循環(huán)荷載作用下巖石力學(xué)特性試驗(yàn)研究

循環(huán)荷載作用下巖石力學(xué)特性試驗(yàn)研究

1循環(huán)荷載作用下的鹽巖變形特性20世紀(jì)40年代，加拿大首次提出在鹽井中儲(chǔ)存氣體和液體的概念，并將鹽巖作為理想的能源地下儲(chǔ)存物，在歐美和其他發(fā)達(dá)國(guó)家得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。與國(guó)外相對(duì)成熟的儲(chǔ)庫(kù)設(shè)計(jì)建造及研究技術(shù)相比,我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)工程建設(shè)尚屬起步階段,隨著亞洲第一個(gè)鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)—金壇儲(chǔ)氣庫(kù)于2007年開始注氣運(yùn)營(yíng),儲(chǔ)氣庫(kù)相關(guān)力學(xué)問(wèn)題研究逐步引起國(guó)內(nèi)學(xué)者和專家的重視。近十多年來(lái),以中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所為首的“973”項(xiàng)目課題組在鹽巖靜、動(dòng)力強(qiáng)度特性、蠕變特性、損傷、滲透特性及鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性方面取得了豐碩的研究成果。目前,多場(chǎng)耦合作用下鹽巖力學(xué)特性、本構(gòu)關(guān)系及儲(chǔ)氣庫(kù)(群)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、災(zāi)變機(jī)制等方面的問(wèn)題逐漸成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期注、采運(yùn)營(yíng)過(guò)程是一個(gè)對(duì)腔周圍巖循環(huán)加、卸壓的過(guò)程,鹽巖在反復(fù)加、卸載條件下的力學(xué)性質(zhì)與單調(diào)加載或恒定荷載下的力學(xué)性質(zhì)有著本質(zhì)的區(qū)別,其力學(xué)特性與加載歷史(加載路徑)緊密相關(guān),因此鹽巖在循環(huán)荷載作用下的變形特征及力學(xué)響應(yīng)研究對(duì)儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。許多學(xué)者開展了大量循環(huán)荷載下巖石強(qiáng)度、變形及疲勞特性的試驗(yàn)研究工作[11,12,13,14,15,16,17,18],其中大部分集中于花崗巖、大理巖、紅砂巖及灰?guī)r等相對(duì)堅(jiān)硬致密巖石的循環(huán)荷載下的力學(xué)特性[11,12,13,14,15,16,17]。此外,楊永杰等研究了含有原生損傷軟弱煤巖的強(qiáng)度、變形及疲勞損傷特性,表明煤巖比其他堅(jiān)硬巖石更容易發(fā)生疲勞破壞,且單軸循環(huán)疲勞破壞閾值(或“門檻值”)不超過(guò)其單軸抗壓強(qiáng)度的81%。然而,鹽巖是一種變形較大、強(qiáng)度較低且具有良好流變性質(zhì)的軟巖,循環(huán)荷載作用下鹽巖不僅受到偏應(yīng)力作用產(chǎn)生蠕變,而且受到周期荷載的影響,其變形及強(qiáng)度特性尚不明朗,這方面僅楊春和等進(jìn)行了初步探討。楊春和等對(duì)比研究了單軸壓縮和循環(huán)加、卸載作用下鹽巖變形特性的差異,指出卸載、再加載變形參數(shù)比單軸應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)^(guò)程試驗(yàn)參數(shù)更具有規(guī)律性。K.Fuenkajorn和D.Phueakphum通過(guò)鹽巖單軸循環(huán)加卸荷試驗(yàn)研究了周期荷載對(duì)鹽巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量及不可逆變形的影響,結(jié)果表明鹽巖抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)周次的增加不斷降低,彈性模量受循環(huán)周次影響降低有限,利用循環(huán)試驗(yàn)擬合所得參數(shù)算得的儲(chǔ)庫(kù)收斂和地表沉降要比利用恒載試驗(yàn)算得的結(jié)果要大得多。