林浩， 劉建鋒*， 徐鄧， 朱安奇， 任奕， 梁超

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610065； 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院， 成都 610065)

鹽巖擁有優(yōu)良的致密性，低滲性和水溶性，同時(shí)由于其蠕變特性良好以及力學(xué)性能穩(wěn)定[1-2]，常用作建造地下儲(chǔ)氣庫(kù)以保持運(yùn)營(yíng)期的長(zhǎng)期穩(wěn)定[3-5]。中國(guó)地下鹽巖礦井多為層狀分布，巖層的強(qiáng)度和特性由構(gòu)成夾層的巖石決定，其中鹽巖，泥巖和鈣芒硝巖是鹽穴中的典型巖石，研究這3種巖石的物理力學(xué)特性對(duì)中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)的建造與運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

巖石的抗拉強(qiáng)度對(duì)其性質(zhì)有顯著影響，中外眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)方面的研究[6-9]。直接拉伸試驗(yàn)由于難以確定拉伸方向與巖石試樣軸線的重合程度，因此使用該方法測(cè)試巖石抗拉強(qiáng)度的研究較少，有學(xué)者使用點(diǎn)荷載試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)預(yù)測(cè)了巖石的抗拉強(qiáng)度[10-11]，總結(jié)了相關(guān)公式并評(píng)判了其可靠性，但由于試驗(yàn)結(jié)果差異性較大，并不被廣泛使用。國(guó)際上多采用間接方法測(cè)試巖石的抗拉強(qiáng)度，中國(guó)把巴西劈裂試驗(yàn)作為相關(guān)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。通過(guò)巴西試驗(yàn)，學(xué)者們得到了各類脆性巖石[12-13]，各向異性巖石[14-15]以及不同工況下巖石的抗拉強(qiáng)度[16]，同時(shí)，為了更好地分析巖石的內(nèi)部破壞規(guī)律，超聲檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用，有學(xué)者用其來(lái)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)巖體穩(wěn)定性[17-19]以及定量評(píng)價(jià)巖樣的損傷演化過(guò)程[20-21]。在拉伸試驗(yàn)中，聲發(fā)射揭示了不同應(yīng)力狀態(tài)所導(dǎo) 致的損傷演化規(guī)律[22]和鹽巖拉伸破壞時(shí)的力學(xué)強(qiáng)度特性[23-24]和破壞前兆[25]。然而，少有學(xué)者探究鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)中3種典型巖石尤其是泥巖和鈣芒硝巖的拉伸破壞時(shí)的聲發(fā)射特征規(guī)律，導(dǎo)致對(duì)三種巖石破壞特征方面的認(rèn)識(shí)有所不足，在儲(chǔ)氣庫(kù)安全建設(shè)與運(yùn)營(yíng)方面有待加強(qiáng)。

采用間接拉伸的方式，針對(duì)鹽巖，泥巖和鈣芒硝巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，并結(jié)合聲發(fā)射的空間分布特征以及能量和振鈴計(jì)數(shù)特征具體分析破壞過(guò)程，對(duì)相關(guān)工程具有重要的參考價(jià)值。

1 試樣設(shè)備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所采用的設(shè)備為四川大學(xué)水電學(xué)院MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)[圖1(a)]，該試驗(yàn)機(jī)軸向荷載最大可達(dá)4 600 kN，單軸引伸計(jì) 軸向量程±4 mm，環(huán)向量程-2.5～12.5 mm；三軸環(huán)向引伸計(jì)量程8～-2.5 mm；直接拉伸荷載最大2 300 kN；軸向荷載的振動(dòng)頻率可達(dá)5 Hz以上，各測(cè)試傳感器精度均為當(dāng)前同比標(biāo)定量程的0.5%。聲發(fā)射試驗(yàn)所采用的設(shè)備為PCI-II聲發(fā)射定位系統(tǒng)。巖石內(nèi)部的晶體位錯(cuò)和顆粒內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展、閉合均有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，借助傳感器可以得到這些聲發(fā)射信號(hào)的振幅，頻率、能量等參數(shù)，由此可以間接反應(yīng)巖石內(nèi)部裂紋的發(fā)展情況。

