应变加载速率对盐岩力学性质的影响

应变加载速率对盐岩力学性质的影响

1应变加载速率岩井是国际上公认的油气储存和辐射废物处理的理想场所。国内“西气东输”相关盐井储气库工程的开工建设，标志着中国盐岩的使用达到了一个台阶。我国盐岩不同于欧美国家盐丘型盐岩,具有埋深浅、盐岩厚度小、不容夹层多等特点,因此需对盐岩的力学性质进行更多的试验和理论研究。在岩石力学中,岩石材料在不同加载速率下的力学性质一直都是一个重要的研究方向。国外关于应变加载速率的研究已有一些成果,Z.T.Bieniawshi和S.S.Peng等分别对细砂岩和凝灰岩等进行了不同应变速率下的加载测试;S.H.Cho等对花岗岩和凝灰岩进行了不同加载应变率的测试,结果表明2类岩石试件的动抗拉强度随着应变率急剧增加;K.P.Chong等利用Instron电液伺服刚性试验机对油页岩进行了应变加载速率从10-4~10-1s-1的室内试验;W.A.Olsson通过对凝灰岩进行的变应变加载速率测试发现:当应变速率<76s-1,岩石试样的强度随着应变速率的变化不大;Y.Mahmutoglu对Mugla大理石进行了不同应变率条件下的压缩试验,研究发现随着应变率的降低,压缩强度明显降低,且饱和浸润条件下的强度降低幅度要大于干燥条件下;李永盛对红砂岩进行了9种不同应变加载速率下的单轴压缩室内测试,得出了应变速率变化剧烈情况下岩石的修正强度和变形量的经验估算公式;陈升强的研究表明:岩石峰值强度及其弹性模量均随应变速率的增加而增大,并且应变速率较高时岩石的峰值后卸荷刚度也明显变小;尹小涛等从细观力学特性出发,模拟了不同应变率下砂岩的破坏,得出了加载速率的增加破坏优势剪切带的发展,使得剪切带等速发展,使材料的力学特性表现出极大的伪增强,材料更破碎,能量损伤增大。以上这些研究都是关于硬脆岩石的,而对软岩方面的研究成果比较少。国内可见的有李海波等对软岩进行了应变速率范围为10-5~10-1s-1的动单轴压缩试验,结果表明试样的抗压强度随应变速率的增加有较为明显的增加趋势,增加幅度一般大于硬岩;廖红建等对硅藻质软岩的研究表明轴向应变随着时间的对数坐标几乎呈线性增长趋势;梁卫国等对盐岩进行不同应变率的单轴压缩试验,分析了试验中得到的弹性模量、泊松比、应变、变形模量等参数,得出了NaCl岩盐和无水钙芒硝盐岩对应变率的不同反应。国内关于应变加载速率对盐岩性质影响的专项研究很少,仅见梁卫国等做过单轴压缩下不同应变率的研究,盐岩三轴条件下应变加载速率对其性质的研究还未见报道。由于盐岩对围压的敏感性,其三轴压缩与单轴压缩性质有明显的不同。无夹层或微夹层的盐岩三轴压缩性质也不同于一般岩石类材料。由于应变硬化现象明显,随着应变的增大,盐岩三轴强度会持续增加,无峰值应力的出现。本文对取自应城的盐岩进行了不同围压下变应变率的三轴试验,研究了加载速率对强度、应变、弹性模量和破裂方式的影响规律,分析了围压对加载速率变化效果的影响,对工程的应用有较大的指导意义。2测试方法2.1试验方案与试样试验用盐岩试样取自湖北应城,深度为800~1000m,选取较纯的盐岩,NaCl平均品位80%以上,次要成分为钙芒硝和石膏。本次试验成功进行了20个样品试验,应变加载速率的范围为7.5×10-6~1.7×10-4s-1,从中选取4组不同围压,每组围压下3种不同的应变加载速率共12个试样来分析,详细的试验方案如表1所示。试验设备为重庆大学的MTS815岩石力学试验系统。周维恒对动、静加载的定义为:当加载速率(应变率)在10-4~10-6s-1的范围内时,均认为属于静态加载,当加载速率高于10-4时,则认为是动态加载。