周期荷載作用下鹽巖聲發(fā)射特征試驗研究

任 松，白月明，姜德義，楊春和， ，陳 結(jié)

（1. 重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044，2. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

1 引 言

鹽巖礦床經(jīng)過水溶開采后形成的溶腔被世界各國公認(rèn)為石油、天然氣儲備理想場所。對于我國西氣東輸工程，儲氣庫的建設(shè)是其重要的配套工程，是實現(xiàn)長距離輸氣的重要保證。建設(shè)地下儲氣庫可以解決由于季節(jié)氣候變化引起的用氣不均衡問題、輸氣管道的意外故障問題等。但鹽巖地下儲氣庫在運行過程中，由于受到長期注、采氣過程的影響，腔內(nèi)圍巖受到周期荷載作用。鹽巖在周期載荷作用下晶粒之間可產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形和應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致疲勞損傷。疲勞損傷在前期只是巖石內(nèi)部微裂紋的衍生與發(fā)展，宏觀上表現(xiàn)不明顯。因此，需要借助聲發(fā)射方法來對循環(huán)載荷作用下鹽巖內(nèi)部損傷情況進行研究。

國內(nèi)外很多學(xué)者對巖石的疲勞損傷和聲發(fā)射特性進行了研究。謝強等[1]對細(xì)晶花崗巖的聲發(fā)射特征進行了試驗研究，證明了經(jīng)多次循環(huán)加卸載后，荷載如果未超過先期最大應(yīng)力，聲發(fā)射累計能量增加緩慢，但聲發(fā)射事件數(shù)卻不一定減少。許江等[2－4]對循環(huán)載荷作用下砂巖聲發(fā)射規(guī)律開展了大量試驗研究，提出了砂巖疲勞損傷的4 階段模型。萬志軍等[5]研究了巖石不同加載速率作用下的聲發(fā)射規(guī)律特征，發(fā)現(xiàn)加載速率通過影響裂紋擴展來影響聲發(fā)射率。李楠等[6]通過循環(huán)加載和分級加載證明了巖石在彈性階段后期和破壞階段，巖石具有明顯的Felicity 效應(yīng)。尹賢剛等[7]對巖石破壞聲發(fā)射平靜期及其分形特征進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)巖石聲發(fā)射平靜期是客觀存在的，對于塑性變形階段不明顯的巖石不容易觀察的到，在其破壞峰值應(yīng)力前，巖樣不會出現(xiàn)應(yīng)力增加緩慢而相對應(yīng)變增加較快的過程。徐速超等[8]通過單軸循環(huán)加卸載試驗對矽卡巖聲發(fā)射特性進行了研究，證明了矽卡巖在卸載階段仍然有大量聲發(fā)射信號產(chǎn)生。曹樹剛等[9]對突出煤體變形聲發(fā)射特性進行了研究，建議用聲發(fā)射振鈴事件比來作為聲發(fā)射特征參數(shù)之一應(yīng)用于工程實際。肖建清[10]提出了應(yīng)用倒S型曲線來預(yù)測巖石的疲勞損傷的理論。張茹等[11]對單軸多級加載巖石破壞聲發(fā)射特性進行了研究，得到了每級荷載穩(wěn)壓時AE 事件率、能率明顯降低，AE 事件數(shù)基本穩(wěn)定或增加平緩，隨時間的延長和軸向荷載的增加，AE 事件率增加的結(jié)論。姜永東等[12]對巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程的聲發(fā)射及分形與混沌特征進行了試驗研究，證明了巖石聲發(fā)射事件數(shù)的演化過程可以用觸發(fā)—生長—觸發(fā)的鏈?zhǔn)缴L模型來描述，微裂紋的演化可用Logistic 方程來描述。趙克烈[13]對地下鹽巖儲氣庫進行了研究，提出了儲氣庫的安全性應(yīng)該考慮鹽巖疲勞損傷的命題。

上述研究成果對巖石的疲勞損傷和聲發(fā)射特征研究具有重要的推進作用，但還需要進一步研究。鹽巖屬于軟巖，具有塑性較強的特點，如何準(zhǔn)確分析鹽巖在循環(huán)載荷作用下的疲勞損傷特性需要進一步探討。因此，本文應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)來探究鹽巖的疲勞損傷特性，這對于鹽巖地下儲氣庫的安全運行具有實際意義。

