巖鹽蠕變的試驗(yàn)研究?

張?zhí)觳?，萬 玲

(1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044；2.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院,重慶 400044；3.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 重慶 400044)

巖鹽蠕變的試驗(yàn)研究?

張?zhí)觳?，3，萬 玲1，2

(1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044；2.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院,重慶 400044；3.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 重慶 400044)

對(duì)巖鹽進(jìn)行了單軸和三軸蠕變?cè)囼?yàn)研究，試驗(yàn)中考慮軸壓和圍壓對(duì)蠕變的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著圍壓的增大，鹽巖的抗壓強(qiáng)度增大；巖鹽蠕變存在一定的應(yīng)力閾值，低于此閾值不會(huì)發(fā)生明顯蠕變現(xiàn)象；當(dāng)圍壓一定時(shí)，軸壓越大，巖鹽完成蠕變?nèi)齻€(gè)階段需要的時(shí)間越短，穩(wěn)定蠕變率越大，達(dá)到破壞時(shí)變形越大；通過記錄巖鹽破壞過程的聲發(fā)射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力峰值階段聲發(fā)射現(xiàn)象最強(qiáng)烈，聲發(fā)射現(xiàn)象反映了巖鹽的微觀裂紋破壞。

蠕變；聲發(fā)射；巖鹽

0 引 言

工程實(shí)踐中,礦井巷道的變形、邊坡失穩(wěn)、地面沉降等流變現(xiàn)象給巖土工程造成了不利影響[1-2]。為了確保巖土工程的長(zhǎng)期安全,避免造成經(jīng)濟(jì)損失,許多專家和學(xué)者對(duì)巖土流變進(jìn)行了研究,萬玲對(duì)泥巖蠕變性質(zhì)進(jìn)行了研究并構(gòu)建本構(gòu)模型對(duì)蠕變過程進(jìn)行模擬[3]；陳宗基對(duì)宜昌砂巖進(jìn)行大量蠕變?cè)囼?yàn),分析“封閉”應(yīng)力對(duì)蠕變過程的影響以及流變過程中的擴(kuò)容現(xiàn)象[4]；徐平對(duì)長(zhǎng)江三峽的花崗巖進(jìn)行蠕變性質(zhì)研究,為三峽工程提供理論依據(jù)[5]；鄧榮貴突破傳統(tǒng)牛頓流體介質(zhì)概念,提出新的巖石流變模型,可以分析各類巖石流變特征[6]；尹光志對(duì)重慶松藻煤礦含瓦斯煤巖進(jìn)行三軸蠕變?cè)囼?yàn),發(fā)現(xiàn)該類巖石有典型的蠕變規(guī)律,并通過西原正夫模型構(gòu)造了新的三維應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變方程[7]。

巖鹽具有良好的隔水性和密封性,易溶于水,力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,損傷自我恢復(fù)能力強(qiáng),更加適應(yīng)地下壓力變化,研究巖鹽流變性質(zhì)對(duì)硐室儲(chǔ)庫(kù)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定有重要意義[8-10]。雖然已有學(xué)者做過巖鹽力學(xué)性質(zhì)的研究,但由于巖石的力學(xué)性質(zhì)往往因地制宜,離散型較大,且關(guān)于巖鹽加速蠕變階段的研究尚有缺陷,本文針對(duì)喜馬拉雅山區(qū)巖鹽,進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究,分析不同應(yīng)力條件下巖鹽的壓縮和蠕變性質(zhì),并監(jiān)測(cè)了巖鹽破壞過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象,以探尋巖鹽破壞過程的微觀能量解釋。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)裝置

壓縮試驗(yàn)采用AG-I250KN型精密電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,其具有多樣加載方式、測(cè)試性能穩(wěn)定精確度高等特點(diǎn)。聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)使用12CHs聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng),試驗(yàn)中設(shè)定聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)主放為40 dB,門檻值為45 dB,傳感器諧振頻率為20～400 kHz,采樣頻率為1X106次/s。

蠕變?cè)囼?yàn)采用重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的RLW-2000 M三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行。該試驗(yàn)裝置用于研究煤巖和巖石在多種環(huán)境下的物理力學(xué)特性,可完成單軸壓縮、三軸壓縮試驗(yàn)、滲流試驗(yàn)、蠕變實(shí)驗(yàn)、松弛實(shí)驗(yàn)以及循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)等。試驗(yàn)機(jī)軸壓和圍壓采用油壓控制方式,軸向最大載荷為2000 kN,有效測(cè)力范圍為10～2000 kN,測(cè)力分辨率為20 N,最大圍壓為60 MPa,溫度控制范圍為室溫～120℃。

1.2 試 件

本試驗(yàn)所用巖石試件取自喜馬拉雅山區(qū)較深埋深的天然鹽巖,NaCl含量90%以上,其他成分為K2CO3和泥質(zhì)。鹽巖樣本加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱形試件和50 mm×50 mm×10 mm的長(zhǎng)方體試件,精度控制在0.01mm范圍；為了防治試件吸水遇熱融化,加工好的試件用塑料薄膜密封儲(chǔ)存。鹽巖試件初始狀態(tài)呈現(xiàn)暗紅色,質(zhì)密,表面光滑,如圖1所示。鹽巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 試驗(yàn)條件

