盐岩循环加卸载过程中的速率效应试验研究

作为一种典型软岩,盐岩力学特性的时间相关性显著,准确预测和评估盐穴储气库加卸载过程中的变形损伤能力,关系到能源储备库的长期安全稳定运行。为研究盐岩的速率效应,进行了不同加卸载速率的疲劳试验。基于现有蠕变本构模型,构建了速率效应方程,区分了加卸载过程中的蠕变塑性变形与加载塑性变形。研究结果表明：（1）盐岩的整体疲劳寿命、稳定变形阶段（即第2阶段）疲劳寿命占比基本随加卸载速率的增大而增大。（2）减速变形阶段（即第1阶段）疲劳寿命占比、稳定变形阶段平均残余应变基本随加卸载速率增大而减小。（3）速率耦合疲劳试验中,加卸载速率越大,残余应变越小,蠕变塑性变形随加卸载速率的增大而减小,当加卸载速率由0.04 kN/s增加至5 kN/s时,蠕变塑性变形在循环中的占比由85%下降至36%,呈现出负指数的关系。（4）整个循环加卸载过程中,加载塑性变形、蠕变塑性变形均呈现U型发展趋势,与盐岩疲劳过程的三阶段相对应。该研究结果可以为进一步分析盐岩蠕变塑性与加载塑性奠定基础。     

考虑硬化和损伤效应的盐岩蠕变本构模型研究

盐岩是储存化石能源和高放射性核废料的理想介质,研究盐岩蠕变力学特性对地下盐岩储库的安全营运具有重要意义。为合理反映盐岩蠕变过程存在的损伤和硬化两种机制,以元件组合模型为基础,结合分数阶微积分理论建立了一种考虑损伤和硬化效应的盐岩蠕变本构模型。该模型采用考虑时效损伤的弹性元件描述盐岩加载初期的损伤变形,采用分数阶村山体描述盐岩衰减蠕变阶段的黏弹塑性蠕变力学行为;通过引入描述盐岩屈服强度随时间强化的硬化函数来反映盐岩硬化机制;采用瞬时塑性元件描述不可恢复的瞬时变形。基于Kachanov蠕变损伤定律与Lemaitre应变等价原理构造了一种带有应变触发的非线性黏壶元件,该元件能够较好描述盐岩加速蠕变阶段的非线性变形特征。基于组合模型理论推导了考虑硬化和损伤效应的盐岩一维、三维蠕变方程;通过分析已有盐岩单、三轴蠕变试验等时应力-应变曲线特征,确定了村山体启动应力阈值;结合等时应力-应变曲线和蠕变试验数据对模型中的参数进行了辨识。结果表明：建立的蠕变本构模型仅用一组参数即能描述不同应力状态下盐岩的蠕变力学特性,可为预测盐岩蠕变变形特征提供一定的理论依据。     

循环加、卸载下盐岩变形特性试验研究

在MTS815 Flex test GT岩石力学试验机上对盐岩进行了单轴循环加、卸载试验研究盐岩的变形特性,试验表明,循环加、卸载强化了变形的线性特征,各级卸载、再加载曲线主要是由直线段组成。随着荷载级别的增高,直线段的变形模量总体上呈现微弱上升的趋势,各级卸载、再加载曲线变形模量的变异系数分别为8.05%和7.45%,可以用各级加、卸载曲线直线段变形模量的平均值来分别表征加、卸载的变形特征。每级卸载曲线的变形模量都要大于再加载曲线的变形模量,卸载的泊松比都要小于再加载的泊松比。与单轴试验相比,卸载和再加载的变形模量都要大于单轴应力应变全过程试验。根据以上分析,得出了简单应力状态下加、卸载本构关系。对各级塑性滞回能进行了计算,发现塑性滞回能随着级别的增高而增高,并对其进行了拟合。分析表明,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,更能表征盐岩地下工程中的变形特性。     

