（工程力学专业论文）盐岩动静态力学性能的实验与理论研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r ，sd e g r e e t h e e x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i c a ls t u d yo f q u a s i - - s t a t i ca n dd y n a m i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs a l tr o c k a u t h o r sn a m e ： w e i g u o l i u s p e c i a l i t y ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s s u p e r v i s o r ：p r o f x i a o j u nw a n gp r o f x i q u a nj i a n g f i n i s h e dt i m e ：j u n1 t l l ，2 0 11 致谢 致谢 值此论文脱稿之际，谨向我的导师王肖均教授和姜锡权教授( 解放军炮兵 学院) 致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢! 感谢他们三年来对我学业上的教导和 督促! 感谢他们对我工作上的启发和帮助! 感谢他们对我生活上的关系和照顾! 学高为师，身正为范，他们深厚广博的学术底蕴，严谨务实的治学态度，成功智 慧的人生历程，尤其让我敬慕在心，并将作为一种精神力量，伴我奋斗一生。 真诚感谢李永池教授、胡秀章副教授、郭扬副教授、徐松林副教授、孔庆合 副教授和赵凯讲师等多位老师在学业上给予的教导和帮助。感谢解放军炮兵学院 师姐王宝珍博士在实验工作上的帮助。感谢蒋东博士、高光发博士两位师兄对论 文撰写的指导和帮助。感谢单位领导和多位同事的支持和帮助。 感谢王志海、卞梁、邓世春、沈玲燕、段士伟、章杰、黄瑞源、李建阳、王 林、刘文平、刘明涛、黄焱龙、李煦阳、罗文超、李平、王鹏飞等多位学友。感 谢孙传宝、任兴涛两位室友。感谢洛阳市总参工程兵科研三所徐景茂、庞友超两 位战友。三年来，得到了他们来自多方面的帮助和关心，期间结下了深厚的友谊。 感谢我的父母和亲人，他们的付出是无声的，支持却是永远的! 谨以此文献 给他们，说一声：我一直深爱着你们1 2 0 1 0 年6 月1 日 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说嚣二签名：溯 签字日期： 作者签名：( 易豳引 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 町公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 签字日期：坐! ! ：圭：2 摘要 摘要 盐岩是一种特殊的软岩，具有孑l 隙度低、渗透率小、塑性变形能力大和损伤 自恢复的特性，使得盐岩开采后的地下空间在作为能源的战备储存和有毒垃圾的 地下处置中具有多种优势，多年来被国际社会深切关注。然而，围绕盐岩物理力 学性能进行的研究却基本都是集中在常规的较低的加载速率条件下的。这便不能 满足储库的动态注采过程导致的腔壁盐岩载荷和变形的时间相关性，以及地震、 火灾、爆炸等灾变导致的极限载荷等实际应用需求。因此，进行动态加载条件下 盐岩力学性能和本构关系的研究具有重要的现实意义。 论文对盐岩材料力学特性的国内外实验研究情况进行了综述，总结了盐岩的 短期强度特性、变形特性、蠕变特性和力学模型的研究现状和材料动态力学性能 测试技术的发展情况。采用平台巴西圆盘和s h p b 方法实验研究了盐岩的动静态 拉伸强度性能、常规及主动三维围压下的动态压缩强度特性，获得了有效的实验 曲线，分析了强度的应变率效应和损伤软化效应以及围压作用对盐岩动态力学响 应的影响。基于动态应力一应变曲线，提出了含损伤的率相关动态本构模型，拟 合得到的本构方程形式简单，具有一定的工程应用价值。 研究表明，盐岩是一种应变率敏感材料，强度和破坏模式均具有明显的应变 率效应。拉伸特性方面，1 4 1s - 1 、2 0 7s 一、3 3 0 s 。1 三种不同应变率下的动态 拉伸强度分别是静态测定的抗拉强度平均值1 3 6 5 m p a 的2 2 7 、3 6 5 和4 9 4 倍。 较高应变率下平台巴西圆盘试件在发生类似于静态径向劈裂破坏的同时，会伴有 平台附近的局部破碎，甚至更大范围的粉碎破坏；动态压缩性能方面，如果采用 应变率增强因子，( 叠) = 仃仃。描述应变率的强化效果，则在毒1 0 2 应变率范围 内，其与1 1 1 ( 舌毫) 的关系符合二次曲线分布。