深部鹽巖彈塑性損傷與蠕變力學(xué)特性試驗(yàn)及其本構(gòu)模型研究.pdf

1、巖石類(lèi)材料與結(jié)構(gòu)的宏觀變形特征與內(nèi)在成分和組構(gòu)以及賦存環(huán)境有必然的聯(lián)系,破壞失效是材料內(nèi)部微裂紋萌生、生長(zhǎng)和匯合并最終導(dǎo)致斷裂破壞的結(jié)果,故細(xì)致地探究影響其力學(xué)性質(zhì)的各種因素以及機(jī)理,建立具有物理意義的彈塑性損傷本構(gòu)模型有其工程實(shí)用價(jià)值。蠕變是鹽巖是最為典型的力學(xué)性質(zhì),與加載歷史有一定的相關(guān)性,其機(jī)理需要進(jìn)行多視角的實(shí)驗(yàn)和理論研究。為確保地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)腔體圍巖在融腔建造以及運(yùn)行過(guò)程中的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的短期安全性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性,本文從微觀成

2、分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)、宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象到建立抽象的本構(gòu)模型這三個(gè)層次系統(tǒng)地研究鹽巖彈塑性損傷和蠕變力學(xué)行為。論文的主要工作和結(jié)論如下:
　　(1)通過(guò)化學(xué)試驗(yàn)和電子顯微鏡,對(duì)比分析鹽巖和泥巖的主要成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。結(jié)合單、三軸壓縮試驗(yàn),研究圍壓環(huán)境下泥巖雜質(zhì)含量對(duì)鹽巖力學(xué)行為的影響。泥巖雜質(zhì)含量越多,鹽巖的單軸抗壓強(qiáng)度越高。然而,在高圍壓下,泥巖雜質(zhì)含量對(duì)鹽巖變形特性影響不大。對(duì)比云應(yīng)鹽巖、金壇鹽巖和云應(yīng)泥巖的蠕變特性發(fā)現(xiàn),鹽晶粒越大,雜質(zhì)含量

3、越高,蠕變性能越弱。鹽巖有致密的結(jié)構(gòu)有利于儲(chǔ)氣庫(kù)密閉性,可以將其看作連續(xù)介質(zhì)。針對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的賦存溫度和應(yīng)力環(huán)境,分析了溫度、圍壓和偏應(yīng)力作用下深部鹽巖的力學(xué)屬性,研究了鹽巖應(yīng)力–應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化性態(tài)向近似應(yīng)變硬化性態(tài)轉(zhuǎn)化以及破壞形式轉(zhuǎn)化的條件。在溫度作用下,鹽巖變得更“軟”,破壞特征從脆性向延性轉(zhuǎn)化。在高圍壓下,鹽巖變形很大,但依然能夠承載較大的壓力。由于圍壓抑制了微裂紋的擴(kuò)展,鹽巖的應(yīng)力–應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化性態(tài)向近似應(yīng)變硬化性態(tài)過(guò)

4、渡,破壞形式從脆性破壞向塑性流動(dòng)轉(zhuǎn)化。
　　(2)進(jìn)行多種圍壓下的循環(huán)加/卸載壓縮試驗(yàn),分析鹽巖在循環(huán)加/卸載過(guò)程中的變形特征,研究鹽巖力學(xué)屬性隨圍壓的變化情況,分析了彈塑性條件下卸載模量與損傷演化的關(guān)系。研究成果為彈塑性損傷本構(gòu)模型的建立提供了必要的試驗(yàn)基礎(chǔ)。鹽巖具有顯著的記憶效應(yīng),循環(huán)加/卸載過(guò)程的外包絡(luò)線與單調(diào)加載的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線相吻合。鹽巖的塑性特征明顯,即使在較低應(yīng)力下,也存在不可逆變形,且隨著位移的增長(zhǎng),鹽巖的塑性

