循环荷载作用下盐岩微观结构变化及经验疲劳模型

为研究盐岩在循环荷载作用下的疲劳特性和微观结构变化,对盐岩试件展开了不同上限应力下的单轴疲劳试验;同时,利用SEM和NMR设备观测了盐岩试验前后的微观结构。结果表明：循环荷载作用下,盐岩内部裂纹发育以晶间裂纹的生成为主,且裂纹数量随上限应力比（上限应力与单轴抗压强度的比值）增大而增加。循环荷载作用后（12 000次循环）,盐岩内部大孔隙和总孔隙数量增加,小孔隙数量减少,且大孔隙和总孔隙增加的数量及小孔隙减少的数量均随上限应力比增大而增加。上限应力比为0.40且荷载循环次数N≤2 000次时,盐岩内部小孔隙、大孔隙和总孔隙数量均随荷载循环次数增加而增加;但小孔隙数量的增长速率大于大孔隙,此时盐岩孔隙结构变化以小孔隙萌生为主。上限应力比为0.40且荷载循环次数N >2 000次时,盐岩内部大孔隙和总孔隙数量仍随荷载循环次数增加而增加,而小孔隙数量不断减少,此时盐岩孔隙结构变化以大孔隙生成为主。通过求解S形函数反函数的方法,建立了一个形式简单、参数少,且能够描述盐岩累计不可逆变形发展全过程的经验疲劳模型,并利用盐岩疲劳试验结果验证了模型的合理性。     

平顶山盐田互层状盐岩蠕变特性与试验模型研究

地下盐穴储气库围岩变形机理是地质可储性的关键问题。针对平顶山盐田盐层薄、夹层多以及埋藏深等特征,分别采集了纯盐岩、互层状盐岩、泥岩夹层三种岩石试样,进行了不同应力水平下的单轴和三轴压缩蠕变试验。蠕变试验结果表明,单轴和三轴状态下三种试样的蠕变均呈现初始蠕变和稳态蠕变两个阶段,互层状盐岩的初始蠕变时间相对较长,稳态蠕变率处于盐岩和泥岩之间,其变形主要由盐岩层贡献,同时层间变形的不协调导致互层状盐岩在稳态蠕变阶段出现泥岩夹层的颈缩内陷和盐岩层的膨胀外突破坏现象。根据互层状盐岩的蠕变特征,建立起蠕变模型,并根据试验数据拟合出模型参数。分析结果表明,理论模型和试验数据吻合较好,拟合参数完全佐证了上述互层状盐岩的蠕变特殊性,为盐田安全建立地下储气库提供一定的参考依据。     

基于Burgers模型的岩石非定常蠕变模型

伯格斯（Burgers）模型适合用来描述岩石第三期以前的蠕变曲线。为了描述整个蠕变过程,可以考虑力学参数的时间效应,用非定常黏壶替换Burgers模型中的定常黏壶,给出一种非定常Burgers模型,并推导出它的蠕变柔量,实验数据拟合表明该模型能较好地反映岩石的试验曲线     

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。     

基于硬化参量的盐岩蠕变疲劳本构模型

盐岩具有较好的蠕变特性和损伤自恢复性,被公认为储能或油气储备的理想介质。对盐岩复杂力学行为进行准确表征和预测是保障盐穴地下空间利用工程安全性的基础。通过定义硬化参量等特征因子,建立了新的能够考虑复杂加卸载路径的盐岩蠕变疲劳本构模型。基于盐岩变形位错机制,引入双曲线阻尼元件,作为表征岩石硬化程度的状态变量;通过硬化参量的演化,考虑加卸载历史对盐岩变形行为的影响。借鉴经典Norton模型的应力-应变关系建立蠕变疲劳本构的基本框架关系。通过引入裂隙扩展因子,假设初始形核长度,考虑材料的断裂韧度,修正邻近破坏阶段(加速变形阶段)的应力-应变关系。该模型能够很好地预测常规蠕变、循环加卸载、下限间隔循环加卸载、梯形波蠕变循环加卸载等常见复杂加卸载路径下的塑性变形特征,且能够较好地表征恒荷载蠕变与循环加卸载之间的相互影响。新的蠕变疲劳本构模型中大部分参数具有较为明确物理意义,参数a表征盐岩稳态变形阶段应力与变形率的关系因子,参数b为确定盐岩第一阶段减速变形阶段的关系因子,参数d₀和μ_d分别表示初始裂纹形核量和裂隙扩展速率因子,共同修正模型临界破坏阶段的应力...     