冲击载荷作用下的盐岩材料还具有 明显的损伤软化现象，如果采用损伤量d ( e ) 表征强度随变形发展的弱化效果， 则其与应变的关系符合w e i b u l l 函数分布。围压的作用能够较大程度上提高盐岩 的抗压能力，使其脆性特征更多的转化为延性，而围压与应变率的耦合作用对盐 岩的破坏机理和破坏形式会有所改变。 关键字：盐岩；强度特性；应变率：损伤；动态本构关系；主动围压：s h p b a b s t r a c t ab s t r a c t s a l tr o c ki sak i n do fs p e c i a ls o f tr o c k b e c a u s eo fi t sl o wp o r o s i t y , l o w p e r m e a b i l i t y , h i g hp l a s t i cd e f o r m a t i o na n dt h ed a m a g es e l f - r e s t o r ep r o p e r t i e s ，t h eh o l e a f t e rt h eu n d e r g r o u n dm i n i n gc a nb eu s e df o rt h es t r a t e g i ce n e r g yr e s e r v i n ga n dt h e t o x i cr u b b i s hl a n d f i l l i n g i th a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o na r o u n dt h ew h o l ew o r l df o r m a n yy e a r s h o w e v e r , m a n yo ft h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es a l t r o c kw a sf o c u s e do nt h eu s u a lc o n d i t i o n sw i t hl o w l o a d i n gs p e e d t h e r e f o r ei tc a nn o t m e e tt h er e q u i r e m e n to fr e l a t i o n s h i po fl o a d i n go fs a l tr o c kc h a m b e rw a l la n dt h e d e f o r m a t i o nt i m ei nt h ep r o c e s so fd y n a m i ci n j e c t i o n p r o d u c t i o ni nt h er e s e r v i o r s m e a n w h i l et h er e s e a r c hc a nn o tm e e tt h ep r a c t i c a la p p l y i n gr e q u i r e m e n to fu l t i m a t e l o a di ne r a t h q u a k e ，f i r ed i s a s t e ra n de x p l o s i o n s o ，i th a sm u c hr e a l i s t i cm e a n i n gt o s t u d yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i po ft h es a l tr o c ku n d e r t h ed y n a m i cl o a d i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h eh i s t o r yo ft h er e s e a r c ho nt h es a l tr o c kp r o p e r t i e si nt h e w o r l dw a sa c c o u n t e d ，t h ed e v e l o p m e n to f t e s t i n gt e c h n o l o g yo fd y n a m i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dt h es i t u a t i o no fs t u d yw a ss u m m a r i z e di n c l u d i n gs h o r t t e r ms t r e n g t h p r o p e r t i e s ，d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，c r e e pc