因此本文所做研究属于静力学范围,不讨论动力学的参数。2.2围压下的应力–应变变化规律据R.E.Goodman在1989年进行的岩石脆性–延性过渡线研究,其中盐岩的脆性–延性过渡围压为0MPa,即从理论上讲,只要有围压的存在,盐岩就会发生应变硬化。在笔者做过的围压大于3MPa的所有试验中,盐岩在正常三轴压缩试验过程中都得不到峰值,即没有明显的破坏出现,除非盐岩中含有明显的泥质夹层,泥质夹层的破坏会导致盐岩试样应变曲线出现峰值拐点。在弹性阶段过后试样便进入了长时间的应变硬化阶段,应力和应变会随着试验的进行一直增大下去。本次试验过程中以径向应变计的最大值为终止点,图1为几种围压下对应的应力–应变曲线。由于盐岩的三轴试验都得不到峰值强度,考虑到实际工程中对位移量的要求,因此取某一应变值对应的强度来作为三轴强度,本文中强度的对比也是采用此种方法。3试验结果的分析3.1加载速率对盐岩力学性质的影响通过观察试验曲线可以得知,不同的加载速率对盐岩三轴试验下抗压强度的影响分为明显不同的3个阶段:第一阶段为弹性变形区域,加载速率对强度的影响并不明显;第二阶段为强度差异的形成阶段,当盐岩开始进入塑性阶段,盐岩的强度随着加载速率的增大而明显增大;第三阶段为强度差异保持期,当盐岩进入稳定的塑性期以后,此时加载速率对盐岩强度的影响也已经结束,不同加载速率之间保持相对稳定的强度差值并基本不再随试验的进行而变化。加载速率对盐岩强度的影响参见表2,在相同的应变量下,高加载应变率对应的强度比低应变率的强度最大可以提高31%,最低也可以提高10%。盐岩的这种特性既不同于软岩的弹性模量随着应变率的变大而有较明显的增加,也不同于梁卫国等研究中盐岩单轴强度不随加载应变率变化而变化的性质。李永盛曾提出:岩石类材料力学性能受应变速率的影响主要表现在试件达到峰值强度前后的开裂阶段和破坏阶段。笔者认为盐岩在符合这条规律的同时又表现出了自己的特点:在所测试的应变率范围内,弹性阶段内加载速率对盐岩的影响并不明显;盐岩的微观开裂和破坏并不是在达到峰值强度前后出现,而是在弹性阶段过后就开始出现。盐岩作为一种软岩在整个应变过程中,塑性阶段要远远大于弹性阶段,所以加载速率对盐岩的影响阶段较长,影响作用更明显。抗压强度并不是材料的本质特征,它依赖于试样的几何条件和试验所用到的加载状况,塑性阶段的抗压强度还与围压的关系密切。针对盐岩的特性,加载速率造成的强度差异与裂纹的形成有密切关系。在进入塑性阶段以后,盐岩内部便有裂纹出现,应变率开始对盐岩的性质产生影响。低应变率下,盐岩晶粒的自身变形可充分进行,因此裂纹扩展可与载荷增加协调发展;但是在高应变率下,材料内部裂纹扩展滞后于载荷的增加,吸收的能量蓄积在材料内部,表现出来就是抗压强度随着加载速率的提高而增加。而盐岩比较特殊的第三阶段出现的原因是由于盐岩应变硬化造成塑性阶段的延长。随着试验的继续进行,盐岩内部的裂纹出现以后,载荷的增加速率就会有明显的降低,如图2所示。裂纹的扩展速率已经接近载荷的增加并且部分裂纹也开始进入了滑移阶段,此时盐岩的抗压强度受应变率的影响,差值就会稳定在第二阶段的后期水平上。3.2时间对盐岩应变的影响由节3.1所述,加载速率并不影响盐岩的弹性模量和弹性阶段的强度,因此在弹性阶段无论轴向应变还是径向应变受加载速率的影响都不明显。进入塑性阶段以后,轴向应变随着加载速率的减小有明显增大的趋势,径向应变增大的规律性虽不及轴向应变明显,但是其趋势也是随着加载速率的减小而增大。轴向应变随应变加载速率减小而增大的现象可以从以下2个方面来分析:第一个原因是加载速率低,到达某一强度所需的时间便会增长,盐岩内部晶粒的滑移、调整便有充足的时间进行,这会直接导致应变的增大。