（岩土工程专业论文）不排水条件下粘土的循环特性及其应用.pdf

中文摘要 粘土的不排水循环特性是岩土工程研究的一个重要领域，它在评价软土地基 的循环承载力中有着重要应用；同时，在石油钻井工程中，在研究怎样提高水泥 浆的顶替效率时，也需要研究钻井液粘土滤饼的循环强度特性。本文针对以上两 个方面，对两种粘土的循环特性进行了研究，主要工作有： 采用不同含水量的预水化膨润粘土模拟不同强度的钻井液滤饼，通过变水头 渗透试验、快剪试验、固结快剪试验、循环三轴试验，研究预水化膨润粘土的渗 透性、抗剪强度和循环强度特性，分析用壁面剪应力清除钻井液滤饼的可行性。 通过对试验数据的分析研究发现，预水化膨润粘土在循环荷载的作用下，其强度 明显衰减，因此，在泥浆顶替过程中，如果通过钻井液泵的脉冲振动，就可能在 一定强度的循环荷载作用下把粘土滤饼除掉，这为清除井壁滤饼，提高顶替效率 提供了一种可能的措施。 通过循环三轴试验，研究不固结不排水条件下饱和软粘土的循环特性。试验 采用三个不同围压，分别对原状饱和软粘土进行循环三轴试验，研究同一围压下， 不同的静应力与循环应力共同作用时，粘土的循环强度和循环累积应变随静应力、 循环应力的变化规律，并进一步分析围压增大至4 0 0 k p a 后对软粘土u u 循环强度 与累积应变的影响。结果表明，不固结不排水条件下，循环强度以及循环累积应 变的变化规律仍然只与静应力、循环应力和循环次数有关，围压的影响可以略去。 最后，通过软土地基上载荷板循环承载力模型试验结果与拟静力弹塑性有限 元法计算结果的比较，说明了软粘土循环特性在评价软土地基循环承载力应用中 的原理、方法和步骤。 关键词：滤饼粘土循环三轴试验循环强度循环累积应变循环特性应用 a b s t r a c t t h es t u d yo fc l a y su uc y c l i cp r o p e r t i e si so n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tb r a n c h e si n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i t sa p p l i c a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne v a l u a t i n gt h ec y c l i c b e a t i n gc a p a c i t yo f s o f tc l a yf o u n d a t i o n s i ti sn e c e s s a r yf o rw e l l d r i l l i n ge n g i n e e r i n gt o s t u d yt h ec y c l i cp r o p e r t i e so fc l a y e yf i l t e r c a k e st o i m p r o v em u dd i s p l a c e m e n t e f f i c i e n c y f o l l o w i n gr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n eb a s e do na b o v er e a s o n s r e m o l d e dp r e h y d r a t e db e n t o n i t es a m p l e sw i t hd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n tw e r eu s e dt o s i m u l a t ef i l t e rc a k e sw i t hd i f f e r e n ts t r e n g t h i no r d e rt os t u d yt h ef e a s i b i l i t yo fr e m o v i n g f i l t e rc a k e su s i n gw a l ls u r f a c es h e a rs t r e s sm e t h o d ，f a l l i n gh e a dp e r m e a b i l i t yt e s t s ，d i r e c t s h e a rt e s t sa n dc y c l i ct r i a x i a lt e s t sw e r ec o n d u c t e dt od e t e r m i n ep e r m e a b i l i t yp r o p e r t i e s ， s h e a rs t r e n g t h sa n dc y c l i cs t r e n g t ho f r e m o l d e dp r e h y d r a t e db e n t o n i t e r e s u l t ss h o w e d t h a tt h es t r e n g t