含杂质盐岩三轴蠕变特性试验研究.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date含杂质盐岩三轴蠕变特性试验研究含杂质盐岩三轴蠕变特性试验研究含杂质盐岩三轴蠕变特性试验研究吴 池1,刘建锋1*,周志威2,徐慧宁1,吴 斐3,卓 越4,王 璐1(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院,四川 成都 610065;2.四川凉山水洛河电力开发有限公司,四川 成都 610000;3.重庆大学 资源及环境科学学院,重庆 400030
2、;4.四川省水利水电勘测设计研究院,四川 成都 610072)摘要:针对杂质盐岩蠕变力学特性问题,利用四川大学大型程控流变仪,对两种不同杂质盐岩进行了分级加载下的三轴蠕变试验。试验结果表明:围压和杂质含量不同,盐岩破坏形态以及力学参数均有差异。围压小于临界围压,盐岩呈剪切破坏,围压大于临界围压,盐岩呈大变形鼓状破坏;围压和杂质含量一定,岩盐稳态速率随偏应力增加呈指数增长;偏应力和杂质含量一定,蠕变速率随围压增大而降低,长期强度有所增大;偏应力和围压一定,低杂质(=2.1%)盐岩稳态蠕变速率高于高杂质(=46.8%)盐岩。体积变形经历了压密期-平静期-扩容期三个阶段,高杂质盐岩体积应变低于低杂质
3、盐岩。将不溶物杂质含量与应力敏感性常数n的关系同分数阶蠕变本构方程进行耦合,建立了耦合杂质的盐岩分数阶非定常蠕变模型,将理论模型与试验数据对比分析证实了该模型的合理性。关键词:三轴;蠕变;杂质;盐岩;体积变形;分数阶本构模型Study on creep properties of salt rock with impurities during triaxial creep test WU Chi1, LIU Jianfeng1*, ZHOU Zhiwei2, XU Huining1, WU Fei3, ZHUO Yue4, WANG Lu1(State key Lab of Hydrauli
4、c and Mountain River Engineer, College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University.,Chengdu 610065,China;Sichuan Liangshan Shuiluohe Electric Power Development Co.Ltd., Chengdu 610000,China;College of Resource and Environmental Science,Chongqing University,Chongqing 400030,China;Sichuan Ins
5、titute of Water Resources and Hydroelectric Exploration Design and Research, Chengdu 610072, China)Abstract:In order to study creep characteristics of salt rock with impurities, the triaxial loading tests about two salt rock with different impurity content were carried out on large-scale programmabl
6、e rheometer of Sichuan university, The results showed that the failure pattern and mechanical parameters of salt rock are different as the change of confining pressure or content of impurities, The destructional form of salt rock change from shear to drum type when the confining pressure increase. T
7、he steady-state creep rate of each sample grows exponentially with the deviatoric stress when confining pressure and impurity content is the same. As increase of confining pressure, the creep rate is depressed, but the long-term strength is increased when deviatoric stress and impurity content is th