5、屬性顯現(xiàn)得越來(lái)越明顯,不可逆應(yīng)變占總應(yīng)變的比例越來(lái)越大。應(yīng)力松弛階段的應(yīng)力降可作為殘余應(yīng)力的度量,隨著偏應(yīng)力的增大,鹽巖內(nèi)部的殘余應(yīng)力越來(lái)越大。圍壓對(duì)卸載模量有顯著的影響:低圍壓下,隨著偏應(yīng)力的增大,卸載模量先增大后減小;在高圍壓下,卸載模量從一開(kāi)始就減小,并隨著偏應(yīng)力的增大減幅越來(lái)越小,最后趨于常數(shù)。采用謝和平提出的考慮不可逆塑性變形影響的彈塑性材料的損傷定義,較好地模擬了各種圍壓下?lián)p傷的演化過(guò)程。
　　(3)在不可逆熱力學(xué)和內(nèi)

6、變量理論的框架下,建立了鹽巖的彈塑性損傷本構(gòu)模型和損傷演化方程。根據(jù)Helmholtz自由能構(gòu)造材料的本構(gòu)關(guān)系,并得到損傷能量釋放率。在有效應(yīng)力空間建立起屈服面函數(shù)、非關(guān)聯(lián)的塑性勢(shì)函數(shù)和硬化變量演化方程。討論了鹽巖損傷發(fā)生的條件,利用能量釋放率建立起損傷判據(jù)和損傷演化方程?；趹?yīng)變能等效假設(shè)建立起損傷構(gòu)形和有效構(gòu)形之間的聯(lián)系,通過(guò)有效應(yīng)力把損傷變量引入到有效構(gòu)形本構(gòu)模型中,最終得到彈塑性和損傷耦合的本構(gòu)模型。采用譜分析回映算法,通過(guò)彈性

7、預(yù)測(cè)、塑性修正和損傷修正三個(gè)步驟完成應(yīng)力更新。用算法一致性切線模量代替連續(xù)一致切線模量,保證了收斂性。通過(guò)試驗(yàn),確定了模型的參數(shù),并驗(yàn)證了模型的有效性。
　　(4)開(kāi)展軸壓恒定的分級(jí)加/卸圍壓和恒定圍壓下的分級(jí)加/卸載蠕變?cè)囼?yàn),對(duì)比分析三種復(fù)雜應(yīng)力路徑下鹽巖的蠕變力學(xué)行為和區(qū)別。著重分析了圍壓、偏應(yīng)力和加載歷史對(duì)于鹽巖蠕變變形的影響以及影響的機(jī)理,展開(kāi)了內(nèi)應(yīng)力存在性的討論。研究成果為蠕變模型的建立提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。在有圍壓存在的蠕變

8、試驗(yàn)中,試驗(yàn)僅有初始蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變兩個(gè)階段,難以進(jìn)入加速蠕變階段。初始蠕變階段與應(yīng)力加載歷史是相關(guān)的:在恒定軸壓而卸圍壓后,試驗(yàn)立即進(jìn)入初始蠕變階段;在軸壓不變,增大圍壓時(shí),試驗(yàn)沒(méi)有初始蠕變而直接進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)蠕變階段;圍壓恒定,分級(jí)加、卸軸壓的試驗(yàn)中,同一應(yīng)力狀態(tài),因?yàn)榧虞d歷史不同,蠕變?cè)囼?yàn)曲線差異很大。在卸載后,試樣總是要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的內(nèi)部調(diào)整,然后才能進(jìn)入下一級(jí)穩(wěn)態(tài)蠕變階段,且應(yīng)力降幅越大,調(diào)整所需的時(shí)間越長(zhǎng)。鹽巖有退化記憶的特點(diǎn),

9、穩(wěn)態(tài)蠕變率只是應(yīng)力(和溫度)的函數(shù),與應(yīng)力歷史無(wú)關(guān)。然而,加載歷史會(huì)影響進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間受應(yīng)力加載歷史中形成的“內(nèi)應(yīng)力”的影響。偏應(yīng)力降幅越大,越難以進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)蠕變階段。
　　(5)將鹽巖看作一種化學(xué)結(jié)晶的地質(zhì)材料,通過(guò)對(duì)晶體材料的內(nèi)部缺陷和鹽巖蠕變變形機(jī)制的分析,建立起基于蠕變應(yīng)變硬化理論的鹽巖蠕變模型。鹽巖蠕變變形是硬化效應(yīng)和回復(fù)效應(yīng)共同作用的結(jié)果,蠕變變形是由有效應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的,有效應(yīng)力等于總的偏應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力之