ho fp r e h y d r a t e db e n t o n i t ed e g r a d e du n d e rc y c l i c l o a d s t h e r e f o r e ， c l a y e yf i l t e rc a k e sc a nb er e m o v e db yc y c l i cl o a d sw h e nv i b r a t i o no fd r i l l i n g - f l u i dp u m p i sa c t i n go nt h ef i l t e rc a k e s i ti sp r o v e dt ob eap o t e n t i a lm e t h o dr e m o v i n gt h ef i l t e r c a k e sd u r i n gt h em u dd i s p l a c e m e n t t h ec y c l i cp r o p e r t i e so fs o rc l a y sw e r es t u d i e du n d e rt h eu uc o n d i t i o n c y c l i c t r i a x i a lt e s t sw e r ec o n d u c t e du s i n gu n d i s t u r b e ds a t u r a t e ds o f tc l a ys a m p l e su n d e rt h r e e d i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e s c y c l i cs t r e n g t hc u l v e sa n dt h ec y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i n v e r s u st h en u m b e ro fc y c l e sw e r ed e t e r m i n e du n d e rd i f f e r e n tc o m b i n e ds t a t i ca n dc y c l i c s t r e s s e s e f f e c t so fc o n t i n i n gp r e s s u r eo nt h ec y c l i cs t r e n g t ha n dt h ec y c l i ca c c u m u l a t i v e s t r a i nw e r ef u r t h e ra n a l y z e dw h e nt h ec o n f i n i n gp r e s s u r ew a si n c r e a s e dt o4 0 0 k p a t e s t r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec y c l i cs t r e n g t ha n dc y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i no ft h es o rc l a y d e p e n do nt h es t a t i cs t r e s s ，t h ec y c l i cs t r e s sa n dt h en u m b e ro fc y c l e s t h ee f f e c to f c o n f i n i n gp r e s s u r eo nc y c l i cp r o p e r t i e so fc l a y sc a nb ei g n o r e d m o d e lt e s t so ft h ec i r c l ep l a t eo ns o f tc l a yf o u n d a t i o nw e r ec o n d u c t e dw i t hc y c l i c l o a d sa n dt h ec y c l i cb e a t i n gc a p a c i t i e sw e r ea l s oc a l c u l a t e du s i n gt h ep s e u d os t a t i c e l a s t o p l a s t i cf e m b yc o m p a r i n gt e s tr e s u l t sw i t hc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep r i n c i p l e s ， m e t h o d sa n ds t e p se v a l u a t i n gt h ec y c l i cb e a t i n gc a p a c i t yo fs o f tc l a yf o u n d a t i o n sw e r