盐岩蠕变特性温度效应的实验研究

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蠕变实验结果分析
盐岩系盐湖或海洋蒸发结晶而成的沉积岩，对
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实验概况
流变非常敏感，国内外学者一致认为盐岩即使在非 2.1 试件制备 本次实验所用试样均采自江苏金坛盐矿茅 10 井、茅 11 井两个钻孔。岩芯套钻钻取，由于盐岩具 有遇水溶解的特点，因此，为避免试件在加工过程 中水对盐岩结构的破坏，采用干式锯磨法进行全部 试样的加工。盐岩呈黑灰色粗粒状，主要成分为 NaCl，含少量黑色角砾碎屑及少量泥质胶结物。依 据岩石力学实验标准，加工成直径为 100 mm，高度 为 200 mm 的圆柱体。 2.2 实验设备 本次实验均在中国科学院武汉岩土力学所与长 春市新特技术有限公司共同研制的高温高压三轴仪 上进行，该装置由轴向加压、侧向加压、孔隙水压、 温控、微机系统组成。各量程的测量精度可保持在 1%的误差范围内，满足实验要求。实验数据由微机 自动采集。 本次实验所用加温设备为厦门宇光电子有限公 司制造的，由高温电炉丝和温度控制器组成。电炉 丝型号为：AI–708FGK1S，功率为 2 kW，最高温 度可达 200 ℃，该加温设备为一套可自动控制温 度，升温的多功能设备。 2.3 实验方法 实验前先将试样与上、下垫块安装在同一条轴 线上，外套热缩塑料护套。热缩塑料护套经电吹风
－4
σ1
15 15 15 15 15 20 25 15 15
h 1)
－
0.45 0.28 8.37 2.32 1.74 5.18 9.82 6.97 3.80
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岩石力学与工程学报
2005 年
3.1 围压效应 图 1 所示为盐岩在温度 50 ℃，轴压 15 MPa、 不同围压条件下的盐岩蠕变应变时间曲线图。由 图 1 可知，随着围压的增大，稳态蠕变率逐渐变小， 初始蠕变极限值也逐渐减小。由表 1 可知，单轴情 况下的初始蠕变值远比有围压的情况下大的多，单 轴情况下的稳态蠕变率为 10 MPa 围压下的稳态蠕 变率的 5 倍左右，这是因为围压的存在限制了盐岩 产生蠕变的微裂隙生长和晶粒间的相对滑移，围压 效应比较明显。
高温度环境下，岩石力学特性是一个极其重要 的问题。近年来，随着地热发电、高放核废料地下 贮存、深部地下空间的利用，人们需要研究岩石的 力学性质受温度和时间共同作用下的变化规律，尤 其需要了解在长时间的高温作用下岩石力学性质的
收稿日期：2004–10–28；修回日期：2005–01–27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(E50434050) 作者简介：高小平(1980–)，男，2002 年毕业于长安大学地质工程系建筑工程专业，现为硕士研究生，主要从事盐岩力学特性、储气库稳定性分析方 面和岩石力学实验方面的研究工作。E-mail：gxp2008@，thanksagain@。
Abstract：Experimental studies are made on the creep properties of rock salt after undergoing different high temperatures；the effect of stress level and temperature on creep of rock salt is analyzed. Through the creep characteristic curves and parameters，the steady state creep strain rate constitutive equation of rock salt is obtained by regression. The results indicate that the effects of deviatoric stress and temperature on the steady state creep strain rate of rock salt are obvious. The steady state creep strain rate is a power function of deviatoric stress and exponential function of temperature and energy. Based on the relation of creep modulus and creep time for rock salt，the creep damage evolution and creep damage constitutive equation are established. Key words：rock mechanics；rock salt；high temperature；creep；damage constitutive equation 变化规律，有关高温下岩石和基岩特性的研究变得
1
引
言
