單軸壓縮下含表觀裂紋鹽巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究*

王偉超　劉希亮　張五交　王　利

單軸壓縮下含表觀裂紋鹽巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究*

王偉超①劉希亮①張五交②王利①

( ①河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院焦作454003)

( ②中國平煤神馬集團(tuán)許昌首山焦化有限責(zé)任公司許昌461700)

摘要利用RMT-150B巖石力學(xué)多功能系統(tǒng)，對不同形態(tài)的含表觀裂紋鹽巖的力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了表觀裂紋對鹽巖的強(qiáng)度和變形性能影響以及鹽巖表觀裂紋擴(kuò)展及其貫通模式。表觀裂紋擴(kuò)展演化主要分兩類：一類是試件初始表觀裂紋擴(kuò)展形成主裂紋； 二類是試件初始表觀裂紋閉合，而重新萌生微裂紋，聚集、擴(kuò)展形成主裂紋，同時(shí)，附近伴隨生長次生裂紋。表觀裂紋鹽巖的貫通模式主要表現(xiàn)為拉貫通和拉剪貫通，未呈現(xiàn)明顯的壓貫通等其他貫通模式； 受自身結(jié)構(gòu)致密性影響，裂紋貫通路徑呈現(xiàn)明顯的曲折線。豎向貫通裂紋對鹽巖變形模量影響較大，而傾斜裂紋對鹽巖變形模量影響相對較小。

關(guān)鍵詞鹽巖巖石力學(xué)強(qiáng)度特性裂紋擴(kuò)展

0引言

在國外(主要以美國、德國為主)，早在20世紀(jì)70～90年代，鹽巖已成為能源戰(zhàn)略地下儲氣(油)庫的理想介質(zhì)。由于鹽巖溶腔氣(油)庫以及核廢料地質(zhì)處置庫的建造，鹽巖的力學(xué)特性已經(jīng)進(jìn)行過深入的研究(Liangetal.， 2011)。由于我國與國外的鹽丘不同，近年來國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量相關(guān)研究，主要集中在鹽巖的強(qiáng)度與變形性能(劉江等， 2006； 李銀平等， 2007； 王偉超等， 2014)、溫度效應(yīng)(吳剛等， 2014)、蠕變(徐月生等， 2012)、周期荷載下的疲勞變形(高紅波等， 2011； 郭印同等， 2011； 馬林建等， 2013)、數(shù)值模擬(王安明等， 2009)、相似模擬(張強(qiáng)勇等， 2009； 張桂民等， 2012； 姜德義等， 2012a)、聲發(fā)射(acousticemission簡稱AE)特征(姜德義等， 2012b； 任松等， 2012)等方面的研究，然而，鹽巖在水溶建腔和注采運(yùn)行過程中，受荷載作用時(shí)不可避免會產(chǎn)生裂紋，裂紋鹽巖在荷載作用下的損傷破裂研究則顯的十分重要。

近些年，國內(nèi)外科研工作者對裂隙巖體進(jìn)行了大量研究，取得很多研究成果。王利等(2013)通過巖石AE序列來確定巖石尺度演化發(fā)展階段，并通過巖石斷裂尺度建立了適用于微裂紋演化階段Ⅱ的損傷演化模型。許江等(2013)通過研究原生裂紋對煤巖剪切破壞宏細(xì)觀演化規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)水平表面原生裂紋使煤巖局部破壞模式復(fù)雜多樣化，而垂直表面原生裂紋對煤巖破壞模式影響不明顯。李林等(2011)利用細(xì)觀分析技術(shù)對單軸壓縮條件下的鹽巖表面裂紋擴(kuò)展及分布進(jìn)行分析研究。裴建良等(2013)對單軸壓縮大理巖進(jìn)行聲發(fā)射定位研究，分析了不同空間組合類型自然裂隙的空間動(dòng)態(tài)演化過程。任利等(2013)通過分析單個(gè)線性裂紋在壓縮載荷作用下的剪切斷裂條件，明確了壓縮狀態(tài)下張破裂剪切斷裂韌性的物理意義，及其求解辦法。楊圣奇(2013)通過預(yù)制穿透裂隙，對斷續(xù)三裂隙長方體砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，探討了巖橋傾角對斷續(xù)三裂隙砂巖強(qiáng)度破壞和裂紋擴(kuò)展特征的影響。對巖石的損傷破壞過程的研究，取得很多科研成果。劉偉等(2013)從細(xì)觀和宏觀兩個(gè)方面對鹽巖地下儲庫界面的變形與破損特性進(jìn)行研究，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，分析認(rèn)為硬夾層對鹽巖具有約束錨固作用，且層狀交界面處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘發(fā)儲庫圍巖裂紋擴(kuò)展。周喻等(2013)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。姜永東等(2010)通過試驗(yàn)分析了巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程的聲發(fā)射階段特征，并根據(jù)損傷三維定位的試驗(yàn)結(jié)果，分析認(rèn)為巖石損傷的發(fā)展具有分形特征和統(tǒng)計(jì)自相似性，損傷演化具有分叉和混沌特征。

