多功能靜力觸探原理及其工程應(yīng)用

第1章 多功能靜力觸探概述 1

1.1 靜力觸探技術(shù)研究的目的和意義 1

1.2 靜力觸探技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1

1.2.1 國(guó)外靜力觸探發(fā)展及研究現(xiàn)狀 1

1.2.2 國(guó)內(nèi)靜力觸探發(fā)展及研究現(xiàn)狀 3

1.3 多功能靜力觸探相關(guān)技術(shù)的研究與發(fā)展 4

1.3.1 多功能探頭技術(shù)的發(fā)展 4

1.3.2 多探管測(cè)井技術(shù)的應(yīng)用 5

1.4 靜力觸探技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向 6

1.4.1 靜力觸探技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 6

1.4.2 我國(guó)靜力觸探技術(shù)的發(fā)展方向 7

參考文獻(xiàn) 8

第2章 多功能靜力觸探技術(shù) 10

2.1 靜力觸探技術(shù) 10

2.1.1 靜力觸探技術(shù)原理 10

2.1.2 靜力觸探的地層劃分 11

2.2 聲波速度測(cè)井技術(shù) 13

2.2.1 聲波速度測(cè)井原理 13

2.2.2 聲波速度測(cè)井的地層劃分 15

2.3 普通電阻率測(cè)井技術(shù) 17

2.3.1 普通電阻率測(cè)井原理 17

2.3.2 視電阻率 18

2.3.3 電阻率測(cè)井的地層劃分 19

2.4 自然伽馬能譜測(cè)井技術(shù) 20

2.4.1 自然伽馬能譜測(cè)井基本理論 20

2.4.2 自然伽馬能譜測(cè)井的地層劃分 23

參考文獻(xiàn) 24

第3章 多功能靜力觸探系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25

3.1 多功能靜力觸探系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 25

3.2 多功能靜力觸探系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 25

3.3 多功能靜力觸探綜合平臺(tái) 26

3.3.1 鉆探機(jī)構(gòu) 26

3.3.2 靜力觸探機(jī)構(gòu) 27

3.3.3 液壓系統(tǒng) 27

3.4 多功能靜力觸探探管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27

3.5 多功能靜力觸探采集探管設(shè)計(jì) 30

3.5.1 孔隙壓力靜力觸探探頭 30

3.5.2 應(yīng)變片電橋電路 31

3.5.3 聲波測(cè)井探管 32

3.5.4 電阻率探管 33

3.5.5 自然伽馬探管 33

3.5.6 溫度采集模塊 34

3.5.7 信號(hào)調(diào)理電路 35

3.6 系統(tǒng)通信總線 36

3.6.1 RS-485簡(jiǎn)介 36

3.6.2 RS-485總線通信方式 37

3.6.3 PC與RS-485總線連接 38

參考文獻(xiàn) 38

第4章 多功能靜力觸探系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 39

4.1 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW簡(jiǎn)介 39

4.2 程序設(shè)計(jì)流程 40

4.3 系統(tǒng)軟件模塊化設(shè)計(jì)思路 41

4.4 串口通信模塊設(shè)計(jì) 42

4.5 數(shù)據(jù)采集和顯示模塊程序設(shè)計(jì) 45

4.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放模塊程序設(shè)計(jì) 47

4.7 系統(tǒng)程序測(cè)試 47

4.7.1 串口通信調(diào)試 47

4.7.2 程序模塊調(diào)試 48

參考文獻(xiàn) 50

第5章 多功能靜力觸探系統(tǒng)的標(biāo)定及實(shí)驗(yàn)測(cè)試 51

5.1 CPTU傳感器的靜態(tài)標(biāo)定 51

5.1.1 靜態(tài)標(biāo)定原理 51

5.1.2 錐尖阻力傳感器和側(cè)壁摩擦阻力傳感器標(biāo)定方法 53

5.1.3 孔隙水壓力傳感器標(biāo)定方法 54

5.2 CPTU傳感器靜態(tài)性能 54

5.2.1 錐尖阻力傳感器靜態(tài)特性 54

5.2.2 側(cè)壁摩擦阻力傳感器靜態(tài)特性 55