試驗(yàn)中軸向加載采用40 kN量程的加載方式，聲發(fā)射傳感器對(duì)稱分布在試樣前后兩側(cè)，每側(cè)4個(gè)[圖1(b)]，傳感器頻率為100 kHz。巴西劈裂試驗(yàn)采用間接拉伸的方式，試樣按規(guī)范要求制成直徑為90 mm，高度為45 mm的圓柱形(圖2)。試驗(yàn)過(guò)程中采用軸向位移控制加載速率為0.1 mm/min，直至試樣破壞。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備及放置方式

圖2 巖石試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

考察3種巖石整體變形量與峰值應(yīng)力， 鹽巖的峰值應(yīng)力較低，總應(yīng)變較大，泥巖與鈣芒硝巖應(yīng)變低于鹽巖，峰值應(yīng)力則較高，在破壞過(guò)程中呈現(xiàn)出脆性的特點(diǎn)(圖3)，而此兩者之中泥巖的峰值應(yīng)力與應(yīng)變量大于鈣芒硝巖，塑形更強(qiáng)。由圖4可知，3種巖石的總應(yīng)變呈下降趨勢(shì)，鹽巖最大位移量為0.69 mm，應(yīng)變?yōu)?.007 6，可達(dá)鈣芒硝巖的兩倍以上，同時(shí)也是泥巖總應(yīng)變的1.5倍，并且鹽巖的初始?jí)好茈A段與彈性階段不如另外兩種巖石明顯，屈服變形持續(xù)時(shí)間也最長(zhǎng)，由此可知，鹽巖塑形高于泥巖與鈣芒硝巖。從峰值應(yīng)力來(lái)看，鹽巖僅為1.27 MPa，不足泥巖的1/2，并且略低于鈣芒硝巖，巖樣整體強(qiáng)度較弱，這與巖石的組成成分有關(guān)。

圖3 巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 巖石總應(yīng)變-峰值應(yīng)力圖

2.2 空間分布特征

3種巖石聲發(fā)射事件點(diǎn)鹽巖最多，鈣芒硝巖次之，泥巖最少，鹽巖聲發(fā)射活動(dòng)最為顯著。比較具體聲發(fā)射事件點(diǎn)總數(shù)，鹽巖共有10 148次，泥巖有119次，鈣芒硝巖有1 166次，鹽巖的聲發(fā)射事件數(shù)遠(yuǎn)高于泥巖與鈣芒硝巖，這是由于鹽巖由NaCl(主要成分)、KCl、硫酸鹽礦物、鎂鹽礦物等組成，晶體結(jié)構(gòu)明顯，巖石內(nèi)部晶體的滑移，錯(cuò)動(dòng)，摩擦等活動(dòng)都會(huì)被聲發(fā)射儀器采集，而泥巖成分較為復(fù)雜，主要由黏土礦物(高嶺石、蒙脫石等)和碎屑礦物(石英、長(zhǎng)石、云母等)、后生礦物(綠簾石、綠泥石)等組成，固結(jié)程度較弱，重結(jié)晶不明顯，因此聲發(fā)射活動(dòng)較弱。鈣芒硝巖由鈣芒硝和白云石、石膏、芒硝等碎屑組成，晶體結(jié)構(gòu)不如鹽巖明顯，聲發(fā)射事件點(diǎn)偏少。