2 試驗條件及方法

2.1 試驗設(shè)備及條件

試驗裝置主要由循環(huán)加、卸載系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)組成，主要目的是研究鹽巖在循環(huán)荷載作用下的聲發(fā)射特征，進而探究鹽巖的疲勞損傷特性。加、卸載試驗機采用日本島津AG-I250KN 型精密電子萬能材料試驗機，具有加載方式多樣、測試精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)采用美國聲學(xué)物理公司PAC(physical acoustic corporation) 生產(chǎn)的12 CHs 聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)。本試驗中設(shè)定聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)的主放為40 dB，門檻值為45 dB，傳感器諧振頻率為20～400 kHz，采樣頻率為1× 106 次/s。為了減少鹽巖對機器的腐蝕，在壓頭與機器之間采用保鮮膜進行保護。為了保證探頭與試件緊密接觸，在聲發(fā)射探頭與試件之間采用黃油進行耦合，并用橡皮筋將探頭固定在試件相對的兩個斷面的中部，具體布置方式如圖1 所示。為了減少試件端部與壓頭之間的噪聲影響，在端部抹少量黃油。

本試驗所用鹽巖試樣均取自巴基斯坦喜馬拉雅山區(qū)天然鹽巖，埋深較大。其中NaCl 含量很高，基本在90%以上，另外還有少量的K2SO3和泥質(zhì)成分。

圖1 加載試驗機和探頭布置 Fig.1 Loading test instrument and probe layout

2.2 試驗方法設(shè)計

為盡可能降低因天然巖石試件個體差異引起的試驗結(jié)果的離散性，選取一些含雜質(zhì)成分基本相同和沒有明顯裂紋的試件。將其加工成50 mm×50 mm ×100 mm 的長方體試件，加工試件端面平整度控制在±0.02 mm以內(nèi)。加工完成的試件樣品如圖2所示。

圖2 加工完成的鹽巖試件樣品 Fig.2 Manufactured salt rock specimens

為了探求不同試驗條件下鹽巖的聲發(fā)射特性，將鹽巖試件分成8 組分別進行不同條件下的循環(huán)加卸載試驗。

（1）由于試驗機的應(yīng)變速率限制以及鹽巖試件的塑性特征，加載速率選擇較小值：1.8 kN/min，進行大量的單軸靜載荷試驗，從而確定鹽巖的平均單軸抗壓強度。

（2）進行恒幅荷載條件下的聲發(fā)射特性試驗研究，具體試驗工況如下：

①選取不同上限4～32、4～24 MPa，相同加、卸載速率為360 kN/min 的兩組試件進行聲發(fā)射特性對比研究。

②選取不同下限：4～32、12～32 MPa，相同加卸載速率為360 kN/min 的兩組試件進行聲發(fā)射特性對比研究。

③選取相同應(yīng)力幅值4～24 MPa、不同加、卸載速率360、180 kN/min 的兩組試件進行聲發(fā)射特性對比研究。

（3）進行變幅加載試驗研究：加卸載速率為 360 kN/min，先在彈性極限附近16 MPa 處進行100個循環(huán)，然后將上限提高到24 MPa 加載100 循環(huán)，最后將上限提升為32 MPa，研究每個階段的聲發(fā)射特性。

3 試驗結(jié)果及分析

鹽巖試件在經(jīng)過仔細(xì)篩選后抗壓強度值較為接近，很大程度地降低了試件的離散性。經(jīng)過大量的單軸靜載荷試驗得到的鹽巖平均抗壓強度為34.4 MPa。

3.1 不同上限循環(huán)載荷下鹽巖的聲發(fā)射特性對比

圖3 為鹽巖單軸和循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖4 為不同上限聲發(fā)射、應(yīng)力-時間對應(yīng)圖。從圖中可以看出，在初次加載應(yīng)力接近上限時，加載速率受到試驗機應(yīng)變速率和峰值精度的控制，實際加載速率明顯變緩，并沒有達到預(yù)定的加載速率，而是接近靜載試驗條件下的加載速率，但在循環(huán)階段加卸載速率是基本穩(wěn)定的。

圖3 單軸試驗曲線與不同上限循環(huán)試驗曲線 Fig.3 Uniaxial experiment curve and the different upper limit cyclic loading experiment curves

圖4 不同上限應(yīng)力聲發(fā)射特征 Fig.4 The AE characteristics of different upper limit stresses

由圖4 可知，聲發(fā)射振鈴數(shù)與循環(huán)載荷下的應(yīng)力變化有較好的對應(yīng)關(guān)系，其聲發(fā)射規(guī)律明顯。聲發(fā)射振鈴數(shù)隨著初次加載的應(yīng)力增大而明顯增多，初次加載達到彈性極限時聲發(fā)射振鈴數(shù)達到最大值。這是由于在初次加載彈性階段，聲發(fā)射信號主要來自于裂紋閉合產(chǎn)生的彈性波[15]。裂紋閉合產(chǎn)生的彈性波的能量相對較小，且鹽巖本身結(jié)構(gòu)致密，初始微裂紋極少，所以在彈性壓縮階段聲發(fā)射振鈴數(shù)較少，隨著加載應(yīng)力到達彈性極限時，鹽巖內(nèi)部初始微裂紋基本閉合，開始產(chǎn)生新生微裂紋以及初始微裂紋由于應(yīng)力集中開始擴展，產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，這時產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴數(shù)突然增大。而在超過彈性極限階段以后，由于加載應(yīng)力上升速度變慢，內(nèi)部微裂紋能量增加變慢，微裂紋的衍生與擴展逐漸趨于穩(wěn)定，單位時間的聲發(fā)射振鈴數(shù)逐漸減少。與砂巖相比，鹽巖在相同上限應(yīng)力比條件下聲發(fā)射信號較少，主要是由于鹽巖內(nèi)部材質(zhì)較均勻，雜質(zhì)和缺陷含量較少，所以每一循環(huán)產(chǎn)生的損傷較小。

