实内试验测定盐岩稳态蠕变率新方法

陶思敏

(四川大学 四川 成都 610065)

盐岩由于其极低的渗透率、良好的蠕变性能与损伤恢复特性，成为国际上公认的能源储存和核废料处置的理想介质，对其力学特性的研究日益受到重视。盐岩地下储库在国外建造与运营的经验表明，盐岩地下储库在长期服务年限内，常发生储库失稳、围岩变形大、有效容积率丧失严重等不利情形，其根本原因除储库压力波动、顶板盖层垮塌之外，还与盐岩自身的蠕变特性密切相关，因此对盐岩蠕变特性的研究是一个十分重要的课题。

然而，一般工程现场的盐岩，大多处于较低偏应力作用下，其稳态蠕变率很低且难以测得，盐岩完全进入二期蠕变所需时间为1到10年[1]；而室内常规三轴蠕变试验中，盐岩完全进入二期蠕变也需要1年以上的时间。由于实验室时间条件限制，以及在多级加载试验中，由于每一级加载产生的新的瞬时蠕变，过去试验得到的二期稳态蠕变率往往远高于现场实际值。故如何通过试验在合理时间内获得可靠的稳态蠕变率，成为了亟待解决的难题。为此，本文提出创新而便捷的蠕变试验方法，在适当升温的情况下，对层状盐岩进行两阶段加卸载的三轴蠕变实验研究以及理论分析，从而使得真实的稳态蠕变率在合理时间内获得可靠估计，为层状盐岩中储存库的建设、设计与运行提供依据。

一、试验原理

在适度的高有效应力下，温度在0到200℃之间，位错蠕变在盐岩内部是主导变形机制[2]。在这种没有微裂纹和剪胀的机制下多晶盐岩能产生大应变变形。也有其他晶体间和晶体内的蠕变机制可能影响总蠕变率。特别是，如果存在大量盐水，流体辅助晶界迁移可以产生显著的蠕变变形。根据不同的粒度分布，通过这种机制的蠕变，称为压溶蠕变，可以和位错蠕变相当，尤其是在低于10MPa的压力下。然而，在岩盐样品的含水量较低时(0.05wt%)，这种机制就不明显了。为了研究实验室中的蠕变行为，进行恒定荷载的长期试验。所观察到的蠕变包含一期(瞬态)蠕变阶段和二期(稳态)蠕变阶段。一期(瞬态)蠕变的特点是最初的高蠕变率，但随着变形的增加，蠕变速率逐渐减小直到变为常数，此时达到二期稳态蠕变阶段。如果施加的应力超过扩容边界，其后的特点是微裂纹的发生，开始发生损伤并积累，蠕变率会在某个时刻再次上升(三期蠕变)，直到发生蠕变破坏。如果应力低于剪胀(扩容)边界，二期蠕变基本上可以无限期继续下去。构成位错蠕变的基础是晶格位错的运动。最初，一定数量的位错存在从而导致高初始蠕变率。随着变形的增加，然而新的位错产生阻碍了彼此的流动性，变形率降低(或者说需要来维持给定蠕变速率的应力增加)。这种硬化的过程，另一方面，是由位错湮灭抵消产生，这一过程称为恢复。当创造和湮灭的位错率彼此接近，微观位错密度达到平衡发展，从而宏观蠕变率成为常数，那么即达到了稳态蠕变阶段。因此，硬化与位错密度相关，而这又取决于施加的应力。这意味着我们通过卸载降低应力后，位错密度高于平衡值，即材料过度硬化。接下来蠕变以一个非常低的速率开始逐渐增加，直到达到稳态蠕变率，这种效应称为逆瞬态蠕变。最后，三期蠕变是由结晶内的裂缝或裂纹(如损坏)造成，这与体积增加(扩容)产生联系。损伤只在压力超过扩容边界时发生，如果累积损伤达到临界值，将发生三期蠕变和最终蠕变破坏。

二、改进的室内蠕变试验新方法

在应力状态不是太大的情况下，长期的过程中，瞬态蠕变消失，盐岩的蠕变过程由稳态蠕变阶段占主导。在室温下，40天之后稳态蠕变尚未达到，这是一个典型的标准蠕变试验持续的时间。而当温度为333K(60℃)时，大概20天左右即进入了二期蠕变，那么证明温度明显加快了盐岩进入二期蠕变的时间，这是新方法依据的第一个事实。此外，当荷载在各步骤之间增加时，在多阶段测试中就会出现问题，因为每一个加载步骤，都会产生一个新的一阶蠕变，因而会得到偏大的稳态蠕变率值。而对于卸载步骤则会产生一个新的反向一阶蠕变，即得到偏小的稳态蠕变率值。那么如果能有效的结合上下极限值，那么将获得更为准确的稳态蠕变率值，这是新方法依据的第二个事实。由于位错的湮灭是平衡的，则可以在稳态蠕变中使加工硬化的产生和应力恢复平衡。因此，当应力增加后，加工硬化(硬化指变形能力降低)为主，导致应变速率降低(正常瞬态蠕变)，而当应力降低后，恢复为主导，导致应变率增加(逆瞬态蠕变)。然而，在这两种情况下的蠕变速率均逐渐接近同一个稳态蠕变速率值。我们则可以利用这两种特性来克服标准蠕变试验的困难(正常加载会得到偏高的稳态蠕变率值)。此外，结果清晰表明温度升高会显著加速稳态蠕变。因此，我们提出以下新的蠕变试验方法，由两部分组成：1.一种改进的系列两步蠕变试验测试程序，即先升高温度至指定值，然后在静水应力状态下进行损伤恢复，最后进行一系列加载和卸载步骤。2.参数求解与建模重新计算实验结果并加以验证，促进更可靠的数据外推。新方法具体实验步骤如下：

(1)我们在20MPa围压下将样品固结10天摆脱可能的扰动(如微裂缝，晶界通透等)以及钻井和样品制备过程产生的损伤。然后，要保证在蠕变试验过程中没有损伤，则需要高围压(采用20MPa)来抑制形成微裂纹，因此我们选择20MPa作为试验围压。最后，在较高的温度下测试会更有利，因为高温会缩短稳态速率达到的时间。

(2)第二级荷载，应力差降低2MPa。此时蠕变率不会直接切换到新的应力条件下对应的稳态蠕变率。相反，由于先前的应力状态产生的“过度硬化”，蠕变率低于稳态蠕变率。然而位错湮灭，即恢复，会重新软化材料，蠕变率会慢慢增加，再次接近一个固定的值，但这一次从下面接近。因此，我们获得了稳态蠕变率两个极限：相应于第一应力状态的蠕变率上限以及第二应力状态下的蠕变率下限。通过进行一系列的两步骤的蠕变试验，我们能由给定的从两方面接近的差分应力来界定稳态蠕变速率值，且稳态蠕变率比纯加载试验获得的值更可靠。特别是这适用于在升高的温度下。关键是第二步卸载步骤，其触发的逆瞬态蠕变，是试验中关键而巧妙的一步。传统的多级蠕变试验是步骤间荷载增加，这样只有正常的瞬态蠕变发生，那么我们的实验是与此相反的。

通过以上多级加卸载试验，不仅提高室内试验测定盐岩稳态蠕变率的准确性，同时大大缩短了蠕变试验时间，为层状盐岩中储存库的建设、设计与运行提供依据。