盐岩蠕变相似模型及相似材料研究

相似材料模型试验是研究岩土工程的重要手段之一。基于相似理论,应用量纲分析法,推导考虑盐岩蠕变特性的相似模型,得到相关参数的相似判据,并以不同粒径的工业盐、精铁粉为骨料,环氧树脂、乙二胺为黏合剂构成相似材料,经过大量的材料配比力学试验,得到了一种基本满足金坛盐岩蠕变相似模型要求的材料配比,为开展盐岩地下油气储库建造及运营期的变形、破坏相似材料模型试验打下了坚实的基础     

深部盐岩蠕变特性研究

通过对湖北云应的盐岩和泥岩,以及江苏金坛盐岩的单轴、三轴蠕变试验结果的分析,研究了包括应力、围压等外在条件以及内部组成结构对盐岩蠕变特性的影响。发现盐岩无论在何种围压下,稳态蠕变率都随偏应力的增加而显著地增大;围压起到限制变形的作用,而随着围压增高,围压对稳态蠕变率的影响越来越小;晶粒越大和杂质含量越多,盐岩的蠕变属性越弱。盐岩的蠕变变形是应变硬化和回复效应等内部变形机制共同作用的结果,选用内应力作为内变量可用来描述这种内部微观结构的演化过程。对云应盐岩的多级加载蠕变试验数据进行拟合,确定了非线性蠕变本构方程中的参数,理论与试验结果的比较表明,两者吻合性较好。     

低频循环荷载下地基一维固结性状分析

给出了低频梯形循环荷载下单层地基一维固结解。对该循环荷载下地基固结特性、相应的影响因素以及平均固结度、有效应力随荷载的发展和变化规律进行了分析和讨论,并研究了有效应力最大和最小值随荷载的变化规律。在任一周期中,有效应力 的发展并不与荷载的变化同步,而是按一定规律滞后发展。     

川东气田盐岩、膏盐岩蠕变特性试验研究

对川东气田盐岩、膏盐岩进行了矿物组分测定,采用TAW-1000深水孔隙压力伺服试验系统进行了蠕变试验,分析了固有的矿物组分及偏应力、温度、围压对蠕变的影响,结合蠕变曲线和岩石参数,提出了稳态蠕变速率本构方程。研究表明：川东气田盐岩、膏盐岩矿物组分以NaCl、CaSO4为主,其中NaCl含量最高可达93%以上;岩石固有的矿物组分是影响岩石蠕变特性的内因,随NaCl含量增加,瞬态蠕变、稳态蠕变速率相应增大;随偏应力、温度的增加稳态蠕变速率增大,围压对其影响不大;通过试验数据拟合得出赫德（Heard）蠕变本构方程中的参数,求出不同偏应力、温度下盐岩、膏盐岩的稳态蠕变速率,为川东气田盐岩、膏盐岩地层安全钻进泥浆密度窗口计算和套管非正常变形分析提供了理论依据。     

低频周期荷载下广义Kelvin-Voigt模型特性研究

不考虑低频简谐荷载作用下材料的疲劳破坏,并假定周期应力幅值恒定,从材料流变特性的宏观角度建立了广义Kelvin-Voigt体的正弦加载蠕变模型,并对模型特性进行分析。结果表明：与相同静载应力下（与动荷载应力最大值相等）广义Kelvin-Voigt体蠕变模型相比,蠕变变化规律相似,但动载初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段的变形值小于静蠕变,且初始蠕变段经历时间比静蠕变短,此结论与相关文献试验结果相似;动载周期越大,则初始蠕变段经历时间越长,蠕变长期应变值越大。     