郭印同等主要進(jìn)行了鹽巖單軸循環(huán)加載試驗(yàn),探討鹽巖疲勞損傷演化規(guī)律,表明鹽巖軸向不可逆變形可分為初始變形、等速變形和加速變形3個(gè)階段,呈疏–密–疏發(fā)展過(guò)程,上限應(yīng)力和幅值對(duì)疲勞壽命起關(guān)鍵作用,通過(guò)試驗(yàn)確定的鹽巖疲勞閾值為75%。以上研究集中于高頻(1Hz)循環(huán)荷載作用下鹽巖單軸疲勞和變形特性,這與深部地壓與低頻循環(huán)內(nèi)壓的聯(lián)合作用下儲(chǔ)庫(kù)圍巖所處的三向應(yīng)力狀態(tài)是不相符的,對(duì)于有圍壓條件下的鹽巖低頻循環(huán)變形及強(qiáng)度特性尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。本文針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)周期注、采運(yùn)營(yíng)工況下腔周鹽巖實(shí)際受力狀態(tài),開展鹽巖低頻三軸循環(huán)加、卸載試驗(yàn)研究,系統(tǒng)探討循環(huán)荷載上、下限應(yīng)力、頻率及圍壓因素對(duì)鹽巖變形演化和強(qiáng)度特性的影響,并進(jìn)一步分析了循環(huán)加載對(duì)鹽巖試樣的強(qiáng)化與劣化作用的損傷力學(xué)機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果為深部鹽巖地下儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供更為合理的力學(xué)參數(shù)和分析模型,對(duì)完善鹽巖物理力學(xué)特性體系具有重要理論價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。2試驗(yàn)計(jì)劃和方案2.1含氫氧化鐵鹽巖試樣試驗(yàn)選用湖北潛江鹽礦鉆井獲取的直徑100mm巖芯,埋深1990~2080m。與金壇、云應(yīng)鹽巖相比,潛江鹽巖純度更高,基本呈白色,部分呈灰色為含泥質(zhì)鹽巖,部分呈黃褐色為含氫氧化鐵鹽巖,而前者由于含有泥巖或有機(jī)雜質(zhì),基本呈灰黑色,典型鹽巖試樣如圖1所示。主要成分為:NaCl(>85%),Na2SO4(約0.72%),CaSO4(1.2%),其他不溶物含量(7%~10%)。由于鹽巖具有遇水溶解的特點(diǎn),為了避免試樣在加工過(guò)程中水對(duì)鹽巖結(jié)構(gòu)的破壞,采用干式鋸磨法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試樣的切割,再使用機(jī)床對(duì)鹽巖環(huán)面和斷面精細(xì)加工成符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形試樣,高L×直徑D=100mm×50mm(L/D=2∶1),上、下兩端面平行度控制在±0.03mm以內(nèi)。2.2試驗(yàn)方案及推進(jìn)試驗(yàn)采用TAW–2000型微機(jī)伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)(見圖2)進(jìn)行鹽巖三軸循環(huán)加載,采取載荷控制,加載第一階段,等速率(0.05MPa/s)施加圍壓到設(shè)定值;第二階段,保持圍壓恒定,等速率(1kN/s)施加軸壓到循環(huán)荷載的均值水平;最后階段,保持圍壓恒定,以循環(huán)荷載均值為起點(diǎn),反復(fù)施加周期荷載,直至試樣破壞或超過(guò)3h后直接壓縮破壞。軸向加載波形為正弦波(見圖3),其特征參數(shù)意義如下:σmax為循環(huán)荷載上限應(yīng)力;σmin為循環(huán)荷載下限應(yīng)力;σa=(σmax-σmin)/2為應(yīng)力振幅;σm=(σmax+σmin)/2為平均應(yīng)力;T為周期。具體通過(guò)變化波形參數(shù)(上、下限應(yīng)力、加載頻率)及圍壓來(lái)研究各因素對(duì)三向應(yīng)力狀態(tài)下鹽巖循環(huán)力學(xué)特征響應(yīng)的影響。