周期荷載作用下鹽巖聲發射特征試驗研究

任 松，白月明，姜德義，楊春和， ，陳 結

（1. 重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044，2. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

1 引 言

鹽巖礦床經過水溶開采后形成的溶腔被世界各國公認為石油、天然氣儲備理想場所。對于我國西氣東輸工程，儲氣庫的建設是其重要的配套工程，是實現長距離輸氣的重要保證。建設地下儲氣庫可以解決由于季節氣候變化引起的用氣不均衡問題、輸氣管道的意外故障問題等。但鹽巖地下儲氣庫在運行過程中，由于受到長期注、采氣過程的影響，腔內圍巖受到周期荷載作用。鹽巖在周期載荷作用下晶粒之間可產生不協調變形和應力集中，從而導致疲勞損傷。疲勞損傷在前期只是巖石內部微裂紋的衍生與發展，宏觀上表現不明顯。因此，需要借助聲發射方法來對循環載荷作用下鹽巖內部損傷情況進行研究。

國內外很多學者對巖石的疲勞損傷和聲發射特性進行了研究。謝強等[1]對細晶花崗巖的聲發射特征進行了試驗研究，證明了經多次循環加卸載后，荷載如果未超過先期最大應力，聲發射累計能量增加緩慢，但聲發射事件數卻不一定減少。許江等[2－4]對循環載荷作用下砂巖聲發射規律開展了大量試驗研究，提出了砂巖疲勞損傷的4 階段模型。萬志軍等[5]研究了巖石不同加載速率作用下的聲發射規律特征，發現加載速率通過影響裂紋擴展來影響聲發射率。李楠等[6]通過循環加載和分級加載證明了巖石在彈性階段后期和破壞階段，巖石具有明顯的Felicity 效應。尹賢剛等[7]對巖石破壞聲發射平靜期及其分形特征進行了試驗研究，發現巖石聲發射平靜期是客觀存在的，對于塑性變形階段不明顯的巖石不容易觀察的到，在其破壞峰值應力前，巖樣不會出現應力增加緩慢而相對應變增加較快的過程。徐速超等[8]通過單軸循環加卸載試驗對矽卡巖聲發射特性進行了研究，證明了矽卡巖在卸載階段仍然有大量聲發射信號產生。曹樹剛等[9]對突出煤體變形聲發射特性進行了研究，建議用聲發射振鈴事件比來作為聲發射特征參數之一應用于工程實際。肖建清[10]提出了應用倒S型曲線來預測巖石的疲勞損傷的理論。張茹等[11]對單軸多級加載巖石破壞聲發射特性進行了研究，得到了每級荷載穩壓時AE 事件率、能率明顯降低，AE 事件數基本穩定或增加平緩，隨時間的延長和軸向荷載的增加，AE 事件率增加的結論。姜永東等[12]對巖石應力-應變全過程的聲發射及分形與混沌特征進行了試驗研究，證明了巖石聲發射事件數的演化過程可以用觸發—生長—觸發的鏈式生長模型來描述，微裂紋的演化可用Logistic 方程來描述。趙克烈[13]對地下鹽巖儲氣庫進行了研究，提出了儲氣庫的安全性應該考慮鹽巖疲勞損傷的命題。

上述研究成果對巖石的疲勞損傷和聲發射特征研究具有重要的推進作用，但還需要進一步研究。鹽巖屬于軟巖，具有塑性較強的特點，如何準確分析鹽巖在循環載荷作用下的疲勞損傷特性需要進一步探討。因此，本文應用聲發射技術來探究鹽巖的疲勞損傷特性，這對于鹽巖地下儲氣庫的安全運行具有實際意義。

