不同應(yīng)變率下的鹽巖損傷聲發(fā)射時空演化

王偉超，劉希亮，張五交

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454003;2.中國平煤神馬集團(tuán)許昌首山焦化有限責(zé)任公司，河南許昌 461700)

鹽巖由于具有良好的密封性、低滲透率，成為能源戰(zhàn)略地下儲氣(油)庫的理想介質(zhì).早在上世紀(jì)70年代，由于鹽腔油氣儲庫以及核廢料地下處置庫(著名的WIPP)的建造，國外(主要以美國、德國為主)學(xué)者已經(jīng)針對鹽巖力學(xué)特性進(jìn)行了深入研究［1］.

我國鹽巖層情況與國外鹽丘不同，國內(nèi)外科研工作者［2-3］在巖石應(yīng)變率效應(yīng)方面進(jìn)行不少研究.紀(jì)文棟等［4］對鹽巖進(jìn)行不同圍壓及不同應(yīng)變率下的三軸壓縮強(qiáng)度與變形特性的試驗(yàn)研究.Liang W.G.等［1］對鹽巖力學(xué)特性的應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)腔壁應(yīng)變率為10-5～10-3s-1時，可以保證儲氣庫腔體的安全穩(wěn)定運(yùn)營.謝和平等［5］基于能量耗散理論研究了在循環(huán)壓縮載荷作用時，不同加載速度及不同水平荷載下巖體的損傷演化規(guī)律.劉建鋒等［6］對三軸應(yīng)力狀態(tài)下鹽巖強(qiáng)度進(jìn)行研究，對比分析工程應(yīng)變和對數(shù)應(yīng)變適用條件，研究了鹽巖大變形特性及對不同圍壓條件下的軸向應(yīng)變修正.陳結(jié)等［7］利用聲發(fā)射技術(shù)研究鹽巖單軸壓縮破壞過程，發(fā)現(xiàn)鹵水浸泡后鹽巖聲發(fā)射累計計數(shù)隨鹵水溫度的升高而略有增加.劉偉等［8］建立了基于復(fù)合巖體理論的層狀鹽巖交接界面的應(yīng)力表達(dá)式.周喻等［9］以顆粒流理論和PFC程序?yàn)槠脚_，根據(jù)矩張量理論建立細(xì)觀尺度上巖石聲發(fā)射模擬方法，模擬了巖石破裂過程中的聲發(fā)射特性.然而，目前有關(guān)不同應(yīng)變率條件下鹽巖的損傷及其聲發(fā)射時空演化規(guī)律［10］的研究較少.

為此，本研究利用聲發(fā)射定位技術(shù)，通過對巴基斯坦深部鹽巖進(jìn)行不同應(yīng)變率下的單軸壓縮試驗(yàn)，利用FFT變換進(jìn)行頻譜分析，并對全波形噪聲進(jìn)行濾波分析，研究鹽巖強(qiáng)度、變形、損傷演化、聲發(fā)射特征與應(yīng)變率之間的關(guān)系，以期為鹽巖儲庫設(shè)計及安全穩(wěn)定運(yùn)營提供參考和借鑒.

1 試驗(yàn)

1.1 條件

設(shè)備:中科院武漢巖土所研制的RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)時記錄荷載和變形;北京某科技公司生產(chǎn)的DS2系列全信息聲發(fā)射信號分析儀，本次試驗(yàn)前置放大器固定增益為40 dB，設(shè)置雙向門限100 mV，聲發(fā)射采樣速率為10 MHz，整個試驗(yàn)過程采用連續(xù)存儲.試驗(yàn)裝置如圖1a所示.

試樣:取自巴基斯坦，為深部、結(jié)構(gòu)致密、高純度鹽巖，其中可溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%以上(可溶物主要為NaCl).鹽巖試樣通過干式鋸磨法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試樣的切割，試件加工均嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行.鹽巖試件為長方體(見圖1b)，具體尺寸見表1.

圖1 試驗(yàn)裝置及試件樣品

表1 不同應(yīng)變率下試驗(yàn)結(jié)果

1.2 方案設(shè)計

為保證試件巖性的穩(wěn)定可靠，選擇顏色一致、雜質(zhì)成分相近、無明顯裂紋的鹽巖塊進(jìn)行加工，保證同一巖塊加工試件分為一組.試件上、下兩端面平行度控制在±0.03 mm內(nèi)，以減小端部效應(yīng)(見圖1b).

