鹽巖三軸卸荷力學特性試驗研究

郭印同，楊春和，付建軍

（1. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；2. 中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，長沙 410014）

1 引 言

目前針對地下空間巖土工程問題，國內(nèi)外學者通常采用加載試驗的方法進行巖石力學特性研究，并且對水電工程地下洞室開挖等屬于卸荷力學狀態(tài)的研究也大多采用常規(guī)的加載方式。然而，巖體加載和卸載過程是不同的應力路徑，其卸載條件下變形和破壞機制與常規(guī)壓縮條件下的加載過程有本質(zhì)的不同，巖體表現(xiàn)出的力學及變形特性也有本質(zhì)區(qū)別[1－3]。

國外學者從20世紀70年代就開始對卸荷應力路徑下的巖石力學問題開展了相關研究工作。近年來隨著我國水電工程的發(fā)展和深部礦山的開采，國內(nèi)巖土工程學者也逐漸開展了巖石卸荷力學特性研究，取得了一系列成果。尤明慶等[4]介紹了模擬地下巖體破壞的三軸卸圍壓試驗，以塑性變形量和本征強度統(tǒng)一研究了三軸壓縮和卸圍壓兩種力學過程，提出了材料參數(shù)弱化模量來描述巖樣的本征強度降低。

黃潤秋等[5－8]結合錦屏水電站洞室開挖工程，進行了不同卸荷路徑條件下大理巖室內(nèi)卸荷試驗研究，得到了高應力條件下的卸荷力學特性。周小平等[9]根據(jù)損傷力學理論建立了巖石處于卸荷條件下的全過程應力-應變關系，得到了巖石卸荷破壞所需要的應力比連續(xù)加載破壞時小、卸荷破壞時的變形比連續(xù)加載時大的結論。呂穎慧等[10]進行了高應力條件下卸圍壓并增大軸壓的花崗巖卸荷試驗，描述了卸荷過程中巖石漸進破壞的應力-應變曲線和力學參數(shù)損傷劣化規(guī)律，建立了巖石由壓剪破裂逐漸過渡到張剪破壞的漸進演化體系。另有多位學者[11]對煤巖、砂巖等進行了卸荷試驗研究。

上述文獻中卸荷試驗多針對水電地下洞室與深部采礦工程，故卸荷試驗研究對象多為硬脆性巖石，如花崗巖、大理巖、煤巖等，對軟巖卸荷試驗條件下的研究幾乎沒有涉及。而我國目前開展的能源天然氣地下鹽穴儲氣庫工程中，在儲氣庫的水溶造腔以及注采氣運行過程中，腔體圍巖實際上處于逐漸卸載及加卸載的應力環(huán)境[12]，因此，有必要開展鹽巖三軸條件下卸載力學特性研究。

本文以江蘇金壇在建儲氣庫鹽礦鉆孔取芯鹽巖為研究對象，在實驗室開展了儲氣庫鹽巖在三軸條件下峰前卸圍壓試驗研究，得到了加卸載應力路徑下的全過程曲線，并與常規(guī)三軸壓縮試驗結果進行對比分析，得到了鹽巖在不同圍壓條件下卸圍壓過程的變形特性及其規(guī)律，其結果可對儲氣庫造腔及運行過程中腔體穩(wěn)定性評價提供技術參考。

2 試驗準備與方案設計

2.1 試驗準備

本次試驗鹽巖樣品取自江蘇金壇鹽礦，取芯深度為900～1100 m。經(jīng)礦物含量分析，主要成分為NaCl、Na2SO4和不溶物，鹽巖組分比例在85%以上，不溶物成分主要為鈣芒硝泥巖、云灰質(zhì)泥巖及膏泥巖等。

按照國際巖石力學學會的有關標準加工。由于鹽巖試樣遇水易潮解，加工過程中采用干式法打磨加工，以避免引起力學性質(zhì)的改變。加工試樣直徑為50 mm，高度為100 mm的標準圓柱體，上下兩個端面的平行度在±0.03 mm以內(nèi)，試樣如圖1所示。

圖1 典型鹽巖試樣Fig.1 Typical samples of salt rock

2.2 試驗方案

本次卸荷試驗在中國科學院武漢巖土力學研究所MTS815.03型巖石力學試驗機上完成。室內(nèi)三軸試驗條件下，卸荷試驗可分為卸軸向載荷和卸圍壓兩種情況[13]。研究循環(huán)加卸載條件下的力學特性屬于卸軸向載荷；而針對卸圍壓試驗，又分為保持軸向載荷不變，同時卸圍壓的卸荷試驗與增加軸壓的同時卸圍壓的卸荷試驗兩種方案。