2 試驗條件及方法

2.1 試驗設備及條件

試驗裝置主要由循環加、卸載系統和聲發射系統組成，主要目的是研究鹽巖在循環荷載作用下的聲發射特征，進而探究鹽巖的疲勞損傷特性。加、卸載試驗機采用日本島津AG-I250KN 型精密電子萬能材料試驗機，具有加載方式多樣、測試精度高、性能穩定等優點。聲發射測試分析系統采用美國聲學物理公司PAC(physical acoustic corporation) 生產的12 CHs 聲發射測試分析系統。本試驗中設定聲發射測試分析系統的主放為40 dB，門檻值為45 dB，傳感器諧振頻率為20～400 kHz，采樣頻率為1× 106 次/s。為了減少鹽巖對機器的腐蝕，在壓頭與機器之間采用保鮮膜進行保護。為了保證探頭與試件緊密接觸，在聲發射探頭與試件之間采用黃油進行耦合，并用橡皮筋將探頭固定在試件相對的兩個斷面的中部，具體布置方式如圖1 所示。為了減少試件端部與壓頭之間的噪聲影響，在端部抹少量黃油。

本試驗所用鹽巖試樣均取自巴基斯坦喜馬拉雅山區天然鹽巖，埋深較大。其中NaCl 含量很高，基本在90%以上，另外還有少量的K2SO3和泥質成分。

圖1 加載試驗機和探頭布置 Fig.1 Loading test instrument and probe layout

2.2 試驗方法設計

為盡可能降低因天然巖石試件個體差異引起的試驗結果的離散性，選取一些含雜質成分基本相同和沒有明顯裂紋的試件。將其加工成50 mm×50 mm ×100 mm 的長方體試件，加工試件端面平整度控制在±0.02 mm以內。加工完成的試件樣品如圖2所示。

圖2 加工完成的鹽巖試件樣品 Fig.2 Manufactured salt rock specimens

為了探求不同試驗條件下鹽巖的聲發射特性，將鹽巖試件分成8 組分別進行不同條件下的循環加卸載試驗。

（1）由于試驗機的應變速率限制以及鹽巖試件的塑性特征，加載速率選擇較小值：1.8 kN/min，進行大量的單軸靜載荷試驗，從而確定鹽巖的平均單軸抗壓強度。

（2）進行恒幅荷載條件下的聲發射特性試驗研究，具體試驗工況如下：

①選取不同上限4～32、4～24 MPa，相同加、卸載速率為360 kN/min 的兩組試件進行聲發射特性對比研究。

②選取不同下限：4～32、12～32 MPa，相同加卸載速率為360 kN/min 的兩組試件進行聲發射特性對比研究。

③選取相同應力幅值4～24 MPa、不同加、卸載速率360、180 kN/min 的兩組試件進行聲發射特性對比研究。

（3）進行變幅加載試驗研究：加卸載速率為 360 kN/min，先在彈性極限附近16 MPa 處進行100個循環，然后將上限提高到24 MPa 加載100 循環，最后將上限提升為32 MPa，研究每個階段的聲發射特性。

3 試驗結果及分析

鹽巖試件在經過仔細篩選后抗壓強度值較為接近，很大程度地降低了試件的離散性。經過大量的單軸靜載荷試驗得到的鹽巖平均抗壓強度為34.4 MPa。

3.1 不同上限循環載荷下鹽巖的聲發射特性對比

圖3 為鹽巖單軸和循環載荷作用下的應力-應變曲線，圖4 為不同上限聲發射、應力-時間對應圖。從圖中可以看出，在初次加載應力接近上限時，加載速率受到試驗機應變速率和峰值精度的控制，實際加載速率明顯變緩，并沒有達到預定的加載速率，而是接近靜載試驗條件下的加載速率，但在循環階段加卸載速率是基本穩定的。

圖3 單軸試驗曲線與不同上限循環試驗曲線 Fig.3 Uniaxial experiment curve and the different upper limit cyclic loading experiment curves