(1)巖鹽壓縮試驗(yàn)。巖鹽壓縮試驗(yàn)測(cè)定了圍壓為0 MPa和3 MPa時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度,為了防止試驗(yàn)結(jié)果的離散性,同一試驗(yàn)條件進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)。

圖1 巖鹽試件

表1 巖鹽的常規(guī)物理力學(xué)參數(shù)

(2)巖鹽蠕變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)條件是圍壓取0 MPa 和3 MPa兩個(gè)應(yīng)力水平對(duì)比。在圍壓為0 MPa時(shí),取軸壓15,18,21 MPa 3個(gè)應(yīng)力水平；圍壓為3 MPa 時(shí),取軸壓21,33,45 MPa 3個(gè)應(yīng)力水平。為了防止試驗(yàn)結(jié)果的離散型,同一試驗(yàn)條件進(jìn)行了5次重復(fù)試驗(yàn),以試件開始蠕變開始計(jì)算試驗(yàn)時(shí)間。

(3)巖鹽聲發(fā)射試驗(yàn)。選取沒有明顯裂紋、雜質(zhì)少的巖鹽試件,為了方便聲發(fā)射探頭的安裝,聲發(fā)射試驗(yàn)選擇50 mm×50 mm×100 mm的長(zhǎng)方體巖鹽試件。巖鹽受力失穩(wěn)破壞產(chǎn)生損傷,受力的大小、溫度、濕度、應(yīng)變速率等因素的影響,本實(shí)驗(yàn)探究巖鹽在不同變形速率下聲發(fā)射現(xiàn)象的規(guī)律,試圖從微觀能量角度解釋巖鹽破壞的本質(zhì)。試驗(yàn)方案為在對(duì)巖鹽進(jìn)行單軸壓縮的同時(shí)收集聲發(fā)射現(xiàn)象,共進(jìn)行3組試驗(yàn),試件受力后應(yīng)變率分別為1×10-3/s、1× 10-4/s、1×10-5/s,每種條件進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2所示為巖鹽試件在不同圍壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖,從圖中可知,雖然試件應(yīng)力條件不同,但其應(yīng)力應(yīng)變曲線的規(guī)律基本一致,表現(xiàn)為4個(gè)階段:裂隙壓密階段,彈性變形階段,塑性變形裂紋擴(kuò)展階段,破壞后階段。從試驗(yàn)結(jié)果可知,圍壓越大,巖鹽的抗壓強(qiáng)度越大,應(yīng)力峰值產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)黾?圍壓對(duì)巖鹽抗壓強(qiáng)度的影響很大。這種現(xiàn)象與巖鹽的物質(zhì)組成有關(guān),試驗(yàn)所用巖鹽的主要成分NaCl以結(jié)晶形式結(jié)合,受力后晶粒面滑動(dòng),填充晶粒間的空隙,宏觀上就表現(xiàn)為產(chǎn)生變形。當(dāng)有圍壓存在時(shí),圍壓限制了晶粒的徑向滑動(dòng),一方面導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度增加,另一方面導(dǎo)致軸向晶粒位移增大,宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)力峰值軸向應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

圖2 不同圍壓下巖鹽抗壓強(qiáng)度

3.2 蠕變?cè)囼?yàn)試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3和圖4所示為巖鹽在單軸和三軸應(yīng)力條件下的蠕變曲線圖,根據(jù)蠕變應(yīng)變速率可將蠕變過程分成3個(gè)階段:減速蠕變階段,穩(wěn)定蠕變階段,加速蠕變階段。

圖3 巖鹽單軸蠕變曲線

(1)軸壓對(duì)蠕變的影響。當(dāng)圍壓一定時(shí),軸壓越大,試件平均蠕變速率越大,完成蠕變階段的時(shí)間越短,穩(wěn)定蠕變階段蠕變率越大,達(dá)到破壞時(shí)變形越大；產(chǎn)生加速蠕變階段有一定的軸向應(yīng)力閾值,低于此閾值不會(huì)出現(xiàn)加速蠕變階段,當(dāng)圍壓3 MPa、軸壓21 MPa時(shí),試件進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段后變形非常緩慢,即使經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)也不會(huì)出現(xiàn)加速蠕變階段。

圖4 圍壓為3 MPa時(shí)，不同軸壓下巖鹽的蠕變曲線

(2)圍壓對(duì)蠕變的影響。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,軸壓相同時(shí),增加圍壓,試件蠕變平均速率減慢,甚至有可能不會(huì)出現(xiàn)加速蠕變階段,試件壽命增加,破壞時(shí)試件變形量增大,圍壓增加了材料的延展性。

(3)巖鹽特性對(duì)蠕變的影響。根據(jù)結(jié)果分析,巖鹽完成蠕變階段的時(shí)間長(zhǎng),產(chǎn)生的軸向應(yīng)變大,在圍壓3 MPa、軸壓45 MPa時(shí)軸向應(yīng)變接近9%。這主要是因?yàn)樵囼?yàn)所用巖鹽試件純度較高(NaCl含量大于90%),NaCl結(jié)晶產(chǎn)生了規(guī)律的空隙,加上巖鹽延性強(qiáng),產(chǎn)生較大變形后不會(huì)破壞,說明試驗(yàn)所用巖鹽的塑性大。

