不同应变率下的盐岩损伤声发射时空演化

王伟超，刘希亮，张五交

(1.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003;2.中国平煤神马集团许昌首山焦化有限责任公司，河南许昌 461700)

盐岩由于具有良好的密封性、低渗透率，成为能源战略地下储气(油)库的理想介质.早在上世纪70年代，由于盐腔油气储库以及核废料地下处置库(著名的WIPP)的建造，国外(主要以美国、德国为主)学者已经针对盐岩力学特性进行了深入研究［1］.

我国盐岩层情况与国外盐丘不同，国内外科研工作者［2-3］在岩石应变率效应方面进行不少研究.纪文栋等［4］对盐岩进行不同围压及不同应变率下的三轴压缩强度与变形特性的试验研究.Liang W.G.等［1］对盐岩力学特性的应变率效应进行试验，研究发现腔壁应变率为10-5～10-3s-1时，可以保证储气库腔体的安全稳定运营.谢和平等［5］基于能量耗散理论研究了在循环压缩载荷作用时，不同加载速度及不同水平荷载下岩体的损伤演化规律.刘建锋等［6］对三轴应力状态下盐岩强度进行研究，对比分析工程应变和对数应变适用条件，研究了盐岩大变形特性及对不同围压条件下的轴向应变修正.陈结等［7］利用声发射技术研究盐岩单轴压缩破坏过程，发现卤水浸泡后盐岩声发射累计计数随卤水温度的升高而略有增加.刘伟等［8］建立了基于复合岩体理论的层状盐岩交接界面的应力表达式.周喻等［9］以颗粒流理论和PFC程序为平台，根据矩张量理论建立细观尺度上岩石声发射模拟方法，模拟了岩石破裂过程中的声发射特性.然而，目前有关不同应变率条件下盐岩的损伤及其声发射时空演化规律［10］的研究较少.

为此，本研究利用声发射定位技术，通过对巴基斯坦深部盐岩进行不同应变率下的单轴压缩试验，利用FFT变换进行频谱分析，并对全波形噪声进行滤波分析，研究盐岩强度、变形、损伤演化、声发射特征与应变率之间的关系，以期为盐岩储库设计及安全稳定运营提供参考和借鉴.

1 试验

1.1 条件

设备:中科院武汉岩土所研制的RMT-150B岩石力学试验系统，可实时记录荷载和变形;北京某科技公司生产的DS2系列全信息声发射信号分析仪，本次试验前置放大器固定增益为40 dB，设置双向门限100 mV，声发射采样速率为10 MHz，整个试验过程采用连续存储.试验装置如图1a所示.

试样:取自巴基斯坦，为深部、结构致密、高纯度盐岩，其中可溶物质量分数为95%以上(可溶物主要为NaCl).盐岩试样通过干式锯磨法进行标准试样的切割，试件加工均严格按照试验规范进行.盐岩试件为长方体(见图1b)，具体尺寸见表1.

图1 试验装置及试件样品

表1 不同应变率下试验结果

1.2 方案设计

为保证试件岩性的稳定可靠，选择颜色一致、杂质成分相近、无明显裂纹的盐岩块进行加工，保证同一岩块加工试件分为一组.试件上、下两端面平行度控制在±0.03 mm内，以减小端部效应(见图1b).

本试验使用8个传感器，传感器位置如图2所示.为保证传感器与试件的耦合效果，接触位置涂用专用耦合剂.设计3种荷载加载方案，应变率分别为ε1=2×10-3s-1，ε2=2×10-4s-1和ε3=2×10-5s-1.加载过程中同步监测全过程声发射信号，并利用系统自带算法进行定位.

图2 传感器位置示意图

2 结果与分析

2.1 不同应变率下盐岩的强度和变形

室温条件下，采用位移控制，由于盐岩试样较难获取，试件难于加工，故每种应变率试验只做2次，反映盐岩不同应变率效应下的损伤演化规律.全部试件应力-应变曲线见图3.

图3 不同加载应变率下应力-应变曲线

试验结果发现，应变率对盐岩单轴压缩的应力-应变演化过程的影响主要体现在弹性、塑性和破坏3个阶段.本研究中应变率的增加对盐岩的极限强度影响不大，没有出现类似脆性岩石极限强度随应变率提高而增大的情况，其原因与本研究采用的应变率范围较小有一定关系，在动荷载作用下，仍需要作出相关针对性研究.应变率对盐岩峰值应变的影响较为明显，当盐岩在低应变率加载时，峰值应变较大;盐岩在高应变率加载时，峰值应变较小，峰值应变随应变率变化的拟合曲线如图4所示.

图4 试件峰值应变与加载应变率拟合曲线

由图4可知，盐岩塑性应变在低加载应变率时较大，在高加载应变率时较小.在峰值强度前后，加载应变率越小，塑性变形特征越明显.如，ε3=2×10-5s-1时，应力-应变曲线出现明显波动.盐岩峰值锥度随加载速率减小而降低.本试验中未观察到文献［1］中应力-应变曲线屈服-破坏阶段呈现“梳齿”状的现象，这与采集的盐岩样本不同有一定关系.