筆者此處采用的為卸圍壓試驗，具體的試驗方案步驟如下：

（1）首先以 0.05 MPa/s的速率施加靜水壓力(σ1=σ2=σ3)到設定值，根據(jù)實際工況本次試驗設定圍壓分別為2.5、5.0、10.0、15.0、20.0 MPa；

（2）以0.05 MPa/s施加軸壓 (σ1-σ3)至預定的初始應力水平；

（3）以 0.05 MPa/s的速率卸圍壓的同時，以0.05 MPa/s的速率增加軸壓，即保持最大主應力σ1不變；

（4）達到極限變形，停止試驗。

同時為了能夠?qū)Ρ瘸Ｒ?guī)三軸壓縮與卸圍壓試驗條件下鹽巖力學特性的差異，同時進行了相應圍壓條件下的三軸壓縮試驗, 卸荷試驗參數(shù)見表1所示。

表1 三軸卸荷試驗工況Table 1 Conditions of triaxial unloading tests

3 試驗結果與分析

3.1 變形特性

首先進行了鹽巖常規(guī)三軸壓縮試驗，圍壓數(shù)值見表1。圖2為三軸壓縮全過程應力-應變關系曲線，表2為三軸壓縮試驗最大與最小主應力值。不足之處是由于試驗機應變測試傳感器量程所限，在可測量范圍內(nèi)未得到鹽巖試樣破壞階段。從圖2中可以得到，圍壓為2.5 MPa時其應力-應變關系曲線有一個峰值應力點，后繼續(xù)加載過程中，應力降低值較小，引起軸向和徑向應變的急劇增加；而其余試驗圍壓條件下鹽巖試樣均表現(xiàn)為應變硬化特征，在試驗機應變傳感器量程范圍內(nèi)都未得到應力降低段；同時發(fā)現(xiàn)，除低圍壓（2.5 MPa）外，其余圍壓三軸壓縮過程中軸向應變量均大于徑向應變量。

圖2 鹽巖三軸壓縮應力-應變關系曲線Fig.2 Stress-strain curves of salt rock in triaxial compression tests

表2 三軸壓縮試驗最大與最小主應力值Table 2 The maximum principal stresses and the minor principal stresses of triaxial compression tests

圖3為鹽巖在圍壓（數(shù)值見表1）下峰前卸圍壓應力-應變關系曲線。從圖中可以看出，在保持最大主應力σ1不變條件下卸圍壓時，軸向與徑向應變斜率很小。卸圍壓開始之前，試樣已產(chǎn)生側向擴容，但量值較小；卸圍壓開始之后，軸向和徑向應變都急劇增加，即表現(xiàn)出明顯的側向擴容。卸圍壓試驗與常規(guī)三軸壓縮試驗相比，其應力-應變關系曲線中軸向和徑向應變更加平緩。與其他硬脆性巖石在卸圍壓試驗中表現(xiàn)出強烈的脆性特征不同，鹽巖卸圍壓過程仍表現(xiàn)為塑性變形特征，其軸向與徑向應變急劇增加，側向擴容明顯，在傳感器可測量范圍內(nèi)仍未得到試樣破壞階段。在圍壓為2.5 MPa卸圍壓試驗中，當圍壓卸載到0.15 MPa時，最大主應力為σ1=34.27 MPa ，而鹽巖的單軸抗壓強度均值為25 MPa左右，由此可得，當試樣經(jīng)歷了一個加載圍壓到卸載圍壓過程后，鹽巖的抗壓強度參數(shù)得到增加。

地下工程實際工況條件下，巖體本身處于三向受力狀態(tài)，其加載過程已經(jīng)完成[12]。因此，在分析卸圍壓試樣變形過程時可將加載階段引起的軸向與徑向應變暫時忽略不計，只研究卸載開始后由于卸圍壓引起的變形，并設定其變形量從0開始，因此，可得到圖 4忽略加載變形后試樣卸圍壓階段的應力-應變關系曲線。

由圖4可知，在不考慮初始加載壓縮變形階段條件下，卸圍壓階段試樣變形規(guī)律為：在卸圍壓初始階段，軸向和徑向應變量值相差不大，卸圍壓初始階段，應力-應變關系曲線呈近似線性發(fā)展，而當卸圍壓應變量達到一定值時，隨圍壓繼續(xù)降低，軸向和徑向應變都呈加速增加。應力-應變關系曲線最突出的特征是體積應變曲線比較光滑，在破壞前沒有明顯的突變，其變化趨勢與徑向應變的發(fā)展規(guī)律一致。