依據(jù)工程實(shí)際中鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)注、采運(yùn)營(yíng)內(nèi)壓范圍(地層壓力的20%~95%)、頻率f及初始地應(yīng)力水平具體確定試驗(yàn)實(shí)施方案列于表1中。表中,上限應(yīng)力比R上=(σmax-σ3)/(σs-σ3),下限應(yīng)力比R下=(σmin-σ3)/(σs-σ3),應(yīng)力比k=(σmax-σ3)/(σmin-σ3),其中σ3為圍壓,σs為鹽巖三軸抗壓強(qiáng)度。3循環(huán)荷載下鹽巖變形發(fā)展規(guī)律3.1圍壓對(duì)鹽巖強(qiáng)度的影響首先通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)獲取不同圍壓下鹽巖應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線(見圖4),得到鹽巖三軸抗壓強(qiáng)度為循環(huán)荷載試驗(yàn)上、下限應(yīng)力的取值提供依據(jù)。從圖4可以看出,鹽巖峰值強(qiáng)度隨著圍壓的升高而升高,其延性也顯著增強(qiáng)。圍壓較低時(shí),鹽巖壓縮破壞具有一定脆性和應(yīng)變軟化特性;圍壓繼續(xù)增加(大于7MPa),則表現(xiàn)出典型的應(yīng)變硬化特性,三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表2。3.2滯回環(huán)滯受力圖5為三軸循環(huán)加載軸向偏應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系曲線,從圖中可以看出,循環(huán)加載段與卸載段呈近似斜直線,且斜率幾乎相同,卸載曲線不與加載曲線相重合,形成一定寬度的條帶狀滯回環(huán)。滯回環(huán)隨加載次數(shù)增加逐漸密集,每周次不可逆變形增量逐漸減小;數(shù)十循環(huán)周次后,滯回環(huán)幾乎重疊達(dá)到肉眼無(wú)法分辨的程度,滯回環(huán)的發(fā)展是一個(gè)由疏到密的過(guò)程。3.3低頻循環(huán)荷載作用下的不可逆變形取每周次峰谷荷載對(duì)應(yīng)應(yīng)變,繪出軸向應(yīng)變–時(shí)間關(guān)系曲線(見圖6),該曲線清楚地顯示了循環(huán)荷載作用下鹽巖試樣初始階段和穩(wěn)定階段2個(gè)階段變形發(fā)展規(guī)律。由于應(yīng)變計(jì)量程及試驗(yàn)時(shí)間限制,本次鹽巖三軸循環(huán)試驗(yàn)未獲得加速階段的變形曲線。一般硬脆性巖石三軸循環(huán)試驗(yàn)中不可逆變形與恒載作用下典型巖石蠕變曲線相似,大致可劃分為3個(gè)階段:初始階段、穩(wěn)定階段和加速階段,對(duì)應(yīng)滯回環(huán)的演化經(jīng)歷疏–密–疏的發(fā)展階段。不同于一般硬脆性巖石高頻疲勞試驗(yàn)中的變形幾乎為塑性變形,由于鹽巖具有良好流變特性,在偏應(yīng)力作用下,隨著時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)在循環(huán)加、卸載過(guò)程中不斷累積蠕變變形。對(duì)于鹽巖這類特殊的軟巖而言,低頻循環(huán)荷載作用下其不可逆變形由黏性流動(dòng)和塑性流動(dòng)兩部分組成。進(jìn)一步可以推知,單、三軸疲勞破壞受相應(yīng)單、三軸靜態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線控制,即疲勞破壞終點(diǎn)的應(yīng)變與上限應(yīng)力在靜態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線峰后區(qū)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變相當(dāng)這一較為普遍的結(jié)論,并不適用于鹽巖低頻循環(huán)變形情形,即使在高頻荷載情況下也存在較大誤差。郭印同等曾測(cè)得鹽巖單軸疲勞(1Hz)破壞點(diǎn)應(yīng)變相對(duì)靜態(tài)單軸峰后應(yīng)變誤差已達(dá)到10%,為紅砂巖、大理巖以及花崗巖的10~100倍。