e d i s c u s s e db a s e do nu uc y c l i cp r o p e r t i e so fs o f tc l a y s k e yw o r d s ：f i l t e rc a k e ，c l a y , c y c l i ct r i a x i a l t e s t s ，c y c l i cs t r e n g t h ，c y c l i c a c c u m u l a t i v es t r a i n ，a p p l i c a t i o no fc y c l i cp r o p e r t i e so fc l a y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：巧涛签字日期：纠年乡月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 万涛 导9 巾签名： 签字同期：矽刁年 多月 同 签字同期： * 口镕 第一章绪论 本文是结合参与的关下两种粘土工程特性的科研项目撰写的，所做t 作的共 性在于都着重研究了粘土的循环动力特性及其鹿用。 11 预水化膨润土的不排水循环特性的研究背景 油气井的建井过程从确定井位到最后试油、投产，要完成许多作业，按其顺 序可分为几个阶段。即钻前准备、钻井、固井和完井，而每个阶段又包括许多具 体工艺作业。 在钻井阶段，钻井液有携带和悬浮岩屑，稳定井壁和平衡地层压力，冷却和 润滑钻头、钻具，传递水动力等重要作用。钻井过程中在压力差作用下，钻井 液中的自由水向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透，称为钻井渡的滤失作用。在滤失 过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层， 形成滤饼( m u dc a k e 或f i l t e rc a k e ) 口 。滤 饼具有稳定井壁、平衡地层压力和保护储层 等功用。所以，滤饼在钻井过程中是不可避 免的，也是必不可少的。 钻井完成后，需要固井。固井就是在井 壁和套管之间注入水泥。固井的主要目的是 封堵环形空间，环形空间中的水泥环阻止地 层流体的流动，并达到地层之间相互隔离的 目的1 4 】。固井时，必须用水泥浆将环形空间 中的钴屑、钻井液和井壁上的滤饼替出( 称 为顶替) 。水泥浆经历水化作用，由流态变 为固态水泥，水泥可以阻止地层流体流动并 支撑套管。水泥环必须能够经受住油井在生 产过程中的增产措施、射孔，开采及各项修 井作业的考验。 钻井液中的固相颗粒便附着在井壁上 一6 目 硝 、 甜l 蚀鬟 图卜l 钻井液滤饼形成过程示 逮常把套管与水泥环之间的胶结面称为固井一界面，把水泥环与地层( 或外层 套管) 之间的胶结面称为固井二界面例。成功的固井要求水泥浆全部替净环形空间 中钻井液和井壁e 的滤饼，使水泥浆充满环空，这样才能基本保证水泥与套管及 地层的胶结良好，但这个要求往往很难达到。主要原因是现场井眼很不规则井 天律大学硕士论文第一章绪论 且滤饼在井壁上粘附非常牢固1 6 】。 滤饼的存在对固井二界面封固系统来说是有害无益的。滤饼对固井质量的影 响有两个方面1 6 j 。一方面，固井后，滤饼夹在水泥浆与井壁岩石之间，由于水泥浆 快速水化成固体，其形状和体积已经定型，而滤饼内的水分在井下高温高压作用 下，向地层缓慢渗滤，渗滤结束后滤饼固化，体积发生收缩，在水泥石与井壁之 间形成微环隙，不管滤饼有多薄，都会造成固井二界面封固质量比较差，导致固 井二界面封固系统密封失效。另一方面，硬化的水泥石从滤饼中争夺水分连续水 化，使滤饼形成裂纹，阻碍了水泥对套管和地层第二界面的有效胶结，形成微环 隙、裂隙，给液体提供窜流通道，从而导致固井质量下降。如果水泥浆固化体与 井壁不能牢固胶结，固井后就会常常出现油气水窜等严重问题，导致固井失败， 影响油气井的生产效率和寿命。 为了减少滤饼对固井质量影响，钻井界做了不少的工作，从多个方向入手， 提出了不同的处理滤饼的方法和理论。 1 用机械方式清除滤饼 清除滤饼的机械装置有多种，有套管刷( 或称为滤饼刷) 和刮泥器等，下面 仅介绍套管刷的清眼机理【7 】： 套管刷是由钢质护圈与弹性钢丝组合而成的，结构简单。根据清眼作用方式 的不同可分为两种类型；一种为钢针型套管刷，另一种为钢索型套管刷。 套管刷作为套管附件，可根据井眼条件安装在套管串的任何位置。根据井壁 滤饼和沉淀物的沉积程度，把钢针型套管刷安装在钢索型套管刷的下部。先由钢 针型套管刷柔和地切入井壁四周滤饼内部，依靠套管串的下沉力破坏井壁滤饼和 沉淀物的网状结构。再由钢索型套管刷依靠套管串的下沉力直接刮去井壁滤饼或 沉淀物。这样在套管串中相间地安装3 5 只钢针型和钢索型套管刷，达到重复清 除井壁滤饼和沉淀物的目的，使井眼清洁，为水泥浆与地层界面创造一个良好的 胶结环境，从而提高油层套管固井质量。 用机械的方式清除滤饼虽然能够改善固井二界面的胶结环境，但是不能够完 全清除井壁滤饼和沉淀物，时常导致固井失败。 