深部鹽巖彈塑性損傷與蠕變力學特性試驗及其本構(gòu)模型研究.pdf

1、巖石類材料與結(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、生長和匯合并最終導致斷裂破壞的結(jié)果,故細致地探究影響其力學性質(zhì)的各種因素以及機理,建立具有物理意義的彈塑性損傷本構(gòu)模型有其工程實用價值。蠕變是鹽巖是最為典型的力學性質(zhì),與加載歷史有一定的相關性,其機理需要進行多視角的實驗和理論研究。為確保地下鹽穴儲氣庫腔體圍巖在融腔建造以及運行過程中的復雜應力狀態(tài)下的短期安全性與長期穩(wěn)定性,本文從微觀成

2、分和細觀結(jié)構(gòu)、宏觀試驗現(xiàn)象到建立抽象的本構(gòu)模型這三個層次系統(tǒng)地研究鹽巖彈塑性損傷和蠕變力學行為。論文的主要工作和結(jié)論如下:
　　(1)通過化學試驗和電子顯微鏡,對比分析鹽巖和泥巖的主要成分和結(jié)構(gòu)特點。結(jié)合單、三軸壓縮試驗,研究圍壓環(huán)境下泥巖雜質(zhì)含量對鹽巖力學行為的影響。泥巖雜質(zhì)含量越多,鹽巖的單軸抗壓強度越高。然而,在高圍壓下,泥巖雜質(zhì)含量對鹽巖變形特性影響不大。對比云應鹽巖、金壇鹽巖和云應泥巖的蠕變特性發(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)有利于儲氣庫密閉性,可以將其看作連續(xù)介質(zhì)。針對鹽穴儲氣庫的賦存溫度和應力環(huán)境,分析了溫度、圍壓和偏應力作用下深部鹽巖的力學屬性,研究了鹽巖應力–應變曲線由應變軟化性態(tài)向近似應變硬化性態(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展,鹽巖的應力–應變曲線由應變軟化性態(tài)向近似應變硬化性態(tài)過

4、渡,破壞形式從脆性破壞向塑性流動轉(zhuǎn)化。
　　(2)進行多種圍壓下的循環(huán)加/卸載壓縮試驗,分析鹽巖在循環(huán)加/卸載過程中的變形特征,研究鹽巖力學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基礎。鹽巖具有顯著的記憶效應,循環(huán)加/卸載過程的外包絡線與單調(diào)加載的全程應力-應變曲線相吻合。鹽巖的塑性特征明顯,即使在較低應力下,也存在不可逆變形,且隨著位移的增長,鹽巖的塑性

5、屬性顯現(xiàn)得越來越明顯,不可逆應變占總應變的比例越來越大。應力松弛階段的應力降可作為殘余應力的度量,隨著偏應力的增大,鹽巖內(nèi)部的殘余應力越來越大。圍壓對卸載模量有顯著的影響:低圍壓下,隨著偏應力的增大,卸載模量先增大后減小;在高圍壓下,卸載模量從一開始就減小,并隨著偏應力的增大減幅越來越小,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傷的演化過程。
　　(3)在不可逆熱力學和內(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)關系,并得到損傷能量釋放率。在有效應力空間建立起屈服面函數(shù)、非關聯(lián)的塑性勢函數(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兡艿刃Ъ僭O建立起損傷構(gòu)形和有效構(gòu)形之間的聯(lián)系,通過有效應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,通過彈性

7、預測、塑性修正和損傷修正三個步驟完成應力更新。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。通過試驗,確定了模型的參數(shù),并驗證了模型的有效性。
　　(4)開展軸壓恒定的分級加/卸圍壓和恒定圍壓下的分級加/卸載蠕變試驗,對比分析三種復雜應力路徑下鹽巖的蠕變力學行為和區(qū)別。著重分析了圍壓、偏應力和加載歷史對于鹽巖蠕變變形的影響以及影響的機理,展開了內(nèi)應力存在性的討論。研究成果為蠕變模型的建立提供了試驗基礎。在有圍壓存在的蠕變

8、試驗中,試驗僅有初始蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變兩個階段,難以進入加速蠕變階段。初始蠕變階段與應力加載歷史是相關的:在恒定軸壓而卸圍壓后,試驗立即進入初始蠕變階段;在軸壓不變,增大圍壓時,試驗沒有初始蠕變而直接進入新的穩(wěn)態(tài)蠕變階段;圍壓恒定,分級加、卸軸壓的試驗中,同一應力狀態(tài),因為加載歷史不同,蠕變試驗曲線差異很大。在卸載后,試樣總是要經(jīng)過一段時間的內(nèi)部調(diào)整,然后才能進入下一級穩(wěn)態(tài)蠕變階段,且應力降幅越大,調(diào)整所需的時間越長。鹽巖有退化記憶的特點,

9、穩(wěn)態(tài)蠕變率只是應力(和溫度)的函數(shù),與應力歷史無關。然而,加載歷史會影響進入穩(wěn)態(tài)蠕變階段的時間,這個時間受應力加載歷史中形成的“內(nèi)應力”的影響。偏應力降幅越大,越難以進入新的穩(wěn)態(tài)蠕變階段。
　　(5)將鹽巖看作一種化學結(jié)晶的地質(zhì)材料,通過對晶體材料的內(nèi)部缺陷和鹽巖蠕變變形機制的分析,建立起基于蠕變應變硬化理論的鹽巖蠕變模型。鹽巖蠕變變形是硬化效應和回復效應共同作用的結(jié)果,蠕變變形是由有效應力驅(qū)動的,有效應力等于總的偏應力與內(nèi)應力之