重要起来。盐岩是一种特殊类型的岩石，在岩石力 学领域中，人们对天然盐岩的蠕变性质较其他岩石 作了较早和更详细的研究，与其他岩石相比，盐岩 以其良好的蠕变，低渗透性及损伤自我恢复的特性， 而被公认可作为能源储存，高放射核废料永久性处 置的理想介质[1]，众所周知，进行地质处置的核废 料在地下埋置若干年后仍然具有很强的放射性，同
σ3
5 10 0 5 10 10 10 5 10
常小的偏应力作用下，也具有流变特性，蠕变是一 种长期行为，盐岩蠕变主要包括 3 个特征阶段：初 始蠕变 I、稳态蠕变 II、加速蠕变 III。对于特定的 盐岩，研究其流变特性即为确定稳态蠕变速率与温 度压力的变化关系，即蠕变方程，盐岩的蠕变速度 为作用在其上的偏应力和温度的高阶非线性函数。 Munson， Langer， Yang 等对此进行了大量的实 验研究分析。本次实验研究对 6 个盐岩样品在不同 围压及轴压下进行单轴及三轴蠕变实验，实验结果 见表 1。
Creep-strain curves with different deviatoric stresses
稳态蠕变率/(10
－4
图 2 所示为不同温度下，稳态蠕变率与偏应力 曲线图。在相同偏应力情况下，温度越高，稳态蠕 变率越大。这表明温度对盐岩的蠕变影响较大，岩 心在受热过程中，岩石颗粒将发生膨胀而引起体积 增加，因此在同等应力水平下，蠕变速率也相应的 随着温度的升高而增加。
Fig.3 图3 相同围压下的蠕变应变时间关系曲线 Creep strain curves with the same confining pressure
图 4 所示为相同围压条件下，偏应力与稳态蠕 变率曲线图。
h 1)
－
图1 Fig.1
不同偏应力作用下盐岩应变–时间曲线图 图4 Fig.4 stresses 稳态蠕变率与偏应力关系曲线图
摘要：对经历不同温度后的盐岩蠕变特性进行了实验研究，研究了应力水平和温度对盐岩蠕变特性的影响，通过 实验获得的蠕变曲线和岩石参数，回归出了其稳态蠕变率本构方程。分析结果表明：偏应力和温度对盐岩稳态蠕 变率影响较大；稳定蠕变应变率本构方程是作用在盐岩上的应力偏量的幂次函数和能量与温度的指数函数。并从 盐岩蠕变模量随蠕变时间的变化规律入手，导出了以蠕变时间为自变量的损伤率演化方程和用损伤表示的蠕变模 量演化方程。 关健词：岩石力学；盐岩；高温；蠕变；损伤本构方程 中图分类号：TU 457 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)12–2054–06
EXPERIMENTAL STUDIES ON TEMPERATURE DEPENDENT PROPERTIES OF CREEP OF ROCK SALT
GAO Xiao-ping，YANG Chun-he，WU Wen，LIU Jiang
(Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China)
表1 Table 1
加载应力/MPa
盐岩蠕变实验结果表
Experiment result of creep of rock salt
温度/℃ 25 25 50 50 50 50 50 100 100 实验时间 /h 90 80 72 84 71 53 58 54 65 初始蠕变极 限/% 0.27 0.22 1.47 0.45 0.37 0.44 0.68 1.31 0.78 稳态蠕变率 /(10
－4
图2 Fig.2 stresses
稳态蠕变率与偏应力关系曲线图
时的稳态蠕变率要大的多， 大约有 13 倍， 而相应的 初始蠕变极限值也大幅度的增加，温度对盐岩造成 的热损伤随温度的升高而增强，盐岩的性能劣化比 较明显。 在温度作用下，因为盐岩含有多种矿物成分， 各种矿物颗粒的不同热膨胀系数以及各向异性颗粒 的不同结晶方位的热弹性性质不同，引起跨颗粒边 界的热膨胀不协调，然而，岩石作为一个连续体， 岩石内部各矿物颗粒不可能相应地按各自固有的热 膨胀系数随温度变化而自由变形。因此，矿物颗粒 之间产生约束，变形大的受压缩，变形小受拉伸，
第 24 卷
第 12 期
高小平等. 盐岩蠕变特性温度效应的实验研究
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时散发出相当高的热量，使得周围岩体的温度升高。 因此，核废料贮存库的长期安全性更是人们十分关 心的问题。据资料显示：在地下约 1 000 m 深处、 一定量的核废料的情况下，由于核废料的放射性所 产生的热量，可使得核废料处置库周围的盐岩的温 度达到 100 ℃
[2～5]
热烘数分钟后就会收缩至试件和端块密贴。端块与 热缩塑料护套之间用“O”型圈密封。将岩样装入 压力室，并用油泵向压力室充油，以 1 ℃/min 的速 率将三轴室的温度加到实验所需的温度，保持 3 h 左右，以使试样内形成均匀温度场，然后加围压到 所需的压力值并保持，误差控制在±0.3 MPa，再加 轴压。保持轴压不变，轴压的控制精度在实验前给 定，一般为轴压的±1%，利用监视屏上描绘的实验 曲线，可确定试件何时进入稳态蠕变，进入稳态蠕 变后， 再继续 24～120 h， 这样可得高温下盐岩蠕变 应变时间曲线。 由于盐岩对蠕变历史具有记忆特性， 因此，下一级实验的温压条件应比前一级高，并且 在前一级实验完毕后，使岩样得到充分的松驰恢 复，一般要在 24 h 以上。本次盐岩试样的基本力学 特性指标见文[7]。