綜上所述，過去的研究關(guān)于脆性巖石破裂裂紋擴(kuò)展演化的研究成果較多，而有關(guān)鹽巖表觀裂紋損傷擴(kuò)展演化機(jī)理及貫通模式的研究鮮見報(bào)道。然而，鹽巖儲庫在水溶建腔期間，受到水溶和荷載作用，腔體鹽巖圍巖層受到水平的卸荷作用和豎向應(yīng)力作用，應(yīng)力的變化使鹽巖層不可避免產(chǎn)生微裂紋和裂隙，因此，研究鹽巖表觀裂紋在荷載作用下擴(kuò)展、演化機(jī)理及貫通模式具有十分重要意義。

本文通過對喜馬拉雅山含表觀裂紋鹽巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究了不同特征表觀裂紋對鹽巖強(qiáng)度、變形的影響，以及表觀裂紋損傷擴(kuò)展演化機(jī)理，以期為鹽巖溶腔氣(油)儲庫設(shè)計(jì)及安全穩(wěn)定運(yùn)營提供參考和借鑒。

1試驗(yàn)條件及方法

1.1巖樣制備

本試驗(yàn)?zāi)康脑谟谘芯坎煌螒B(tài)裂紋對鹽巖的單軸壓縮強(qiáng)度、變形的影響，探究裂紋損傷擴(kuò)展演化及其貫通模式。此次試驗(yàn)在河南理工大學(xué)能源學(xué)院RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，開展試驗(yàn)同時(shí)用高清數(shù)碼攝像記錄試驗(yàn)過程，所有試驗(yàn)均在室溫條件下進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1 所示。

圖1　試驗(yàn)裝置Fig. 1　Test equipment

本文試驗(yàn)所用鹽巖為喜馬拉雅山鹽巖，結(jié)構(gòu)比較致密、純度比較高，其中可溶物主要為NaCl含量為95%以上，鹽巖試件加工成長方體，尺寸為50mm×50mm×100mm。由于鹽巖屬軟巖，并且易溶解于水，因此，鹽巖試樣通過干式鋸磨法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試樣的切割，試樣加工均嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行。根據(jù)巖樣內(nèi)部自然裂隙空間幾何分布組合方式，在統(tǒng)計(jì)意義上將自然裂隙大致分為單一型、平行型、交叉型和混合型等4種基本類型(裴建良等， 2013)，本文選取的典型含裂紋鹽巖巖樣具體尺寸(表1)，表1中：β為裂紋傾角，即裂紋與水平面的夾角；η為連通率，即裂紋形成裂隙面在沿該裂隙面擴(kuò)展的破壞面上所占的比例。裂紋具體形態(tài)(圖2)，圖2 中序號1、2、3代表初始表觀裂紋。需要指出的是，為表觀裂紋對鹽巖強(qiáng)度和變形的影響，另取兩塊無任何表觀裂紋的完整純鹽巖，分別為BJ1-3和BJ1-4； 為研究夾層對裂紋擴(kuò)展的影響，本試驗(yàn)特別選取一組含夾層鹽巖，夾層的主要成分為石膏及泥巖，呈灰褐色(圖2e、圖2f)。

表1　表觀裂紋形態(tài)特征及單軸壓縮下裂紋鹽巖力學(xué)參數(shù)

Table1　Morphological characteristics of discontinuous fissures and mechanical parameters

of salt rock with discontinuous fissures under uniaxial compression

編號尺寸/mmβ/(°)η/%σc/MPaεc/10-2Es/GPaE50/GPa裂紋類型代碼Bjlx1-151.80×51.00×98.6276.899.533.844.661.801.54單一型ABjlx1-249.42×51.78×98.0489.892.838.116.042.771.52交叉型BBjlx2-150.40×49.40×98.0039.498.328.523.942.871.95單一型CBjlx2-250.90×51.90×99.0849.697.235.155.233.202.24單一型DBjlx3-150.30×49.80×99.8256.572.228.453.323.792.99單一型EBjlx3-250.40×50.12×99.6247.263.532.454.083.852.58單一型FBjlx4-149.82×49.50×97.8052.891.233.795.132.841.78單一型GBjlx4-251.36×50.90×99.6078.697.126.123.103.292.05單一型HBj1-450.80×49.92×98.600037.365.073.932.05無IBj1-350.40×50.80×99.700036.035.312.541.87無