從局部放大圖中可以看到，每個應(yīng)力循環(huán)都會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，并且隨著應(yīng)力增加聲發(fā)射振鈴數(shù)逐漸增大，在循環(huán)載荷的上限應(yīng)力附近達到最大，并且在卸荷初期階段仍然有聲發(fā)射信號產(chǎn)生，但下降很快。這與砂巖聲發(fā)射特性[2]有很大差別，砂巖聲發(fā)射信號主要集中在上限應(yīng)力附近，低于上限應(yīng)力處聲發(fā)射信號極少。說明鹽巖在循環(huán)加卸載期間損傷出現(xiàn)較早，并且不具有砂巖類巖石的應(yīng)力記憶效應(yīng)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是鹽巖很強的塑性特征。

由表1 可知，隨著上限應(yīng)力的增大，每個循環(huán)產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴數(shù)增多，這是因為隨著上限應(yīng)力的增大，鹽巖在每個循環(huán)產(chǎn)生較多的新裂紋，并且原有裂紋擴展加劇[16]。

表1 不同上限應(yīng)力下聲發(fā)射振鈴數(shù) Table 1 AE counts under different upper limit stresses

3.2 不同下限循環(huán)載荷下鹽巖的聲發(fā)射特性對比

鹽巖在不同下限循環(huán)荷載下的聲發(fā)射特征如圖6 所示。結(jié)合表2 可以看出，在下限應(yīng)力改變時，鹽巖在穩(wěn)定區(qū)聲發(fā)射振鈴數(shù)基本不變。但鹽巖在逐漸加載階段和卸載初期都會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，且每個循環(huán)周期產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴總數(shù)與應(yīng)力幅度有明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著下限應(yīng)力的降低，應(yīng)力幅值變大，每個循環(huán)產(chǎn)生的損傷增加。因此，鹽巖疲勞壽命對下限的依賴程度會明顯大于砂巖。

3.3 不同速率循環(huán)荷載下鹽巖的聲發(fā)射特性對比

鹽巖在不同加載速率下的聲發(fā)射特征如圖7 所示。結(jié)合表3 可以看出，加載速率改變時，聲發(fā)射振鈴數(shù)基本不變，但聲發(fā)射率卻相差很大，加載速率越大，聲發(fā)射率越大，鹽巖在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的疲勞損傷越明顯，這與砂巖聲發(fā)射特征具有一致 性[2]。由于循環(huán)載荷作用下鹽巖內(nèi)部晶粒間的裂紋處于持續(xù)張開與閉合的循環(huán)過程，加載速率增大時，內(nèi)部裂紋還來不及完全閉合就又持續(xù)擴展，從而降低了裂紋擴展所需要的能量，裂紋擴展加速，聲發(fā)射率明顯提高。因此，加載速率的提高會加速鹽巖的疲勞破壞。

圖5 單軸試驗曲線與不同下限循環(huán)試驗曲線 Fig.5 Uniaxial experiment curve and the different lower limit cycling loading experiment curves

圖6 不同下限應(yīng)力聲發(fā)射特征 Fig.6 AE characteristics of different lower limit stresses

表2 不同下限應(yīng)力下聲發(fā)射振鈴數(shù) Table 2 AE counts under different lower limit stresses

