岩盐蠕变的试验研究∗

张天才，万 玲

(1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400044；2.重庆大学航空航天学院,重庆 400044；3.重庆大学资源及环境科学学院, 重庆 400044)

岩盐蠕变的试验研究∗

张天才1，3，万 玲1，2

(1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400044；2.重庆大学航空航天学院,重庆 400044；3.重庆大学资源及环境科学学院, 重庆 400044)

对岩盐进行了单轴和三轴蠕变试验研究，试验中考虑轴压和围压对蠕变的影响。试验结果表明，随着围压的增大，盐岩的抗压强度增大；岩盐蠕变存在一定的应力阈值，低于此阈值不会发生明显蠕变现象；当围压一定时，轴压越大，岩盐完成蠕变三个阶段需要的时间越短，稳定蠕变率越大，达到破坏时变形越大；通过记录岩盐破坏过程的声发射现象，发现在应力峰值阶段声发射现象最强烈，声发射现象反映了岩盐的微观裂纹破坏。

蠕变；声发射；岩盐

0 引 言

工程实践中,矿井巷道的变形、边坡失稳、地面沉降等流变现象给岩土工程造成了不利影响[1-2]。为了确保岩土工程的长期安全,避免造成经济损失,许多专家和学者对岩土流变进行了研究,万玲对泥岩蠕变性质进行了研究并构建本构模型对蠕变过程进行模拟[3]；陈宗基对宜昌砂岩进行大量蠕变试验,分析“封闭”应力对蠕变过程的影响以及流变过程中的扩容现象[4]；徐平对长江三峡的花岗岩进行蠕变性质研究,为三峡工程提供理论依据[5]；邓荣贵突破传统牛顿流体介质概念,提出新的岩石流变模型,可以分析各类岩石流变特征[6]；尹光志对重庆松藻煤矿含瓦斯煤岩进行三轴蠕变试验,发现该类岩石有典型的蠕变规律,并通过西原正夫模型构造了新的三维应力状态下的蠕变方程[7]。

岩盐具有良好的隔水性和密封性,易溶于水,力学性质稳定,损伤自我恢复能力强,更加适应地下压力变化,研究岩盐流变性质对硐室储库的长期安全稳定有重要意义[8-10]。虽然已有学者做过岩盐力学性质的研究,但由于岩石的力学性质往往因地制宜,离散型较大,且关于岩盐加速蠕变阶段的研究尚有缺陷,本文针对喜马拉雅山区岩盐,进行了系统试验研究,分析不同应力条件下岩盐的压缩和蠕变性质,并监测了岩盐破坏过程中的声发射现象,以探寻岩盐破坏过程的微观能量解释。

1 试验条件

1.1 试验装置

压缩试验采用AG-I250KN型精密电子万能材料试验机进行,其具有多样加载方式、测试性能稳定精确度高等特点。声发射测试分析系统使用12CHs声发射测试分析系统,试验中设定声发射测试分析系统主放为40 dB,门槛值为45 dB,传感器谐振频率为20～400 kHz,采样频率为1X106次/s。

蠕变试验采用重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室的RLW-2000 M三轴流变试验机进行。该试验装置用于研究煤岩和岩石在多种环境下的物理力学特性,可完成单轴压缩、三轴压缩试验、渗流试验、蠕变实验、松弛实验以及循环载荷实验等。试验机轴压和围压采用油压控制方式,轴向最大载荷为2000 kN,有效测力范围为10～2000 kN,测力分辨率为20 N,最大围压为60 MPa,温度控制范围为室温～120℃。

1.2 试 件

本试验所用岩石试件取自喜马拉雅山区较深埋深的天然盐岩,NaCl含量90%以上,其他成分为K2CO3和泥质。盐岩样本加工成直径50 mm、高度100 mm的圆柱形试件和50 mm×50 mm×10 mm的长方体试件,精度控制在0.01mm范围；为了防治试件吸水遇热融化,加工好的试件用塑料薄膜密封储存。盐岩试件初始状态呈现暗红色,质密,表面光滑,如图1所示。盐岩的物理力学参数见表1。

2 试验条件

(1)岩盐压缩试验。岩盐压缩试验测定了围压为0 MPa和3 MPa时试件的抗压强度,为了防止试验结果的离散性,同一试验条件进行5次重复试验。

图1 岩盐试件

表1 岩盐的常规物理力学参数

(2)岩盐蠕变试验。试验条件是围压取0 MPa 和3 MPa两个应力水平对比。在围压为0 MPa时,取轴压15,18,21 MPa 3个应力水平；围压为3 MPa 时,取轴压21,33,45 MPa 3个应力水平。为了防止试验结果的离散型,同一试验条件进行了5次重复试验,以试件开始蠕变开始计算试验时间。

(3)岩盐声发射试验。选取没有明显裂纹、杂质少的岩盐试件,为了方便声发射探头的安装,声发射试验选择50 mm×50 mm×100 mm的长方体岩盐试件。岩盐受力失稳破坏产生损伤,受力的大小、温度、湿度、应变速率等因素的影响,本实验探究岩盐在不同变形速率下声发射现象的规律,试图从微观能量角度解释岩盐破坏的本质。试验方案为在对岩盐进行单轴压缩的同时收集声发射现象,共进行3组试验,试件受力后应变率分别为1×10-3/s、1× 10-4/s、1×10-5/s,每种条件进行3次重复试验。

