多功能静力触探原理及其工程应用

本书论述静力触探所涉及的相关理论和技术，进而引出多功能静力触探的相关概念。对多功能静力触探用于地层划分所涉及的土体力学参数、工程参数，以及静力触探的贯入机理、砂土液化判别、地基和单桩承载力的估算等进行详尽的介绍；对多功能多探管静力触探技术用于浅层天然气勘探所涉及的相关技术、工艺、静力触探和测井响应特点进行了探索。本书可供从事地质工程、土体工程性质分析、地基基础设计等领域的科研人员、教师、工程师参考。

第1章 多功能静力触探概述 1
1.1 静力触探技术研究的目的和意义 1
1.2 静力触探技术国内外研究现状 1
1.2.1 国外静力触探发展及研究现状 1
1.2.2 国内静力触探发展及研究现状 3
1.3 多功能静力触探相关技术的研究与发展 4
1.3.1 多功能探头技术的发展 4
1.3.2 多探管测井技术的应用 5
1.4 静力触探技术的发展趋势和方向 6
1.4.1 静力触探技术的发展趋势 6
1.4.2 我国静力触探技术的发展方向 7
参考文献 8
第2章 多功能静力触探技术 10
2.1 静力触探技术 10
2.1.1 静力触探技术原理 10
2.1.2 静力触探的地层划分 11
2.2 声波速度测井技术 13
2.2.1 声波速度测井原理 13
2.2.2 声波速度测井的地层划分 15
2.3 普通电阻率测井技术 17
2.3.1 普通电阻率测井原理 17
2.3.2 视电阻率 18
2.3.3 电阻率测井的地层划分 19
2.4 自然伽马能谱测井技术 20
2.4.1 自然伽马能谱测井基本理论 20
2.4.2 自然伽马能谱测井的地层划分 23
参考文献 24
第3章 多功能静力触探系统设计 25
3.1 多功能静力触探系统设计原则 25
3.2 多功能静力触探系统设计方案 25
3.3 多功能静力触探综合平台 26
3.3.1 钻探机构 26
3.3.2 静力触探机构 27
3.3.3 液压系统 27
3.4 多功能静力触探探管结构设计 27
3.5 多功能静力触探采集探管设计 30
3.5.1 孔隙压力静力触探探头 30
3.5.2 应变片电桥电路 31
3.5.3 声波测井探管 32
3.5.4 电阻率探管 33
3.5.5 自然伽马探管 33
3.5.6 温度采集模块 34
3.5.7 信号调理电路 35
3.6 系统通信总线 36
3.6.1 RS-485简介 36
3.6.2 RS-485总线通信方式 37
3.6.3 PC与RS-485总线连接 38
参考文献 38
第4章 多功能静力触探系统软件设计 39
4.1 虚拟仪器开发平台LabVIEW简介 39
4.2 程序设计流程 40
4.3 系统软件模块化设计思路 41
4.4 串口通信模块设计 42
4.5 数据采集和显示模块程序设计 45
4.6 数据存储和回放模块程序设计 47
4.7 系统程序测试 47
4.7.1 串口通信调试 47
4.7.2 程序模块调试 48
参考文献 50
第5章 多功能静力触探系统的标定及实验测试 51
5.1 CPTU传感器的静态标定 51
5.1.1 静态标定原理 51
5.1.2 锥尖阻力传感器和侧壁摩擦阻力传感器标定方法 53
5.1.3 孔隙水压力传感器标定方法 54
5.2 CPTU传感器静态性能 54
5.2.1 锥尖阻力传感器静态特性 54
5.2.2 侧壁摩擦阻力传感器静态特性 55
5.2.3 孔隙水压力传感器静态特性 56
5.3 伽马能谱探管的标定 57
5.3.1 相关元素的谱线 57
5.3.2 能量分辨率的测试 59
5.3.3 能量线性度的测试 59
5.3.4 峰位稳定性的测试 60
5.4 电阻率探管的标定 60
5.4.1 电极系测试单元标定的理论分析 60
5.4.2 电极系测试单元实验标定的方法 61
5.4.3 电极系测试单元标定实验结果分析 62
5.5 实验设备与实验场地选择 62
5.5.1 试验设备 62
5.5.2 场地特性和地层分布 63
5.6 多功能静力触探数据采集和分析 64
5.6.1 静力触探曲线分析 64
5.6.2 自然电位曲线分析 66
5.6.3 自然伽马曲线分析 67
5.6.4 声波时差曲线分析 68
5.7 测试结果分析与结论 69
参考文献 70
第6章 CPTU相关理论及土体分类 71
6.1 静力触探的贯入机理 71
6.2 静力触探的相关理论 72
6.2.1 承载力理论 72
6.2.2 孔穴扩张理论 73
6.2.3 应变路径法 74
6.3 孔隙压力静力触探初始超孔隙压力的分布 74
6.3.1 孔穴扩张理论计算式 74
6.3.2 用应力路径法估算初始超孔隙压力 76
6.3.3 用应变路径法估算初始超孔隙压力 76
6.3.4 水力压裂理论估算饱和土孔穴扩张产生的初始超孔隙压力 76
6.4 孔隙压力静力触探孔隙压力的消散 77
6.5 孔隙水压力静力触探的土体分类方法 78
6.5.1 CPTU数据的修正 78
6.5.2 国内CPTU分类方法 79
6.5.3 国外CPTU分类方法 81
6.5.4 几种土体分类法的特点 83
参考文献 84
第7章 静力触探贯入机理的有限元分析 85
7.1 有限元分析用于静力触探概述 85
7.2 静力触探贯入的有限元分析方法 86
7.2.1 显式非线性动态分析方法 86