4影響變形因素分析4.1穩(wěn)定變形速率圖7為不同應(yīng)力水平下鹽巖試樣軸向應(yīng)變–時(shí)間關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明,提高上限應(yīng)力或降低下限應(yīng)力均會(huì)提高初始階段和穩(wěn)定階段變形發(fā)展速率,并減小穩(wěn)定階段在整個(gè)累積應(yīng)變中的比例,從而加速破壞的發(fā)生。當(dāng)R下=20%,R上=95%和80%時(shí),對(duì)應(yīng)的軸向穩(wěn)定變形速率分別為0.255和0.070h-1(見圖7(a));當(dāng)R上=80%,R下=44.3%和20%的應(yīng)變速率分別為0.105和0.080h-1(見圖7(b))。試驗(yàn)顯示,提高上限應(yīng)力或降低下限應(yīng)力均使得應(yīng)力幅值uf073a增大,穩(wěn)定階段滯回環(huán)面積也隨之增大,表明消耗的能量加大,試樣的損傷增量加大,從而加速試樣破壞。比較得出上限應(yīng)力提高18.8%,應(yīng)變速率提高達(dá)4.8倍,而下限應(yīng)力降低54.8%,鹽巖穩(wěn)定變形速率提高31%。由此可見,上限應(yīng)力對(duì)循環(huán)荷載作用下鹽巖變形演化速率、試樣損傷的發(fā)展的影響要顯著大于下限應(yīng)力。4.2低速率變形試驗(yàn)圖8給出了不同頻率下鹽巖試樣軸向應(yīng)變–時(shí)間曲線。結(jié)果表明,在0.025~0.100Hz內(nèi),加載頻率越高,滯回環(huán)的面積越小,鹽巖吸收的能量比例減小,從而試樣劣化速度隨之降低。這一結(jié)論與劉杰等通過(guò)不同頻率砂巖單軸循環(huán)試驗(yàn)下巖體能量特征分析得出的結(jié)論一致,即在低頻循環(huán)荷載作用下,試樣趨于密實(shí),不可逆變形速率降低,損傷劣化也隨之減慢。從圖8可以得到,保持其他條件不變,對(duì)于f=0.025,0.050和0.100Hz情形,鹽巖穩(wěn)態(tài)變形速率分別為0.813,0.095和0.074h-1。因此,通過(guò)軸向應(yīng)變–時(shí)間關(guān)系曲線,可定量分析加、卸載頻率對(duì)鹽巖變形和強(qiáng)度特征的影響,進(jìn)一步可推廣分析特定循環(huán)注、采速率下儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔圍巖力學(xué)響應(yīng)。4.3圍壓對(duì)鹽巖變形的影響圖9為不同圍壓下鹽巖試樣軸向應(yīng)變–時(shí)間關(guān)系曲線。圍壓對(duì)循環(huán)加載條件下鹽巖變形影響與恒定荷載作用下的影響類似,即隨著圍壓的升高,鹽巖穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率非線性降低。特別地,當(dāng)圍壓為7MPa時(shí),鹽巖穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率為0.135h-1;當(dāng)圍壓為14MPa時(shí),鹽巖穩(wěn)態(tài)蠕變率為0.05h-1。5循環(huán)分析中的低鹽化和強(qiáng)化作用5.1軸應(yīng)力狀態(tài)下彈性模量弱化規(guī)律由循環(huán)應(yīng)力–應(yīng)變曲線,取每周次循環(huán)卸載曲線段計(jì)算彈性模量,彈性模量隨循環(huán)次數(shù)及時(shí)間關(guān)系曲線如圖10所示,從圖中可以看出,循環(huán)加、卸載作用下,鹽巖彈性模量隨循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)遞減趨勢(shì),在50~100個(gè)循環(huán)后其值接近常數(shù)。這一彈性模量弱化規(guī)律具有較大的普遍性和相似性,且不受加載上、下限應(yīng)力、加載頻率以及圍壓的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,三軸應(yīng)力狀態(tài)下循環(huán)加、卸載作用使得鹽巖晶格劣化、裂隙萌生及彈性模量折減,但折減程度有限。具體地,當(dāng)R上=80%,R下=20%,f=0.05Hz時(shí),對(duì)于不同圍壓下鹽巖試樣XH–2,XH–4和XH–10彈性模量最終分別折減10.3%,9.1%和6.3%。