考虑温度损伤的盐岩蠕变本构关系研究

根据统计力学原理,以分形岩石力学为桥梁,对盐岩在温度与应力耦合作用下蠕变特性进行了研究,导出了考虑围压效应的损伤变量表达式。综合前人的成果,推导出温度–应力耦合下的盐岩损伤方程。对盐岩在温度与三轴应力共同作用下的蠕变试验数据进行研究,分析了盐岩蠕变过程中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的各自特征。对于广义Bingham 蠕变模型在衰减和稳态蠕变阶段引入一非线性函数,在加速蠕变阶段引入损伤,建立了盐岩考虑温度损伤的蠕变本构关系。利用盐岩的三轴蠕变试验数据对新的蠕变损伤模型参数进行辩识与比较分析。结果表明,该模型能够很好地反映在不同温度作用下盐岩的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的规律,验证了该模型的合理性和正确性。     

基于声发射特征的盐岩蠕变本构模型研究

针对盐岩作为储库介质在长期运营下的变形行为,开展了历时359 d的层状盐岩室内单轴蠕变试验,实时监测了试验过程中的声发射信号规律。研究表明,盐岩单轴蠕变试验中声发射表现出特征明显不同的3个阶段,累计声发射事件定位显示,各阶段声发射信号的分布与试件的变形及破坏位置基本一致,并且累计声发射事件数与蠕变应变近似满足线性关系,验证了基于声发射事件数来建立盐岩蠕变本构模型的合理性。进一步构建了基于声发射的盐岩损伤演化本构模型,并采用最小二乘法拟合本试验数据获得本构模型中的参数,由拟合曲线可知,基于声发射的盐岩蠕变本构模型能够较好地描述盐岩蠕变的3个特征阶段。     

基于细观变形理论的盐岩塑性本构模型研究

唯象学本构模型不能很好解决诸如夹杂含量、温度、应变速率等对盐岩力学性质的影响,更难以解释盐岩变形机制。盐岩为石岩晶体组成,其变形机制主要由多晶结构所控制,故基于固体位错理论研究方法建立的盐岩塑性本构模型更能反映盐岩的变形机制。研究表明,盐岩的塑性-蠕变交互作用机制是（亚）晶粒内部位错的滑移与（亚）晶界及其干涉面内位错的攀移运动之间的耦合。基于此,可确定亚晶（或晶粒）平均尺寸与流动应力之间的关系、（亚）晶内的位错平均密度;建立微观参量（位错、亚晶直径、亚晶界宽度等）演化模式;根据Orowan定律建立盐岩微观-宏观变形联系,从而导出盐岩塑性本构方程。导出的本构方程体现了盐岩塑性-蠕变变形的物理机制,相对于传统的塑性本构方程具有更好的物理意义。     

盐岩储气库蠕变损伤分析

通过对盐岩本构关系的实验研究,对Norton Power 盐岩蠕变本构模型引入损伤变量,在损伤等效应力中引入考虑偏应力和围压影响的函数,建立了一种能反映盐岩蠕变和加速蠕变的本构模型。通过对某盐矿盐岩实验数据进行拟合,获得了本构模型的参数,理论曲线与实验曲线吻合得较好。通过三维数值模拟方法,应用该本构模型对某盐矿天然气储存库进行了数值模拟研究,探讨了该盐矿盐岩储气库最低内压工况下,腔周损伤区的扩展、变形规律及最长持续运行时间。研究结果表明：（1）盐岩本构模型在盐岩加速蠕变期具有较好的数值稳定性;（2）在最低运行压力下,腔周盐岩进入加速蠕变期后,储气库损伤区的扩展速度非常快,储气库最危险部位位于腔体顶部;（3）腔周盐岩进行加速蠕变期后,盐岩的腔体体积收敛变形主要表现为损伤蠕变体积收敛,稳态蠕变体积收敛趋于稳定;（4）该盐矿盐岩储气库在该压力下最长持续运行时间约为3个月。     