5.2.3 孔隙水壓力傳感器靜態(tài)特性 56

5.3 伽馬能譜探管的標(biāo)定 57

5.3.1 相關(guān)元素的譜線 57

5.3.2 能量分辨率的測(cè)試 59

5.3.3 能量線性度的測(cè)試 59

5.3.4 峰位穩(wěn)定性的測(cè)試 60

5.4 電阻率探管的標(biāo)定 60

5.4.1 電極系測(cè)試單元標(biāo)定的理論分析 60

5.4.2 電極系測(cè)試單元實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的方法 61

5.4.3 電極系測(cè)試單元標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 62

5.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇 62

5.5.1 試驗(yàn)設(shè)備 62

5.5.2 場(chǎng)地特性和地層分布 63

5.6 多功能靜力觸探數(shù)據(jù)采集和分析 64

5.6.1 靜力觸探曲線分析 64

5.6.2 自然電位曲線分析 66

5.6.3 自然伽馬曲線分析 67

5.6.4 聲波時(shí)差曲線分析 68

5.7 測(cè)試結(jié)果分析與結(jié)論 69

參考文獻(xiàn) 70

第6章 CPTU相關(guān)理論及土體分類 71

6.1 靜力觸探的貫入機(jī)理 71

6.2 靜力觸探的相關(guān)理論 72

6.2.1 承載力理論 72

6.2.2 孔穴擴(kuò)張理論 73

6.2.3 應(yīng)變路徑法 74

6.3 孔隙壓力靜力觸探初始超孔隙壓力的分布 74

6.3.1 孔穴擴(kuò)張理論計(jì)算式 74

6.3.2 用應(yīng)力路徑法估算初始超孔隙壓力 76

6.3.3 用應(yīng)變路徑法估算初始超孔隙壓力 76

6.3.4 水力壓裂理論估算飽和土孔穴擴(kuò)張產(chǎn)生的初始超孔隙壓力 76

6.4 孔隙壓力靜力觸探孔隙壓力的消散 77

6.5 孔隙水壓力靜力觸探的土體分類方法 78

6.5.1 CPTU數(shù)據(jù)的修正 78

6.5.2 國(guó)內(nèi)CPTU分類方法 79

6.5.3 國(guó)外CPTU分類方法 81

6.5.4 幾種土體分類法的特點(diǎn) 83

參考文獻(xiàn) 84

第7章 靜力觸探貫入機(jī)理的有限元分析 85

7.1 有限元分析用于靜力觸探概述 85

7.2 靜力觸探貫入的有限元分析方法 86

7.2.1 顯式非線性動(dòng)態(tài)分析方法 86

7.2.2 探桿-土接觸模型 87

7.2.3 自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù) 88

7.2.4 土體的本構(gòu)模型 89

7.3 有限元分析模型的建立 91

7.3.1 有限元模型參數(shù)設(shè)置 91

7.3.2 貫入過(guò)程的模擬方法 91

7.3.3 網(wǎng)格的劃分 91

7.4 有限元計(jì)算的初始條件設(shè)置 92

7.4.1 錐頭貫入過(guò)程網(wǎng)格變形 92

7.4.2 初始地應(yīng)力的平衡 92

7.5 靜力觸探貫入有限元模擬分析 94

7.5.1 探頭貫入時(shí)的土體應(yīng)力狀態(tài) 94

7.5.2 貫入產(chǎn)生的土體位移 96

7.5.3 貫入產(chǎn)生的土體塑性應(yīng)變 98

7.6 模擬分析結(jié)論 100

參考文獻(xiàn) 100

第8章 CPTU數(shù)據(jù)融合與地層劃分 101

8.1 CPTU曲線的滑動(dòng)濾波處理 101

8.1.1 滑動(dòng)濾波原理 101

8.1.2 滑動(dòng)濾波算法的改進(jìn) 102

8.1.3 滑動(dòng)濾波應(yīng)用實(shí)例 103

8.2 CPTU曲線的*優(yōu)分割 104

8.2.1 *優(yōu)分割法的基本原理 105

8.2.2 *優(yōu)分割自動(dòng)分層的實(shí)例評(píng)價(jià) 106

8.3 CPTU測(cè)量數(shù)據(jù)的歸一化 107

8.3.1 均方根歸一化 107

8.3.2 極限值歸一化 107

8.4 CPTU測(cè)量數(shù)據(jù)的融合 107

8.4.1 測(cè)量曲線的濾波因子 108

8.4.2 實(shí)對(duì)稱矩陣的特征值與特征向量 108

8.5 CPTU曲線融合實(shí)例分析 109

8.5.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程概況 109

8.5.2 CPTU曲線融合 110

8.5.3 融合效果分析 112