2 钻井液转化为水泥浆技术( m t c ) 弘】 m t c ( m u d t oc e m e n o 技术也称作可水泥化或固化钻井泥浆技术。将钻井液转 化的方法大致可分为3 大类，即可固化的钻井液、钻井液转化为水泥浆、多功能 钻井液与m t c 技术相结合。 可固化的钻井液是用可固结的材料作泥浆的主体，用这种泥浆钻开地层至预 定深度后，通过一定的手段将其直接转化为水泥浆。该方法成本较高，推广应用 存在一定的难度。 一钻井液转化为水泥浆技术是在钻井时沿用常用的泥浆，不需改变其配方。固 2 天津大学硕士论文第一章绪论 井作业时，在钻井过程中所使用的钻井液中，加入促凝剂、激活剂等水泥外加剂， 然后加入矿渣或水泥等水化材料，将其转化为固井液进行注水泥作业。此方法尽 管不能使滤饼完全固化，但该类固井液与滤饼和未被替净的泥浆相容性好，胶结 性能比常规注水泥时要好，不改变固井施工程序，目前已用于油田注水泥作业中。 多功能钻井液与m t c 技术相结合方法是使用加有适量水化材料( 如矿渣、火 山灰、粉煤灰等) 的钻井液钻进，此钻井液被称为多功能钻井液( 通用钻井液) ，简 称为u f ( u n i v e r s a lf l u i d ) 。进行固井作业时，向钻井液中再加入足量的水化材料和 其它外加剂，即可将其转化为固井液进行固井作业，由于井壁上所形成的滤饼和 未替净的钻井液中均含有一定量的水化材料，在固井液的活性成分的渗透和扩散 下亦发生固化，从而提高了界面的胶结性能。 m t c 技术有效地解决了传统固井水泥浆与钻井液不相容的问题，淡化了顶替 机理和顶替技术，有效提高了固井质量特别是第二界面的胶结质量。然而m t c 固 化体在温度 6 0 。c 下易脆裂，这种现象一直是限制m t c 技术推广应用的关键。 3 用壁面剪应力清除滤饼 刘爱平等桫l o 】从力学的角度出发，认为附着在井壁上的滤饼具有一定的抗剪强 度，要清除滤饼，必须要有一定的力，这个力主要是环空流动的壁面剪应力。所 以要研究清除滤饼的方法，需要同时从两个方面入手：一是确定钻井液滤饼土力 学特性，二是研究怎样提高环空流动的壁面剪应力。 以上是钻井工程中滤饼问题的危害以及对滤饼不同的滤饼处理方法、技术和 理论。它们所研究的角度不同，都取得了一定的成功，但都有各自的局限性，都 需要人们继续加以研究和改进。本文将从研究钻井液滤饼土力学性质入手，沿用 用壁面剪应力清除滤饼的理论，研究壁面剪应力清除钻井液滤饼的可行性。 1 2 粘土循环动力特性研究方法 在循环荷载作用下，评价粘土地基循环承载力或者稳定性，应该首先了解该 地基土的循环动力特性。土的循环特性主要指在循环荷载作用下土的循环强度与 循环变形状况，这可以通过研究土的循环应力应变关系来描述。由于土的物理性 状的多样性和动荷载的多样性，土的循环应力应变关系非常复杂，许多学者用不 同的方法，从不同的侧面对这个问题进行了研究。所以，粘土的循环动力特性研 究也分为循环强度和循环变形的研究两个方面。 粘土循环强度的大小与循环荷载的振次、静荷载、循环荷载的大小以及作用 方式有密切的关系。同时，与土的物性指标以及固结状态和破坏标准的选取等也 有关。当土的物性指标确定后，在一定的破坏标准下，影响土循环强度的主要因 素有三个方面：a 循环荷载作用前土体的初始应力状态；b 循环荷载的大小以及 3 天津大学硕士论文第一章绪论 作用方式：c 循环荷载作用次数】。 文献 1 2 】中将循环强度定义为一定循环次数下，土样达到破坏时静、动应力的 组合，见式( 1 1 ) 。 町，d = ( 乃+ ) ，( 1 1 ) 式中：町一由上部结构自重引起的土层中附加静应力；e r a 一循环荷载作用引起的 土层中附加循环应力；町，d 一静荷载和循环荷载共同作用下达到破坏时的循 环强度。 由于粘土渗透性差，当循环荷载传递给地基时，地基土往往在上部结构重力 作用下尚未完成固结，通常利用不排水条件下的动力试验来研究粘土的循环强度 与初始静应力、动应力以及循环振次之间的变化规律。 刘振纹【1 3 】对取白天津大港滩涂的软粘土土样进行了不固结不排水循环三轴试 验。利用累积应变关系，按照确定的应变破坏标准，确定了任意静应力对应的循 环强度曲线，与试验结果相比完全吻合。还对u u 循环三轴试验方法做了完善， 针对原状土样进行u u 循环三轴试验力学性质不稳定的特性，建议用u u 静强度作 为规一化参数，以静应力比、动应力比代替静应力和动应力，来描述粘土的循环 特性，取得了很好的结果。 对粘土的循环变形的研究主要集中在循环荷载作用造成的不可恢复的累积变 形。通常研究软粘土循环累积变形的方法有两种：一种是建立较为复杂的软粘土 本构模型，来模拟循环过程的每一个循环，钟辉虹等【1 4 】采用各向同性弹塑性边界 面模型来模拟软粘土不排水条件下受循环荷载作用的累积变形规律。这种方法对 于计算循环次数达到十万、百万次时，计算量很大，工程应用有较大难度。 另一种方法是经验拟合法，建立土体循环累积变形与土的初始固结特性、静 应力状态、动应力及循环次数的关系的拟合曲线。最常用的模型是m o n i s m i t h 提出 的指数模型，得出软粘土的塑性累积应变与循环次数的关系，如下式： 8 p = a n 8 ( 1 2 ) 式中，勺为塑性累积应变，为循环荷载振次。