周期荷载下盐岩的疲劳变形及损伤特性研究

利用RMT－150C型岩石力学多功能试验机,进行了盐岩单轴循环荷载作用下的疲劳试验,研究了盐岩的疲劳强度、变形及损伤特性。试验结果表明,当上限应力大于“门槛值”时,盐岩疲劳破坏时的轴向应变可以分为初始变形、等速变形和加速变形3个阶段,呈疏－密－疏的发展过程。改变上限应力和平均应力会显著影响疲劳的进程,提高上限应力值和平均应力值,初始轴向变形和循环轴向变形的比率都会提高,疲劳破坏时的总循环次数显著减小。盐岩疲劳破坏终点的变形量同样受静态轴向应力-应变全过程曲线的控制,控制误差范围在10%左右。循环荷载作用下,盐岩的变形模量经历了一个先逐渐增加,后缓慢降低,最后加速减小的过程。对循环荷载作用下盐岩疲劳损伤演化规律进行了初步探讨     

金坛盐岩储气库运营模型试验研究

针对盐岩重度低、低弹强比、高流变性等强度与变形特性,研制出与金坛盐矿盐岩的力学行为较为相似的材料配方;采用地质力学模型试验技术,开展金坛盐岩储气库运行稳定性的模拟试验,研究腔体在周期性注、采气作用下的变形特点与力学分布规律。根据模型试验结果,采用盐岩非线性蠕变损伤本构模型,结合金坛盐岩储气库长期运营进行数值模拟,并与物理模型试验结果进行对比,研究分析储气库围岩在循环加卸载下的力学响应特点与盐岩溶腔的长期运营稳定性,得到了在周期性加卸载作用下腔体围岩蠕变变形的特点与规律,研究表明相似模型试验技术可以有效地应用于盐岩储气库运营长期稳定性的研究,其结果对盐岩储气库的建造与运行具有一定的指导意义和工程应用价值。     

西安地区地裂缝带Q3原状黄土流变特性试验研究

汾渭盆地是我国乃至世界上地裂缝最为发育、灾害最为严重的地区。考虑在漫长的地质历史过程中黄土的流变特性对地裂缝破裂扩展模式的影响,采用分级循环加卸载方式,对西安地区长安地裂缝（fc1）带Q3原状黄土进行了不同围压下的固结不排水三轴流变特性试验,得到了地裂缝带Q3原状黄土的蠕变加、卸载曲线和应变速率与时间关系曲线。试验结果表明,不同围压下地裂缝带Q3原状黄土表现为低应力下为减速蠕变,高应力下为减速蠕变和等速蠕变的特征。并基于统一流变力学模型理论,建立了适用于西安地区地裂缝带Q3原状黄土的三维蠕变本构模型,获得了相应的本构模型参数。该成果为研究隐伏地裂缝破裂扩展模式及其力学机制奠定了基础。     

低频循环荷载下盐岩轴向蠕变的Burgers模型分析

为了研究盐岩在低频循环荷载作用下的蠕变特性,采用恒轴压、循环围压的应力加载方式对盐岩开展了低频循环荷载蠕变试验。试验结果显示,当蠕变时间较短时,盐岩轴向蠕变曲线近似为平滑曲线,波动性不大;当时间增加到一定程度以后,盐岩变形随围压变化而发生明显的波动。总体来看,循环荷载下盐岩轴向蠕变曲线与Burgers模型蠕变曲线较为相似。将Burgers模型分解为Maxwell模型和Kelvin模型,忽略材料的疲劳效应,分别推导了恒轴压、循环围压应力加载方式下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程,分析了荷载循环周期对模型蠕变性的影响规律;将循环荷载下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程进行叠加,得到了循环荷载下Burgers模型的轴向蠕变方程,并利用盐岩蠕变试验结果对其合理性进行了验证。结果表明:拟合曲线和试验曲线吻合良好,该模型能够较好地反映盐岩在循环荷载作用下的蠕变特性和荷载变化对盐岩蠕变性的重要影响,特别是能够反映出不同荷载循环周期下盐岩变形随荷载变化而发生的明显的波动现象。     

盐岩蠕变特性和本构关系研究

对金坛盐岩蠕变规律进行了试验研究,分析了不同应力状态和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过试验获取了蠕变曲线和蠕变特征参数。根据其蠕变曲线特征,用黏弹塑性理论建立了盐岩蠕变本构模型。试验结果表明,稳态蠕变率是偏应力和温度的非线性函数关系,并提出盐岩的稳态蠕变本构方程。通过试验数据拟合得到本构方程中的参数,将理论和试验结果进行比较,结果表明两者的吻合性较好。     