3.2 卸圍壓與應變分析

圖5為三軸卸荷時圍壓-應變關系曲線，表3為三軸卸荷時圍壓-應變試驗結果。從圖5和表3中可知，在加載試驗終止段，不同圍壓條件下卸圍壓點軸向應變值均大于徑向應變值；卸圍壓開始階段，隨圍壓降低，試樣的軸向和徑向應變增加相對緩慢，兩者之間的差值呈逐漸減小的趨勢，且應變值和圍壓基本上呈線性關系；隨著圍壓繼續(xù)降低，軸向與徑向應變值都急劇增加，且和圍壓不再呈線性關系，試樣出現(xiàn)不可恢復的塑性變形。

3.3 卸圍壓與三軸壓縮試驗對比

圖6為卸圍壓與常規(guī)三軸壓縮試驗應變結果對比，表4為卸圍壓與常規(guī)三軸壓縮結果對比。從圖6和表4中可知，在最大主應力σ1相同條件下，卸載曲線與加載曲線相比，當卸載圍壓達到與常規(guī)三軸壓縮圍壓相應值時，對應的軸向應變和徑向應變值較加載時變化量要大，說明卸載試驗能引起試樣更大的變形量，更容易導致試樣破壞。在相同主應力差下，卸載產(chǎn)生的擴容量比加載產(chǎn)生的擴容量更大。

圖3 峰前卸圍壓試驗應力-應變關系Fig.3 Stress-strain curves of pre-peak unloading confining pressure

圖4 忽略加載變形后卸圍壓階段的應力-應變關系曲線Fig.4 Stress-strain curves of rock samples in unloading without considering initial strain

圖5 三軸卸荷圍壓-應變關系曲線Fig.5 Triaxial unloading confining pressure vs. strain curves

表3 三軸卸荷圍壓-應變試驗結果Table 3 Triaxial unloading confining pressure vs. strain test results

圖6 卸圍壓與常規(guī)三軸壓縮應變對比Fig.6 Triaxial unloading and compression confining pressure vs. strain curves

表4 試樣卸圍壓與常規(guī)三軸壓縮結果對比Table 4 Comparison between triaxial unloading and compression test results

三軸加載試驗中，試樣均處于三向壓縮狀態(tài)，其破壞是增加軸向應力達到試樣的承載能力，抵抗破壞時的強度宏觀上凝聚力起到主導作用。而在卸載試驗中，由于側向圍壓逐漸減小，卸荷效應導致抗破壞時的巖石強度宏觀上凝聚力減小、同時更主要的由內(nèi)摩擦角承擔。兩者主要不同點為：

（1）三軸加載試驗中，試樣破壞是由于其軸向壓縮變形破壞所致；而卸荷試驗中，試樣破壞是由于其卸荷方向的強烈擴容所致。

（2）在加載試驗中隨圍壓的增大，峰值軸向應變逐漸增加，延性特征較為明顯。

（3）在相同圍壓條件下，達到相同的最大主應力時卸荷試驗中應變量大于加載試驗，卸荷試驗條件能引起試樣更大的變形量，更容易導致試樣破壞。

（4）試樣加載試驗破壞是吸收試驗機的能量，而卸載圍壓試驗是通過自身釋放能量來實現(xiàn)的。

4 結 論

（1）卸圍壓與常規(guī)三軸壓縮試驗相比，其應力-應變關系中軸向和徑向應變更加平緩。

（2）在卸圍壓的初始階段，試樣的軸向和徑向應變增加相對緩慢，且應變值和圍壓基本上呈線性關系，隨著圍壓的繼續(xù)降低，軸向應變與徑向應變值急劇增加，且和圍壓不再呈線性關系，試樣出現(xiàn)不可恢復的塑性變形。

（3）在最大主應力σ1相同的條件下，當卸載圍壓達到與常規(guī)三軸壓縮圍壓相應值時，對應的軸向應變和徑向應變值較加載時變化量要大，卸荷試驗能引起試樣更大的變形，更容易導致試樣變形破壞。

（4）在相同的主應力差下，卸載產(chǎn)生的擴容量比加載的擴容量更大。

（5）鹽巖卸圍壓試驗變形表現(xiàn)為塑性變形特征，與其他硬脆性巖石均有較大區(qū)別。

[1] 徐松林, 吳文, 王廣印, 等. 大理巖等圍壓三軸壓縮全過程研究I：三軸壓縮全過程和峰前、峰后卸圍壓全過程試驗[J]. 巖石力學與工程學報, 2001, 20(6): 763－767.XU Song-lin, WU Wen, WANG Guang-yin, et al. Study of complete procedures of marble under triaxial compression I：Testing study of complete procedure of triaxial compression and the processes of unloading confining pressure at the pre-peak and post-peak[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2001, 20(6): 763－767.