進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,根據(jù)蠕變曲線計(jì)算巖鹽的穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變率,單軸蠕變?cè)囼?yàn)3種條件下的穩(wěn)態(tài)蠕變率依次為0.988×10-4/h、1.313×10-4/ h、1.87×10-4/h,圍壓為3 MPa時(shí)巖鹽蠕變?cè)囼?yàn)3種條件下的穩(wěn)態(tài)蠕變率依次為0.547×10-4/h、1.676× 10-4/h、2.371×10-4/h,計(jì)算結(jié)果表明,在圍壓一定的情況下,軸向應(yīng)力越大,試件蠕變時(shí)的穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變率越大,這是由于晶粒在更大應(yīng)力作用下移動(dòng)速度增加。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同樣可以得到巖鹽蠕變過程各階段各個(gè)時(shí)刻的應(yīng)變速率,如圖5和圖6所示,可以看出巖鹽蠕變應(yīng)變率是非線性的,在減速蠕變階段和加速蠕變階段應(yīng)變率在短時(shí)間內(nèi)減小和增加,經(jīng)歷時(shí)間短,而穩(wěn)定蠕變階段占了巖鹽蠕變3階段的主要時(shí)間。

3.3 聲發(fā)射試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果及分析

表2是加聲發(fā)射條件下巖鹽在不同應(yīng)變率下的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果,圖7是巖鹽應(yīng)力應(yīng)變圖和聲發(fā)射現(xiàn)象的關(guān)系圖。分析圖、表可以得到以下結(jié)論:

(1)巖鹽壓縮試驗(yàn)中,加載速率對(duì)巖鹽的抗壓強(qiáng)度有影響,當(dāng)加載速度緩慢時(shí)巖鹽的單軸抗壓強(qiáng)度稍微降低。這是因?yàn)閹r石在長(zhǎng)期流變過程中抗壓強(qiáng)度降低,瞬時(shí)抗壓強(qiáng)度比長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度高。

(2)巖鹽壓縮試驗(yàn)中,加載速率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有影響,不論以何種速度加載,巖鹽在受壓破壞過程都要經(jīng)歷4個(gè)階段:孔隙裂隙壓密階段、彈性變形階段、非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段階段和破裂后階段。

圖5 巖鹽單軸蠕變應(yīng)變率與時(shí)間的關(guān)系

圖6 巖鹽三軸蠕變應(yīng)變率與時(shí)間的關(guān)系

表2 巖鹽在不同應(yīng)變率下的試驗(yàn)結(jié)果

(3)巖鹽壓縮過程始終伴隨著聲發(fā)射現(xiàn)象,AE數(shù)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性:在應(yīng)力峰值處AE數(shù)往往達(dá)到峰值,巖鹽在內(nèi)部遭到破壞時(shí)釋放出最大能量；在試驗(yàn)的最初階段,如果加載速率過低,短時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象,這個(gè)階段巖鹽內(nèi)部的裂隙空隙沒有閉合完成,沒有新的裂隙產(chǎn)生,不會(huì)釋放應(yīng)力波,從而不能產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象；在到達(dá)屈服點(diǎn)之前的彈性變形階段,AE數(shù)呈規(guī)律性上升趨勢(shì),這個(gè)階段微裂紋不斷發(fā)展,不斷釋放應(yīng)力波；在破壞后階段仍然存在聲發(fā)射現(xiàn)象,當(dāng)加載速度快時(shí),破壞后階段的AE數(shù)仍處于高位,高應(yīng)變率條件下,巖鹽承載能力達(dá)到峰值強(qiáng)度后,會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)宏觀裂面,宏觀裂面塊體滑移,這些宏觀運(yùn)動(dòng)同樣會(huì)產(chǎn)生大量應(yīng)力波；而在低應(yīng)變率條件下,這種現(xiàn)象有所減弱。

圖7 巖鹽壓縮過程中，聲發(fā)射數(shù)、應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系

4 結(jié) 論

巖鹽的力學(xué)特性受應(yīng)力水平和應(yīng)變速率因素的影響,并且不同地區(qū)巖鹽的力學(xué)參數(shù)也不盡相同,離散型較大。在試驗(yàn)過程中,巖鹽即表現(xiàn)出巖石類材料共有的力學(xué)性質(zhì),又展現(xiàn)出其力學(xué)特性,通過宏觀和微觀試驗(yàn)的結(jié)合,即探究了巖鹽的宏觀力學(xué)特性,又從細(xì)觀上分析了巖鹽受力破壞過程微運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量變化規(guī)律,并根據(jù)巖鹽的組成成分和結(jié)構(gòu)形式,得到了巖鹽壓縮破壞和蠕變的內(nèi)在機(jī)制,為該地區(qū)的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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2015-02-09)

張?zhí)觳?1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閹r石蠕變，Email:cai419＠outlook.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11372363).