實(shí)內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定鹽巖穩(wěn)態(tài)蠕變率新方法

陶思敏

(四川大學(xué) 四川 成都 610065)

鹽巖由于其極低的滲透率、良好的蠕變性能與損傷恢復(fù)特性，成為國(guó)際上公認(rèn)的能源儲(chǔ)存和核廢料處置的理想介質(zhì)，對(duì)其力學(xué)特性的研究日益受到重視。鹽巖地下儲(chǔ)庫(kù)在國(guó)外建造與運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn)表明，鹽巖地下儲(chǔ)庫(kù)在長(zhǎng)期服務(wù)年限內(nèi)，常發(fā)生儲(chǔ)庫(kù)失穩(wěn)、圍巖變形大、有效容積率喪失嚴(yán)重等不利情形，其根本原因除儲(chǔ)庫(kù)壓力波動(dòng)、頂板蓋層垮塌之外，還與鹽巖自身的蠕變特性密切相關(guān)，因此對(duì)鹽巖蠕變特性的研究是一個(gè)十分重要的課題。

然而，一般工程現(xiàn)場(chǎng)的鹽巖，大多處于較低偏應(yīng)力作用下，其穩(wěn)態(tài)蠕變率很低且難以測(cè)得，鹽巖完全進(jìn)入二期蠕變所需時(shí)間為1到10年[1]；而室內(nèi)常規(guī)三軸蠕變?cè)囼?yàn)中，鹽巖完全進(jìn)入二期蠕變也需要1年以上的時(shí)間。由于實(shí)驗(yàn)室時(shí)間條件限制，以及在多級(jí)加載試驗(yàn)中，由于每一級(jí)加載產(chǎn)生的新的瞬時(shí)蠕變，過(guò)去試驗(yàn)得到的二期穩(wěn)態(tài)蠕變率往往遠(yuǎn)高于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值。故如何通過(guò)試驗(yàn)在合理時(shí)間內(nèi)獲得可靠的穩(wěn)態(tài)蠕變率，成為了亟待解決的難題。為此，本文提出創(chuàng)新而便捷的蠕變?cè)囼?yàn)方法，在適當(dāng)升溫的情況下，對(duì)層狀鹽巖進(jìn)行兩階段加卸載的三軸蠕變實(shí)驗(yàn)研究以及理論分析，從而使得真實(shí)的穩(wěn)態(tài)蠕變率在合理時(shí)間內(nèi)獲得可靠估計(jì)，為層狀鹽巖中儲(chǔ)存庫(kù)的建設(shè)、設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供依據(jù)。

一、試驗(yàn)原理

在適度的高有效應(yīng)力下，溫度在0到200℃之間，位錯(cuò)蠕變?cè)邴}巖內(nèi)部是主導(dǎo)變形機(jī)制[2]。在這種沒(méi)有微裂紋和剪脹的機(jī)制下多晶鹽巖能產(chǎn)生大應(yīng)變變形。也有其他晶體間和晶體內(nèi)的蠕變機(jī)制可能影響總?cè)渥兟?。特別是，如果存在大量鹽水，流體輔助晶界遷移可以產(chǎn)生顯著的蠕變變形。根據(jù)不同的粒度分布，通過(guò)這種機(jī)制的蠕變，稱(chēng)為壓溶蠕變，可以和位錯(cuò)蠕變相當(dāng)，尤其是在低于10MPa的壓力下。然而，在巖鹽樣品的含水量較低時(shí)(0.05wt%)，這種機(jī)制就不明顯了。為了研究實(shí)驗(yàn)室中的蠕變行為，進(jìn)行恒定荷載的長(zhǎng)期試驗(yàn)。所觀察到的蠕變包含一期(瞬態(tài))蠕變階段和二期(穩(wěn)態(tài))蠕變階段。一期(瞬態(tài))蠕變的特點(diǎn)是最初的高蠕變率，但隨著變形的增加，蠕變速率逐漸減小直到變?yōu)槌?shù)，此時(shí)達(dá)到二期穩(wěn)態(tài)蠕變階段。如果施加的應(yīng)力超過(guò)擴(kuò)容邊界，其后的特點(diǎn)是微裂紋的發(fā)生，開(kāi)始發(fā)生損傷并積累，蠕變率會(huì)在某個(gè)時(shí)刻再次上升(三期蠕變)，直到發(fā)生蠕變破壞。如果應(yīng)力低于剪脹(擴(kuò)容)邊界，二期蠕變基本上可以無(wú)限期繼續(xù)下去。構(gòu)成位錯(cuò)蠕變的基礎(chǔ)是晶格位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。最初，一定數(shù)量的位錯(cuò)存在從而導(dǎo)致高初始蠕變率。隨著變形的增加，然而新的位錯(cuò)產(chǎn)生阻礙了彼此的流動(dòng)性，變形率降低(或者說(shuō)需要來(lái)維持給定蠕變速率的應(yīng)力增加)。這種硬化的過(guò)程，另一方面，是由位錯(cuò)湮滅抵消產(chǎn)生，這一過(guò)程稱(chēng)為恢復(fù)。當(dāng)創(chuàng)造和湮滅的位錯(cuò)率彼此接近，微觀位錯(cuò)密度達(dá)到平衡發(fā)展，從而宏觀蠕變率成為常數(shù)，那么即達(dá)到了穩(wěn)態(tài)蠕變階段。因此，硬化與位錯(cuò)密度相關(guān)，而這又取決于施加的應(yīng)力。這意味著我們通過(guò)卸載降低應(yīng)力后，位錯(cuò)密度高于平衡值，即材料過(guò)度硬化。接下來(lái)蠕變以一個(gè)非常低的速率開(kāi)始逐漸增加，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)蠕變率，這種效應(yīng)稱(chēng)為逆瞬態(tài)蠕變。最后，三期蠕變是由結(jié)晶內(nèi)的裂縫或裂紋(如損壞)造成，這與體積增加(擴(kuò)容)產(chǎn)生聯(lián)系。損傷只在壓力超過(guò)擴(kuò)容邊界時(shí)發(fā)生，如果累積損傷達(dá)到臨界值，將發(fā)生三期蠕變和最終蠕變破壞。