參考文獻(xiàn) 112

第9章 天然氣水合物儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征 113

9.1 海域天然氣水合物測(cè)井響應(yīng)特征 113

9.1.1 密度測(cè)井響應(yīng)特征 113

9.1.2 聲波測(cè)井響應(yīng)特征 113

9.1.3 電阻率測(cè)井響應(yīng)特征 115

9.1.4 中子孔隙度測(cè)井響應(yīng)特征 115

9.1.5 伽馬測(cè)井響應(yīng)特征 116

9.1.6 井徑測(cè)井響應(yīng)特征 116

9.2 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物測(cè)井響應(yīng)特征 117

9.2.1 祁連山凍土區(qū)地層概況 117

9.2.2 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物的蘊(yùn)藏特點(diǎn) 118

9.2.3 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物科研鉆孔測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集 118

9.2.4 DK-1鉆孔的天然氣水合物測(cè)井響應(yīng)特征 119

9.2.5 DK-3鉆孔的天然氣水合物測(cè)井響應(yīng)特征 120

9.2.6 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物測(cè)井響應(yīng)特征 121

9.3 天然氣水合物測(cè)井響應(yīng)的典型特征 121

9.4 天然氣水合物儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià) 122

9.4.1 孔隙度評(píng)價(jià) 123

9.4.2 飽和度評(píng)價(jià) 123

參考文獻(xiàn) 125

第10章 測(cè)井曲線的多尺度分析與檢測(cè) 127

10.1 測(cè)井曲線的多尺度分析 127

10.2 小波基的選取 128

10.2.1 幾種常用的小波基 128

10.2.2 小波基的選取的要求 131

10.3 基于小波變換的邊緣檢測(cè) 133

10.3.1 測(cè)井曲線奇異點(diǎn)與過(guò)零點(diǎn)及模極大值點(diǎn)的關(guān)聯(lián) 133

10.3.2 測(cè)井曲線奇異點(diǎn)的小波變換模極大值判別 135

10.4 測(cè)井曲線的多尺度分析實(shí)例 136

10.4.1 測(cè)井曲線的小波去噪分析 137

10.4.2 測(cè)井曲線多尺度分層 138

參考文獻(xiàn) 140

第11章 測(cè)井曲線融合的水合物儲(chǔ)層劃分 141

11.1 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)小波去噪預(yù)處理 141

11.1.1 基于小波分析的信號(hào)去噪原理 141

11.1.2 小波閾值去噪法對(duì)測(cè)井信號(hào)的處理 141

11.1.3 小波閾值的選取 142

11.1.4 小波閾值算法的改進(jìn) 143

11.1.5 去噪效果的定量評(píng)價(jià) 143

11.1.6 測(cè)井曲線去噪實(shí)例分析 144

11.2 基于多尺度邊緣檢測(cè)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)融合 145

11.2.1 基于小波多尺度邊緣檢測(cè)的融合算法 145

11.2.2 基于小波多尺度邊緣檢測(cè)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)融合 146

11.2.3 實(shí)際測(cè)井資料應(yīng)用效果與評(píng)價(jià) 148

11.3 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)融合的儲(chǔ)層劃分實(shí)例分析 149

11.3.1 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物鉆探和測(cè)井作業(yè) 149

11.3.2 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物測(cè)井分析數(shù)據(jù)選取 150

11.3.3 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)融合算法的實(shí)現(xiàn) 151