圖2　含表觀裂紋鹽巖巖樣Fig. 2　Salt rock specimens with discontinuous fissuresa.試件Bjlx1-1； b.試件Bjlx1-2； c.試件Bjlx2-1； d.試件Bjlx2-2； e.試件Bjlx3-1； f.試件Bjlx3-2； g.試件Bjlx4-1； h.試件Bjlx4-2

圖3　不同表觀裂紋試件應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig. 3　Stress-train curve of specimens with discontinuous fissuresa.豎向貫通表觀裂紋試件應(yīng)力應(yīng)變曲線圖； b.小傾角表觀裂紋試件應(yīng)力應(yīng)變曲線圖； c.含夾層表觀裂紋試件應(yīng)力應(yīng)變曲線圖； d.大傾　　　　　　　角表觀裂紋試件應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

1.2加載條件

本次單軸壓縮試驗(yàn)的試驗(yàn)系統(tǒng)的最大荷載為1000kN，垂直向50mm行程傳感器測試件垂直變形，兩個(gè)水平向2.5mm位移傳感器測試件橫向變形。由于鹽巖屬軟巖，為更好的觀察裂紋擴(kuò)展形態(tài)，本試驗(yàn)采用位移控制，加載速率為0.01mm·s-1，在試驗(yàn)出現(xiàn)峰值后停止加載。整個(gè)試驗(yàn)過程中，同記錄試驗(yàn)巖樣的軸向荷載、軸向位移和徑向變形。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1表觀裂紋對鹽巖的強(qiáng)度和變形的影響

單軸壓縮條件下含不同表觀裂紋鹽巖軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖3)。為能更好的與完整純鹽巖試件的強(qiáng)度和變形特征進(jìn)行對比，本文選取具有代表性的BJ1-4試件，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖3)。由圖3 可知，單軸壓縮條件下表觀裂紋的傾角、連通率、裂紋長度對鹽巖的強(qiáng)度和變形特征有較明顯的影響。

從圖3 可以看出，表觀裂紋鹽巖的損傷破裂規(guī)律與完整純鹽巖試件的損傷破裂規(guī)律基本一致，但是峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變等量值整體呈降低趨勢。在軸向荷載作用下，含表觀裂紋鹽巖的損傷破裂過程也經(jīng)歷4個(gè)階段：初始微損傷閉合階段，試件內(nèi)部的細(xì)小孔洞和微裂紋被壓密實(shí)，此階段經(jīng)歷時(shí)間很短，由于應(yīng)力應(yīng)變呈非線性變化，鹽巖試件的剛度逐漸增加，曲線呈上凹形。彈性變形階段，此階段應(yīng)力-應(yīng)變呈線性增長，微裂紋開始隨機(jī)萌生。彈塑性變形階段，微裂紋擴(kuò)展，隨著荷載的增加，內(nèi)部微裂紋逐步聚集。破壞階段，裂紋損傷繼續(xù)演化，表觀裂紋發(fā)展為宏觀裂紋，進(jìn)入不穩(wěn)定擴(kuò)展破壞階段。

圖4　不同特征裂紋對鹽巖強(qiáng)度和變形參數(shù)影響Fig.4　Different discontinuous fissures affecting the parameters of the deformation and strength of salt rocka. 不同特征裂紋對鹽巖單軸抗壓強(qiáng)度影響； b. 不同特征裂紋對鹽巖彈性模量影響； c. 不同特征裂紋對鹽巖變形模量影響

圖5　不同表觀裂紋鹽巖的裂紋貫通模式Fig.5　Transfixion mode of salt rock with discontinuous fissuresa.試件Bjlx1-1； b.試件Bjlx1-2； c.試件Bjlx2-1； d.試件Bjlx2-2； e.試件Bjlx3-1； f.試件Bjlx3-2； g.試件Bjlx4-1； h.試件Bjlx4-2