本試驗(yàn)使用8個傳感器，傳感器位置如圖2所示.為保證傳感器與試件的耦合效果，接觸位置涂用專用耦合劑.設(shè)計3種荷載加載方案，應(yīng)變率分別為ε1=2×10-3s-1，ε2=2×10-4s-1和ε3=2×10-5s-1.加載過程中同步監(jiān)測全過程聲發(fā)射信號，并利用系統(tǒng)自帶算法進(jìn)行定位.

圖2 傳感器位置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同應(yīng)變率下鹽巖的強(qiáng)度和變形

室溫條件下，采用位移控制，由于鹽巖試樣較難獲取，試件難于加工，故每種應(yīng)變率試驗(yàn)只做2次，反映鹽巖不同應(yīng)變率效應(yīng)下的損傷演化規(guī)律.全部試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3.

圖3 不同加載應(yīng)變率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變率對鹽巖單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變演化過程的影響主要體現(xiàn)在彈性、塑性和破壞3個階段.本研究中應(yīng)變率的增加對鹽巖的極限強(qiáng)度影響不大，沒有出現(xiàn)類似脆性巖石極限強(qiáng)度隨應(yīng)變率提高而增大的情況，其原因與本研究采用的應(yīng)變率范圍較小有一定關(guān)系，在動荷載作用下，仍需要作出相關(guān)針對性研究.應(yīng)變率對鹽巖峰值應(yīng)變的影響較為明顯，當(dāng)鹽巖在低應(yīng)變率加載時，峰值應(yīng)變較大;鹽巖在高應(yīng)變率加載時，峰值應(yīng)變較小，峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率變化的擬合曲線如圖4所示.

圖4 試件峰值應(yīng)變與加載應(yīng)變率擬合曲線

由圖4可知，鹽巖塑性應(yīng)變在低加載應(yīng)變率時較大，在高加載應(yīng)變率時較小.在峰值強(qiáng)度前后，加載應(yīng)變率越小，塑性變形特征越明顯.如，ε3=2×10-5s-1時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯波動.鹽巖峰值錐度隨加載速率減小而降低.本試驗(yàn)中未觀察到文獻(xiàn)［1］中應(yīng)力-應(yīng)變曲線屈服-破壞階段呈現(xiàn)“梳齒”狀的現(xiàn)象，這與采集的鹽巖樣本不同有一定關(guān)系.

2.2 鹽巖損傷過程的AE時空演化

在荷載作用下聲發(fā)射事件的產(chǎn)生，主要與鹽巖裂紋的萌生、擴(kuò)展、斷裂有關(guān).但是，由于鹽巖屬軟巖，強(qiáng)度較低，ε1=2×10-3s-1加載時間很短，整個加載過程定位點(diǎn)較少，因此，重點(diǎn)以試件BJD7-2和BJD5-2為例，分析在 ε3=2×10-5s-1和 ε2=2×10-4s-1加載率下的損傷演化過程.圖5為鹽巖單軸壓縮過程中聲發(fā)射定位點(diǎn)空間演化.圖6為鹽巖試件應(yīng)力-時間曲線.

圖5 鹽巖單軸壓縮過程中聲發(fā)射定位空間演化

圖6 鹽巖試件應(yīng)力-時間曲線

結(jié)合圖 3，5，6 可知:

1)ε3=2×10-5s-1時，BJD7-2在加載初期經(jīng)歷了極短的壓密過程，該階段在試件中下部檢測到極少量定位點(diǎn)，說明該階段應(yīng)力非常小，對于試件基本沒有產(chǎn)生損傷;隨著加載應(yīng)力增加，當(dāng)t=100 s左右時，進(jìn)入彈性階段，持續(xù)約400 s后彈性階段結(jié)束，此階段相對塑性階段時間較短，定位點(diǎn)在試件中上部產(chǎn)生，并逐步增加，此階段定位點(diǎn)數(shù)量接近于線性增加，與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性階段相對應(yīng)，表明鹽巖在彈性階段承受荷載時，試件損傷萌生微裂紋，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象;當(dāng)t=500 s左右時，進(jìn)入塑性階段，此階段比彈性階段時間長.在塑性階段初期，t=500～1 000 s時，聲發(fā)射定位點(diǎn)在試件中上部大量快速增加;t=1 000～1 500 s時，定位點(diǎn)出現(xiàn)在試件中上部，定位點(diǎn)繼續(xù)快速增加，說明此時試件內(nèi)部微裂紋逐步擴(kuò)展.在塑性階段中期，隨著應(yīng)力的逐步加大，定位點(diǎn)產(chǎn)生速度放緩，t=1 500～2 500 s時，定位點(diǎn)增加總數(shù)量逐步增多，增加速度逐步減小，但定位點(diǎn)產(chǎn)生仍然有聚集趨勢，說明此時內(nèi)部微裂紋逐步成核.在塑性階段后期，t=2 500～3 000 s時，定位點(diǎn)增加數(shù)量明顯低于初期，增加速度逐步減小，說明此時內(nèi)部微裂紋成核后，主裂紋逐步形成.當(dāng)t=3 000 s時，進(jìn)入破壞階段，此階段定位點(diǎn)空間位置更加聚集，定位點(diǎn)增加速度繼續(xù)降低，說明主裂紋已經(jīng)形成，并逐步擴(kuò)展、貫通破壞.

2)ε2=2×10-4s-1時，BJD5-2在加載初期經(jīng)歷了較短的壓密和彈性階段，當(dāng)t=20 s時，彈性階段結(jié)束，在此過程中，定位點(diǎn)在試件中上部產(chǎn)生，并逐步增加.進(jìn)入塑性階段后，在塑性階段初期，t=20～100 s時，聲發(fā)射定位點(diǎn)在試件中上部大量快速增加.在塑性階段中期，隨應(yīng)力逐步加大，定位點(diǎn)增加速度放緩，t=250～310 s時，定位點(diǎn)增加速度逐步減小，定位點(diǎn)增加的數(shù)量明顯低于塑性階段初期，增加速度逐步減小，說明此時內(nèi)部微裂紋主裂紋逐步形成.

圖7為定位點(diǎn)累計一時間曲線.由圖7可知，定位點(diǎn)累計數(shù)隨時間增加速度逐步減小.當(dāng)t=320 s時，進(jìn)入破壞階段，此階段定位點(diǎn)更加聚集，定位點(diǎn)增加速度繼續(xù)降低，說明主裂紋已經(jīng)形成，并逐步擴(kuò)展、貫通破壞.

圖7 BJD5-2定位點(diǎn)累計數(shù)-時間變化曲線

3)由圖5可知，鹽巖在2種不同應(yīng)變率下的損傷AE時空演化趨勢大致相同:都經(jīng)歷很短暫的壓密階段，有極少量定位點(diǎn)出現(xiàn);彈性階段時間也相對較短，此過程定位點(diǎn)基本成線性增加，與應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性階段相吻合;塑性階段經(jīng)歷時間相對較長，初期定位點(diǎn)快速增加，中后期定位點(diǎn)增加速度逐步減小;在破壞階段，應(yīng)力雖然降低，但仍有相當(dāng)數(shù)量定位點(diǎn)出現(xiàn).在整個過程中，出現(xiàn)了在塑性階段初期定位點(diǎn)增加快速，而在峰值應(yīng)力時，定位點(diǎn)數(shù)量并沒有最多的現(xiàn)象.這是因?yàn)樵谒苄噪A段初期，鹽巖受荷載作用，內(nèi)部損傷，大量微裂紋開始隨機(jī)無序萌生;在峰值應(yīng)力時，主裂紋基本形成，AE定位點(diǎn)向主裂紋附近聚集，此時AE主要由裂紋的擴(kuò)展、貫通產(chǎn)生，數(shù)量較少，但振幅和能量較大.

3 結(jié)論

1)不同加載應(yīng)變率下，鹽巖經(jīng)歷壓密和彈性階段時間都很短.在彈性階段，定位點(diǎn)數(shù)量線性增長，表明鹽巖此時內(nèi)部已經(jīng)開始損傷并產(chǎn)生微裂紋.塑性階段初期的定位點(diǎn)快速增加，中后期定位點(diǎn)增加速度逐步減小.在破壞階段，應(yīng)力雖然降低，但仍有相當(dāng)數(shù)量定位點(diǎn)出現(xiàn).