3 试验结果及分析

3.1 压缩试验试验结果及分析

图2所示为岩盐试件在不同围压条件下的应力应变曲线图,从图中可知,虽然试件应力条件不同,但其应力应变曲线的规律基本一致,表现为4个阶段:裂隙压密阶段,弹性变形阶段,塑性变形裂纹扩展阶段,破坏后阶段。从试验结果可知,围压越大,岩盐的抗压强度越大,应力峰值产生的应变增加,围压对岩盐抗压强度的影响很大。这种现象与岩盐的物质组成有关,试验所用岩盐的主要成分NaCl以结晶形式结合,受力后晶粒面滑动,填充晶粒间的空隙,宏观上就表现为产生变形。当有围压存在时,围压限制了晶粒的径向滑动,一方面导致抗压强度增加,另一方面导致轴向晶粒位移增大,宏观上表现为应力峰值轴向应变增大。

图2 不同围压下岩盐抗压强度

3.2 蠕变试验试验结果及分析

图3和图4所示为岩盐在单轴和三轴应力条件下的蠕变曲线图,根据蠕变应变速率可将蠕变过程分成3个阶段:减速蠕变阶段,稳定蠕变阶段,加速蠕变阶段。

图3 岩盐单轴蠕变曲线

(1)轴压对蠕变的影响。当围压一定时,轴压越大,试件平均蠕变速率越大,完成蠕变阶段的时间越短,稳定蠕变阶段蠕变率越大,达到破坏时变形越大；产生加速蠕变阶段有一定的轴向应力阈值,低于此阈值不会出现加速蠕变阶段,当围压3 MPa、轴压21 MPa时,试件进入稳定蠕变阶段后变形非常缓慢,即使经过长时间试验也不会出现加速蠕变阶段。

图4 围压为3 MPa时，不同轴压下岩盐的蠕变曲线

(2)围压对蠕变的影响。由实验结果可知,轴压相同时,增加围压,试件蠕变平均速率减慢,甚至有可能不会出现加速蠕变阶段,试件寿命增加,破坏时试件变形量增大,围压增加了材料的延展性。

(3)岩盐特性对蠕变的影响。根据结果分析,岩盐完成蠕变阶段的时间长,产生的轴向应变大,在围压3 MPa、轴压45 MPa时轴向应变接近9%。这主要是因为试验所用岩盐试件纯度较高(NaCl含量大于90%),NaCl结晶产生了规律的空隙,加上岩盐延性强,产生较大变形后不会破坏,说明试验所用岩盐的塑性大。

进一步对试验结果进行分析,根据蠕变曲线计算岩盐的稳态蠕变应变率,单轴蠕变试验3种条件下的稳态蠕变率依次为0.988×10-4/h、1.313×10-4/ h、1.87×10-4/h,围压为3 MPa时岩盐蠕变试验3种条件下的稳态蠕变率依次为0.547×10-4/h、1.676× 10-4/h、2.371×10-4/h,计算结果表明,在围压一定的情况下,轴向应力越大,试件蠕变时的稳态蠕变应变率越大,这是由于晶粒在更大应力作用下移动速度增加。由实验数据同样可以得到岩盐蠕变过程各阶段各个时刻的应变速率,如图5和图6所示,可以看出岩盐蠕变应变率是非线性的,在减速蠕变阶段和加速蠕变阶段应变率在短时间内减小和增加,经历时间短,而稳定蠕变阶段占了岩盐蠕变3阶段的主要时间。

3.3 声发射试验试验结果及分析

表2是加声发射条件下岩盐在不同应变率下的单轴压缩试验结果,图7是岩盐应力应变图和声发射现象的关系图。分析图、表可以得到以下结论:

(1)岩盐压缩试验中,加载速率对岩盐的抗压强度有影响,当加载速度缓慢时岩盐的单轴抗压强度稍微降低。这是因为岩石在长期流变过程中抗压强度降低,瞬时抗压强度比长期抗压强度高。

(2)岩盐压缩试验中,加载速率对应力应变曲线没有影响,不论以何种速度加载,岩盐在受压破坏过程都要经历4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形阶段、非稳定破裂发展阶段阶段和破裂后阶段。

图5 岩盐单轴蠕变应变率与时间的关系

图6 岩盐三轴蠕变应变率与时间的关系

表2 岩盐在不同应变率下的试验结果

(3)岩盐压缩过程始终伴随着声发射现象,AE数呈现一定的规律性:在应力峰值处AE数往往达到峰值,岩盐在内部遭到破坏时释放出最大能量；在试验的最初阶段,如果加载速率过低,短时间内不会出现声发射现象,这个阶段岩盐内部的裂隙空隙没有闭合完成,没有新的裂隙产生,不会释放应力波,从而不能产生声发射现象；在到达屈服点之前的弹性变形阶段,AE数呈规律性上升趋势,这个阶段微裂纹不断发展,不断释放应力波；在破坏后阶段仍然存在声发射现象,当加载速度快时,破坏后阶段的AE数仍处于高位,高应变率条件下,岩盐承载能力达到峰值强度后,会继续出现宏观裂面,宏观裂面块体滑移,这些宏观运动同样会产生大量应力波；而在低应变率条件下,这种现象有所减弱。

图7 岩盐压缩过程中，声发射数、应变和应力之间的关系

4 结 论

岩盐的力学特性受应力水平和应变速率因素的影响,并且不同地区岩盐的力学参数也不尽相同,离散型较大。在试验过程中,岩盐即表现出岩石类材料共有的力学性质,又展现出其力学特性,通过宏观和微观试验的结合,即探究了岩盐的宏观力学特性,又从细观上分析了岩盐受力破坏过程微运动产生的能量变化规律,并根据岩盐的组成成分和结构形式,得到了岩盐压缩破坏和蠕变的内在机制,为该地区的工程应用提供了理论依据。

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2015-02-09)

张天才(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为岩石蠕变，Email:cai419＠outlook.com。

国家自然科学基金项目(11372363).