循環(huán)荷載作用下巖石力學(xué)特性試驗研究

循環(huán)荷載作用下巖石力學(xué)特性試驗研究

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存氣體和液體的概念，并將鹽巖作為理想的能源地下儲存物，在歐美和其他發(fā)達國家得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。與國外相對成熟的儲庫設(shè)計建造及研究技術(shù)相比,我國儲氣庫工程建設(shè)尚屬起步階段,隨著亞洲第一個鹽巖儲氣庫—金壇儲氣庫于2007年開始注氣運營,儲氣庫相關(guān)力學(xué)問題研究逐步引起國內(nèi)學(xué)者和專家的重視。近十多年來,以中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所為首的“973”項目課題組在鹽巖靜、動力強度特性、蠕變特性、損傷、滲透特性及鹽穴儲氣庫穩(wěn)定性方面取得了豐碩的研究成果。目前,多場耦合作用下鹽巖力學(xué)特性、本構(gòu)關(guān)系及儲氣庫(群)風(fēng)險評估、災(zāi)變機制等方面的問題逐漸成為學(xué)術(shù)界研究的熱點。鹽巖儲氣庫長期注、采運營過程是一個對腔周圍巖循環(huán)加、卸壓的過程,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)研究對儲庫穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。許多學(xué)者開展了大量循環(huán)荷載下巖石強度、變形及疲勞特性的試驗研究工作[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等相對堅硬致密巖石的循環(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度、變形及疲勞損傷特性,表明煤巖比其他堅硬巖石更容易發(fā)生疲勞破壞,且單軸循環(huán)疲勞破壞閾值(或“門檻值”)不超過其單軸抗壓強度的81%。然而,鹽巖是一種變形較大、強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,其變形及強度特性尚不明朗,這方面僅楊春和等進行了初步探討。楊春和等對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)^程試驗參數(shù)更具有規(guī)律性。K.Fuenkajorn和D.Phueakphum通過鹽巖單軸循環(huán)加卸荷試驗研究了周期荷載對鹽巖單軸抗壓強度、彈性模量及不可逆變形的影響,結(jié)果表明鹽巖抗壓強度隨循環(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)試驗擬合所得參數(shù)算得的儲庫收斂和地表沉降要比利用恒載試驗算得的結(jié)果要大得多。郭印同等主要進行了鹽巖單軸循環(huán)加載試驗,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個階段,呈疏–密–疏發(fā)展過程,上限應(yīng)力和幅值對疲勞壽命起關(guān)鍵作用,通過試驗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)合作用下儲庫圍巖所處的三向應(yīng)力狀態(tài)是不相符的,對于有圍壓條件下的鹽巖低頻循環(huán)變形及強度特性尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。本文針對儲氣庫周期注、采運營工況下腔周鹽巖實際受力狀態(tài),開展鹽巖低頻三軸循環(huán)加、卸載試驗研究,系統(tǒng)探討循環(huán)荷載上、下限應(yīng)力、頻率及圍壓因素對鹽巖變形演化和強度特性的影響,并進一步分析了循環(huán)加載對鹽巖試樣的強化與劣化作用的損傷力學(xué)機制。試驗結(jié)果為深部鹽巖地下儲庫穩(wěn)定性評價提供更為合理的力學(xué)參數(shù)和分析模型,對完善鹽巖物理力學(xué)特性體系具有重要理論價值和工程應(yīng)用價值。2試驗計劃和方案2.1含氫氧化鐵鹽巖試樣試驗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,為了避免試樣在加工過程中水對鹽巖結(jié)構(gòu)的破壞,采用干式鋸磨法進行標(biāo)準(zhǔn)試樣的切割,再使用機床對鹽巖環(huán)面和斷面精細(xì)加工成符合國際標(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試驗方案及推進試驗采用TAW–2000型微機伺服巖石三軸試驗機(見圖2)進行鹽巖三軸循環(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,反復(fù)施加周期荷載,直至試樣破壞或超過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。具體通過變化波形參數(shù)(上、下限應(yīng)力、加載頻率)及圍壓來研究各因素對三向應(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)工程實際中鹽巖儲氣庫注、采運營內(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實施方案列于表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為鹽巖三軸抗壓強度。3循環(huán)荷載下鹽巖變形發(fā)展規(guī)律3.1圍壓對鹽巖強度的影響首先通過三軸壓縮試驗獲取不同圍壓下鹽巖應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)^程曲線(見圖4),得到鹽巖三軸抗壓強度為循環(huán)荷載試驗上、下限應(yīng)力的取值提供依據(jù)。從圖4可以看出,鹽巖峰值強度隨著圍壓的升高而升高,其延性也顯著增強。圍壓較低時,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)幾乎重疊達到肉眼無法分辨的程度,滯回環(huán)的發(fā)展是一個由疏到密的過程。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應(yīng)應(yīng)變,繪出軸向應(yīng)變–時間關(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個階段變形發(fā)展規(guī)律。