另一个原因是与时间有关的变形。试验中所测得的轴向应变由两部分构成:一部分是偏应力增加造成的弹性和塑性变形,另一部分是与时间有关的变形。盐岩作为一种典型的软岩,其强流变性能已经得到共同的认可,流变性能最明显的体现是在荷载作用下变形随着时间的增长而变大。由图2可知,在恒定不变的加载速率下,试验后期的应力增长已经比初始阶段减小很多,即应力相对稳定而应变在不断变大。这时应变与时间的相关性已经高于应变与偏应力的相关性,既试验时间的增长引起的应变会更加大。当加载速率较小时,达到一定强度所需要的时间就会增长,在较长的时间过程中蠕变会引起明显的应变,这是低加载速率造成应变变大的一个原因。径向应变与应变加载速率的关系在此组试验中并没有体现出明显的规律性,出现这种情况的原因是中国盐岩的层状特性,含盐率沿轴线方向的变化较为明显。试样中含盐率低的夹层在三轴压缩过程中径向应变变化较小,不同变形特性的夹层交互出现时,盐岩试样的径向变形的规律性便受其影响。因此在一组试验中,可能会出现个别试样的径向应变与加载速率的关系不明显的情况。3.3试验结果分析一般岩石类材料三轴压缩试验的破坏形式为破坏面沿与轴线呈45°-φ/2的角度开展的剪切破坏,此种破坏是在应力–应变曲线经过峰值后的下降阶段的1/2时才开始出现。盐岩三轴试验得不到峰值,不存在曲线的下降阶段,也就没有明显的剪切破裂面存在,而是在侧向膨胀破坏明显的区域中出现沿晶粒界面的裂纹。图3为不同应变加载速率下试验后试样裂纹对比,对比不同应变加载速率下的试样破坏区域发现:高加载速率下的试样出现的裂纹数量少、长度大,外观较明显;低加载速率下试样裂纹密集单根长度小,外观不明显。对此现象的解释需从细观角度分析盐岩受力变形的过程出发。在外载荷作用下,盐岩晶体本身会发生变形,晶格界面或颗粒间联结会滑动且晶粒本身会旋转、移动,盐岩通过这种方式来调整不平衡力。当应变加载速率较高时,盐岩晶粒没有充足的时间来完成这种自我调整,从而表现出类似硬岩的特性,且加载速率越大,其应力–应变曲线就越接近硬岩的试验曲线。这时晶体颗粒自身内部的位错等细观变形不充分,岩体内部的运动以晶块或者黏结紧密的晶团之间的相互错动为主,盐岩的破坏从较脆弱的裂纹开始,短时间内裂纹迅速开展,最终会形成单根明显、长度较长、分布稀疏的裂纹。当加载速率较低的时候,盐岩内部晶体颗粒可较为充分发生位错等适应性变形,应力加载过程中的不平衡力分布均衡,无较大突变。这种情况下,盐岩晶粒本身的变形会比较明显,相对的盐岩内颗粒间的裂隙的发展就比较少一些。此时就会产生单根短小、外观不明显的裂纹。3.4加载速率对盐岩内部损伤的影响加载速率对盐岩的破坏形式有较大的影响,但是破坏体现在微观领域里,在宏观上盐岩三轴试验后岩样并未呈现硬岩般的破碎状态,仍然为完整的岩块形状,只是岩样布满裂纹(见图3)。对进行三轴试验后的1#~6#试样又进行了单轴压缩试验,测试其试验后强度和弹性模量的变化,可从侧面反映岩石内部的损伤情况。选取三轴试验时同种围压不同加载速率下的试样进行对比,可得到加载速率对岩石内部损伤的影响。由表3所示的试验结果可知,三轴试验时的应变加载率越高,试验后试样的弹性模量越低。对同种结构的试样,弹性模量越高说明试样内部所受的损伤越小,组织结构越致密,即表明加载速率越高对盐岩内部的损伤越严重。结合前述加载速率对破坏形式的影响可知,低加载速率对试样内部造成颗粒内的位错等细微观变形,产生密集短小的裂纹,说明岩样进行了良好的自我调整,颗粒间裂隙发展相对不充分,弹性模量较大就是试样损伤较小,内部结构密实的体现。