圖4 不同上限應力聲發射特征 Fig.4 The AE characteristics of different upper limit stresses

由圖4 可知，聲發射振鈴數與循環載荷下的應力變化有較好的對應關系，其聲發射規律明顯。聲發射振鈴數隨著初次加載的應力增大而明顯增多，初次加載達到彈性極限時聲發射振鈴數達到最大值。這是由于在初次加載彈性階段，聲發射信號主要來自于裂紋閉合產生的彈性波[15]。裂紋閉合產生的彈性波的能量相對較小，且鹽巖本身結構致密，初始微裂紋極少，所以在彈性壓縮階段聲發射振鈴數較少，隨著加載應力到達彈性極限時，鹽巖內部初始微裂紋基本閉合，開始產生新生微裂紋以及初始微裂紋由于應力集中開始擴展，產生不可恢復的塑性變形，這時產生的聲發射振鈴數突然增大。而在超過彈性極限階段以后，由于加載應力上升速度變慢，內部微裂紋能量增加變慢，微裂紋的衍生與擴展逐漸趨于穩定，單位時間的聲發射振鈴數逐漸減少。與砂巖相比，鹽巖在相同上限應力比條件下聲發射信號較少，主要是由于鹽巖內部材質較均勻，雜質和缺陷含量較少，所以每一循環產生的損傷較小。

從局部放大圖中可以看到，每個應力循環都會產生聲發射信號，并且隨著應力增加聲發射振鈴數逐漸增大，在循環載荷的上限應力附近達到最大，并且在卸荷初期階段仍然有聲發射信號產生，但下降很快。這與砂巖聲發射特性[2]有很大差別，砂巖聲發射信號主要集中在上限應力附近，低于上限應力處聲發射信號極少。說明鹽巖在循環加卸載期間損傷出現較早，并且不具有砂巖類巖石的應力記憶效應。產生這種現象的原因主要是鹽巖很強的塑性特征。

由表1 可知，隨著上限應力的增大，每個循環產生的聲發射振鈴數增多，這是因為隨著上限應力的增大，鹽巖在每個循環產生較多的新裂紋，并且原有裂紋擴展加劇[16]。

表1 不同上限應力下聲發射振鈴數 Table 1 AE counts under different upper limit stresses

3.2 不同下限循環載荷下鹽巖的聲發射特性對比

鹽巖在不同下限循環荷載下的聲發射特征如圖6 所示。結合表2 可以看出，在下限應力改變時，鹽巖在穩定區聲發射振鈴數基本不變。但鹽巖在逐漸加載階段和卸載初期都會產生聲發射信號，且每個循環周期產生的聲發射振鈴總數與應力幅度有明顯的正相關關系。隨著下限應力的降低，應力幅值變大，每個循環產生的損傷增加。因此，鹽巖疲勞壽命對下限的依賴程度會明顯大于砂巖。

3.3 不同速率循環荷載下鹽巖的聲發射特性對比

鹽巖在不同加載速率下的聲發射特征如圖7 所示。結合表3 可以看出，加載速率改變時，聲發射振鈴數基本不變，但聲發射率卻相差很大，加載速率越大，聲發射率越大，鹽巖在單位時間內產生的疲勞損傷越明顯，這與砂巖聲發射特征具有一致 性[2]。由于循環載荷作用下鹽巖內部晶粒間的裂紋處于持續張開與閉合的循環過程，加載速率增大時，內部裂紋還來不及完全閉合就又持續擴展，從而降低了裂紋擴展所需要的能量，裂紋擴展加速，聲發射率明顯提高。因此，加載速率的提高會加速鹽巖的疲勞破壞。

圖5 單軸試驗曲線與不同下限循環試驗曲線 Fig.5 Uniaxial experiment curve and the different lower limit cycling loading experiment curves