二、改進(jìn)的室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)新方法

在應(yīng)力狀態(tài)不是太大的情況下，長(zhǎng)期的過(guò)程中，瞬態(tài)蠕變消失，鹽巖的蠕變過(guò)程由穩(wěn)態(tài)蠕變階段占主導(dǎo)。在室溫下，40天之后穩(wěn)態(tài)蠕變尚未達(dá)到，這是一個(gè)典型的標(biāo)準(zhǔn)蠕變?cè)囼?yàn)持續(xù)的時(shí)間。而當(dāng)溫度為333K(60℃)時(shí)，大概20天左右即進(jìn)入了二期蠕變，那么證明溫度明顯加快了鹽巖進(jìn)入二期蠕變的時(shí)間，這是新方法依據(jù)的第一個(gè)事實(shí)。此外，當(dāng)荷載在各步驟之間增加時(shí)，在多階段測(cè)試中就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)槊恳粋€(gè)加載步驟，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的一階蠕變，因而會(huì)得到偏大的穩(wěn)態(tài)蠕變率值。而對(duì)于卸載步驟則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的反向一階蠕變，即得到偏小的穩(wěn)態(tài)蠕變率值。那么如果能有效的結(jié)合上下極限值，那么將獲得更為準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)蠕變率值，這是新方法依據(jù)的第二個(gè)事實(shí)。由于位錯(cuò)的湮滅是平衡的，則可以在穩(wěn)態(tài)蠕變中使加工硬化的產(chǎn)生和應(yīng)力恢復(fù)平衡。因此，當(dāng)應(yīng)力增加后，加工硬化(硬化指變形能力降低)為主，導(dǎo)致應(yīng)變速率降低(正常瞬態(tài)蠕變)，而當(dāng)應(yīng)力降低后，恢復(fù)為主導(dǎo)，導(dǎo)致應(yīng)變率增加(逆瞬態(tài)蠕變)。然而，在這兩種情況下的蠕變速率均逐漸接近同一個(gè)穩(wěn)態(tài)蠕變速率值。我們則可以利用這兩種特性來(lái)克服標(biāo)準(zhǔn)蠕變?cè)囼?yàn)的困難(正常加載會(huì)得到偏高的穩(wěn)態(tài)蠕變率值)。此外，結(jié)果清晰表明溫度升高會(huì)顯著加速穩(wěn)態(tài)蠕變。因此，我們提出以下新的蠕變?cè)囼?yàn)方法，由兩部分組成：1.一種改進(jìn)的系列兩步蠕變?cè)囼?yàn)測(cè)試程序，即先升高溫度至指定值，然后在靜水應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行損傷恢復(fù)，最后進(jìn)行一系列加載和卸載步驟。2.參數(shù)求解與建模重新計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果并加以驗(yàn)證，促進(jìn)更可靠的數(shù)據(jù)外推。新方法具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)我們?cè)?0MPa圍壓下將樣品固結(jié)10天擺脫可能的擾動(dòng)(如微裂縫，晶界通透等)以及鉆井和樣品制備過(guò)程產(chǎn)生的損傷。然后，要保證在蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中沒(méi)有損傷，則需要高圍壓(采用20MPa)來(lái)抑制形成微裂紋，因此我們選擇20MPa作為試驗(yàn)圍壓。最后，在較高的溫度下測(cè)試會(huì)更有利，因?yàn)楦邷貢?huì)縮短穩(wěn)態(tài)速率達(dá)到的時(shí)間。

(2)第二級(jí)荷載，應(yīng)力差降低2MPa。此時(shí)蠕變率不會(huì)直接切換到新的應(yīng)力條件下對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)蠕變率。相反，由于先前的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的“過(guò)度硬化”，蠕變率低于穩(wěn)態(tài)蠕變率。然而位錯(cuò)湮滅，即恢復(fù)，會(huì)重新軟化材料，蠕變率會(huì)慢慢增加，再次接近一個(gè)固定的值，但這一次從下面接近。因此，我們獲得了穩(wěn)態(tài)蠕變率兩個(gè)極限：相應(yīng)于第一應(yīng)力狀態(tài)的蠕變率上限以及第二應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變率下限。通過(guò)進(jìn)行一系列的兩步驟的蠕變?cè)囼?yàn)，我們能由給定的從兩方面接近的差分應(yīng)力來(lái)界定穩(wěn)態(tài)蠕變速率值，且穩(wěn)態(tài)蠕變率比純加載試驗(yàn)獲得的值更可靠。特別是這適用于在升高的溫度下。關(guān)鍵是第二步卸載步驟，其觸發(fā)的逆瞬態(tài)蠕變，是試驗(yàn)中關(guān)鍵而巧妙的一步。傳統(tǒng)的多級(jí)蠕變?cè)囼?yàn)是步驟間荷載增加，這樣只有正常的瞬態(tài)蠕變發(fā)生，那么我們的實(shí)驗(yàn)是與此相反的。

通過(guò)以上多級(jí)加卸載試驗(yàn)，不僅提高室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定鹽巖穩(wěn)態(tài)蠕變率的準(zhǔn)確性，同時(shí)大大縮短了蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)間，為層狀鹽巖中儲(chǔ)存庫(kù)的建設(shè)、設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供依據(jù)。