循环荷载作用下岩石力学特性试验研究

循环荷载作用下岩石力学特性试验研究

1循环荷载作用下的盐岩变形特性20世纪40年代，加拿大首次提出在盐井中储存气体和液体的概念，并将盐岩作为理想的能源地下储存物，在欧美和其他发达国家得到了迅速发展和广泛应用。与国外相对成熟的储库设计建造及研究技术相比,我国储气库工程建设尚属起步阶段,随着亚洲第一个盐岩储气库—金坛储气库于2007年开始注气运营,储气库相关力学问题研究逐步引起国内学者和专家的重视。近十多年来,以中国科学院武汉岩土力学研究所为首的“973”项目课题组在盐岩静、动力强度特性、蠕变特性、损伤、渗透特性及盐穴储气库稳定性方面取得了丰硕的研究成果。目前,多场耦合作用下盐岩力学特性、本构关系及储气库(群)风险评估、灾变机制等方面的问题逐渐成为学术界研究的热点。盐岩储气库长期注、采运营过程是一个对腔周围岩循环加、卸压的过程,盐岩在反复加、卸载条件下的力学性质与单调加载或恒定荷载下的力学性质有着本质的区别,其力学特性与加载历史(加载路径)紧密相关,因此盐岩在循环荷载作用下的变形特征及力学响应研究对储库稳定性分析至关重要。许多学者开展了大量循环荷载下岩石强度、变形及疲劳特性的试验研究工作[11,12,13,14,15,16,17,18],其中大部分集中于花岗岩、大理岩、红砂岩及灰岩等相对坚硬致密岩石的循环荷载下的力学特性[11,12,13,14,15,16,17]。此外,杨永杰等研究了含有原生损伤软弱煤岩的强度、变形及疲劳损伤特性,表明煤岩比其他坚硬岩石更容易发生疲劳破坏,且单轴循环疲劳破坏阈值(或“门槛值”)不超过其单轴抗压强度的81%。然而,盐岩是一种变形较大、强度较低且具有良好流变性质的软岩,循环荷载作用下盐岩不仅受到偏应力作用产生蠕变,而且受到周期荷载的影响,其变形及强度特性尚不明朗,这方面仅杨春和等进行了初步探讨。杨春和等对比研究了单轴压缩和循环加、卸载作用下盐岩变形特性的差异,指出卸载、再加载变形参数比单轴应力–应变全过程试验参数更具有规律性。K.Fuenkajorn和D.Phueakphum通过盐岩单轴循环加卸荷试验研究了周期荷载对盐岩单轴抗压强度、弹性模量及不可逆变形的影响,结果表明盐岩抗压强度随循环周次的增加不断降低,弹性模量受循环周次影响降低有限,利用循环试验拟合所得参数算得的储库收敛和地表沉降要比利用恒载试验算得的结果要大得多。郭印同等主要进行了盐岩单轴循环加载试验,探讨盐岩疲劳损伤演化规律,表明盐岩轴向不可逆变形可分为初始变形、等速变形和加速变形3个阶段,呈疏–密–疏发展过程,上限应力和幅值对疲劳寿命起关键作用,通过试验确定的盐岩疲劳阈值为75%。以上研究集中于高频(1Hz)循环荷载作用下盐岩单轴疲劳和变形特性,这与深部地压与低频循环内压的联合作用下储库围岩所处的三向应力状态是不相符的,对于有围压条件下的盐岩低频循环变形及强度特性尚缺乏系统深入的研究。本文针对储气库周期注、采运营工况下腔周盐岩实际受力状态,开展盐岩低频三轴循环加、卸载试验研究,系统探讨循环荷载上、下限应力、频率及围压因素对盐岩变形演化和强度特性的影响,并进一步分析了循环加载对盐岩试样的强化与劣化作用的损伤力学机制。试验结果为深部盐岩地下储库稳定性评价提供更为合理的力学参数和分析模型,对完善盐岩物理力学特性体系具有重要理论价值和工程应用价值。2试验计划和方案2.1含氢氧化铁盐岩试样试验选用湖北潜江盐矿钻井获取的直径100mm岩芯,埋深1990~2080m。与金坛、云应盐岩相比,潜江盐岩纯度更高,基本呈白色,部分呈灰色为含泥质盐岩,部分呈黄褐色为含氢氧化铁盐岩,而前者由于含有泥岩或有机杂质,基本呈灰黑色,典型盐岩试样如图1所示。主要成分为:NaCl(>85%),Na2SO4(约0.72%),CaSO4(1.2%),其他不溶物含量(7%~10%)。由于盐岩具有遇水溶解的特点,为了避免试样在加工过程中水对盐岩结构的破坏,采用干式锯磨法进行标准试样的切割,再使用机床对盐岩环面和断面精细加工成符合国际标准的圆柱形试样,高L×直径D=100mm×50mm(L/D=2∶1),上、下两端面平行度控制在±0.03mm以内。2.2试验方案及推进试验采用TAW–2000型微机伺服岩石三轴试验机(见图2)进行盐岩三轴循环加载,采取载荷控制,加载第一阶段,等速率(0.05MPa/s)施加围压到设定值;第二阶段,保持围压恒定,等速率(1kN/s)施加轴压到循环荷载的均值水平;最后阶段,保持围压恒定,以循环荷载均值为起点,反复施加周期荷载,直至试样破坏或超过3h后直接压缩破坏。