11.3.4 融合效果分析與評(píng)價(jià) 152

參考文獻(xiàn) 154

第12章 多功能探管用于淺層天然氣勘探實(shí)驗(yàn) 155

12.1 多功能靜力觸探用于淺層氣勘探 155

12.2 多功能靜力觸探用于淺層氣勘探實(shí)驗(yàn) 156

12.2.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及地層特點(diǎn) 156

12.2.2 多功能靜力觸探工藝的選擇 157

12.2.3 試驗(yàn)過(guò)程分析 158

12.2.4 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析 158

12.3 測(cè)量曲線的小波分析與儲(chǔ)層識(shí)別 159

12.3.1 qt曲線的多尺度分析 159

12.3.2 AC曲線的多尺度分析 161

參考文獻(xiàn) 162

第13章 地基土的工程特性評(píng)價(jià) 163

13.1 黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度 163

13.1.1 理論分析法 163

13.1.2 經(jīng)驗(yàn)判斷法 164

13.2 黏性土的靈敏度 166

13.3 黏性土的超固結(jié)比 168

13.3.1 不排水抗剪強(qiáng)度方法 168

13.3.2 靜力觸探數(shù)據(jù)剖面形狀方法 169

13.3.3 直接依靠靜力觸探數(shù)據(jù)方法 169

13.4 砂土的相對(duì)密度 170

13.5 土的比貫入阻力 172

13.6 土的壓縮與變形模量 173

13.6.1 黏性土 173

13.6.2 砂土 17 2100433B

《多功能靜力觸探原理及其工程應(yīng)用》論述靜力觸探所涉及的相關(guān)理論和技術(shù)，進(jìn)而引出多功能靜力觸探的相關(guān)概念。對(duì)多功能靜力觸探用于地層劃分所涉及的土體力學(xué)參數(shù)、工程參數(shù)，以及靜力觸探的貫入機(jī)理、砂土液化判別、地基和單樁承載力的估算等進(jìn)行詳盡的介紹；對(duì)多功能多探管靜力觸探技術(shù)用于淺層天然氣勘探所涉及的相關(guān)技術(shù)、工藝、靜力觸探和測(cè)井響應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行了探索。

《力學(xué)叢書·典藏版（10）：參變量變分原理及其在工程中的應(yīng)用》系統(tǒng)闡述了參變量變分原理，并對(duì)彈塑性摩擦接觸問(wèn)題、潤(rùn)滑問(wèn)題的基本思想及其數(shù)值求解方法進(jìn)行了全面論述，還給出了大量的應(yīng)用實(shí)例。

《力學(xué)叢書·典藏版（10）：參變量變分原理及其在工程中的應(yīng)用》讀者對(duì)象為工程力學(xué)、計(jì)算力學(xué)專業(yè)的師生，以及相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員。

靜力觸探的基本原理就是用準(zhǔn)靜力（相對(duì)動(dòng)力觸探而言，沒(méi)有或很少?zèng)_擊荷載）將一個(gè)內(nèi)部裝有傳感器的觸探頭以勻速壓入土中，由于地層中各種土的軟硬不同，探頭所受的阻力自然也不一樣，傳感器將這種大小不同的貫入阻力通過(guò)電信號(hào)輸入到記錄儀表中記錄下來(lái)，再通過(guò)貫入阻力與土的工程地質(zhì)特征之間的定性關(guān)系和統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)取得土層剖面、提供淺基承載力、選擇樁端持力層和預(yù)估單樁承載力等工程地質(zhì)勘察目的 。

該教材主要是針對(duì)全國(guó)工程碩士專業(yè)學(xué)位研究生運(yùn)籌學(xué)課程教學(xué)所編寫，主要內(nèi)容包括：緒論、線性規(guī)劃及其應(yīng)用、運(yùn)輸規(guī)劃及其應(yīng)用、整數(shù)規(guī)劃及其應(yīng)用、目標(biāo)規(guī)劃及其應(yīng)用、非線性規(guī)劃及其應(yīng)用、存儲(chǔ)論及其應(yīng)用、圖論與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及其應(yīng)用、排隊(duì)論及其應(yīng)用、對(duì)策論及其應(yīng)用和決策論及其應(yīng)用等章節(jié)．其中每一章都包括問(wèn)題的工程背景、問(wèn)題的數(shù)學(xué)原理、問(wèn)題的LINGO求解方法、應(yīng)用案例分析和應(yīng)用案例練習(xí)等內(nèi)容．書中的所有案例和練習(xí)全部是來(lái)自各工程領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，共包含50多個(gè)應(yīng)用案例和100多個(gè)應(yīng)用練習(xí)問(wèn)題．最后給出了LINGO軟件使用方法簡(jiǎn)介．

本書適合作為相關(guān)各工程領(lǐng)域的工程碩士專業(yè)學(xué)位研究生運(yùn)籌學(xué)課程教材，也適合工科各專業(yè)的大學(xué)本科生和非運(yùn)籌學(xué)專業(yè)研究生的運(yùn)籌學(xué)課程教學(xué)使用或作為參考教材，也可供從事相關(guān)研究工作的工程技術(shù)人員參考之用．