循环加-卸载岩石本构模型研究

循环加-卸载岩石本构模型是预测压气储能洞室长期稳定性的关键,但目前还没有适用的本构模型,因此,提出了一种能够描述岩石循环加载和卸载的本构模型。鉴于岩石在循环作用下损伤不断累积,将基于Weibull分布的岩石损伤软化模型进行拓展,并用内变量疲劳本构模型描述每个循环的初始模量和卸载模量的变化,进而得到循环加-卸载作用下的岩石本构模型,然后将该模型与现有的试验结果进行对比。该模型物理意义明确,涉及的参数较少,且便于拟合。提出的循环加-卸载下岩石本构模型对试验数据拟合效果较好,能较准确地反映循环荷载上、下限值对应的轴向应变,也能反映出循环内部变形模量衰减的趋势。该模型的成功建立为循环加-卸载下岩石本构模型的研究提供了新思路。     

软岩流变的一种新力学模型

软岩在低应力水平下表现为弹性和粘弹性;在较高的应力水平下表现为弹性、塑性和粘弹性;在高应力水平下表现为弹性、塑性、粘弹性和粘塑性。为了对其进行全面描述,首先,提出了两种非线性元件-蠕变体和裂隙塑性体,并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合,得到了一种新的复合流变力学模型。然后,通过其采用的软岩蠕变的分级增量循环加卸载试验证明,该模型可很好地描述软岩在不同应力水平下的蠕变特性特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性,可在工程实际中推广应用。     

砂岩分级加卸载蠕变试验过程能量演化分析

对陕西柠条塔砂岩样品进行单轴分级加卸载蠕变试验，分析样品变形破坏过程中的能量演化规律。结果表明：随循环级数增加，各级耗散能非线性增长，各级塑性应变能相对稳定；耗散能超过塑性应变能可作为样品破坏的先兆能量特征。通过定义相关系数，建立能量与变形之间的关系后发现：随循环级数增加，各级塑性应变能与各级新增塑性应变呈正相关性，各级耗散能与塑性应变累积量呈正相关性。分别对加载、蠕变、卸载及恢复等4个阶段的能量计算后得出：各阶段能量演化速率均随循环级数的增加而增大。加、卸载速率恒定时，加载段能量变化率大于同级卸载段能量变化率，蠕变段能量变化率大于同级恢复段能量变化率。通过分析各级循环加载段能量变化规律，提出能量衰减系数 ，该值随应力水平增长呈幂函数形式降低，以此提出一种可以有效预测破坏应力的方法。     

层状盐岩蠕变变形相互作用研究

考虑泥岩夹层和盐岩的弹性性质和稳态蠕变性质,通过数值试验方法计算层状复合盐岩体在单轴和低围压三轴荷载作用下蠕变变形过程中力学相互作用和变形时效规律,分析泥岩夹层和盐岩层因蠕变率不匹配对层状盐岩蠕变的影响,初步讨论了层状复合岩体的复合材料研究方法。结果表明,层状盐岩中泥岩夹层与盐岩因弹性参数不匹配产生的初始应力集中在蠕变过程中发生松弛,因泥岩夹层与盐岩层蠕变率不匹配导致两者之间应力重分布,泥岩夹层对盐岩层的蠕变有明显抑制作用。这些分析体现了层状盐岩蠕变过程的非线性性质,为建立层状盐岩体合理本构模型奠定了基础。     