轴向加载波形为正弦波(见图3),其特征参数意义如下:σmax为循环荷载上限应力;σmin为循环荷载下限应力;σa=(σmax-σmin)/2为应力振幅;σm=(σmax+σmin)/2为平均应力;T为周期。具体通过变化波形参数(上、下限应力、加载频率)及围压来研究各因素对三向应力状态下盐岩循环力学特征响应的影响。依据工程实际中盐岩储气库注、采运营内压范围(地层压力的20%~95%)、频率f及初始地应力水平具体确定试验实施方案列于表1中。表中,上限应力比R上=(σmax-σ3)/(σs-σ3),下限应力比R下=(σmin-σ3)/(σs-σ3),应力比k=(σmax-σ3)/(σmin-σ3),其中σ3为围压,σs为盐岩三轴抗压强度。3循环荷载下盐岩变形发展规律3.1围压对盐岩强度的影响首先通过三轴压缩试验获取不同围压下盐岩应力–应变全过程曲线(见图4),得到盐岩三轴抗压强度为循环荷载试验上、下限应力的取值提供依据。从图4可以看出,盐岩峰值强度随着围压的升高而升高,其延性也显著增强。围压较低时,盐岩压缩破坏具有一定脆性和应变软化特性;围压继续增加(大于7MPa),则表现出典型的应变硬化特性,三轴压缩试验结果见表2。3.2滞回环滞受力图5为三轴循环加载轴向偏应力–应变关系曲线,从图中可以看出,循环加载段与卸载段呈近似斜直线,且斜率几乎相同,卸载曲线不与加载曲线相重合,形成一定宽度的条带状滞回环。滞回环随加载次数增加逐渐密集,每周次不可逆变形增量逐渐减小;数十循环周次后,滞回环几乎重叠达到肉眼无法分辨的程度,滞回环的发展是一个由疏到密的过程。3.3低频循环荷载作用下的不可逆变形取每周次峰谷荷载对应应变,绘出轴向应变–时间关系曲线(见图6),该曲线清楚地显示了循环荷载作用下盐岩试样初始阶段和稳定阶段2个阶段变形发展规律。由于应变计量程及试验时间限制,本次盐岩三轴循环试验未获得加速阶段的变形曲线。一般硬脆性岩石三轴循环试验中不可逆变形与恒载作用下典型岩石蠕变曲线相似,大致可划分为3个阶段:初始阶段、稳定阶段和加速阶段,对应滞回环的演化经历疏–密–疏的发展阶段。不同于一般硬脆性岩石高频疲劳试验中的变形几乎为塑性变形,由于盐岩具有良好流变特性,在偏应力作用下,随着时间的增长会在循环加、卸载过程中不断累积蠕变变形。对于盐岩这类特殊的软岩而言,低频循环荷载作用下其不可逆变形由黏性流动和塑性流动两部分组成。进一步可以推知,单、三轴疲劳破坏受相应单、三轴静态应力–应变全过程曲线控制,即疲劳破坏终点的应变与上限应力在静态应力–应变全过程曲线峰后区对应的应变相当这一较为普遍的结论,并不适用于盐岩低频循环变形情形,即使在高频荷载情况下也存在较大误差。郭印同等曾测得盐岩单轴疲劳(1Hz)破坏点应变相对静态单轴峰后应变误差已达到10%,为红砂岩、大理岩以及花岗岩的10~100倍。4影响变形因素分析4.1稳定变形速率图7为不同应力水平下盐岩试样轴向应变–时间关系曲线。试验结果表明,提高上限应力或降低下限应力均会提高初始阶段和稳定阶段变形发展速率,并减小稳定阶段在整个累积应变中的比例,从而加速破坏的发生。当R下=20%,R上=95%和80%时,对应的轴向稳定变形速率分别为0.255和0.070h-1(见图7(a));当R上=80%,R下=44.3%和20%的应变速率分别为0.105和0.080h-1(见图7(b))。试验显示,提高上限应力或降低下限应力均使得应力幅值uf073a增大,稳定阶段滞回环面积也随之增大,表明消耗的能量加大,试样的损伤增量加大,从而加速试样破坏。比较得出上限应力提高18.8%,应变速率提高达4.8倍,而下限应力降低54.8%,盐岩稳定变形速率提高31%。由此可见,上限应力对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤的发展的影响要显著大于下限应力。4.2低速率变形试验图8给出了不同频率下盐岩试样轴向应变–时间曲线。结果表明,在0.025~0.100Hz内,加载频率越高,滞回环的面积越小,盐岩吸收的能量比例减小,从而试样劣化速度随之降低。这一结论与刘杰等通过不同频率砂岩单轴循环试验下岩体能量特征分析得出的结论一致,即在低频循环荷载作用下,试样趋于密实,不可逆变形速率降低,损伤劣化也随之减慢。