h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i cm o d e l s t h ed y n a m i cp l a t f o r mb r a z i l d i s ke x p e r i m e n t sa n ds h p bw e r eu s e dt o s t u d yt h e d y n a m i ca n ds t a t i ct e n s i l es t r e n g t hp e r f o r m a n c ea n dt h ed y n a m i cc o m p r e s s i o n s t r e n g t hp r o p e r t i e su n d e ru s u a la n da c t i v et h r e e d i m e n s i o n a lp e r i p h e r a l p r e s s u r e c o n d i t i o n s ，e f f e c t i v ee x p e r i m e n t a lc a lv e sw e r eo b t a i n e d f i n a l l y , t h es t r a i nr a t ee f f e c t o ft h es t r e n g t h ，t h ed a m a g es o f t e n i n ge f f e c ta n dt h ee f f e c to f p e r i p h e r a lp r e s s u r eo n t h ed y n a m i cr e s p o n s i v e n e s so ft h es a l tr o c kw e r ea n a l y z e d ak i n do f d y n a m i c c o n s t i t u t i v em o d e lw a sp r o p o s e db yu s i n gr a t er e l a t i v ef a c t o ra n dt h ed a m a g ef a c t o n t h i sm o d e lh a sa s i m p l ef o r ma n dc e r t a i nv a l u ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i ti ss h o w nt h a ts a l tr o c ki sak i n do fs t r a i nr a t e s e n s i t i v em a t e r i a la n dt h e s t r e n g t ho fs a l tr o c ka sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff a i l u r em o d e sh a v es t r o n gs t r a i n 6 a b s t r a c t r a t ee f f e c t c o r r e s p o n d i n gt ot h et h r e ed i f f e r e n ts t r a i nr a t e so f1 4 1s 一，2 0 7 s 一，3 3 0 s 1 ，t h ed y n a m i ct e n s i l es t r e n g t ho fr o c ks a l ta r e3 0 5 ，4 9 8 ，6 7 4 m p aw i t har a t i oo f 2 2 7 ，3 6 5a n d4 9 4t ot h ea v e r a g es t a t i ct e n s i l es t r e n g t ho f1 3 6 5 m p a ，r e s p e c t i v e l y t h ed a m a g ep h e n o m e n o no b s e r v e di nt h ep l a t f o r mb r a z i ld i s k e x p e r i m e n t su n d e r h i g h e rs t r a i nr a t ei ss i m i l a rt ot h eq u a s i s t a t i cr a d i a ls p l i td a m a g e ，a n ds o m ep a r t f r a g m e n t a t i o n sa n de v e nl a r g e rr a n g eo ff r a g m e n t a t i o n sw o u l da p p e a ra r o u n dt h e p