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盐岩是一种极其特殊的岩石,具有优良的物理力学性质。利用盐岩特殊的物理及化学性质建成的地下油气储备库具有密封性好、存储量大、能躲避战乱和灾害等优点,因而被公认为是石油天然气等战略能源最佳的储存场所。然而,盐穴地下油气储库在长期运行过程中不可避免地会出现地表沉降问题,有时甚至会产生地质灾害,对储库的安全运营、周边的建筑物及自然环境产生不利影响。因此,有必要建立起合理有效的地表沉降预测体系,避免灾害事故的发生。 盐穴地下储库在长期运行过程中的地表沉降预测,是储库安全评价的重要内容。现阶段,含球形孔洞半无限空间的地表沉降预测广泛采用唯象学的方法,如基于随机介质的概率积分法、典型曲线法等。Mogi模型作为最新的理论方法仍是一种近似方法,目前尚无成熟的基于力学理论的方法。本文基于弹性力学叠加原理,提出了一种盐穴地下储库地表沉降的粘弹性模型,并采用数值模拟和现场数据进行验证。采用相同的原理,提出了一种水平隧道地表沉降的粘弹性模型,从而为盐穴地下储库和隧道地表沉降预测提供了一套基于力学理论的新方法。 本文的主要研究成果如下: 1.分析了各影响因素对盐穴地下储库地表沉降的影响,特别是时滞效应对地表沉降发展的影响。 2.依据弹性力学理论,将盐穴地下储库的地表沉降问题近似为半无限空间内球形孔洞受力收缩产生的边界位移问题。利用弹性无限域内球形孔洞受力收缩的球对称位移解,运用叠加原理,推导得到半无限空间内球形孔洞在一定内压作用下引起的地表沉降的弹性积分形式解析解。 3.以已推导得到的地表沉降弹性积分形式解析解为基础,运用对应原理,将体积变形视为弹性,畸变视为Maxwell粘弹性,对其进行拉普拉斯变换,得到时空域上的地表沉降粘弹性积分形式解析解。 4.运用ANSYS和FLAC3D数值模拟软件,分析地表沉降弹性模型与数值模拟结果发现,在整个沉降范围内两者拟合较好,从而验证了本文地表沉降弹性模型的准确性与可行性。 5.将地表沉降粘弹性模型运用于某盐穴地下储库地表沉降的预测分析中,并与该地下储库现场地表沉降观测数据进行对比分析,结果表明地表沉降粘弹性模型能够很好地预测盐穴地下储库地表沉降及发展趋势。 6.采用与盐穴地下储库地表沉降预测相同的原理,由三维退化至二维,提出了一种水平隧道地表沉降的粘弹性模型,得到了隧道地表沉降的弹性积分形式解析解和粘弹性积分形式解析解,打破了传统的经验化的预测方法,为隧道地表沉降预测提供了一套基于力学理论的新方法。 7.采用Maple数学计算软件,对盐穴地下储库和隧道的地表沉降弹性积分形式解析解进行计算。根据计算结果得到了两者的地表沉降曲线及其拐点位置。