上式能够说明循环荷载振次的影 响，对于其它各种影响因素的描述包含在系数a 和b 中。 “和s e l i g 考虑了土体的类型和物理状态的影响，引进土体的静强度参数， 通过室内试验的结果对指数模型进行改进。c h a i 和m i u r a 又在l i 和s e l i g 的模型 4 天津大学硕士论文 第章绪论 基础上，考虑到土体的初始静偏应力，提出了一种新的指数经验公式模型，用来 预测软粘土上低路堤在交通荷载作用下的沉降。 ，= 口( 丝) ”( 1 + 生) n ( 1 - 3 ) qf q f 式中，吼为动应力，吼为初始静偏应力，g ，为静破坏偏应力。式( 1 3 ) 考虑了初始 静偏应力的影响，但对动静偏应力的耦合效应未能进行考虑。 刘振纹【1 3 1 用下式描述了软粘土不固结不排水条件下，循环累积应变的变化规 律： 。 邱：f e b e ，石沁e ，万，n ) ( 1 _ 4 ) 式中：f ，a ，b 为待定的试验函数，对于无应力反向和有应力反向的情况，它们 有不同的函数表达式，反映静应力、循环应力、循环次数等对循环累积应 变的作用和影响。为循环次数。 然而，上述经验拟合法，都没有考虑围压对循环累积应变变化的影响，或者 是将围压的条件限定在变化不是很大时( 2 0 k p a 1 0 0 k p a ) 1 5 】。式( 1 - 2 ) 和式( 1 - 4 ) 只有在这个前提下j 依据一个围压力下的试验结果建立起的循环累积应变关系， 才能适用于其它围压力下的情况【1 6 1 。 1 3 软粘土循环特性的应用 粘土的循环特性在评价软土地基的循环承载力有着重要应用。挪威土工研究 所用d r a m m e n 粘土固结不排水条件下的循环特性，对桶型基础的循环承载力进行 了比较全面的研究，为我们应用软粘土的循环特性研究地基的循环承载力提供了 很好的借鉴。 刘振纹【l 习结合浅海软粘土的循环强度变化规律，分析了桶形基础在静荷载与 循环荷载共同作用时，地基中应力状态变化特点和地基破坏模式。在此基础上， 把有限元方法与土动力试验得到循环强度模型相结合，建立了评价桶形基础地基 循环极限承载力的方法，给出了相应的计算步骤。通过计算分析，给出了单桶基 础和双桶基础受不同静荷载作用时的地基竖向和水平向循环极限承载力的变化规 律，提出了评价单桶基础和双桶基础的地基循环极限承载力的方法。针对双桶基 础在水平向荷载作用时桶内土体与桶壁接触条件差异，就两种典型的接触条件， 5 天津大学硕士论文第一章绪论 分别研究了两桶基础地基水平向循环极限承载力的变化规律，给出了双桶基础地 基水平向承载力调整系数凡h 随静荷载比和桶间距的变化关系以及评价多桶基础 地基水平向循环极限承载力的方法。 1 4 本文的研究意义和主要研究工作 1 预水化膨润土的土力学性质的研究 刘爱平根据对固井过程的分析，提出滤饼破坏在顶替过程中可能有两种破坏 形式：作用在滤饼的渗透力与壁面剪应力之和大于滤饼的抗剪强度，产生剪切 破坏，这种机理一般发生在滤饼表面；滤饼在钻井液泵的脉冲振动作用下，强 度降低加速应变软化，抗剪强度降低，这种机理在滤饼强度较高时发挥作用。 对于用壁面剪应力清除滤饼的理论，一方面需要对壁面剪应力进行深入研究， 并已经取得一定成果 1 0 1 ；另一方面，需要对滤饼的渗透性、抗剪强度和动强度加 以研究。然而在以往的文献中，对于滤饼的土力学性质，尤其是土动力学性质研 究较少，上述预测的两种破坏形式没能得到试验上的证实。 基于以上的分析，本文将用不同含水量的预水化膨润土来模拟不同强度的钻 井液滤饼，通过变水头渗透试验、快剪试验、循环三轴试验，研究预水化膨润土 的渗透性、快剪强度和动强度随含水量变化而呈现的规律性，研究预水化膨润土 在循环荷载下强度弱化，这将对用壁面剪应力清除滤饼的理论提供必要的数据， 确定用壁面剪应力清除钻井液滤饼的可行性。 2 粘土的不固结不排水循环强度特性 本文将通过不固结不排水循环三轴试验，在三个围压下，系统研究天津滩海 地区的原状粘土u u 循环特性，找出不固结不排水条件下，软粘土在各个围压下 的循环累积应变的发展变化规律和循环强度随静应力与循环应力随循环破坏次数 的变化规律，并研究分析围压对粘土的循环特性的影响。 3 软粘土循环特性的应用 本文将以载荷板竖向循环承载力模型试验为例，说明粘土的循环特性在评价 软土地基循环承载力的应用。对不同试验工况，用拟静力弹塑性有限元方法分别 进行计算，并通过对试验结果和计算结果的比较分析，来说明利用粘土的循环特 性，采用拟静力弹塑性有限元方法评价软土地基的竖向循环承载力的原理、方法 和步骤。 6 x r 目n 女 第二章预水化膨润土的不排水循环特- 【生 周风山等利用针八度实验装置进行的测试表明7 】：钻井液滤饼强度变化从表 面到井壁方向单调增加并可以近似描述为4 层的层状结构絮状层、可压缩层、 密实层和致密层( 实际滤饼巾并不存存这样的“层而是连续变化的只是为了研 究问题方便，才根据其力学特征人为进行分层的) ( 图2 - i ) 。其中表面的絮状层是 粘度比钻井液大很多的泥浆，用平缓水流即可除去，可以认为属于流体。