l a t f o r m c o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cc o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i fs t r a i nr a t ei n c r e a s e f a c t o r ，( 毒) = a o , w a su s e dt od i s c r i b et h es t r a i nr a t ee n h e n c e dr e s u l t s ，t h e ni t s r e l a t i o n s h i pw i t hh t ) a c c o r d sw i t hc o n i cd i s t r i b u t i o ni nt h es t r a i nr a t eo f 芒10 2 o b v i o u sd a m a g es o f t e n i n gp h e n o m e n o nw o u l da p p e a ru n d e r i m p a c tl o a df o r t h es a l tr o c km a t e r i a l s ，a n di fd a m a g ea m o u n td ( ) w a su s e dt o d i s c r i b es t r a i n s o f t e n i n ge f f e c t ，t h e ni t s r e l a t i o n s h i pw i t hs t r a i na c c o r d sw i t hw e i b u l lf u n c t i o n d i s t r i b u t i o n t h ee f f e c to fp e r i p h e r a lp r e s s u r ec o u l di m p r o v et h ec o m p r e s s i o n s t r e n g t h o fs a l tr o c k ，a n dc o n v e r tf r a g i l i t yi n t od u c t i l i t y t h ec o u p l i n gi n t e r a c t i o nf o r p e r i p h e r a l p r e s s u r ea n ds t r a i nr a t em a yb ec h a n g et h ef a i l u r em e c h a n i s ma n df o r m so ft h es a l t r o c k k e y w o r d s ：s a l tr o c k ；s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c s ；s t r a i nr a t e ；d a m a g e ：d y n a m i c c o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p ； a c t i v ec o n f i n e m e n t ；s h p b 7 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 盐岩力学问题的国内外研究现状3 1 2 1 强度和变形研究4 1 2 2 应变率效应研究8 1 2 3 蠕变特性及模型研究8 1 3 材料力学性能研究的实验技术1 0 1 3 1 拉伸性能实验1 0 1 3 2 动态压缩实验1 2 1 4 课题背景及研究意义：1 3 1 5 本文的研究内容和主要方法1 4 参考文献1 6 第2 章盐岩拉伸强度特性的实验研究1 9 2 1 引言1 9 2 2 平台巴西圆盘实验原理1 9 2 3 试件制备2 l 2 4 准静态实验2 2 2 4 1 实验设备及过程2 2 2 4 2 实验结果及分析2 3 2 5 动态实验2 6 2 5 1s h p b 实验原理2 6 2 5 2 实验装置2 8 2 5 3 技术措施2 9 2 5 4 实验结果与分析3 0 2 6 本章小结3 3 参考文献3 4 第3 章冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究3 5 3 1 引言3 5 目录 3 2s h p b 实验技术的发展进程3 5 3 3 盐岩的s h p b 压缩实验3 8 3 3 i 实验过程3 8 3 3 2 实验有效性分析3 9 3 3 3 实验结果与分析4 2 3 4 盐岩的动态本构关系研究4 4 3 5 本章小结4 6 参考文献4 7 第4 章主动三维围压下的盐岩s h p b 实验研究4 9 4 i 引言4 