理论教育 层状盐岩溶腔储库强度评估方法

层状盐岩溶腔储库强度评估方法

时间:2023-08-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:岩石强度理论主要研究的是岩石在不同应力状态下的破坏机理以及强度准则。Schmidt和Staudtmeister的试验表明:当温度从22℃升高至60℃时,盐岩强度将减小5%~10%。另外,Fuenkajorn等和Ma等利用单轴和三轴压缩试验针对循环载荷作用下盐岩的强度破坏进行了试验,结果表明:在循环载荷作用下,盐岩强度将有所降低,其最大降幅可达30%。目前,所使用的强度准则大都是通过试验数据拟合建立的,缺乏理论基础。

层状盐岩溶腔储库强度评估方法

岩石强度理论主要研究的是岩石在不同应力状态下的破坏机理以及强度准则。强度准则简单地说就是岩石的破坏判据,它通常可表示为极限应力状态下主应力之间的函数关系,并且同时反映了岩石本身强度参数和岩石破坏时的应力状态之间的关系:

也可表示为极限应力状态的正应力和切应力函数关系:

基于岩石本身的特性差异和所处的应力状态不同,不同的岩石其破坏机理也不同,目前提出了很多岩石强度准则,每种强度理论都只适用于一种或者几种岩石,一般的强度准则建立的途径有两种:①通过与试验结果拟合而建立;②通过理论推导而建立。检验强度准则是否正确的首要标准是必须符合试验结果,其次是理论依据必须完备、明确。盐岩作为一种软岩,其常用的强度准则包括Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则、Hoek-Brown准则、修正的Wiebols and Cook准则等[75]

1.Mohr-Coulomb准则

Mohr-Coulomb准则[76]认为岩石在受压时产生破坏(或达到屈服)的主要原因在于某一平面内的切应力达到了岩石的抗剪强度,同时也受到作用在破坏面上的正应力产生的摩擦力的影响,用正应力和切应力可以将其表示为

式中,c,φ分别为破坏面上的黏聚力和内摩擦角。

另外,Mohr-Coulomb准则还可以用主应力表达为

若σ3=0,可求得岩石的单轴压缩强度:

若σ1=0,即可得岩石的拉伸强度:

将Mohr-Coulomb准则的屈服面投影在π平面上,其迹线是一个不规则的六边形。从式(5-4)可以直接看出,虽然Mohr-Coulomb准则应用领域极其广泛,但其并没有考虑中间主应力σ2,因此,在某些情况下仍会引起较大的误差。

2.Drucker-Prager准则[77]

Drucker-Prager于1952年发现平均应力也会影响岩石强度,而将Mises准则做了进一步推广得到:

I 1——第一应力不变量;

J 2——第二应力偏量不变量。

在平面应变状态下,对比关联流动法则和Mohr-Coulomb准则可以推导出式(5-7)中的α和k,随后又推导出了其他不同的α和k值,式(5-7)及其所有α和k的值统称为广义的Mises准则(Drucker-Prager准则)。该准则的屈服面在π平面上的迹线是一个圆,而αI 1只影响圆的大小,因此,广义的Mises屈服面在π平面上实质是在Mohr-Coulomb屈服面上以某种方式外接了一个圆而已。与Mohr-Coulomb准则相比,Drucker-Prager准则的应用同样很广,其优点是只增加了中间主应力σ2的影响,但同样没有包含洛德角的影响。(www.daowen.com)

3.Hoek-Brown准则[78]

1985年,Hoek-Brown利用一系列各类岩石的试验结果,提出了一个经验性的岩石破坏条件:

式中σc——岩石的单轴压缩强度;

s,m——岩石材料常数。

与Mohr-Coulom准则相比,Hoek-Brown准则同样没有包含中间主应力σ2,但却增加了岩石所受的围压的影响,从而使得其在π平面的迹线变为一条曲线,实践证明,该准则的精度高于Mohr-Coulomb准则。

另外,为了考虑中间主应力的影响,Hoek-Brown准则被进一步推广为3-D Hoek and Brown准则[79],表达式如下:

式中τoct——八面体切应力;

σm,2=(σ13)/2。

4.修正的Wiebols and Cook准则

1968年,Wiebols和Cook基于应变能理论提出了Wiebols and Cook准则[80],该准则认为除了体积应变能外,由于岩石内部裂隙的存在,在裂隙周围还会存储附加的应变能;1994年,Zhou等[81]对Wiebols and Cook准则进行了修正,表达式如下:

式中,A,B,C均为与最小主应力和材料有关的常数。

除了上述强度准则外,还出现了基于岩石真三轴试验结果而拟合建立的强度条件,如Lade准则[82],这一类准则是基于试验结果建立的,一般误差很小。

近年来,国际上已经开始根据盐岩在压缩载荷作用下体积开始变大,来定义扩容损伤准则,并且已经有众多学者针对不同地区的盐岩定义了不同的扩容准则。1988年,Spiers[83]利用取自德国ASSE盐矿的盐芯进行常应变率试验的结果,建立了自己的盐岩扩容准则。1991年,Rattigan[84]采集了新墨西哥地区的盐岩样本,并进行了常温盐岩蠕变试验,标绘了84个蠕变试验的结果,建立了Rattigan扩容准则。1993年,Hunsche[85]利用对ASSE盐矿的14个立方体样本进行了真三轴试验,并利用体积应变的测量结果和声发射率建立了Hunsche扩容准则。其中,Rattigan和Hunsche准则没有考虑应力空间的非零截距,Spiers和Rattigan准则没有考虑应力空间中的非线性关系。然而在1989年,Schmidt和Staudtmeister[86]通过试验发现,盐岩在三轴拉伸时的破坏强度要比三轴压缩时低30%,这一点在原先的准则里均未得到体现。直至1997年,Hatzor和Heyman[87]考虑了层平面方位对扩容的影响,建立了新的扩容准则,但由于考虑的是材料的各向异性,无法在应力空间进行表述,不能与其他准则作对比。2005年,De Vries克服了上述准则的缺点,在Mohr-Coulom强度准则基础上,结合美国纽约地区盐岩样本的常应变率的试验结果,建立了适用于盐岩所有应力状态的扩容准则。Schmidt和Staudtmeister的试验表明:当温度从22℃升高至60℃时,盐岩强度将减小5%~10%。另外,Fuenkajorn等和Ma等利用单轴和三轴压缩试验针对循环载荷作用下盐岩的强度破坏进行了试验,结果表明:在循环载荷作用下,盐岩强度将有所降低,其最大降幅可达30%。

目前,所使用的强度准则大都是通过试验数据拟合建立的,缺乏理论基础。而De Vries准则虽然有Mohr-Coulom准则为理论基础,并有试验结果支撑。Mohr-Coulom准则与传统的屈瑞斯卡准则类似,都是依据理论建立的,其本质是一个单剪屈服准则,但由于其不包含中间主应力对岩石强度的影响,因此,在很多情况下,造成该准则与试验结果的误差很大。根据热力学定律,物质变形的本质是能量转换的过程,能量变化可以反映物质力学特性的变化,2010年,高红、郑颖人院士等[88,89]利用剪切应变能理论,建立了适用于岩土材料的统一强度理论(线性三剪能量屈服准则),该准则克服了Mohr-Coulom准则的重大理论缺陷,因此,就目前而言,线性三剪能量屈服准则比其他准则理论上更全面、更明确。

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