因此钻 井液滤饼的破坏主要指可压缩层、密实层和致密层，这里主要研究这三个层状结 构的土力学性质。 钻井液是采用以蒙脱石为 主要成分的预水化膨润土配制 而成的，所以溏饼中主要成分是 预水化膨润土和水。按照密度和 强度的唯一性原理，滤饼的强度 与含水量直接相关。任取一个滤 饼微元，并假定其均质。由此可 按照滤饼微元中膨润土与水的 絮状层 可压缩层 密实层 致密层 图2 - 1 钻井液滤饼层状结构模型 比例重塑出相同含水量的重塑土试样。 基于以上分析，我们可以把膨润土加05 的碳酸钠水溶液配置成重塑土 ( n a 2 c 0 3 用于提供膨润土水化所需的阳离子交换) ，其含水量范围为2 0 1 0 0 ， 分g u 代表滤饼中不同的“层”，每1 0 为一个测试单位，我们对对不同含水量条件 下的重塑土样进行土力学性质研究，就可以得到滤饼中不同“层”的土力学性质。 2 1 试验土样与试验方法 试验土样用膨润土加o5 的碳酸钠水溶液配置而成，试验前，将搅拌均匀的 土样密闭静置3 天使膨润土充分预水化。含水量范围为2 0 1 0 0 ，每1 0 为一 个测试单位。试验土样的塑限为4 2 ，液限为7 2 。 通过测定预水化膨润土在不同含水量条件下的粘聚力、内摩擦角、渗透系数， 通过循环三轴试验测定一定含水量预水化膨润土的循环特性，获得钻井液滤饼在 动载条件下的强度弱化参数。 通过直剪试验测定出不同含水量的重塑土试样的抗剪强度后，可以初步确定 滤饼层状结构中各层的抗剪强度发生突变的临界含水量：取l 临界含水量的试样进 7 天津大学硕士论文第二章预水化膨润土的土力学性质 行不固结不排水循环三轴试验。 在进行变水头渗透试验、快剪试验、循环三轴试验前，同时测定土样含水率 和天然容重。 以上所说含水量为标称含水量( 以下同) ，即为水与土的重量配比，如含水量 2 0 的试样是由1 0 0 份膨润土样和2 0 份o 5 的碳酸钠水溶液配置而成：而实测含 水量为采用烘干法在温度1 0 5 11 0 c 下测得的含水量，见表2 1 。试样孔隙比是 通过采用烘干法测得的含水量与相应的天然容重计算所得，颗粒比重参考有关资 料取2 7 5 【18 1 。 表2 1不同含水量土样的土的物性指标 标称含水量实测含水量天然容重孔隙比 ( )( ) ( k n m 3 ) e 2 03 5 1 21 6 5 3 41 2 0 5 3 04 5 6 81 6 4 4 31 3 9 0 4 05 7 0 71 5 3 9 41 7 5 3 5 0 6 6 5 51 4 8 2 7 上0 3 0 6 07 7 6 81 4 3 5 52 3 3 9 7 08 8 1 21 4 2 0 52 5 7 3 8 09 5 0 71 4 1 1 l2 7 3 0 9 01 0 9 4 31 4 0 0 73 0 3 4 1 0 0 1 1 7 0 9 1 3 6 2 33 2 9 9 2 2 预水化膨润土的渗透特性 按( - i - 工试验规程( s l 2 3 7 0 1 4 1 9 9 9 ) 进行变水头渗透试验。一共测试了9 个 不同含水量的重塑土的渗透特性。每个含水量试样的渗透试验制备两个试样，分 别在不同的仪器上，同时进行平行试验，取两个试样的渗透系数平均值作为该含 水量的渗透系数。同时测记试验开始时与终止时的水温。 图2 2 给出了渗透系数随含水量的变化关系，这些结果表明，在含水量1 0 - - 1 0 0 的范围内，预水化膨润土的渗透系数k 变化范围在l x l 0 - 9 c m s 一- l x l 0 “c m s 之间。渗透系数随含水量的增加而增加；含水量大于7 0 后，渗透系数的增大的 趋势减缓。 8 天津大学硕士论文第二章预水化膨润土的土力学性质 o w a t e rc o n t e n t ( ) 图2 2 预水化膨润土的渗透系数随含水量的变化 2 3 预水化膨润土的直剪强度特性 按照土工试验规程，分别进行快剪试验和固结快剪试验。利用快剪试验和 固结快剪试验，分别测定不同含水量预水化膨润土的不固结不排水和固结排水条 件下的静强度参数，即内摩擦角和粘聚力。剪切时的位移速率控制在约1 6 7 l o 。m m s ( 耳p5 转分钟) 。 快剪试验测试了4 个不同含水量的试样；固结快剪试验测试了9 个不同含水 量的试样。每个含水量的试样分别做3 - 一5 组试验，每组试验的三个试样分别在三 个垂直压力下进行剪切。 将同一含水量各个试样的抗剪强度值，按不同的垂直压力进行汇总，并按最 小二乘法拟合抗剪强度与垂直压力的关系曲线，即抗剪强度线，由抗剪强度线确 定相应的内摩擦角和粘聚力值。 图2 3 给出了由快剪试验确定的强度指标随含水量的变化关系，这些结果表 明，在快剪试验( 不固结不排水) 条件下，内摩擦角和粘聚力巳随含水量的增 加而减小，当含水量达到7 5 时，内摩擦角已经接近于零。 1 02 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0l o o1 l o w a t e rc o n t e n t ( 物 9 天律大学硕士论文 第二章预水化膨润土的土力学性质 图2 - 3 快剪试验结果 o 图2 4 给出了由固结快剪试验确定的强度指标随含水量的变化关系，这些结果 表明，在固结快剪( 固结不排水) 条件下，内摩擦角随含水量增加先逐渐减小， 当含水量在4 0 附近时开始随含水量与孔隙比增加而逐渐增加。