9 4 2 围压作用下的脆性材料力学性能研究概述4 9 4 2 1 主要成果4 9 4 2 2s h p b 技术5 1 4 2 3 存在问题5 2 4 3 盐岩在主动三维围压下的s h p b 实验研究5 3 4 3 1 实验试件5 3 4 3 2 实验装置5 4 4 3 3 技术措施5 5 4 3 4 实验结果及分析5 7 4 4 本章小结6 2 参考文献6 3 第5 章全文总结与展望6 5 5 i 全文总结6 5 5 2 展望6 6 攻读硕士期间发表论文6 8 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 盐，作为生活必需品之一，为每个人所熟悉，然而绝大多数的人对盐的认识 却也仅限于此。其实，除了食用外，盐还是一种重要的化工原料，其来源主要是 盐岩的地下开采和海水晒盐两个方面。人类从地下开采盐岩的历史可以一直追溯 到新石器时代，至今已达上千年之久。然而，开采盐岩留下的地下空间的利用的 历史却远不到百年。 盐岩开采留下的地下空间，通常具有空间容积大、能够保持长时间稳定等特 点。随着科技的进步和生产的发展，人们开始发现并利用它。时至今日，这类地 下空间主要被应用于两个方面：储存不溶解于盐的物质，如石油和天然气等能源 物质；地下深埋处置不溶解于盐的生产废料，如核废料等有毒有害垃圾n 1 。 用作能源储备。能源( 石油、天然气) 地下储备和陆上罐储、海上罐储是当 前的三种主要能源储备方式，其中前者因其隐蔽性而在安全方面最具优势。而在 世界上已有的地下储气库类型( 枯竭油气藏、含水构造地下储气库、盐岩地下储 气库、废弃矿井和水密封岩石洞室) 当中，盐岩储气库被认为是最理想的，其原 因主要有以下方面： 1 ) 隐蔽安全性高，利于战备，被称为是“高度战略安全的储备库； 2 ) 可供储气库建设的盐矿遍布全国各地，可以有效解决能源运输的难题； 3 ) 力学性能稳定，且具有损伤自我恢复能力，能够适应储存压力的变化； 4 ) 盐岩的低渗透特性和良好的蠕变行为，能够保证能源储库的密闭性。 目前世界各地大约已建成使用的盐岩地下储气库有4 4 座，主要集中在北美 和西欧地区。加拿大是最早在盐岩矿床中以水溶方式建成地下储气库的国家，现 有7 座盐岩地下储库。另外，西欧地区有1 8 座( 其中德国1 3 座) ，美国有1 8 座，加拿大 有7 座，东欧地区有1 座。在世界g d p 前几位的国家当中，中国是惟一没有建立能源 的国家战略储备和民间商业储备的国家。 我国早在1 9 9 3 年开始就已经成为石油进口国，至2 0 1 0 年国家的石油资源缺 口已经有1 亿吨之巨，对外国石油资源的依赖也增高到了4 0 ，且增长趋势多年不 第l 章绪论 减n 1 。对国外资源的依赖程度增高，使得我国市场受到的干扰和影响程度就越深。 国际原子能机构认为，石油供应中断量达到需求量的7 便是安全警戒线，那么随 着可能出现的特殊时期的到来，我国石油等资源将远远突破此限，随之而来的便 是政治、经济、文化、军事等必然出现受人操控的严重局面。因此，建立能源战 略储备性库存，增加能源生产性周转库存便是迫在眉睫的要事。为确保国民经济 和社会的可持续发展，党和国家已经将此作为能源战略的重要课题之一。 国家能源战略储备的一个重点部署方向就是利用深部盐矿资源建设能源的 地下储备，并已经开始大规模兴建地下储库群。江苏金坛盐岩储气库。至今已经 具备较好规模，有1 5 个容积约为2 0 l om 3 的单腔，其最终目标是建成由1 0 0 , - - , 1 2 0 个单腔组成的密集地下气库群。同时，石油储库群也在同步兴建中，预计由 5 0 n 6 0 个单腔组成，原油储备可达3 0 0 至u 6 0 0 万吨。另外，重庆万州、湖北云应和 河南平顶山等盐矿区也已规划建设油气储备库“1 。 用作有毒废弃物的地下处置。处置不溶解于盐的生产废料，特别是对生态环 境危害巨大的核废料和有毒有害垃圾等，是盐岩地下储库建设的另一个重要用 途。核电站生产中产生的高放射性核废料的处置问题是世界上诸多国家关注并着 力解决的一个重大问题，选择将其隔离处置到地球生态圈之外当然是最为理想的 做法，许多国家都寻觅适当的地质介质来克服这一难题。而盐岩地下洞库便是当 前的尤佳之选。 与核电站产生的核废料相同，科研生产、医学应用、其他工业生产的核废料 也有相同问题。过去，曾经提出过许多的设想，诸如海底深埋、向外星球运送等 等，但是都因环境问题和成本问题均未得到实践。 相关的研究和论证表明，核废料和有毒垃圾深埋地下致密岩层是一个最有建 设性的方向。由此指导，世界上许多国家都立足本国地质特点，选择了不同的岩 层实践这一设想。而所选岩层一般都具备密实、紧致的特点，能够将有毒物质长 久的隔离于地球生态圈之外，最大限度的减少其对生态环境的污染和破坏。盐岩、 玄武岩、大理岩、粘土岩、凝灰岩和石膏岩等都在此列“。 美国是建成正式的核废料处置工程的国家，其他国家这方面的工作进度各 异。