岩石蠕变的非定常分数伯格斯模型

型的伯格斯（Burgers）模型只能描述岩石第3期以前的蠕变规律。分数单元利用分数阶导数定义,是一种介于弹簧和黏壶的力学元件。用分数单元代替伯格斯模型中并联的黏壶,给出分数伯格斯模型。为了描述加速蠕变阶段,把分数伯格斯模型中串联的黏壶看成与时间有关的非定常参数,给出非定常分数伯格斯模型及相应的本构方程和蠕变柔量。串联的非定常黏壶关闭、开启时,模型分别适合描述前两期和包含第3期在内的蠕变规律。用模型拟合不同应力下的蠕变试验数据,都可给出较好的描述,说明非定常分数伯格斯模型能够很好地描述蠕变曲线中的初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,证明了该模型的正确性和合理性     

伯格斯模型参数调试与岩石蠕变特性颗粒流分析

岩石作为地下工程的主要研究对象,其物质组成和所赋存的复杂地质环境使其具有明显的流变特性。基于三维颗粒流程序(PFC3D),采用由开尔文模型和马克斯伟尔模型串联组成的伯格斯（Burgers）流变模型,通过控制变量法,分析了伯格斯模型中弹性系数(Em和Ek)、黏性系数(?m和?k)和摩擦因数f对瞬时强度特性和流变特性的影响;分析得出数值试样的瞬时强度特性主要受马克斯伟尔体弹性系数Em和摩擦因数f影响：弹性模量和单轴抗压强度与Em和f均呈正相关,泊松比与Em呈正相关,与f呈负相关;而流变特性与各参数均呈现负相关性。在此基础上,进行了红页岩分级增量蠕变试验的模拟,通过与室内蠕变试验结果的对比,验证了PFC3D中的伯格斯模型用于岩石蠕变试验模拟的可行性,并将该方法用于分级增量循环加卸载蠕变试验和三轴蠕变试验数值研究。该研究内容是利用离散单元法研究岩石流变特性的一种新的尝试。     

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。     

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     

周期荷载作用下盐岩声发射特征试验研究

通过改变恒幅荷载条件下的上限应力、下限应力以及加载速率等试验条件,基于声发射技术对盐岩疲劳损伤特征进行试验研究。试验发现,盐岩声发射信号出现在加载阶段和卸载初期,而砂岩声发射信号一般集中出现在上限应力处;盐岩疲劳寿命对下限的依赖程度大于砂岩;随着上限应力的增大,盐岩声发射振铃数增多。加载速率的提高会加速盐岩的疲劳破坏。通过对比声发射振铃数累计曲线和应变累计曲线,发现两者有很好的对应关系,说明二者在反映盐岩疲劳损伤时具有一致性。最后对盐岩进行3级变幅荷载试验,发现第3级声发射振铃数比相同上、下限应力的恒幅荷载条件下多,说明变幅荷载造成的盐岩损伤比恒幅荷载条件下严重。     

温度周期作用下大理岩三轴蠕变试验与理论模型研究

为了解温度周期作用对大理岩蠕变力学特性的影响,采用温度-应力-渗流耦合的岩石力学三轴流变试验系统对大理岩进行了不同温度及温度周期变化下三轴压缩蠕变试验。基于试验结果,研究了大理岩试样在不同温度及温度周期变化下轴向应变随时间的变化规律,分析了不同温度及温度周期变化下蠕变的变形机制,掌握了温度对大理岩三轴蠕变影响的基本规律,并且建立了考虑温度及温度周期变化影响的改进的Burgers模型。理论值与试验结果非常接近,表明考虑温度及温度周期变化的改进Burgers模型适合描述大理岩的黏弹性蠕变特征。为长期暴露于外部环境下的岩质边坡的长期稳定性分析提供了重要的参考依据。