這與K.Fuenkajorn和D.Phueakphum對(duì)MahaSarakham鹽巖進(jìn)行單軸循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果一致。5.2循環(huán)荷載作用閾值效應(yīng)由于試驗(yàn)時(shí)間和儀器量程限制,循環(huán)加、卸載難以做到試樣破壞,最終采用循環(huán)加、卸載3h后直接壓縮破壞的方案,因而試驗(yàn)沒(méi)能夠直接獲得循環(huán)荷載上限應(yīng)力的閾值。圖11為不同因素對(duì)鹽巖強(qiáng)度提高的影響。表2同時(shí)給出了鹽巖試樣循環(huán)加載后二次壓縮試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)循環(huán)加載后二次壓縮鹽巖應(yīng)力–應(yīng)變曲線大多顯現(xiàn)出比一次壓縮更顯著的應(yīng)變硬化特征,鹽巖壓縮強(qiáng)度大幅提高,并受施加循環(huán)荷載上、下限應(yīng)力、頻率、圍壓以及循環(huán)次數(shù)等因素影響。上限應(yīng)力對(duì)循環(huán)荷載作用下鹽巖變形破壞影響集中反映在閾值(門檻值)效應(yīng)上。從圖11(a)可以看出,當(dāng)R上=80%,f=0.05Hz,σ3=14MPa時(shí),鹽巖循環(huán)加載后二次壓縮強(qiáng)度相比靜態(tài)壓縮提高達(dá)171.1%;而當(dāng)R上=95%,f=0.05Hz,σ3=14MPa時(shí),鹽巖循環(huán)加載后二次壓縮強(qiáng)度則降低了3%,間接表明上限閾值效應(yīng)的存在,由此初步推斷上線應(yīng)力閾值為80%~95%。圖11(b)顯示,當(dāng)R上=80%,f=0.05Hz,σ3=7MPa時(shí),對(duì)于R下=44.3%和R下=20%的情形,鹽巖強(qiáng)度分別提高130.1%和74%,而總應(yīng)變?chǔ)趴傁啾扔陟o態(tài)壓縮分別提高了260%和187.4%。圖11(c)揭示了加載頻率對(duì)鹽巖循環(huán)加載強(qiáng)化作用的影響,表明隨循環(huán)荷載頻率升高,鹽巖強(qiáng)度提高幅值也增大。結(jié)合圖11(d)和表2,同樣可以發(fā)現(xiàn),保持其他加載參數(shù)不變,圍壓越大,鹽巖強(qiáng)度提高幅值也有增大的趨勢(shì)。值得注意的是,圖11(d)中盡管試樣XH–8所施加的圍壓達(dá)到了21MPa,但由于R上達(dá)到89.2%,鹽巖循環(huán)加載后二次壓縮強(qiáng)度較靜態(tài)壓縮強(qiáng)度降低了2.2%。對(duì)比圖11(a)中試樣XH–1表明,當(dāng)上限應(yīng)力超過(guò)閾值時(shí),上限應(yīng)力值越大,循環(huán)加載對(duì)試樣產(chǎn)生的損傷劣化也就越大?；诓煌舷迲?yīng)力水平鹽巖強(qiáng)度的強(qiáng)化和弱化的試驗(yàn)結(jié)果可進(jìn)一步推斷,鹽巖三軸循環(huán)加載上限應(yīng)力的閾值為80%~89%。從材料損傷角度分析巖石循環(huán)荷載作用閾值效應(yīng),可以合理解釋試驗(yàn)中出現(xiàn)的鹽巖循環(huán)加載后強(qiáng)度強(qiáng)化和弱化現(xiàn)象。如果循壞荷載峰值未超過(guò)臨界應(yīng)力,則循環(huán)會(huì)一直進(jìn)行下去,試樣不會(huì)破壞,這樣可以認(rèn)為低應(yīng)力水平反復(fù)加、卸載不僅不會(huì)使試樣損傷,反而在反復(fù)加卸載作用下,內(nèi)部晶格內(nèi)微裂隙逐漸閉合(壓密),晶粒間的相互交錯(cuò)擠緊,從而使得鹽巖更加致密硬實(shí),強(qiáng)度大幅提高;如果循環(huán)荷載峰值超過(guò)臨界應(yīng)力,則在一定循環(huán)周次后導(dǎo)致試樣破壞,也即較高應(yīng)力水平的反復(fù)加、卸載作用,會(huì)造成鹽巖體內(nèi)微裂隙的萌發(fā)并不斷發(fā)展直至形成宏觀破壞面,反復(fù)加、卸載的過(guò)程就是鹽巖不斷損傷劣化的過(guò)程。試驗(yàn)中雖然在循環(huán)加、卸載階段,鹽巖試樣XH–1和XH–8沒(méi)有破壞,但內(nèi)部損傷已累積到一定程度,最終反映在二次壓縮強(qiáng)度的降低上。基于以上分析,從試驗(yàn)結(jié)果可間接推斷鹽巖三軸循環(huán)變形破壞