一般地，核废料和有毒垃圾在地下掩埋至少需要5 0 0 到2 5 0 0 米的埋深，这 便涉及到诸多的岩石力学问题。作为各项研究的基础，盐岩的力学性能、力学参 2 第1 章绪论 数、力学模型研究便具有突出重要的地位。 1 2 盐岩力学问题的国内外研究现状 随着科技的进步和经济的发展，盐岩的价值被逐渐发现，并在能源储备和有 毒垃圾地下处置等方面被赋予广泛的应用背景，半个世纪以来，尤其是近3 0 年来， 许多发达国家和发展中国家都深度关注，在盐岩的力学特性研究上开展了大量的 工作，也取得了一些成果。 2 0 0 5 年，吴文、杨春和、侯正猛经过对国内外盐岩科学研究情况的大量文件 调研和分析整理，在盐岩中能源( 石油和天然气) 地下储存力学问题研究现状及 其发展一文中，将盐岩的力学问题与本构模型的研究划分为四个阶段：简单应 用阶段、模型研究与应用阶段、数值模拟计算阶段和损伤力学模型设计阶段1 。 上世纪6 0 年前后，加拿大利用在矿山开采工程中积累的经验和相关知识，在 地下工程中加以简单研究和应用，设计了世界上第一个地下天然气储库。规模只 有几万立方米到几十万立方米。此为第一阶段，称为“简单应用阶段 ；到7 0 年代初期，对盐岩力学性能的研究逐渐发展到了实验室模拟阶段，用较大的盐岩 矿石做母体，从中挖取不同形状的腔体，然后施加不同的压力，研究溶腔的稳定 性和盐岩的力学性能，获取盐岩用于储库建设的各类参数。此阶段被称为是“模 型研究与应用阶段”，德国克劳斯塔尔工业大学的d r e y e r 教授是其中最有代表性 的学者。随着有限元计算技术的发展和推广，d r e y e r 教授的模型技术便不再满 足研究需要，显得保守和落后。到了9 0 年代中期以后，德国、美国、法国、加 拿大等国的科研工作者便基于有限元技术开创了“数值模拟计算阶段。他们先 是通过盐岩试件的室内实验研究获取计算所需的相关参数，如强度特性和盐岩的 变形特性等等，然后结合盐岩地下储库的形状和应用需求模拟计算石油和天然气 的地下储存过程，最后充分利用有限元计算技术进行计算和分析，确定能源地下 储库设计的参数和原则规范。德国克劳斯塔尔工业大学的l u x 教授，在1 9 8 4 年 出版了这一领域的第一本专著，提出了盐岩储库设计的三个基本准则被世界各国 所认同并得到成功应用，是这一阶段的代表人物。此后一直到当前时期为“损伤 力学模型设计阶段 ，其特点是在新的设计方法和准则中增加了对盐岩的损伤 及损伤恢复特性的考虑，并建立涵盖这一特性的新的本构模型用于有限元计算。 第l 章绪论 这方面的研究工作在德国、美国、加拿大等国家正在大量的进行。 1 9 6 2 年，第一次专题研讨盐岩储库相关技术问题的会议在美国举行，此后 这一冠名为盐的力学特性专门会议( t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fs a l t ) 的专题 会议便定期召开，研讨以盐岩的地下储存、处置与利用为背景的诸多相关力学问 题。图1 1 是盐岩在能源地下储存和有毒垃圾啊地下处置两大工程应用中所涉及 的主要力学问题，其中的岩体力学模型是研究者所关注的主要问题，特别是盐岩 的相关力学问题研究。 图1 1 盐岩储存处置库所涉及的主要研究问题“1 在盐岩用于储库建设的力学问题研究方面，我国的起步相对较晚，加上我国 的盐岩层与国外盐丘型盐矿不同，具有层数多、杂质多的特点，所以国外的储气 库建设经验便不能直接为我国的储气库建设所用。近年来，立足我国地质特点和 建设实际，诸多单位和学者进行了许多盐岩力学性能方面的研究，但均未形成系 统的成果。 1 2 1 强度和变形研究 材料在单轴和三轴应力作用下，抵抗塑性变形与破坏的能力，称为其强度。 关于盐岩强度和变形特性的研究，国内外学者已经进行过许多，有的研究还同时 考虑到了温度、围压、损伤等因素。 吴文“11 采用标准压缩试件对盐岩进行了准静态的单轴压缩实验研究，获得 4 第l 章绪论 了应力应变曲线，如图1 2 所示。陈锋“1 也进行了类似的实验，得到了盐岩的单 轴压缩峰值应力为2 0 9 m p a ，弹性模量为1 5 5 g p a 的结论。总结起来，我们可以将 盐岩的单轴压缩过程分为三个阶段：1 ) 弹性阶段：此阶段盐岩的应变增加较为 缓慢，应力增加却较快，弹性极限通常在1 5 - 2 0 m p a 之间，弹性模量大致处于 1 2 5 - 2 0 m p a 之间；2 ) 屈服塑形强化阶段：屈服点附近盐岩的应力会突然滑落， 随后又立即增加，应变也不断增大，相对于应变，应力的增长较为缓慢且在达到 强度极限后不再增加。盐岩的峰值强度为2 6 7 - 3 6 5 m p a ，屈服段比其他脆性岩石 类材料持续的时间长，所累积的应变也要大一些；3 ) 破坏阶段：盐岩达到强度 极限后，并不像其他岩石一样快速崩解，而是随着应变的继续增加应力缓慢降低， 表现出较好的延性特征。