在鹽巖破壞的整個(gè)過(guò)程中[圖5(a)]，10%峰值應(yīng)力以前的聲發(fā)射活動(dòng)相比之后并不劇烈，事件點(diǎn)增加不明顯，在達(dá)到20%峰值應(yīng)力之后，聲發(fā)射事件點(diǎn)開始大幅增加，首先是在試件的兩端迅速增多，并沿著試樣中線向中心擴(kuò)張，到了80%峰值應(yīng)力時(shí)可以清晰地看出事件點(diǎn)構(gòu)成了一條軌跡，這正是貫通裂縫出現(xiàn)的部位；泥巖在試件中間部位首先出現(xiàn)聲發(fā)射事件點(diǎn)[圖5(b)]，隨著荷載增加，達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)能看出貫通裂縫的痕跡，但由于聲發(fā)射事件點(diǎn)較少，無(wú)法呈現(xiàn)出和宏觀裂縫重合的聲發(fā)射圖像；鈣芒硝巖在50%峰值應(yīng)力左右出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射事件點(diǎn)[圖5(c)]，之后在90%峰值應(yīng)力之前以較慢的速率增長(zhǎng)，到達(dá)90%峰值應(yīng)力后出現(xiàn)事件點(diǎn)大幅增加的現(xiàn)象。從時(shí)空分布(圖5)可以看出，鹽巖首先在試樣兩端產(chǎn)生破壞，由彈性力學(xué)原理巖石應(yīng)在試件中心首先發(fā)生破壞，然而因試樣兩端加裝了墊條，發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，鹽巖首先在兩端出現(xiàn)破壞，鈣芒硝巖則強(qiáng)度更高，兩端的應(yīng)力集中不足以讓其出現(xiàn)可監(jiān)測(cè)到的裂紋，在荷載增加到50%時(shí)，試樣中部聲發(fā)射事件點(diǎn)顯著增加，這時(shí)才出現(xiàn)了明顯的裂紋并沿加載方向向兩端擴(kuò)展直至破壞，三種巖石的不同強(qiáng)度導(dǎo)致了破壞過(guò)程出現(xiàn)了明顯的差異。

圖5 巖石聲發(fā)射時(shí)空分布

2.3 能量特征

聲發(fā)射能率表征了巖石損傷的程度，在試驗(yàn)全過(guò)程中，鹽巖的能率與累計(jì)能量最高，鈣芒硝巖次之，泥巖最低，根據(jù)聲發(fā)射事件點(diǎn)總數(shù)，計(jì)算得出每個(gè)事件點(diǎn)的平均能值，鹽巖為2.02×10-14J、泥巖為3.5×10-16J、鈣芒硝巖為3.9×10-16J，其中鹽巖的平均能值最高且遠(yuǎn)超其余兩者，這種現(xiàn)象與事件數(shù)的規(guī)律一致，出現(xiàn)的原因可能與巖石內(nèi)部微粒的破壞方式有關(guān)，鹽巖為晶體結(jié)構(gòu)，并且在間接拉伸中破壞以穿晶斷裂為主[23]，增加了斷裂表面面積，因此導(dǎo)致能率上升，而鈣芒硝巖或以沿晶斷裂為主，能率遠(yuǎn)小于穿晶斷裂，泥巖則由于本身的泥狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致聲發(fā)射活動(dòng)不活躍，破壞所釋放的能量也較少。