8、e same. The steady-state creep rate of low-impurity(=2.1%) is higher than high-impurity(=46.8%) when deviatoric stress and confining pressure is the same. Volume strain experienced three period:pressure dense-quiet-dilatation, the volume strain of salt rock with high impurities inferior to the low i
9、mpurity.A fractional unsteady creep damage model is established by introducting the relationship between insolubles impurity content and stress sensitivity constant to constitutive equation of creep.The reasonability of this model was proved by comparing the theory model with experimental data.Key w
10、ords: triaxial; creep; impurities; salt rock ;volume deformation; fractional order constitutive model-盐岩良好的密闭性、低渗透性等,使之成为能源战略储气库的良好介质,因此,国内外不断有大型盐岩储气库在筹划、兴建。中国的盐矿具有泥质夹层多、杂质含量多、组分复杂等特点,而这些杂质成分对岩层的强度以及变形能力等都会产生影响,这些影响因素往往会造成盐岩储气库的变形不协调,从而对盐穴的密闭性、稳定性产生严重的威胁。因此,为保证盐岩储气库长期、安全、有效的运营,对杂质含量在盐岩长期应力状态下各力学性能的影
11、响进行研究具有非常重要的意义。 近些年,众多学者1-4对盐岩短期力学参数进行了相应研究,提出了各项强度参数以及修正理论。然而,盐岩储气库的建设以及运营周期都比较长,在长期荷载作用下,腔体会逐渐变小,导致空间利用率降低,故对盐岩长期荷载下的流变特性研究是必要的。关于各种应力条件下盐岩蠕变变形破坏特征的研究较为普遍,HunscHe等5-6分析研究了盐岩在低应变率下的蠕变力学行为;邱贤德等7通过不同类型的试验,也对盐岩蠕变的特性和机理进行了大量的研究;高小平等8通过大量试验研究,得到了盐岩蠕变特性与围压、偏应力等的关系。关于如何建立起能够描述蠕变三阶段的数学本构模型一直是国内外学者关注的重点,Car
12、ter9等则对盐岩蠕变本构模型作了较为详细的探讨和研究;Jin等10提出了可以用于描述盐岩的初期蠕变和稳态蠕变的计算模型;梁卫国等11通过对盐岩蠕变试验各阶段进行理论分析,建立了瞬态和稳态蠕变阶段的本构模型;杨春和等12在谢和平等13提出的损伤演化方程基础上,提出了能够反映蠕变所有阶段的非线性蠕变本构方程。出于我国盐岩的成分的复杂性,不少学者都对杂质盐岩的长期力学性能进行过一定研究。郤保平等14-15对不同组分盐岩进行了蠕变试验,指出了层状盐岩的蠕变率与其组分、结构密切相关,盐岩组分、结构不同,其蠕变应变和应变率均不同,并对高盐分泥岩夹层盐岩进行了蠕变参数拟合;陈锋等16在对湖北云应盐矿的纯盐
13、岩和夹层盐岩进行不同应力条件下的蠕变试验的基础上,认为围压对纯盐岩稳态蠕变率的影响要高于夹层盐岩,然而偏应力的影响却低于夹层盐岩;唐明明17对三种含杂质盐岩进行了不同围压下的三轴试验研究,提出了基于体积分数的蠕变本构模型。虽然有学者对含杂质盐岩的蠕变模型进行研究,而将杂质含量定量的考虑进本构方程的研究却很少,本文通过对两种不同杂质盐岩进行长期不同围压下的分级加载试验,在分析围压、偏应力以及杂质含量对蠕变特性和长期力学参数的同时,基于分数阶本构方程,建立一种考虑杂质含量影响的分数阶蠕变损伤本构模型,进一步揭示不同杂质含量盐岩在不同应力条件下的蠕变特征差异,为层状盐岩储气库长期运营提供一定的理论依
14、据。1 试验制备及试验方案1.1 实验设备 试验仪器采用四川大学大型程控流变仪,由加载系统、计算机控制系统和位移监控系统组成,能够实现轴向荷载060t,围压为030MPa,温度为室温200的蠕变实验。试验过程中,除加载阶段外,荷载保持长期稳定,并采用位移传感器自动记数和百分表人工读数两种方法对试验数据进行采集记录,各传感器的测量精度均在1%以内。图1 程控三轴流变仪1.2试验制备与试验方案 本文试验所用盐岩取均自国内5002000m深的在建或拟建储气库,其化学成分包括NaCl、Na2SO4、CaSO4和泥质不溶物,根据不溶物高低,将其分为低杂质(30%)盐岩。参照水利水电工程岩石试验规程(SL
15、264-2001),将岩块加工成为90H180mm标准圆柱体试件,并通过打磨以保证试样表面的平整光滑。本次选取5MPa、10MPa、15MPa、20MPa四个围压进行蠕变试验,为避免试样的离散性所带来的实验误差,试验采用按5MPa、10MPa、15MPa、20MPa偏应力逐级加载,第一级加载时间为21d,之后按每级14d加载。2试验结果分析2.1变形破坏特征图2为岩样试验前后状态的对比图。从图中可以清楚地看到,三轴蠕变试验条件下,盐岩的破坏特征与常规三轴压缩类似,低围压作用下(310MPa),盐岩主要表现为剪切破坏,而当围压大于等于15MPa时,则呈现为大变形鼓状破坏。从常规和蠕变三轴试验破坏