粘聚力c 钾随含水 量的增加而单调减小，当含水量达到9 0 时，已经接近于零。 图2 4 固结快剪试验结果 2 4 预水化膨润土的循环强度特性 o o 从图2 3 和图2 - 4 可以看出，预水化膨润土的静强度指标在含水量为3 0 - - , 5 0 发生了突变，可以认为滤饼层状结构的抗剪强度发生突变的临界含水量在 1 0 天津大学硕士论文第二章预水化膨润土的士力学性质 3 0 5 0 这个区间。所以选取这三个含水量的土样进行不固结不排水( u u ) 循 环三轴试验，以研究预水化膨润土的循环强度特性。 试验使用h x 1 0 0 电气伺服控制循环三轴仪，它采用闭环伺服控制系统，并由 计算机控制试验过程及采集试验数据，具有良好的试验测量精度。 试样直径3 9 1 c m ，高8 c m 。全部试验均在不固结不排水( u u ) 条件下进行， 施加的动荷载为0 5 h z 正弦形式的动荷载，以模拟钻井液泵的脉冲振动。所施加围 压的大小分别为3 0 0 k p a 、5 0 0 k p a 和7 0 0 k p a 。采用较大围压模拟深井中钻井液滤饼 所受的渗透压力。在每个围压下分别施加3 5 个不同动荷载，进行循环三轴试验。 图2 5 至图2 7 是预水化膨润土不固结不排水条件下循环三轴典型试验纪录。 3 邑2 1 0 1 2 3 o1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 t i m e ( s ) 图2 - 5 循环应力时程曲线 01 02 03 04 05 06 0 7 08 0 9 01 0 0 t i m e ( s ) 图2 - 6 循环应变时程曲线 柏 加 。 加 卯 (b山)i)po皇 天津大学硕士论文 第二章预水化膨润土的土力学性质 5 0 4 0 生3 0 62 0 墨 l o 们0 1 0 2 0 3 0 _ 4 0 5 0 ol23 图2 7 循环应力应变关系曲线 从图2 - 6 可以看出，试样在循环应力的作用下，峰峰振动应变占，一，随振动次数 的增大逐渐增大，取占p ，= 1 0 作为破坏标准。 按照以下步骤处理试验数据，确定动强度曲线以及与一定破坏振次对应的动 强度指标白、纺。 ( 1 ) 根据试验记录数据，首先确定试样的峰峰振动应变占，一，随振动次数的变 化关系曲线占p ，一l g n ( 见图2 8 ) 。 s 呈 3 0 含水量( o r 3 = 3 0 0 k p a ) 1 2 天津大学硕士论文第二章预水化膨润士的土力学性质 摹 、， 呈 摹 、， c o 摹 、_ 一 呈 ( b ) 3 0 含水量( o - 3 = 5 0 0 k p a ) ( c ) 5 0 含水量( o 3 = 7 0 0 k p a ) ( d ) 4 0 含水量( o 3 = 3 0 0 k p a ) 1 3 天津大学硕士论文第二章预水化膨润土的土力学性质 摹 、- 一 t o 摹 、_ 一 邑 t o ( e ) 4 0 含水量( o 3 = 5 0 0 k p a ) ( f ) 4 0 含水量( o 3 = 7 0 0 k p a ) ( g ) 5 0 含水量( c r 3 = 3 0 0 k p a ) 1 4 天津大学硕士论文 第二章预水化膨润土的土力学性质 摹 、一 ( h ) 5 0 含水量( a s = 5 0 0 k p a ) ( i ) 5 0 含水量( o 3 = 7 0 0 k p a ) 图2 - 8 循环三轴试验o p 1 9 2 v 关系曲线 ( 2 ) 按照峰峰振动应变达到1 0 确定循环破坏振动次数进而确定相同围压 下、动应力随破坏振次的变化关系，即动强度曲线占p - ，一l g n 。含水量为3 0 的动 三轴试验结果表明，随围压的增大，试样达到破坏标准时所需要的动应力也在增 加。因此，依据试验结果，按照不同围压分别拟和动强度曲线。而含水量为4 0 与5 0 的动三轴试验结果表明，随围压的增加，试样达到破坏标准时所需要的动 应力并没有明显改变，因此依据三个围压下的所有动强度试验结果拟和动强度曲 线( 见图2 9 至图2 1 1 ) 。 1 5 天津大学硕士论文第二章预水化膨润土的土力学性质 o 墓 邑 6 重 言 皂 6 置 n u m b e ro fc y c l e s 图2 - 93 0 含水量试样的动强度曲线 图2 1 04 0 含水量试样的动强度曲线 图2 1 15 0 含水量试样的动强度曲线 ( 3 ) 根据动强度曲线拟和关系，确定振动破坏次数达到5 0 0 0 时对应的动应力 1 6 天律大学硕士论文 第二章预水化膨润土的土力学性质 ( 4 ) 与5 0 0 0 破坏振次对应动应力以及围压q 确定主应力，即q = + 吒， o - 3 = 0 - 3 ，然后做出应力圆。据此既可确定出u u 条件下的动强度指标勺和纺值， 结果见表2 2 。 