[2] 劉豆豆, 陳衛(wèi)忠, 楊建平, 等. 脆性巖石卸圍壓強度特性試驗研究[J]. 巖土力學, 2009, 30(9): 2588－2594.LIU Dou-dou, CHEN Wei-zhong, YANG Jian-ping, et al.Experimental research on strength characteristic of brittle rock unloading confining pressure[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(9): 2588－2594.

[3] 沈軍輝, 王蘭生, 王青海, 等. 卸荷巖體的變形破裂特征[J]. 巖石力學與工程學報, 2003, 22(12): 2028－2031.SHEN Jun-hui, WANG Lan-sheng, WANG Qing-hai, et al.Deformation and fracture features of unloading rock mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(12): 2028－2031.

[4] 尤明慶, 華安增. 巖石巖樣的三軸卸圍壓試驗[J]. 巖石力學與工程學報, 1998, 17(1): 24－29.YOU Ming-qing, HUA An-zeng. Triaxial confining depressure test of rock sample[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1998, 17(1): 24－29.

[5] 黃潤秋, 黃達. 高地應力條件下卸荷速率對錦屏大理巖力學特性影響規(guī)律試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2010, 29(1): 21－33.HUANG Run-qiu, HUANG Da. Experimental research on affection laws of unloading rates on mechanical properties of Jinping marble under high geostress[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010, 29(1): 21－33.

[6] 黃潤秋, 黃達. 卸荷條件下花崗巖力學特性試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2008, 27(11): 2205－2213.HUANG Run-qiu, HUANG Da. Experimental research on mechanical properties of granites under unloading condition[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(11): 2205－2213.

[7] 高春玉, 徐進, 何鵬, 等. 大理巖加卸載力學特性的研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(3): 456－460.GAO Chun-yu, XU Jin, HE Peng, et al. Study of mechanical properties of marble under loading and unloading conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(3): 456－460.

[8] 汪斌, 朱杰兵, 鄔愛清, 等. 錦屏大理巖加、卸載應力路徑下力學性質(zhì)試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報,2008, 27(10): 2138－2145.WANG Bin, ZHU Jie-bing, WU Ai-qing, et al.Experimental study of mechanical properties of Jinping marble under loading and unloading stress paths[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008, 27(10): 2138－2145.

[9] 周小平, 哈秋聆, 張永興, 等. 峰前圍壓卸荷條件下巖石的應力-應變?nèi)^程分析和變形局部化研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(18): 3236－3245.ZHOU Xiao-ping, HA Qiu-ling, ZHANG Yong-xing, et al.Analysis of localization of deformation and complete stress-strain relation for mesoscopic heterogenous brittle rock materials when axial stress is held constant while lateral confinement is reduced[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(18): 3236－3245.

[10] 呂穎慧, 劉泉聲, 江浩, 等. 基于高應力下花崗巖卸荷試驗的力學變形特性研究[J]. 巖土力學, 2010, 31(2):337－343.Lü Ying-hui, LIU Quan-sheng, JIANG Hao, et al. Study of mechanical deformation characteristics of granite in unloading experiments of high stress[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(2): 337－343.

[11] 張黎明, 王在泉, 宋全鋒, 等. 粉砂巖卸荷破壞全過程的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(增刊1): 5043－4037.ZHANG Li-ming, WANG Zai-quan, SONG Quan-feng,et al. Experimental study of the total failure course of siltsand under unloading condition[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(Supp.1):5043－4037.

[12] FUENKAJORN K, PHUEAKPHUM D . Effects of cyclic loading on mechanical properties of Maha Sarakham salt[J]. Engineering Geology, 2010, 112(1－4): 43－52.

[13] 李宏哲, 夏才初, 閆子艦, 等. 錦屏水電站大理巖在高應力條件下的卸荷力學特性研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(10): 2104－2109.LI Hong-zhe, XIA Cai-chu, YAN Zi-jian, et al. Study of the marble unloading properties of Jinping Hydropower Station under high stress conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(10):2104－2109.