依據(jù)表1和圖3、圖4 可分析不同表觀裂紋對鹽巖峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量和變形模量的影響，總體來說，含表觀裂紋鹽巖試件的物理力學(xué)參數(shù)低于完整鹽巖試件，具體降低幅度與裂紋的形態(tài)密切相關(guān)。除此之外，表觀裂紋鹽巖強(qiáng)度范圍為26.12～35.15MPa，降低幅度為5.92%～30.08%。由圖3c和圖4a可以看出，裂紋長度越長，強(qiáng)度降低越明顯； 夾層對鹽巖的強(qiáng)度影響不明顯。從彈性模量和變形模量來分析，相比完整純鹽巖的彈性模量，裂紋鹽巖的彈性模量總體呈現(xiàn)下降趨勢，降低幅度為2.04%～54.2%。從圖4b可以看出，由于夾層和裂紋未貫通的雙重作用，含夾層鹽巖的彈性模量降低量最??； 而鹽巖試件Bjlx1-1裂紋基本完全貫通，因此，其降低值最多。從圖4c可以看出，含夾層鹽巖比完整純鹽巖的變形模量明顯增加，說明受夾層作用，鹽巖變形模量有所提高； 而豎向貫通裂紋鹽巖變形模量有較大降低，其他裂紋鹽巖變形模量總體變化不大，說明豎向貫通裂紋對鹽巖變形模量影響較大，而傾斜裂紋對鹽巖變形模量影響較小。

2.2鹽巖表觀裂紋擴(kuò)展及其貫通模式分析

巖石類材料損傷破裂過程中形成裂紋類型主要有4種：拉伸裂紋、剪切裂紋、壓縮裂紋和次生裂紋(楊圣奇， 2013)。本文鹽巖試件的破壞裂紋(圖5)，主要有拉伸、剪切和次生裂紋。裂紋鹽巖損傷破裂過程中，裂紋擴(kuò)展演化主要分兩類：類型一是試件初始表觀裂紋擴(kuò)展形成主裂紋，比如，試件Bjlx1-1、Bjlx1-2、Bjlx2-2、Bjlx3-1、Bjlx4-2； 類型二是試件初始表觀裂紋閉合，而重新萌生微裂紋，聚集、擴(kuò)展形成主裂紋，比如，Bjlx2-1、Bjlx3-2、Bjlx4-1。前者是在加載初期，試件受荷載作用，萌生微裂紋，鹽巖裂紋形成主要以晶粒錯(cuò)動(dòng)為主，荷載繼續(xù)增加，由于初始表觀裂紋1處較為薄弱，受到拉伸或剪切或拉剪共同作用，初始裂紋1逐步沿應(yīng)力最大方向的沿晶界面隨機(jī)擴(kuò)展，形成以拉剪裂紋為主的主裂紋，以及a、b等張拉裂紋，同時(shí)，附近伴隨生長次生裂紋。后者是在加載初期，在荷載作用下，原始表觀裂紋1主要受壓力作用，逐漸閉合，而隨著荷載逐漸加大，鹽巖新萌生裂紋a、b、c、d等，它們的形成也主要以晶粒錯(cuò)動(dòng)為主，隨著荷載繼續(xù)增加，新生裂紋逐漸聚集，受到拉伸或剪切或拉剪共同作用，新生裂紋逐步沿應(yīng)力最大方向的沿晶界面隨機(jī)擴(kuò)展，形成以拉剪裂紋為主的主裂紋，同時(shí)，附近伴隨生長次生裂紋。

巖石類試件裂紋貫通模式主要呈現(xiàn)4種模式：拉貫通、剪貫通、壓貫通及混合貫通(拉剪、拉壓和拉剪壓)(楊圣奇， 2013)。表觀裂紋鹽巖的貫通模式主要表現(xiàn)為拉貫通和拉剪貫通，未呈現(xiàn)明顯的壓貫通等其他貫通模式。當(dāng)初始表觀裂紋傾角較大，接近豎直時(shí)，巖樣最終呈現(xiàn)為拉貫通模式，如試件1-1、1-2，初始表觀裂紋受拉應(yīng)力作用從試件中心張拉開，沿軸向曲折向兩端擴(kuò)展，而傾斜的初始裂紋逐漸被壓密，并未擴(kuò)展開裂，在接近峰值應(yīng)力前的塑性變形階段，試件中上部出現(xiàn)次生拉裂紋，最終表現(xiàn)為拉貫通破壞。其他幾個(gè)巖樣都最終呈現(xiàn)為拉剪貫通模式，裂紋在剪應(yīng)力作用下，逐漸聚集形成剪裂紋，在峰值應(yīng)力前，沿試件軸向伴隨生成拉伸裂紋及次生裂紋，最后形成拉剪貫通破壞。不論何種貫通模式，裂紋擴(kuò)展貫通路徑都呈現(xiàn)曲折的特點(diǎn)，破壞后觀察斷面發(fā)現(xiàn)，斷面皆為細(xì)小鹽巖晶粒，說明沉積結(jié)晶而形成的鹽巖，雖然宏觀上結(jié)構(gòu)致密均勻，但細(xì)觀上由于大小晶粒不同，黏聚力較弱，非均質(zhì)性明顯，晶粒邊界會引起局部的應(yīng)力集中，從而形成曲折的裂紋擴(kuò)展路徑。