高应变率情形下,盐岩的损伤偏向集中于晶体颗粒间裂隙发展,不易恢复,表现出来就是试验后岩样的弹性模量较小,这是导致弹性模量随应变加载速率变化的主要原因。本次单轴试验所得的峰值强度呈现一定的离散性,如要对此部分进行分析,应进一步进行大量的试验,在此暂不对强度进行讨论。3.5围压对岩石性能的影响本次研究共进行了4组不同围压下变加载速率的试验,对比不同围压下加载速率对试验结果的影响发现:高围压下强度随加载速率提高而增大的趋势要更加明显,见表2。由梁卫国等做过的应变率对盐岩力学特性影响的研究中可知,单轴压缩情况下盐岩的强度基本不受加载应变率的影响,由此再结合本文的研究,可知围压对于应变加载速率变化所产生的效果具有重要影响。围压对三轴测试中岩石性能的影响主要体现在它对试样内部摩擦的影响上。当岩石类材料进入塑性以后,晶粒界面之间的滑移为主要的微观运动方式,产生滑移就会有摩擦力的出现。摩擦力此时已经成为承载力的重要组成部分。摩擦力的大小主要受摩擦因数和正应力2个因素的影响,同种材料的摩擦因数不会变化,围压的增大会使正应力明显增大,从而直接提高了摩擦力,表现出来就是承载力的提高。由前述研究可知,高加载速率引起的破坏主要是裂纹间的滑移,低加载应变率下主要是岩石晶粒自身的变形。低应变加载速率下裂纹的滑移较少,围压的正应力效果就不如高应变率下明显。单轴试验条件下正应力仅由试样的整体结合提供,与围压存在的情况相比,此时正应力很微小,所以加载速率对岩石性质无明显影响。综合上述研究得出,对于盐岩类材料,围压的存在与否是加载速率起作用的重要先决因素,当围压不存在时,盐岩强度、变形、破坏方式都基本不受加载速率的影响;当有围压存在时,加载速率对盐岩性质的影响受围压大小的影响比较明显。因此本文的所有成果仅适用于有围压存在的情况。对于其他材料,还不能确定围压是否是加载速率起作用的重要先决因素,需要进行针对性的研究。4围压对盐岩性质的影响室内试验一般是通过位移控制来进行力学试验,这是为了保证试验的可控性,但在实际工程中控制载荷的变化往往是最为常见的情况。载荷变化的快慢与应变速率的高低直接相关,盐岩地下储库的运营过程是内压高低循环的过程,当内压从高至低再回到高压这一循环过程所用的时间不同时,盐岩的应变速率也会不同。相对于普通的岩土工程,其荷载变化速率的范围要大得多:用做工业废渣回填的盐岩溶腔,在其寿命内就只有几次循环;用做原油储备的盐岩溶腔,几年一次循环;用做天然气调峰的储气库,一年内会有2次循环;而用做压气蓄能电站的盐岩溶腔,1d一次循环。并且盐岩溶腔自水溶开采开始建造到腔体完工的过程中,腔壁的盐岩受荷载变化速率也会不断变化。研究应变速率的变化对盐岩性质的影响有着重要的工程意义。盐岩地下工程对盐岩溶腔的稳定性和密闭性都有很高的要求,一旦问题出现后果则很严重。由本文的试验结果可知,围压是应变速率的影响效果体现的一个重要因素,且围压越大应变速率的影响效果就会越明显。储气库都建设在地下1km的深处,开采过程中的卤水压强约为10MPa,建成后储气使用过程中,腔内气压的波动范围一般为5~18MPa,潜江地区拟建的储气库深度可以达到2km,压力会达到20MPa,这些压力值都在试验研究所测试的围压范围内,应变速率变化对盐岩性质有显著的影响。当应变速率高时,盐岩呈现强度高、变形小的特点,但密实程度比较差,会产生明显的裂隙,裂隙的发展会影响后续的渗透问题。反之当应变速率低时,盐岩强度降低,变形较大,但密实性好,有利于提高储气库的密闭性。在溶腔的建造阶段,此时对密闭性无很高的要求,而需要控制盐腔的变形,以保证能符合设计的腔体形状,这种情况下