件下，飽水煤樣啟動(dòng)壓力梯度最低；隨著自由水飽和度降低，克氏滲透率0.044mD的煤樣啟動(dòng)壓力梯度由0.67MPa/cm增大至0.89MPa/cm；氣驅(qū)條件下，含水飽和度對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的影響則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。煤儲(chǔ)層滲透率越低，啟動(dòng)壓力梯度越大；干燥煤樣克氏滲透率由0.079mD降至0.044mD，水驅(qū)啟動(dòng)壓力梯度由0.37MPa/cm增大至0.89MPa/cm。水驅(qū)條件下，飽水煤樣具較高的初始水相滲透率，且表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性；氣驅(qū)條件下，飽水煤樣的初始?xì)庀酀B透率遠(yuǎn)低于干燥煤樣，同樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。煤層氣井排采過(guò)程中，隨著游離氣增多、氣泡變大，水相滲流的啟動(dòng)壓力梯度增大，水相滲透率亦快速下降，賈敏效應(yīng)逐漸增強(qiáng)；受此影響，壓裂液難以排出導(dǎo)致壓降漏斗擴(kuò)展困難，是氣井難以高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要原因。煤層氣井見(jiàn)套壓后持續(xù)憋壓，氣水產(chǎn)量大幅波動(dòng)，非連續(xù)性排采均可產(chǎn)生嚴(yán)重的賈敏效應(yīng)，導(dǎo)致“氣鎖”或“水鎖”傷害。合層開(kāi)發(fā)煤層氣井上部產(chǎn)層暴露后，套壓回升導(dǎo)致氣體“反侵”入暴露產(chǎn)層，近井地帶形成液相低滲區(qū)，將導(dǎo)致上部暴露產(chǎn)層產(chǎn)水、產(chǎn)氣量快速下降。煤層氣井排采應(yīng)堅(jiān)持“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定”的原則，見(jiàn)套壓前嚴(yán)格控制液面降幅以提高壓裂液返排率，憋壓階段限定最高套壓，保持氣水產(chǎn)量的相對(duì)穩(wěn)定。為了延長(zhǎng)合層開(kāi)發(fā)煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間，可在套壓＞0.5MPa時(shí)主動(dòng)暴露上部產(chǎn)層，并杜絕套壓后期大幅回升。本研究揭示了煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)的形成機(jī)理，提出了賈敏效應(yīng)排采控制措施及優(yōu)化的合層排采方案，為相似地質(zhì)條件下煤層氣開(kāi)發(fā)工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 2100433B

基于原位煤層氣開(kāi)發(fā)工程中煤儲(chǔ)層傷害問(wèn)題突出，煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)是儲(chǔ)層傷害重要原因的研究背景，聚焦煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)形成地質(zhì)、工程條件與排采控制機(jī)理這一科學(xué)問(wèn)題，以沁水盆地南部煤層氣田煤層氣開(kāi)發(fā)工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用自主設(shè)計(jì)的非穩(wěn)態(tài)兩相驅(qū)替、穩(wěn)態(tài)兩相滲流裝置為主要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合煤儲(chǔ)層氣-水兩相滲流數(shù)學(xué)建模與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，開(kāi)展煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)的工程表現(xiàn)特征與生產(chǎn)影響、煤儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)地質(zhì)特征及煤層氣開(kāi)發(fā)工藝與賈敏效應(yīng)的關(guān)系、煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程氣-水兩相滲流規(guī)律、煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)排采控制及緩解賈敏效應(yīng)工藝優(yōu)化等內(nèi)容的研究，以期建立煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)評(píng)價(jià)方法體系，揭示煤儲(chǔ)層液-液、氣-液不相混溶兩相滲流賈敏效應(yīng)形成及煤層氣井排采控制機(jī)理，形成優(yōu)化的原位煤層氣開(kāi)發(fā)施工工藝及排采作業(yè)制度，為提高煤層氣井產(chǎn)能及資源采收率提供科學(xué)依據(jù)。