拉伸强度特性方面，梁卫国9 曾采用b r a z i l 试验方法 测定了无水芒硝盐岩和钙质无水芒硝盐岩的静态抗拉强度，刘江n 们等完成了对 云应盐矿的盐岩、泥岩和盐岩与泥岩交界层面位于劈裂圆盘试样中心的层状盐岩 的巴西劈裂试验，结果表明盐岩的平均抗拉强度为1 0 4 m p a ，是其平均单轴抗压 强度的5 6 ；泥岩的平均抗拉强度为2 2 0m p a ，是其平均抗压强度的9 2 。 强度的温度相关性方面，高小平n ( 2 0 0 5 年) 在高温高压三轴流变仪上进 行了经历不同温度后盐岩的力学性能的实验研究，研究表明随着温度的增加，盐 岩的塑性变形特征更加明显，温度对盐岩造成了损伤，温度相关的应力应变曲线 如图1 3 所示；陈剑文n 2 1 ( 2 0 0 7 年) 利用超声波技术在无侧压情况下，对盐岩 躺 耱 爱2 为 熬 墨笳 礴 篓l 编 爨 s 静 o l2 34荔蠡 s l 勰i 越鼍) 图1 2 盐岩的单轴应力一应变实验曲线n 1 第1 章绪论 在升温过程( 2 4 - - 2 7 0 ) 中的力学特性变化以及温度对盐岩损伤演化的影响 进行了研究，结果表明温度变化过程尤其是温度冲击对盐岩力学性能的影响非常 大，波速、动弹性模量和泊松比随着温度的提升都不同程度降低。吴文“1 的同 类实验结果表明，温度能够使盐岩的强度降低，温度增加2 倍盐岩的峰值应力平 均会减少1 4 m p a 。然而，梁卫国1 3 1 ( 2 0 0 4 年) 通过对无水芒硝盐岩在2 0 - 一2 4 0 不同温度下进行的一系列单轴压缩实验表明，在单轴压缩下，盐岩的强度随温 度的升高而增大，并以对数关系发展。对于这两种相悖的结论和观点，目前还没 有进一步的实验验证，更为准确的盐岩强度的温度相关性特征还有待研究。 星4 0 窆 杂3 0 霉 霉1 0 6 第l 章绪论 豹 5 0 耄| o 餐3 0 爱 寒2 0 i 0 o 霸商应耋潞 图1 4 常温下盐岩压缩实验的应力应变曲线n 1 用损伤和渗透来表征盐岩的强度特性也是一个重要的研究方向。c r i s t e s e u ( 1 9 9 6 ) 、c h m u b ed ( 1 9 9 6 ) 、p e a c h ( 1 9 9 6 ) 、t i l lp o p pa n dh a r t m u tk e r n ( 1 9 9 9 ) 、 h u n s e h e ( 2 0 0 0 ) 、j i h n s t o r m o n t ( 2 0 0 1 ) n 钉等利用声发射技术，通过测试受力 前后盐岩的超声波速度变化情况，分析研究了盐岩的损伤与渗透特性；t p o p p ， 0 s c h u l z en 订( 1 9 9 9 年) 通过研究盐岩的损伤、渗透与强度特性，得到了盐岩的 破坏强度边界线、压缩极限边界线和扩容极限边界线，如图l - 5 所示。表明盐岩 在扩容边界线以下区域，不会发生破坏，而在扩容极限边界线和破坏极限边界线 围成的扩容区，渗透率不断增大、裂隙不断增多、损伤程度不断加强，并最终导 致破坏的发生。 oi o2 04 0 朝 八面体正应力( i r a ) 图1 5 盐岩的扩容边界线与破坏边界线n 7 1 7 柏弱弱：2加；0 -d一)r毯钕肇幢、， 第1 章绪论 1 2 2 应变率效应研究 盐岩的强度和变形特征都会随实验加载的应变率变化而有所不同，有关应变 率效应的研究这些年来也有很多。k u x ( 1 9 8 1 ) 、h u n s e n ( 1 9 8 1 ) 、w a l l n e r ( 1 9 8 3 ) 、 h a n s e n ( 1 9 8 4 ) 、h u n s c h e ( 1 9 8 4 、1 9 8 5 、1 9 9 0 ) n 蛾1 等通过单轴压轴、三轴压缩和 剪切实验，对盐岩强度、变形特征等力学特性进行了一些基本的研究，获得了抗 压强度参数，以摩尔一库仑强度理论为基础建立了盐岩的强度理论，并指出盐岩 属于一种软岩，强度较低、变形较大，增加实验加载的应变速率，盐岩的脆性会 相应增加；吴文等2 钉( 2 0 0 4 年) 利用一级轻气炮装置对粗颗粒的晶体盐进行了 不同速度的压剪联合冲击实验，结果显示冲击速度高于2 0 0m s 时，盐岩材料很 快进入破坏阶段，冲击速度为7 0 - - 一2 0 0n l s 时，盐岩材料处于动态损伤状态，表 明盐岩在冲击荷载作用下具有较强的应变率效应；梁卫国n 7 ( 2 0 1 0 年) 进行了 n a c l 盐岩与无水芒硝盐岩在1 0 弓l o 。3s q 范围内的单轴压缩强度与变形特性的 应变率效应研究，得出在上述应变率范围内二者的单轴抗压强度、弹性模量和试 件破裂方式基本不随加载速率变化而变化的结论。 1 2 3 蠕变特性及模型研究 盐岩在地下油气储存和有害垃圾处置两方面的重大应用，主要是利用了盐岩 的流变特性，特别是蠕变特性。国内外对盐岩蠕变特性的研究主要集中在初始蠕 变和稳定蠕变两个阶段特性研究，研究方法上主要是室内实验和现场实验两种， 图1 6 列举了多位学者提出的盐岩经验蠕变公式。 