將圖6中巖石的破壞過(guò)程按應(yīng)力應(yīng)變特性分為3個(gè)階段：初始?jí)好茈A段(Ⅰ)、彈性變形階段(Ⅱ)、屈服變形階段(Ⅲ)。其中初始?jí)好茈A段約為峰值應(yīng)力的5%以下，此階段3種巖石的聲發(fā)射活動(dòng)微弱，這是由于在試驗(yàn)開始階段施加的荷載主要作用在鋼條上，時(shí)間內(nèi)部損傷較小，聲發(fā)射活動(dòng)不顯著，所以在曲線上出現(xiàn)了一段聲發(fā)射活動(dòng)的空白期，除此之外，在加載初期試件被集中力壓密，巖石內(nèi)部一部分裂紋在力的作用下處于閉合狀態(tài)，因此聲發(fā)射活動(dòng)能量較小。隨著荷載增大，巖石內(nèi)部裂紋開始擴(kuò)展，聲發(fā)射活動(dòng)隨之變得活躍。在彈性階段3種巖石有所不同，鹽巖強(qiáng)度較低，彈性變形持續(xù)時(shí)間較短，在峰值應(yīng)力的50%左右開始出現(xiàn)屈服變形，而泥巖與鈣芒硝巖則在70%～80%峰值應(yīng)力時(shí)進(jìn)入屈服變形階段。在進(jìn)入屈服變形階段后，3種巖石的聲發(fā)射能量都迅速增加，在接近峰值應(yīng)力時(shí)，增加速率達(dá)到最大值。然而3種巖石的累計(jì)能量上升趨勢(shì)有所不同，鹽巖的累計(jì)能量值呈平滑曲線形式上升，泥巖則表現(xiàn)出明顯的階梯狀。出現(xiàn)這種差異的原因和兩種巖石的內(nèi)部微粒有關(guān)，鹽巖顆粒強(qiáng)度較低，在荷載增加的過(guò)程中內(nèi)部不斷出現(xiàn)裂紋，曲線平緩增長(zhǎng)，而泥巖中泥質(zhì)顆粒強(qiáng)度較鹽巖更高，施加荷載時(shí)出現(xiàn)的裂紋微小，聲發(fā)射活動(dòng)不顯著，隨著應(yīng)力增加，裂紋從試件中心開始出現(xiàn)，并向兩端擴(kuò)展，最后匯成一個(gè)裂紋帶，呈現(xiàn)在曲線上就是一級(jí)階梯，之后的每一級(jí)階梯都可看作巖石內(nèi)部微裂紋的一次匯集，這種現(xiàn)象一直持續(xù)到試件破壞。而鈣芒硝巖的能量曲線總體呈現(xiàn)出陡增的形式，在接近峰值應(yīng)力前都無(wú)明顯的變化，在臨近峰值時(shí)才有聲發(fā)射活動(dòng)活躍程度大幅增加的現(xiàn)象發(fā)生。

2.4 振鈴計(jì)數(shù)特征

3種巖石的振鈴計(jì)數(shù)規(guī)律表現(xiàn)出了與時(shí)空分布(圖5)和能量曲線(圖6)相同的特征，鹽巖的最大振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)都遠(yuǎn)大于泥巖和鈣芒硝巖，而后兩者中鈣芒硝巖較泥巖更大。并且可以發(fā)現(xiàn)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)能量曲線的趨勢(shì)幾乎一樣，進(jìn)一步證明了前述的結(jié)論，鹽巖的晶體結(jié)構(gòu)使其聲發(fā)射活動(dòng)極為活躍，泥巖的泥狀結(jié)構(gòu)則使聲發(fā)射現(xiàn)象不明顯。考察三種巖石每個(gè)聲發(fā)射事件點(diǎn)的平均振鈴計(jì)數(shù)，得出鹽巖為1 200.6次，是泥巖(76.2次)的15.8倍，鈣芒硝巖(68.8次)的17.5倍，與平均能值相似，鹽巖遠(yuǎn)大于其余兩者，主要是因?yàn)辂}巖整體強(qiáng)度較低，內(nèi)部晶粒的滑移、錯(cuò)動(dòng)、摩擦現(xiàn)象發(fā)生的更為頻繁。同時(shí)也與鹽巖屈服變形階段在整體破壞過(guò)程中占比最大，時(shí)間最長(zhǎng)有關(guān)，該階段巖石不可逆變形增加，內(nèi)部裂紋增長(zhǎng)迅速，聲發(fā)射信號(hào)顯著增加，而泥巖和鈣芒硝巖由于強(qiáng)度更高，塑形更差，這種現(xiàn)象便體現(xiàn)在較少的聲發(fā)射信號(hào)上。