圖7 不同速率加卸載作用下聲發(fā)射特征 Fig.7 AE characteristics of different loading rates

表3 不同加載速率下聲發(fā)射振鈴數(shù) Table 3 AE counts under different loading rates

4 循環(huán)載荷下鹽巖聲發(fā)射特性與應(yīng)變特性對比

巖石應(yīng)變一般與巖石內(nèi)部損傷存在一定的聯(lián)系，巖石的疲勞破壞是由于巖石達到了其應(yīng)變疲勞極限所致[14]。因此，有必要研究鹽巖在循環(huán)加卸載過程中應(yīng)變特征與聲發(fā)射特征的關(guān)聯(lián)性。圖8 是一組鹽巖試件在疲勞試驗條件下的累計應(yīng)變和累計聲發(fā)射振鈴數(shù)隨時間變化的對比圖。從圖中可以看出，鹽巖的聲發(fā)射累計曲線上包絡(luò)線與鹽巖應(yīng)變累計曲線具有很好的對應(yīng)性。曲線第1 階段為減速損傷階段，應(yīng)變率和聲發(fā)射率增加逐漸變緩；第2 階段為勻速損傷階段，鹽巖應(yīng)變率和聲發(fā)射率趨于平穩(wěn)。這是由于加載初期鹽巖內(nèi)部應(yīng)力集中程度較大，從而導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生和擴展較快，產(chǎn)生較大的塑性變形。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鹽巖內(nèi)部應(yīng)力集中程度逐漸趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致裂紋擴展緩慢。從圖8 可以看出，聲發(fā)射累計曲線與應(yīng)變累計曲線有很好的對應(yīng)關(guān)系，說明在反映鹽巖疲勞損傷時，二者具有一致性。

圖8 聲發(fā)射累計曲線與應(yīng)變累積曲線 Fig.8 AE cumulative curves and strain cumulative curves

5 基于聲發(fā)射特征的分級加載試驗研究

前兩節(jié)研究了鹽巖在恒幅荷載作用下的聲發(fā)射振鈴數(shù)特征，為了更加充分地了解其內(nèi)部損傷形式，本節(jié)通過變幅荷載來對鹽巖試件聲發(fā)射特征進行試驗研究。加卸載方式：加卸載速率為360 kN/min，先在應(yīng)力上限為16 MPa 處進行100 個循環(huán)，然后將上限提高到24 MPa 加載100 循環(huán)，最后將上限提升為32 MPa 進行循環(huán)加卸載試驗。分級加載試驗鹽巖聲發(fā)射特性如圖9 所示，本試驗的主要目的是觀察變幅荷載循環(huán)作用下鹽巖的損傷情況，從低應(yīng)力的最后10 個循環(huán)開始記錄。各加載級別的聲發(fā)射振鈴數(shù)如表4 所示，從表可以看出，在第1 級加、卸載過程中，鹽巖在聲發(fā)射穩(wěn)定階段基本沒有聲發(fā)射信號產(chǎn)生；第2 級加卸載過程中，聲發(fā)射水平明顯增高，并且穩(wěn)定階段聲發(fā)射振鈴數(shù)與恒幅荷載下聲發(fā)射振鈴數(shù)基本相同。這說明第1 級循環(huán)加、卸載過程對鹽巖試件造成的損傷有限。第3 級加、卸載過程中，鹽巖的聲發(fā)射平穩(wěn)期振鈴數(shù)比恒幅加卸載時增大了幾倍，這是由于第2 級加載時造成的鹽巖內(nèi)部損傷量較大，導(dǎo)致鹽巖試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

對比變幅荷載和恒幅荷載下鹽巖聲發(fā)射振鈴數(shù)特征曲線可以看出，變幅荷載造成的鹽巖疲勞損傷要大于恒幅荷載。在工程實際中鹽巖常常受到變幅載荷甚至隨機載荷的作用，因此，需要注意疲勞損傷造成的危害。

圖9 分級循環(huán)加載聲發(fā)射特征 Fig.9 AE characteristics under multi-stage cyclic loading

表4 變幅荷載下聲發(fā)射振鈴數(shù) Table 4 AE counts under variable cyclic loads

6 結(jié) 論

（1）鹽巖在循環(huán)荷載作用下，聲發(fā)射振鈴數(shù)隨著上限應(yīng)力的增大而增加。并且在加載階段和卸載初期會產(chǎn)生較明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，而砂巖聲發(fā)射信號主要集中在應(yīng)力峰值處，說明鹽巖在循環(huán)加、卸載期間損傷出現(xiàn)較早，并且不具有砂巖類巖石的應(yīng)力記憶效應(yīng)。

（2）在下限應(yīng)力改變時鹽巖聲發(fā)射振鈴數(shù)基本不變，但在逐漸加載和卸載時卻會產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射信號，每個循環(huán)周期產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴總數(shù)與應(yīng)力幅度有明顯的正相關(guān)關(guān)系。鹽巖疲勞壽命對下限的依賴程度要明顯大于砂巖。

（3）加載速率改變時，聲發(fā)射振鈴數(shù)基本不變，但聲發(fā)射率卻相差很大，加載速率越大，聲發(fā)射率越大，鹽巖在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的疲勞損傷越明顯，加載速率地提高會加速鹽巖的疲勞破壞。

（4）循環(huán)加卸載作用下鹽巖聲發(fā)射累計曲線與應(yīng)變累計曲線有很好的對應(yīng)關(guān)系，說明在反映鹽巖疲勞損傷時，二者具有一致性。

（5）變幅荷載作用下，鹽巖試件受到突變應(yīng)力的影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，導(dǎo)致鹽巖試件產(chǎn)生的損傷比恒幅荷載條件下要大。

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