分级加卸载下南海珊瑚泥一维固结长期变形试验及模型研究

南海珊瑚泥是珊瑚群体死后的骨胳、碎屑聚积形成的海洋岩土体钙质软泥,具有特殊的工程性状,研究其在荷载作用下与时间相关的长期非线性变形对吹填岛礁建设和长期稳定分析具有重要意义。对珊瑚泥进行了3组不同加卸载方案的一维固结压缩试验,通过改变加载时间与加卸载循环圈数探究应力历史对其长期变形性质的影响,并针对珊瑚泥在加卸载试验条件下呈现出的瞬时变形、延时衰减与延时稳定变形3阶段规律,采用改进的Burgers模型拟合不同竖向应力作用下的ε-t（应变-时间）曲线,具有较高拟合精度。同时分析模型参数后发现,随着分级加载时间提高,瞬时应变增量及其增长率下降,最终荷载下的延时衰减时间缩短,延时稳定应变速率及最终荷载下的总应变增量减小。同一加卸载循环圈数中,同竖向应力下卸载阶段的瞬时应变增量小于加载阶段。随着加卸载循环圈数的增加,加、卸载各阶段瞬时应变增量均减小且二者相近,延时衰减时间缩短,延时稳定应变速率及最终荷载下的总应变增量减小。研究了分级加载时间与加卸载循环圈数对珊瑚泥长期变形性质的影响,旨在为岛礁建设中的堆载预压方案提供理论依据。     

特殊应力路径下岸坡饱和土体变形特性模拟

库岸边坡土体受到库水位涨落的周期性影响,其受力过程可描述为在前期固结压力范围内有效应力的多次循环加、卸载过程。通过室内应力路径三轴试验模拟土体孔隙水压力的循环加、卸载,并通过对统一硬化模型的扩展和加、卸载准则的修正,来预测土体的变形发展规律,研究结果表明:循环加、卸载过程中,土体的体积变形呈周期性弹性变化,剪应变呈螺旋上升趋势且增幅随循环次数逐渐减小;卸围压屈服阶段,土体变形呈现体积膨胀的剪胀特征和剪应变增幅加快的脆变趋势,且土体剪切变形在6%左右时即出现实测孔压骤减和峰值强度点;建立压缩曲线系数与加、卸载次数的关系,并修正超固结土的加、卸载准则,扩展后的统一硬化模型能够较好地预测特殊应力路径下岸坡饱和土体的变形特性。     

饱和黏性土蠕变变形试验研究

结合苏锡常地区地面沉降研究,用单向固结仪研究饱和黏性土在复杂荷载作用下的蠕变变形特征。试验土样取自苏锡常地区第2弱透水层。研究结果表明,在初次加载时黏性土具有明显的蠕变性,在双对数坐标中蠕变变形与时间呈直线关系,且直线斜率随荷载水平增大而减小,但在荷载水平达到一定值后斜率变化不大;在初次卸载时黏性土仍有明显的回弹蠕变,特别是在卸载水平较高时,卸载回弹蠕变变形与应力和时间的关系仍可用幂函数表示;在循环荷载作用下,加卸载达到变形稳定的时间随循环次数增加而减小。当循环荷载最大值小于土样的先期固结压力时,土样在2次加卸载循环后达到弹性变形状态;当循环荷载最大值等于土样的先期固结压力时,土样在5次加卸载循环后达到弹性变形状态。     

三轴循环荷载下砂岩损伤耗能比演化特征研究

为了研究循环载荷下岩石能量演化特征,引入耗能比?,开展砂岩不同围压下轴向循环加卸载试验,探究全应力-应变过程中?值演化特征,进而探讨岩石试样循环加卸载作用下损伤变形演化规律。试验结果表明：对应全应力-应变曲线的5个阶段,?值演化过程可划分为线性下降、稳定发展、缓慢增加、突然增加和平缓变化5个阶段,在?值整个演化过程呈现“勺”演化特征,该特征充分反映了试样变形演化过程中的能量转化关系及损伤演化程度;随着围压的增大,?值整体呈现减小趋势;同一应变水平下,不同围压下?值在线性下降阶段、稳定发展阶段差值逐渐减小,在缓慢增加阶段、突然增加阶段差值逐渐增大,在平缓变化阶段差值减小并趋于一个稳定值;分析循环加载下岩石材料参数演化特征,考虑围压作用及耗能比演化规律,建立岩石试样循环加卸载作用下的应力-应变演化理论公式,并进行了试验曲线拟合,验证了该理论公式的合理性。