圖6 不同下限應力聲發射特征 Fig.6 AE characteristics of different lower limit stresses

表2 不同下限應力下聲發射振鈴數 Table 2 AE counts under different lower limit stresses

圖7 不同速率加卸載作用下聲發射特征 Fig.7 AE characteristics of different loading rates

表3 不同加載速率下聲發射振鈴數 Table 3 AE counts under different loading rates

4 循環載荷下鹽巖聲發射特性與應變特性對比

巖石應變一般與巖石內部損傷存在一定的聯系，巖石的疲勞破壞是由于巖石達到了其應變疲勞極限所致[14]。因此，有必要研究鹽巖在循環加卸載過程中應變特征與聲發射特征的關聯性。圖8 是一組鹽巖試件在疲勞試驗條件下的累計應變和累計聲發射振鈴數隨時間變化的對比圖。從圖中可以看出，鹽巖的聲發射累計曲線上包絡線與鹽巖應變累計曲線具有很好的對應性。曲線第1 階段為減速損傷階段，應變率和聲發射率增加逐漸變緩；第2 階段為勻速損傷階段，鹽巖應變率和聲發射率趨于平穩。這是由于加載初期鹽巖內部應力集中程度較大，從而導致微裂紋的產生和擴展較快，產生較大的塑性變形。隨著循環次數的增加，鹽巖內部應力集中程度逐漸趨于穩定，導致裂紋擴展緩慢。從圖8 可以看出，聲發射累計曲線與應變累計曲線有很好的對應關系，說明在反映鹽巖疲勞損傷時，二者具有一致性。

圖8 聲發射累計曲線與應變累積曲線 Fig.8 AE cumulative curves and strain cumulative curves

5 基于聲發射特征的分級加載試驗研究

前兩節研究了鹽巖在恒幅荷載作用下的聲發射振鈴數特征，為了更加充分地了解其內部損傷形式，本節通過變幅荷載來對鹽巖試件聲發射特征進行試驗研究。加卸載方式：加卸載速率為360 kN/min，先在應力上限為16 MPa 處進行100 個循環，然后將上限提高到24 MPa 加載100 循環，最后將上限提升為32 MPa 進行循環加卸載試驗。分級加載試驗鹽巖聲發射特性如圖9 所示，本試驗的主要目的是觀察變幅荷載循環作用下鹽巖的損傷情況，從低應力的最后10 個循環開始記錄。各加載級別的聲發射振鈴數如表4 所示，從表可以看出，在第1 級加、卸載過程中，鹽巖在聲發射穩定階段基本沒有聲發射信號產生；第2 級加卸載過程中，聲發射水平明顯增高，并且穩定階段聲發射振鈴數與恒幅荷載下聲發射振鈴數基本相同。這說明第1 級循環加、卸載過程對鹽巖試件造成的損傷有限。第3 級加、卸載過程中，鹽巖的聲發射平穩期振鈴數比恒幅加卸載時增大了幾倍，這是由于第2 級加載時造成的鹽巖內部損傷量較大，導致鹽巖試件內部結構發生了變化。

對比變幅荷載和恒幅荷載下鹽巖聲發射振鈴數特征曲線可以看出，變幅荷載造成的鹽巖疲勞損傷要大于恒幅荷載。在工程實際中鹽巖常常受到變幅載荷甚至隨機載荷的作用，因此，需要注意疲勞損傷造成的危害。

圖9 分級循環加載聲發射特征 Fig.9 AE characteristics under multi-stage cyclic loading

表4 變幅荷載下聲發射振鈴數 Table 4 AE counts under variable cyclic loads

6 結 論

（1）鹽巖在循環荷載作用下，聲發射振鈴數隨著上限應力的增大而增加。并且在加載階段和卸載初期會產生較明顯的聲發射現象，而砂巖聲發射信號主要集中在應力峰值處，說明鹽巖在循環加、卸載期間損傷出現較早，并且不具有砂巖類巖石的應力記憶效應。

（2）在下限應力改變時鹽巖聲發射振鈴數基本不變，但在逐漸加載和卸載時卻會產生明顯的聲發射信號，每個循環周期產生的聲發射振鈴總數與應力幅度有明顯的正相關關系。鹽巖疲勞壽命對下限的依賴程度要明顯大于砂巖。

（3）加載速率改變時，聲發射振鈴數基本不變，但聲發射率卻相差很大，加載速率越大，聲發射率越大，鹽巖在單位時間內產生的疲勞損傷越明顯，加載速率地提高會加速鹽巖的疲勞破壞。

（4）循環加卸載作用下鹽巖聲發射累計曲線與應變累計曲線有很好的對應關系，說明在反映鹽巖疲勞損傷時，二者具有一致性。

（5）變幅荷載作用下，鹽巖試件受到突變應力的影響，內部結構會發生變化，導致鹽巖試件產生的損傷比恒幅荷載條件下要大。

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