表2 - 2 不同含水量土样的动强度指标白和纺 标称含水量 g d ( k p a )吧q 乞仍 ( ) 盱5 0 0 0 ) ( k p a ) ( 1 【p a ) ( 1 ( p a )( 度) 3 6 5 2 83 0 03 3 6 5 2 8 3 0 4 8 7 9 45 0 0 5 4 8 7 9 4 1 6 2 5 10 7 4 2 5 2 4 4 07 0 07 5 2 4 4 0 1 5 7 2 73 0 03 1 5 7 2 7 4 0 1 5 7 2 75 0 05 1 5 7 2 7 1 5 7 2 70 0 0 0 1 5 7 2 77 0 07 1 5 7 2 7 9 6 3 33 0 03 0 6 6 4 6 5 0 9 6 3 35 0 0 5 0 6 6 4 6 9 6 3 30 0 0 0 9 6 3 37 0 07 0 6 6 4 6 从表2 - 2 中可以看出，当试样标称含水量达到4 0 以上时，动内摩擦角仍降 为零；动粘聚力白随含水量的增加迅速降低，按照拟和关系估计，当试样标称含 水量达到9 0 时，动粘聚力白降低到5k p a 以下。 2 5 静快剪强度与u u 动强度的比较 根据文献【2 0 1 ，当对于一定破坏振次的土样动抗剪强度可以用下式计算： f = 勺+ o - t a n ( o s ) ( 2 1 ) 所以，可以用式( 2 1 ) 计算的5 0 0 0 振次对应的动抗剪强度与固结快剪试验的 抗剪强度进行对比。 表2 - 3 将不固结快剪试验的抗剪强度s 与u u 动强度f 进行了比较。这些结果 表明，同一含水量条件下的试样，随着动应力仃( 垂直压力d r 。) 的增长，试样动 抗剪强度的衰减越来越明显。而随着含水量的降低，试样动抗剪强度的衰减百分 比越来越大。 1 7 天津大学硕士论文第二章预水化膨润土的土力学性质 表2 3快剪试验抗剪强度与动强度比较 动应力o - 或垂直压力仃。( k p a ) 标称含水量( ) 项目 1 0 0 3 0 0 5 0 07 0 0 抗剪强度s 4 4 7 5 38 0 7 9 01 1 6 8 2 81 5 2 8 6 5 3 0动强度r1 7 5 4 62 0 1 3 62 2 7 2 62 5 3 1 6 动强度衰减百分比6 0 8 7 5 1 8 0 5 8 3 4 抗剪强度s2 3 3 6 23 9 6 5 85 5 9 5 47 2 2 5 0 4 0动强度r1 5 7 2 71 5 7 2 71 5 7 2 71 5 7 2 7 动强度衰减百分比 3 2 7 6 0 3 7 1 9 7 8 2 抗剪强度s1 3 6 1 4 2 1 8 1 7 3 0 0 2 l3 8 2 2 4 5 0动强度f9 6 3 39 6 3 39 6 3 39 6 3 3 动强度衰减百分比 2 9 2 5 5 8 6 7 9 7 4 8 2 6 小结 不同含水量预水化膨润土代表了钻井液滤饼中不同的“层”，在研究了不同含 水量预水化膨润土的土力学性质后，我们可以得出以下结论： 钻井液滤饼的抗剪强度是具有一般土的土力学性质的，其抗剪强度随着含水 量的增加而变小，只要在泥浆顶替过程中加大壁面剪应力，就可以使钻井液滤饼 破坏。 另外，试验结果表明，预水化膨润土的在同一含水量条件下，随着动应力的 增长，其动抗剪强度的衰减越来越明显。而随着含水量的变小( 静强度变大) ，其 动抗剪强度的衰减百分比也越来越大，这说明在泥浆顶替过程中，如果通过钻井 液泵的脉冲振动，就可能在一定强度的循环荷载作用下使滤饼强度降低，为清除 滤饼提供一种可能的措施。诚然，这里的围压条件与滤饼受到的围压相比有差异， 因此有必要对此问题做进一步研究。 1 8 天津大学硕士论文第三章软粘土的不排水循环特性 第三章软粘土的不排水循环特性 本章通过不固结不排水循环三轴试验，研究沿海滩涂的原状软粘土的u u 循 环特性。在已有研究成果的基础上，进一步阐明在不固结不排水条件下，围压对 软粘土的循环累积应变发展规律和循环强度的影响。 3 1 试验土样与试验方法 全部试验土样均为原状软粘土，取自天津塘沽滩海地区，取样深度在7 1 4 m 范围内。该土样的基本物性指标见附录中附表1 和附表2 。采用旋转切削方法由原 状土样制备静三轴、循环三轴试验土样。土样尺寸为直径3 9 1 c m ，高8 0 e r a 。 参考 0 9 5 ，本次试验取得的原状土样确实为饱和软粘土。 ( 2 ) 在应力控制条件下，采用分级加荷方式测定土样轴向应力应变曲线。在一 级应力作用下，将相对稳定后的轴向变形作为本级应力作用下的变形。 ( 3 ) 当土样轴向应变超过1 5 时，停止加载。 ( 4 ) 按照试验得到的土样轴向静应力应变曲线，依据轴向应变达到1 5 的标准 确定试验土样的不固结不排水静压缩强度( u u 强度) 仃，进而再确定相应的静 剪切强度。 采用h x 1 0 0 电气伺服控制振动三轴仪，在应力控制条件下进行循环三轴试 验。试验步骤如下： ( 1 ) 将试验土样安置在三轴压力室内，给土样施加围压q ，以模拟实际土层受 到的上覆压力，并测量孔压系数b 。 ( 2 ) 沿土样轴向施加静应力盯，以模拟实际工程中循环荷载作用前土体受到的 静应力。为了按照统一标准衡量施加的静应力