7.2.2 探杆-土接触模型 87
7.2.3 自适应网格技术 88
7.2.4 土体的本构模型 89
7.3 有限元分析模型的建立 91
7.3.1 有限元模型参数设置 91
7.3.2 贯入过程的模拟方法 91
7.3.3 网格的划分 91
7.4 有限元计算的初始条件设置 92
7.4.1 锥头贯入过程网格变形 92
7.4.2 初始地应力的平衡 92
7.5 静力触探贯入有限元模拟分析 94
7.5.1 探头贯入时的土体应力状态 94
7.5.2 贯入产生的土体位移 96
7.5.3 贯入产生的土体塑性应变 98
7.6 模拟分析结论 100
参考文献 100
第8章 CPTU数据融合与地层划分 101
8.1 CPTU曲线的滑动滤波处理 101
8.1.1 滑动滤波原理 101
8.1.2 滑动滤波算法的改进 102
8.1.3 滑动滤波应用实例 103
8.2 CPTU曲线的很优分割 104
8.2.1 很优分割法的基本原理 105
8.2.2 很优分割自动分层的实例评价 106
8.3 CPTU测量数据的归一化 107
8.3.1 均方根归一化 107
8.3.2 极限值归一化 107
8.4 CPTU测量数据的融合 107
8.4.1 测量曲线的滤波因子 108
8.4.2 实对称矩阵的特征值与特征向量 108
8.5 CPTU曲线融合实例分析 109
8.5.1 实验过程概况 109
8.5.2 CPTU曲线融合 110
8.5.3 融合效果分析 112
参考文献 112
第9章 天然气水合物储层测井响应特征 113
9.1 海域天然气水合物测井响应特征 113
9.1.1 密度测井响应特征 113
9.1.2 声波测井响应特征 113
9.1.3 电阻率测井响应特征 115
9.1.4 中子孔隙度测井响应特征 115
9.1.5 伽马测井响应特征 116
9.1.6 井径测井响应特征 116
9.2 祁连山冻土区天然气水合物测井响应特征 117
9.2.1 祁连山冻土区地层概况 117
9.2.2 祁连山冻土区天然气水合物的蕴藏特点 118
9.2.3 祁连山冻土区天然气水合物科研钻孔测井数据采集 118
9.2.4 DK-1钻孔的天然气水合物测井响应特征 119
9.2.5 DK-3钻孔的天然气水合物测井响应特征 120
9.2.6 祁连山冻土区天然气水合物测井响应特征 121
9.3 天然气水合物测井响应的典型特征 121
9.4 天然气水合物储层测井评价 122
9.4.1 孔隙度评价 123
9.4.2 饱和度评价 123
参考文献 125
第10章 测井曲线的多尺度分析与检测 127
10.1 测井曲线的多尺度分析 127
10.2 小波基的选取 128
10.2.1 几种常用的小波基 128
10.2.2 小波基的选取的要求 131
10.3 基于小波变换的边缘检测 133
10.3.1 测井曲线奇异点与过零点及模极大值点的关联 133
10.3.2 测井曲线奇异点的小波变换模极大值判别 135
10.4 测井曲线的多尺度分析实例 136
10.4.1 测井曲线的小波去噪分析 137
10.4.2 测井曲线多尺度分层 138
参考文献 140
第11章 测井曲线融合的水合物储层划分 141
11.1 测井数据小波去噪预处理 141
11.1.1 基于小波分析的信号去噪原理 141
11.1.2 小波阈值去噪法对测井信号的处理 141
11.1.3 小波阈值的选取 142
11.1.4 小波阈值算法的改进 143
11.1.5 去噪效果的定量评价 143
11.1.6 测井曲线去噪实例分析 144
11.2 基于多尺度边缘检测的测井数据融合 145
11.2.1 基于小波多尺度边缘检测的融合算法 145
11.2.2 基于小波多尺度边缘检测的测井数据融合 146
11.2.3 实际测井资料应用效果与评价 148
11.3 测井数据融合的储层划分实例分析 149
11.3.1 祁连山冻土区天然气水合物钻探和测井作业 149
11.3.2 祁连山冻土区天然气水合物测井分析数据选取 150
11.3.3 测井数据融合算法的实现 151
11.3.4 融合效果分析与评价 152
参考文献 154
第12章 多功能探管用于浅层天然气勘探实验 155
12.1 多功能静力触探用于浅层气勘探 155
12.2 多功能静力触探用于浅层气勘探实验 156
12.2.1 实验场地及地层特点 156
12.2.2 多功能静力触探工艺的选择 157
12.2.3 试验过程分析 158
12.2.4 试验测试结果分析 158
12.3 测量曲线的小波分析与储层识别 159
12.3.1 qt曲线的多尺度分析 159
12.3.2 AC曲线的多尺度分析 161
参考文献 162
第13章 地基土的工程特性评价 163
13.1 黏性土的不排水抗剪强度 163
13.1.1 理论分析法 163
13.1.2 经验判断法 164
13.2 黏性土的灵敏度 166
13.3 黏性土的超固结比 168
13.3.1 不排水抗剪强度方法 168
13.3.2 静力触探数据剖面形状方法 169
13.3.3 直接依靠静力触探数据方法 169
13.4 砂土的相对密度 170
13.5 土的比贯入阻力 172
13.6 土的压缩与变形模量 173
13.6.1 黏性土 173
13.6.2 砂土 174
……