由于應(yīng)變計量程及試驗時間限制,本次鹽巖三軸循環(huán)試驗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個階段:初始階段、穩(wěn)定階段和加速階段,對應(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,隨著時間的增長會在循環(huán)加、卸載過程中不斷累積蠕變變形。對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和塑性流動兩部分組成。進一步可以推知,單、三軸疲勞破壞受相應(yīng)單、三軸靜態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)^程曲線控制,即疲勞破壞終點的應(yīng)變與上限應(yīng)力在靜態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)^程曲線峰后區(qū)對應(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。郭印同等曾測得鹽巖單軸疲勞(1Hz)破壞點應(yīng)變相對靜態(tài)單軸峰后應(yīng)變誤差已達到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–時間關(guān)系曲線。試驗結(jié)果表明,提高上限應(yīng)力或降低下限應(yīng)力均會提高初始階段和穩(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,對應(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低速率變形試驗圖8給出了不同頻率下鹽巖試樣軸向應(yīng)變–時間曲線。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)論與劉杰等通過不同頻率砂巖單軸循環(huán)試驗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,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,通過軸向應(yīng)變–時間關(guān)系曲線,可定量分析加、卸載頻率對鹽巖變形和強度特征的影響,進一步可推廣分析特定循環(huán)注、采速率下儲氣庫溶腔圍巖力學(xué)響應(yīng)。4.3圍壓對鹽巖變形的影響圖9為不同圍壓下鹽巖試樣軸向應(yīng)變–時間關(guān)系曲線。圍壓對循環(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,鹽巖穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率為0.135h-1;當(dāng)圍壓為14MPa時,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)卸載曲線段計算彈性模量,彈性模量隨循環(huán)次數(shù)及時間關(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,在50~100個循環(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,對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MahaSarakham鹽巖進行單軸循環(huán)加載試驗結(jié)果一致。5.2循環(huán)荷載作用閾值效應(yīng)由于試驗時間和儀器量程限制,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,因而試驗沒能夠直接獲得循環(huán)荷載上限應(yīng)力的閾值。圖11為不同因素對鹽巖強度提高的影響。表2同時給出了鹽巖試樣循環(huán)加載后二次壓縮試驗結(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,鹽巖循環(huán)加載后二次壓縮強度相比靜態(tài)壓縮提高達171.1%;而當(dāng)R上=95%,f=0.05Hz,σ3=14MPa時,鹽巖循環(huán)加載后二次壓縮強度則降低了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,對于R下=44.3%和R下=20%的情形,鹽巖強度分別提高130.1%和74%,而總應(yīng)變ε總相比于靜態(tài)壓縮分別提高了260%和187.4%。圖11(c)揭示了加載頻率對鹽巖循環(huán)加載強化作用的影響,表明隨循環(huán)荷載頻率升高,鹽巖強度提高幅值也增大。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,鹽巖強度提高幅值也有增大的趨勢。值得注意的是,圖11(d)中盡管試樣XH–8所施加的圍壓達到了21MPa,但由于R上達到89.2%,鹽巖循環(huán)加載后二次壓縮強度較靜態(tài)壓縮強度降低了2.2%。對比圖11(a)中試樣XH–1表明,當(dāng)上限應(yīng)力超過閾值時,上限應(yīng)力值越大,循環(huán)加載對試樣產(chǎn)生的損傷劣化也就越大?；诓煌舷迲?yīng)力水平鹽巖強度的強化和弱化的試驗結(jié)果可進一步推斷,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),可以合理解釋試驗中出現(xiàn)的鹽巖循環(huán)加載后強度強化和弱化現(xiàn)象。如果循壞荷載峰值未超過臨界應(yīng)力,則循環(huán)會一直進行下去,試樣不會破壞,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),晶粒間的相互交錯擠緊,從而使得鹽巖更加致密硬實,強度大幅提高;如果循環(huán)荷載峰值超過臨界應(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、卸載的過程就是鹽巖不斷損傷劣化的過程。試驗中雖然在循環(huán)加、卸載階段,鹽巖試樣XH–1和XH–8沒有破壞,但內(nèi)部損傷已累積到一定程度,最終反映在二次壓縮強度的降低上?；谝陨戏治?從試驗結(jié)果可間接推斷鹽巖三軸循環(huán)變形破壞