高速鐵路路基連續(xù)壓實控制指標(biāo)與控制機(jī)理研究結(jié)題摘要

高速鐵路對路基結(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，其中壓實質(zhì)量控制是關(guān)鍵要素之一。常規(guī)的壓實質(zhì)量控制方法是點式抽樣檢驗控制，存在較多問題，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)壓實控制是一類新的控制方法，國外目前主要有早期的瑞典壓實計諧波比方法和德國的振動模量方法。但瑞典方法局限性較大，沒有普遍應(yīng)用價值，而德國方法則與專用壓路機(jī)捆綁在一起且價格昂貴。因此有必要研究一種新的連續(xù)壓實控制方法，使之具有廣泛的適用性是本項目的目標(biāo)。 本項目主要在以下方面進(jìn)行了研究：（1）壓實過程中路基結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征及表達(dá)方式研究；（2）壓實過程中路基結(jié)構(gòu)抗力指標(biāo)識別研究；（3）基于路基抗力指標(biāo)的連續(xù)壓實動態(tài)反饋控制機(jī)理研究；（4）試驗驗證研究。 通過這些研究，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程中采用何種指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)控制問題，即避開了瑞典壓實計方法的局限性，又避免了德國方法求取振動模量所需較多參數(shù)和需要專用振動壓路機(jī)的問題，可以裝配在所有性能穩(wěn)定的振動壓路機(jī)上。不但適用于高速鐵路路基壓實質(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、大壩、工業(yè)廠房地基、填海造地等諸多填筑工程領(lǐng)域的壓實質(zhì)量控制上。打破了國際上少數(shù)國家對這項技術(shù)的壟斷，為國內(nèi)開展這方面的工程應(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)動力學(xué)分析結(jié)果，提出了多方面的控制內(nèi)容，即振動壓實工藝監(jiān)控、壓實程度控制、壓實穩(wěn)定性控制和壓實薄弱點控制等，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）本項研究成果被納入有關(guān)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。 本項研究在理論上是“一個剛性圓柱體在彈塑性體上移動和振動狀態(tài)下所引起的動力學(xué)問題”，屬于復(fù)雜的接觸動力學(xué)范疇，尚無理想的解答。在應(yīng)用上的主要難點是如何解決連續(xù)控制指標(biāo)與常規(guī)檢測指標(biāo)的一致性問題。因此本項目在選擇何種簡化力學(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)中開始應(yīng)用。 2100433B

針對連續(xù)壓實控制技術(shù)中的難點和不足，本項目采用動力學(xué)與控制理論方法，進(jìn)行高速鐵路路基連續(xù)壓實控制指標(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)散粒體碾壓成型過程中的狀態(tài)變化特征，建立路基壓實過程中能夠反映壓實狀態(tài)變化的指標(biāo)評定體系；其次通過動力學(xué)分析，建立路基結(jié)構(gòu)抗力與壓路機(jī)動態(tài)響應(yīng)之間的相關(guān)關(guān)系，給出抗力信息的計算方法；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，研究壓實機(jī)具的振動參數(shù)、路基壓實程度以及壓實穩(wěn)定性的控制準(zhǔn)則，提出連續(xù)壓實控制與常規(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)壓實動態(tài)控制理論體系，為發(fā)展適用于高速鐵路路基壓實質(zhì)量過程控制的應(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)場工程等領(lǐng)域，對于提高填筑工程的碾壓質(zhì)量具有促進(jìn)作用。

本書主要介紹連續(xù)壓實控制動力學(xué)方法的理論體系、測試技術(shù)和工程應(yīng)用等，全書共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)壓實控制方法的特點；第2、3章為動力學(xué)方法的理論基礎(chǔ)，從評定和控制指標(biāo)體系、壓路機(jī)與路基相互作用的動力學(xué)原理等方面進(jìn)行論述；第4章闡述相關(guān)的測試技術(shù)；第5章介紹壓實過程的模擬試驗成果，這是對一些結(jié)論的試驗驗證；第6章論述連續(xù)壓實控制的基本原理，這是現(xiàn)場實施的技術(shù)基礎(chǔ)；第7章介紹一些典型工程應(yīng)用實例，這是對控制原理的試驗驗證。為了方便工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)，本書最后給出問答形式的附錄，其中一些問題是現(xiàn)場技術(shù)人員與作者之間展開的問答實錄。

項目基于煤層氣開發(fā)中儲層傷害問題突出，賈敏效應(yīng)是主要傷害原因的研究背景，聚焦煤儲層賈敏效應(yīng)形成的地質(zhì)、工程條件與排采控制機(jī)理這一科學(xué)問題，以黔西土城區(qū)塊煤層氣開發(fā)工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用自主設(shè)計的非穩(wěn)態(tài)氣水兩相滲流裝置為主要實驗平臺，結(jié)合氣水相滲影響下的儲層數(shù)值模擬，開展了兩相驅(qū)替下煤儲層啟動壓力梯度、相滲及應(yīng)力敏感性，煤儲層氣水兩相滲流規(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）不適用于煤儲層賈敏效應(yīng)動態(tài)評價。含水飽和度、滲透率等對啟動壓力梯度、相滲曲線及應(yīng)力敏感性的影響顯著，可用來表征煤儲層賈敏效應(yīng)的強(qiáng)弱。水驅(qū)條件下，飽水煤樣啟動壓力梯度最低；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，含水飽和度對啟動壓力梯度的影響則表現(xiàn)出相反的趨勢。煤儲層滲透率越低，啟動壓力梯度越大；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。煤層氣井排采過程中，隨著游離氣增多、氣泡變大，水相滲流的啟動壓力梯度增大，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。煤層氣井見套壓后持續(xù)憋壓，氣水產(chǎn)量大幅波動，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)堅持“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定”的原則，見套壓前嚴(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)量的相對穩(wěn)定。為了延長合層開發(fā)煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)時間，可在套壓＞0.5MPa時主動暴露上部產(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)條件下煤層氣開發(fā)工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 2100433B

基于原位煤層氣開發(fā)工程中煤儲層傷害問題突出，煤儲層賈敏效應(yīng)是儲層傷害重要原因的研究背景，聚焦煤儲層賈敏效應(yīng)形成地質(zhì)、工程條件與排采控制機(jī)理這一科學(xué)問題，以沁水盆地南部煤層氣田煤層氣開發(fā)工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用自主設(shè)計的非穩(wěn)態(tài)兩相驅(qū)替、穩(wěn)態(tài)兩相滲流裝置為主要實驗平臺，結(jié)合煤儲層氣-水兩相滲流數(shù)學(xué)建模與計算機(jī)數(shù)值模擬，開展煤儲層賈敏效應(yīng)的工程表現(xiàn)特征與生產(chǎn)影響、煤儲層開發(fā)地質(zhì)特征及煤層氣開發(fā)工藝與賈敏效應(yīng)的關(guān)系、煤層氣開發(fā)過程氣-水兩相滲流規(guī)律、煤儲層賈敏效應(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，以期建立煤儲層賈敏效應(yīng)評價方法體系，揭示煤儲層液-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)。