2.2 盐岩损伤过程的AE时空演化

在荷载作用下声发射事件的产生，主要与盐岩裂纹的萌生、扩展、断裂有关.但是，由于盐岩属软岩，强度较低，ε1=2×10-3s-1加载时间很短，整个加载过程定位点较少，因此，重点以试件BJD7-2和BJD5-2为例，分析在 ε3=2×10-5s-1和 ε2=2×10-4s-1加载率下的损伤演化过程.图5为盐岩单轴压缩过程中声发射定位点空间演化.图6为盐岩试件应力-时间曲线.

图5 盐岩单轴压缩过程中声发射定位空间演化

图6 盐岩试件应力-时间曲线

结合图 3，5，6 可知:

1)ε3=2×10-5s-1时，BJD7-2在加载初期经历了极短的压密过程，该阶段在试件中下部检测到极少量定位点，说明该阶段应力非常小，对于试件基本没有产生损伤;随着加载应力增加，当t=100 s左右时，进入弹性阶段，持续约400 s后弹性阶段结束，此阶段相对塑性阶段时间较短，定位点在试件中上部产生，并逐步增加，此阶段定位点数量接近于线性增加，与应力-应变曲线的弹性阶段相对应，表明盐岩在弹性阶段承受荷载时，试件损伤萌生微裂纹，产生声发射现象;当t=500 s左右时，进入塑性阶段，此阶段比弹性阶段时间长.在塑性阶段初期，t=500～1 000 s时，声发射定位点在试件中上部大量快速增加;t=1 000～1 500 s时，定位点出现在试件中上部，定位点继续快速增加，说明此时试件内部微裂纹逐步扩展.在塑性阶段中期，随着应力的逐步加大，定位点产生速度放缓，t=1 500～2 500 s时，定位点增加总数量逐步增多，增加速度逐步减小，但定位点产生仍然有聚集趋势，说明此时内部微裂纹逐步成核.在塑性阶段后期，t=2 500～3 000 s时，定位点增加数量明显低于初期，增加速度逐步减小，说明此时内部微裂纹成核后，主裂纹逐步形成.当t=3 000 s时，进入破坏阶段，此阶段定位点空间位置更加聚集，定位点增加速度继续降低，说明主裂纹已经形成，并逐步扩展、贯通破坏.

2)ε2=2×10-4s-1时，BJD5-2在加载初期经历了较短的压密和弹性阶段，当t=20 s时，弹性阶段结束，在此过程中，定位点在试件中上部产生，并逐步增加.进入塑性阶段后，在塑性阶段初期，t=20～100 s时，声发射定位点在试件中上部大量快速增加.在塑性阶段中期，随应力逐步加大，定位点增加速度放缓，t=250～310 s时，定位点增加速度逐步减小，定位点增加的数量明显低于塑性阶段初期，增加速度逐步减小，说明此时内部微裂纹主裂纹逐步形成.

图7为定位点累计一时间曲线.由图7可知，定位点累计数随时间增加速度逐步减小.当t=320 s时，进入破坏阶段，此阶段定位点更加聚集，定位点增加速度继续降低，说明主裂纹已经形成，并逐步扩展、贯通破坏.

图7 BJD5-2定位点累计数-时间变化曲线

3)由图5可知，盐岩在2种不同应变率下的损伤AE时空演化趋势大致相同:都经历很短暂的压密阶段，有极少量定位点出现;弹性阶段时间也相对较短，此过程定位点基本成线性增加，与应力-应变曲线弹性阶段相吻合;塑性阶段经历时间相对较长，初期定位点快速增加，中后期定位点增加速度逐步减小;在破坏阶段，应力虽然降低，但仍有相当数量定位点出现.在整个过程中，出现了在塑性阶段初期定位点增加快速，而在峰值应力时，定位点数量并没有最多的现象.这是因为在塑性阶段初期，盐岩受荷载作用，内部损伤，大量微裂纹开始随机无序萌生;在峰值应力时，主裂纹基本形成，AE定位点向主裂纹附近聚集，此时AE主要由裂纹的扩展、贯通产生，数量较少，但振幅和能量较大.

3 结论

1)不同加载应变率下，盐岩经历压密和弹性阶段时间都很短.在弹性阶段，定位点数量线性增长，表明盐岩此时内部已经开始损伤并产生微裂纹.塑性阶段初期的定位点快速增加，中后期定位点增加速度逐步减小.在破坏阶段，应力虽然降低，但仍有相当数量定位点出现.

2)应变率对盐岩的损伤有较大影响，应变率越大，定位点数量越少，单次AE幅值和能量越高;应变率越小，定位点数量越大，单次AE幅值和能量越低.

3)在本试验的应变率范围内，应变率对单轴压缩盐岩的极限强度影响不大，未出现类似脆性岩石的极限强度随应变率提高而增大的情况.尤其在围压作用下，应变率对极限强度影响仍需要作针对性的研究.

4)在低加载应变率时盐岩塑性应变较大，在高加载应变率时较小.在峰值强度前后，加载应变率越小，塑性变形特征越明显.

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