从图8可以得到,保持其他条件不变,对于f=0.025,0.050和0.100Hz情形,盐岩稳态变形速率分别为0.813,0.095和0.074h-1。因此,通过轴向应变–时间关系曲线,可定量分析加、卸载频率对盐岩变形和强度特征的影响,进一步可推广分析特定循环注、采速率下储气库溶腔围岩力学响应。4.3围压对盐岩变形的影响图9为不同围压下盐岩试样轴向应变–时间关系曲线。围压对循环加载条件下盐岩变形影响与恒定荷载作用下的影响类似,即随着围压的升高,盐岩稳态应变率非线性降低。特别地,当围压为7MPa时,盐岩稳态应变率为0.135h-1;当围压为14MPa时,盐岩稳态蠕变率为0.05h-1。5循环分析中的低盐化和强化作用5.1轴应力状态下弹性模量弱化规律由循环应力–应变曲线,取每周次循环卸载曲线段计算弹性模量,弹性模量随循环次数及时间关系曲线如图10所示,从图中可以看出,循环加、卸载作用下,盐岩弹性模量随循环次数呈指数递减趋势,在50~100个循环后其值接近常数。这一弹性模量弱化规律具有较大的普遍性和相似性,且不受加载上、下限应力、加载频率以及围压的影响。试验结果表明,三轴应力状态下循环加、卸载作用使得盐岩晶格劣化、裂隙萌生及弹性模量折减,但折减程度有限。具体地,当R上=80%,R下=20%,f=0.05Hz时,对于不同围压下盐岩试样XH–2,XH–4和XH–10弹性模量最终分别折减10.3%,9.1%和6.3%。这与K.Fuenkajorn和D.Phueakphum对MahaSarakham盐岩进行单轴循环加载试验结果一致。5.2循环荷载作用阈值效应由于试验时间和仪器量程限制,循环加、卸载难以做到试样破坏,最终采用循环加、卸载3h后直接压缩破坏的方案,因而试验没能够直接获得循环荷载上限应力的阈值。图11为不同因素对盐岩强度提高的影响。表2同时给出了盐岩试样循环加载后二次压缩试验结果。经循环加载后二次压缩盐岩应力–应变曲线大多显现出比一次压缩更显著的应变硬化特征,盐岩压缩强度大幅提高,并受施加循环荷载上、下限应力、频率、围压以及循环次数等因素影响。上限应力对循环荷载作用下盐岩变形破坏影响集中反映在阈值(门槛值)效应上。从图11(a)可以看出,当R上=80%,f=0.05Hz,σ3=14MPa时,盐岩循环加载后二次压缩强度相比静态压缩提高达171.1%;而当R上=95%,f=0.05Hz,σ3=14MPa时,盐岩循环加载后二次压缩强度则降低了3%,间接表明上限阈值效应的存在,由此初步推断上线应力阈值为80%~95%。图11(b)显示,当R上=80%,f=0.05Hz,σ3=7MPa时,对于R下=44.3%和R下=20%的情形,盐岩强度分别提高130.1%和74%,而总应变ε总相比于静态压缩分别提高了260%和187.4%。图11(c)揭示了加载频率对盐岩循环加载强化作用的影响,表明随循环荷载频率升高,盐岩强度提高幅值也增大。结合图11(d)和表2,同样可以发现,保持其他加载参数不变,围压越大,盐岩强度提高幅值也有增大的趋势。值得注意的是,图11(d)中尽管试样XH–8所施加的围压达到了21MPa,但由于R上达到89.2%,盐岩循环加载后二次压缩强度较静态压缩强度降低了2.2%。对比图11(a)中试样XH–1表明,当上限应力超过阈值时,上限应力值越大,循环加载对试样产生的损伤劣化也就越大。基于不同上限应力水平盐岩强度的强化和弱化的试验结果可进一步推断,盐岩三轴循环加载上限应力的阈值为80%~89%。从材料损伤角度分析岩石循环荷载作用阈值效应,可以合理解释试验中出现的盐岩循环加载后强度强化和弱化现象。如果循坏荷载峰值未超过临界应力,则循环会一直进行下去,试样不会破坏,这样可以认为低应力水平反复加、卸载不仅不会使试样损伤,反而在反复加卸载作用下,内部晶格内微裂隙逐渐闭合(压密),晶粒间的相互交错挤紧,从而使得盐岩更加致密硬实,强度大幅提高;如果循环荷载峰值超过临界应力,则在一定循环周次后导致试样破坏,也即较高应力水平的反复加、卸载作用,会造成盐岩体内微裂隙的萌发并不断发展直至形成宏观破坏面,反复加、卸载的过程就是盐岩不断损伤劣化的过程。试验中虽然在循环加、卸载阶段,盐岩试样XH–1和XH–8没有破坏,但内部损伤已累积到一定程度,最终反映在二次压缩强度的降低上。基于以上分析,从试验结果可间接推断盐岩三轴循环变形破坏