2)應(yīng)變率對鹽巖的損傷有較大影響，應(yīng)變率越大，定位點(diǎn)數(shù)量越少，單次AE幅值和能量越高;應(yīng)變率越小，定位點(diǎn)數(shù)量越大，單次AE幅值和能量越低.

3)在本試驗(yàn)的應(yīng)變率范圍內(nèi)，應(yīng)變率對單軸壓縮鹽巖的極限強(qiáng)度影響不大，未出現(xiàn)類似脆性巖石的極限強(qiáng)度隨應(yīng)變率提高而增大的情況.尤其在圍壓作用下，應(yīng)變率對極限強(qiáng)度影響仍需要作針對性的研究.

4)在低加載應(yīng)變率時鹽巖塑性應(yīng)變較大，在高加載應(yīng)變率時較小.在峰值強(qiáng)度前后，加載應(yīng)變率越小，塑性變形特征越明顯.

References)

［1］Liang W G，Zhao Y S，Xu S G，et al.Effect of strain rate on the mechanical properties of salt rock［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2011，48(1):161-167.

［2］胡 波，王思敬，劉曉麗，等.共面斷續(xù)節(jié)理巖體直剪強(qiáng)度特性模型［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，33(5):601-605.

Hu Bo，Wang Sijing，Liu Xiaoli，et al.Direct shear strength model of rock mass with coplanar intermittent joints［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2012，33(5):601-605.(in Chinese)

［3］苗勝軍，楊志軍，龍 超，等.混合花崗巖加載細(xì)觀力學(xué)特性及破裂演化規(guī)律［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，33(4):469-473.

Miao Shengjun，Yang Zhijun，Long Chao，et al.Micromechanical characteristics and cracks revolution laws of migmatitic granite under different loading conditions［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2012，33(4):469-473.(in Chinese)

［4］紀(jì)文棟，楊春和，姚院峰，等.應(yīng)變加載速率對鹽巖力學(xué)性能的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(12):2507-2513.

Ji Wendong，Yang Chunhe，Yao Yuanfeng，et al.Effects of loading strain rate on mechanical performances of salt rock［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(12):2507-2513.(in Chinese)

［5］謝和平，鞠 楊，黎立云，等.巖體變形破壞過程的能量機(jī)制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(9):1729-1736.

Xie Heping，Ju Yang，Li Liyun，et al.Energy mechanism of deformation and failure of rock masses［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(9):1729-1736.(in Chinese)

［6］劉建鋒，邊 宇，鄭得文，等.三軸應(yīng)力狀態(tài)下鹽巖強(qiáng)度分析探討［J］. 巖土力學(xué)，2014，35(4):919-925.

Liu Jianfeng，Bian Yu，Zheng Dewen，et al.Discussion on strength analysis of salt rock under triaxial compressive stress［J］.Rock and Soil Mechanics，2014，35(4):919-925.(in Chinese)

［7］陳 結(jié)，姜德義，邱華富，等.鹵水浸泡后鹽巖聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2013，34(7):1937-1942.

Chen Jie，Jiang Deyi，Qiu Huafu，et al.Study of acoustic emission character of salt rock soaked in brine［J］.Rock and Soil Mechanics，2013，34(7):1937-1942.(in Chinese)

［8］劉 偉，李銀平，霍永勝，等.鹽巖地下儲庫圍巖界面變形與破損特性分析［J］.巖土力學(xué)，2013，34(6):1621-1628.

Liu Wei，Li Yinping，Huo Yongsheng，et al.Analysis of deformation and fracture characteristics of wall rock interface of underground storage caverns in salt rock formation［J］.Rock and Soil Mechanics，2013，34(6):1621-1628.(in Chinese)

［9］周 喻，吳順川，許學(xué)良，等.巖石破裂過程中聲發(fā)射特性的顆粒流分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32(5):951-959.

Zhou Yu，Wu Shunchuan，Xu Xueliang，et al.Particle flow analysis of acoustic emission characteristics during rock failure process［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(5):951-959.(in Chinese)

［10］艾 婷，張 茹，劉建鋒，等.三軸壓縮煤巖破裂過程中聲發(fā)射時空演化規(guī)律［J］.煤炭學(xué)報，2011，36(12):2048-2057.

Ai Ting，Zhang Ru，Liu Jianfeng，et al.Space-time evolution rules of acoustic emission locations under triaxial compression［J］.Journal of China Coal Society，2011，36(12):2048-2057.(in Chinese)