国外方面，上世纪末一些学者使用内变量理论来描述盐岩的初始蠕变特性， 获得了较好的结论，有的模型还被成功的应用在工程实践中。也有的学者应用粘 弹塑性理论描述盐岩的初始蠕变特性；而用于稳定蠕变阶段的盐岩特性描述的本 构方程研究，多是结合金属材料的蠕变机理进行的。 国内方面，杨春和等嘲1 ( 1 9 9 9 年) 利用单轴及三轴应力松弛实验研究装置 进行的研究结果表明，实验过程的盐岩体应变保持不变，应力松弛受到预蠕变的 影响较大，并存在最低蠕变极限，稳态蠕变率只是应力状态的函数而与加载历史 无关，初始蠕变极限能够表示为稳态蠕变率的线性函数；杨春和嘲( 2 0 0 2 年) 第l 章绪论 图1 6 典型的盐岩经验蠕变公式 方鼹形式数铱米潭蛮麟伟与评债 骞兰a + 召i o g t + c l 熏内实礁i 执铀燕瞎铵唆 啼ia = t 1 6 xl o 单品纬艨翱囱僻赦jo 6 1 m i r a 硝曩i ，0 9 xi i 大咖i1 1x1 1 x 2 心k m骰度j 够 c - n a , ( 1 9 3 i 罨续时椭l1 0 0 0 x , z 珏 c _ 2 5 0 x1 0 室内蜜捻 曼轴压缩安饕 譬嚣a 七b l 魂 l ，2 人蕴盐 歙搬i 产，。0 xt 扩褒经t3 ，l 缸m 镶肉辫投；6 9 l v f l 勉l 们m 弛 曩p 1 ，9 x 1 0 口 长度t0 1 3 k z a 嘲压to o m h1 0 0 m 1 4 a 擞度iz ， 1 0 4 5 直哟，1 气帕k l 舛5 持缝时渤，1 0 0 b o o t sl o o - l 卯蛔t 驸 s ；a 8 r s ， 麓翳塞内虫辘带饶豳鬻的蠛妯成螗整瞳 z l 。l xl 臼越 直毪i1 0 ( z c m轴i 蛳旨b 撬| 一躐9 h 昏- 9 ，5长度c7 6 c m扭虚l2 2 5 - 2 0 0 矗卜o t ， l 岫c n 龇( 1 9 7 i ) 辫骥埘同l 们0 - 0 0 0 1 z o u n p = 3 m f 髻a t 。矿 煞岩鬻内赛验 兰辅压缩鬟酸 a 。2 1 ) xl 扩 直径，5 扫知m 赣翔糟载；1 0 3 4 1 4 m p i z z = 0 ，馨 长度；1 0 0 2 c m 暇堠t0 - 1 0 撇 h 衄i 蛐( 1 纠哼) 凝度f2 2 p 哦嚣 持燠时粥； 2 0 - 2 s 0 1 晒u r s 毛；4 毋6 ，。暮，b q z ) 兰釉压缩麦麓 鳓，6 采x 柏瑚 煞岩室内贫稳 翰禽葡醢l 氯5 4 l 嬲积墨 曩炒l l 4 直径l 细鼬 阻愿 o 1 神舶 m - 0 4 6 h m 觚秘a 哦喇1 9 锄 祖座# 2 4 1 0 - 2 0 0 p t 3 。， e 4 铆( 一嚣 段考氧一实慧擎袖压缩燕骢 ，xl o 毒 1 直径 o t 拥 辘| ；i 荷藏tm ，a q - s 4 0 d u 恤柚c 鬣：皮；2 ，o c 嘲嘏魔i l2 7 - 0 0 c rl 阳 缸s ， l a n z e x 和w 址l 雠“1 9 7 外 湘0 1 c 3 屯= 彳喀) 唧( 一台s p 舶向衙数：，4 l m p l a 曩9 0 2 9 $ x 1 0 - l z煞警定终霞穗 箍盛：控7 0 。i 2 0 0 c a - 1 2 一o p 譬 甄柽；s 0 c a z - | 0 o 嘲 盈匿10 2 i 知旺 p 到9 0h 明咖鲫i 嚏1 挣绫时问n i a 争5 0 盈洲虹，k r 罐3i 们抽垃弛 云| 毫 6 瑰螃竣掰胁r 睬西靠) a - ，钟l 臂娃 椿废i1 2 如啪 钻孔 羚，5 p 墒秘m 嘲i 相l 鲐l 援舞宥匮元擅墅分析所哿嬉豢 乞一_ 钵p ( 。南声e 蚋 乞代袭穗宪蠕爱 一i 一1 0 4 q - 4 5 2 r j m e e l ，_ 3 3 9 第1 章绪论 基于谢和平院士提出的岩石蠕变损伤力学模型，立足实验研究，分析了盐岩蠕变 损伤的特点，提出了反映盐岩蠕变全过程的非线性蠕变本构方程：吴文“1 ( 2 0 0 6 年) 基于扰动态概念，对0 - - 一2 5m p a 围压范围的盐岩在三轴压缩应力一应变关系 进行研究，采用z w t 模型描述盐岩完整态，采用m o h r - c o u l o m b 摩擦力的表述形 式描述完全扰动态，获得了盐岩的三轴损伤模型，并较好地应用于盐岩三轴压缩 过程的模拟分析；陈卫忠呦1 ( 2 0 0 7 年) 基于江苏金坛盐岩储气库的盐岩样本进 行了三轴蠕变研究，并将建立的三维蠕变损伤本构方程和损伤演化方程编制成有 限元计算程序，模拟储气库注采过程中的蠕变和损伤演化的影响范围，其成果对 金坛储气库的运行压力设计具有参考价值；王安明n ( 2 0 0 9 ) 、胡其志阮1 等多 位学者也进行了很有成效的研究工作。 1 3 材料力学性能研究的实验技术 随着力学科学