3結(jié)論

(1)裂紋鹽巖損傷破裂過程中，裂紋擴(kuò)展演化主要分兩類：類型一是試件初始表觀裂紋擴(kuò)展形成主裂紋； 類型二是試件初始表觀裂紋閉合，而重新萌生微裂紋，聚集、擴(kuò)展形成主裂紋； 同時(shí)，附近伴隨生長次生裂紋。

(2)由于受夾層作用，鹽巖抗變形能力有所提高。豎向貫通裂紋對鹽巖變形模量影響較大，而傾斜裂紋對鹽巖變形模量影響較小。由于夾層和裂紋未貫通的雙重作用，含夾層鹽巖的彈性模量降低量最小，裂紋基本完全貫通鹽巖試件，其彈性模量降低值最多。

(3)表觀裂紋鹽巖的貫通模式主要表現(xiàn)為拉貫通和拉剪貫通，未呈現(xiàn)明顯的壓貫通等其他貫通模式； 受自身結(jié)構(gòu)致密性影響，裂紋貫通路徑呈現(xiàn)明顯的曲折線。

(4)含表觀裂紋鹽巖的損傷破裂規(guī)律與完整純鹽巖試件的損傷破裂規(guī)律基本一致，損傷破裂過程經(jīng)歷4個(gè)階段：初始微損傷閉合階段、彈性變形階段、彈塑性變形階段、破壞階段。但是，峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、初始損傷臨界值、損傷演化臨界值等量值整體呈減低趨勢。

以上研究結(jié)論是對于含表觀裂紋鹽巖力學(xué)性能的進(jìn)一步探索，對鹽巖儲庫設(shè)計(jì)、建設(shè)和安全運(yùn)行提供參考和借鑒。需要說明的是由于表觀裂紋鹽巖試件試驗(yàn)量和一致性的局限，相關(guān)研究結(jié)論仍然需要基于單軸壓縮下大量不同表觀裂紋鹽巖試驗(yàn)結(jié)果來進(jìn)行佐證，這方面的現(xiàn)有研究方法和成果較少，仍有待以后做深入研究。

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MECHANICALBEHAVIOROFSALTROCKWITHDISCONTINUOUSFISSURESWITHUNIAXIALCOMPRESSIONTEST

WANGWeichao①LIUXiliang①ZHANGWujiao②WANGLi①

( ①School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003)

( ②China Pingmei Shenma Group Xuchang Shoushan Coking Co．，Ltd．，Xuchang 461700)

AbstractThis paper examines the mechanical behavior of salt rock containing fissure. The uniaxial compressive tests are carried out with a servo-controlled test machine RMT-150B.The effect of discontinuous fissures on strength and deformation of salt rock are analyzed. The discontinuous fissures coalescence the behavior of salt rock and its transfixion mode. The discontinuous fissure extension evolution is mainly divided into two types. The main fissures extended from the initial discontinuous fissures of salt rock specimens are the first type. The second type is that the initial discontinuous fissures of specimens are closed and then new micro-fissures are initiated from other place. They are gathered together and formed the main fissures. At the same time, the secondary fissures grow tardily. The tensile transfixion mode and tension-shear transfixion mode are the main transfixion models for salt rock containing discontinuous fissures. Influenced by their own structure compactness, the paths of fissures coalescence presents obvious zigzag line. Effect of vertical transfixion fissures on deformation modulus of salt rock is larger than that of inclined crack．

Key wordsSalt rock， Rock mechanics， Strength behavior， Fissure coalescence

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.011

* 收稿日期：2015-04-13; 收到修改稿日期： 2015-09-15.

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A410004)， 河南省高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NSFRF140145)， 河南省高校深部礦井建設(shè)重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(2014KF-06)資助.

第一作者簡介：王偉超(1979-)，男，博士生，講師，專業(yè)為礦業(yè)工程. Email： wang20002@hpu.edu.cn

中圖分類號：TU45

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A