16、特征可以看到,围压越高,其抑制盐岩内部裂纹扩展和发展的能力越强,试件内部的位错滑移越缓慢,塑性(延性)变形能力越强。通过观察发现,围压介于1015MPa某个值,正是盐岩试件从剪切破坏向大变形鼓状破坏转变的临界值,也可称之为形变临界围压值,小于此临界围压值时,盐岩呈现剪切破坏,当大于此临界围压值时,盐岩将呈现鼓状大变形特征。 5MPa 10MPa 15MPa 20MPa图2 试样破坏前后图3为两组盐岩在不同围压下所对应的蠕变应变曲线。可以看到,低杂质含量下,四个盐岩均加载至第四级(1-3=20MPa)发生失稳破坏,高杂质盐岩除了围压10MPa加载到第三级时发生破坏,其余三个试件也都加载至第四级才
17、发生失稳破坏,表明偏应力在某种程度上是影响盐岩蠕变力学特性的主要因素,围压一定时,盐岩的损伤破坏主要取决于偏应力的大小。由表1可以看到,相同围压下,低杂质组盐岩在整体上其蠕变应变量要大于高杂质盐岩,表明杂质含量越高的盐岩,其塑性变形能力越差,蠕变力学行为特征越不明显。 (a)低杂质 (b)高杂质图3 蠕变应变曲线表1 不同试件蠕变参数表岩盐围压(MPa)蠕变量(%)第1级第2级第3级第4级低杂质50.270.822.803.84100.240.482.353.10150.220.281.144.13 200.030.160.943.87高杂质50.130.361.692.14100.070.1
18、53.17150.060.090.672.30200.040.050.263.08从图4可以看到:围压一定时,稳态蠕变速率随着偏应力的增加而增大,并随着偏应力的增加呈良好的指数型函数增长,其相关系数均超过了0.95;从图4(a)可以看到,杂质含量相当的情况下,围压越大,相同偏应力下的稳态蠕变速率有逐渐减小的趋势;对比图4(a)和4(b),发现围压和偏应力一定时,低杂质含量的稳态蠕变速率整体上要高于高杂质盐岩的稳态蠕变速率,这与应变总量的关系相对应,因为泥质不溶物等杂质的流变性和变形能力较盐岩晶粒弱,杂质对盐岩的整体变形起抑制作用,品位越好的盐岩流变特征越显著。(a)低杂质(b)高杂质 图4 蠕
19、变稳态速率曲线2.2 蠕变体积应变及杂质影响通过排油法可以得到盐岩在试验过程中体积变化的过程,以10MPa围压情况为例,分别得到体积应变随时间和体积应变随轴向应变的变化关系曲线,见图5和图6。 (a)低杂质(b)高杂质图5 轴向、体积应变曲线(a)低杂质(b)高杂质图6 轴向应变与体积应变关系 从图5可以看到:随着蠕变试验的进行,盐岩体积应变先增加后减小,即首先出现体积压缩,此时盐岩蠕变硬化作用趋于主导作用,内部原生微裂纹、微孔隙被逐渐压密,晶粒间空隙被填充和压实。当体变达到一定量时,出现体变拐点,盐岩开始进入体积扩容阶段,并在蠕变加速阶段迅速增加,直至盐岩发生失稳破坏,此时盐岩的蠕变损伤作用
20、逐渐趋于主导地位。低杂质含量盐岩蠕变体积扩容转折点出现在第三级加载中段,此时体积应变量为12%,失稳破坏后体积扩容量为11.9%,高杂质含量盐岩蠕变体积扩容转折点出现在第二级加载末段至第三级刚开始加载阶段,出现体变转折点时对应的体积应变量为8.1%左右,失稳破坏后体积扩容量为5.6%。可见,高杂质含量盐岩由于流变性较弱,杂质成分的轴向和径向变形能力均不如盐岩,限制了盐岩的变形能力,因此,同等围压下,其体积变形量较低杂质含量盐岩小。 从图6可以看到:蠕变加载初期,体积应变随着轴向应变的增加而增加(压密阶段),此时硬化作用占据主导地位;体积应变达到一定量时,会在一段时间内呈动态平衡,此时体积应变量
21、变化很小(平静阶段),硬化和损伤作用处于均衡发展态势;当体积应变维持一段时间的平静期后,开始出现扩容,体积应变逐渐减小(扩容阶段),表明此时盐岩内部损伤作用已占据主导地位,开始出现实质性的损伤并逐渐累积,最终导致盐岩失稳破坏。从整体上来讲,体积应变随着轴向应变的增加出现“压密-平静-扩容”三阶段的变化趋势,体积扩容阶段的出现,表明盐岩内部发生实质性损伤并会快速发展累积,预示着盐岩即将进入蠕变加速期并发生失稳破坏,对工程的安全评估具有重要借签意义。2.3长期强度分析 本文通过等时应力-应变曲线法来确定岩盐的长期强度,即通过一组不同应力下的蠕变曲线,利用数个不同时间点对应的应力与应变曲线簇所得到的
22、拐点来确定该应力值。图7为15MPa围压下低杂质组盐岩和高杂质岩盐的等时应力-应变曲线,表2则为两组盐岩各对应围压下长期强度的确定结果。(b)低杂质(b)高杂质图7 等时应力应变曲线簇表2 两组盐岩长期强度值大小对比围压5MPa10MPa15MPa20MPa长期强度低杂质17232832高杂质20223035从图7以及表2可以看出,随着围压的升高,长期强度值逐渐增大;围压一定时,高杂质与低杂质盐岩的长期强度值相比,除10MPa围压外,高杂质盐岩的长期强度值均高于低杂质盐岩。表明在一定程度上,杂质含量和围压的增大,均能够令岩盐长期强度有所增大。3 耦合杂质含量的分数阶蠕变模型 一般而言,盐岩的蠕
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