圖6 鹽巖聲發(fā)射能量率/累計(jì)能量-時(shí)間-應(yīng)力圖

對(duì)于振鈴計(jì)數(shù)率曲線(圖7)，3種鹽巖在初始?jí)好茈A段聲發(fā)射活動(dòng)微弱，曲線波動(dòng)不明顯。彈性變形階段則有所不同，鹽巖與鈣芒硝巖在這個(gè)階段增長(zhǎng)速率較慢，泥巖則有迅速上漲的現(xiàn)象發(fā)生。在屈服變形階段，3種巖石在此階段所持續(xù)時(shí)間在試驗(yàn)中均占比最大，并且振鈴計(jì)數(shù)增長(zhǎng)速率最快，但呈現(xiàn)出了不同的增長(zhǎng)方式，鹽巖呈平滑上升，泥巖與鈣芒硝巖經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間穩(wěn)定增長(zhǎng)后在臨近峰值應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)陡增。從該階段的差異可以看出，由于鹽巖強(qiáng)度最低，在較低荷載時(shí)便已產(chǎn)生了大量裂紋，而泥巖與鈣芒硝巖強(qiáng)度更高巖石內(nèi)部破壞速度較慢，聲發(fā)射活動(dòng)并不顯著，當(dāng)荷載增加至臨近峰值階段時(shí)，兩種巖石內(nèi)部前兩個(gè)階段所積累的裂紋擴(kuò)展到了一定程度，各處裂紋開始匯聚，巖石破壞程度迅速加大，聲發(fā)射活動(dòng)因此急劇增多。從振鈴計(jì)數(shù)特征可以看出，巖石的組成與結(jié)構(gòu)會(huì)影響聲發(fā)射現(xiàn)象，導(dǎo)致聲發(fā)射特征參數(shù)產(chǎn)生不同的變化規(guī)律。

圖7 鹽巖聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率/累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)間-應(yīng)力圖

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)針對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)3種典型巖石的巴西劈裂聲發(fā)射特征結(jié)合力學(xué)特性和巖石組成結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)分析，得出如下主要結(jié)論。

(1)3種巖石中鹽巖形變量最大為0.69 mm，應(yīng)變可達(dá)0.007 6，約為泥巖的1.5倍，鈣芒硝巖的2倍，而峰值應(yīng)力僅為1.27 MPa，為三者最低，不足泥巖的1/2，并略低于鈣芒硝巖。

(2)聲發(fā)射活動(dòng)的活躍性與巖石組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，鹽巖和鈣芒硝巖的晶體結(jié)構(gòu)比泥巖的泥狀結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生聲發(fā)射事件點(diǎn)，鹽巖的事件點(diǎn)總數(shù)接近泥巖的100倍，鈣芒硝巖則接近泥巖的10倍。同時(shí)巖石的強(qiáng)度也導(dǎo)致了聲發(fā)射分布點(diǎn)的出現(xiàn)規(guī)律不同，鹽巖強(qiáng)度較低，從兩端墊條加載處開始，泥巖與鈣芒硝巖則先在試件中心出現(xiàn)。

(3)聲發(fā)射能量和振鈴計(jì)數(shù)在巖石屈服變形階段大幅增加，總體累計(jì)曲線鹽巖呈平滑曲線形式上升，泥巖呈階梯狀上升，鈣芒硝巖在接近峰值應(yīng)力時(shí)陡增。由于鹽巖內(nèi)部顆粒破壞形式多為穿晶斷裂，并且顆粒的摩擦，錯(cuò)動(dòng)，滑移都會(huì)被聲發(fā)射儀器記錄，所以鹽巖的能量與振鈴計(jì)數(shù)均遠(yuǎn)大于泥巖與鈣芒硝巖。

(4)聲發(fā)射試驗(yàn)是檢測(cè)巖石內(nèi)部損傷狀態(tài)的重要方法之一，能夠反應(yīng)巖石內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展以及演化規(guī)律，通過(guò)對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)三種典型巖石的聲發(fā)射特征參數(shù)研究，進(jìn)一步了解了其損傷演化規(guī)律，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。