单轴压缩下含裂隙盐岩力学特性颗粒流研究

邵 元 元

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

岩盐作为公认的地下石油天然气储库的最理想储存介质之一，逐渐被大众所知[1-5]。我国现阶段地下盐岩能源储库容量仅为消费量的3%，远低于世界平均水平12%。因此，加快地下盐岩能源储库的建设是我国现阶段能源发展中急迫的任务。盐腔开挖或钻井过程中围岩会受到应力的作用，致使岩盐受到不同程度的破坏。因此，国内外大量学者对盐腔开采扰动区围岩的力学性质展开了研究[6-13]。刘建峰等[14]利用岩石力学试验系统，采用间接拉伸与直接拉伸2种方法，对层状盐岩拉伸破坏力学特性进行了综合研究。研究结果表明：直接拉伸试验得到的结果更加真实地反映盐岩的抗拉强度特性，间接拉伸以穿晶断裂为主，直接拉伸以沿晶断裂为主。

本文基于室内单轴压缩试验，采用离散元软件Particle Flow Code(PFC)建立含孔洞-裂隙组合下的离散元数值模型，探讨岩样在缺陷下的力学性能和破坏特征。

1 基本力学试验

盐岩材料取自巴基斯坦地下岩层，具有结构致密且纯度较高的特点。试样尺寸为50 mm × 50 mm × 100 mm，平均密度为2.137×103kg/m3。采用单轴压缩试验，测得单轴抗压强度为35.93 MPa，弹性模量为4.472 GPa，试样在静荷载作用下的破坏过程如图1所示。

(a)加载前 (b)加载中 (c)破坏后

2 颗粒离散元模型的构建

2.1 模型的构建

采用离散元软件PFC对含有孔洞-裂隙组合的岩盐进行数值模拟，黏结模式选用平行黏结，预制裂隙的建立方法采用PFC中删除特定位置颗粒的命令。孔洞-裂隙组合模型示意图如图2所示，其中孔洞直径Φ为4 mm，在孔洞四周均匀预制4条长6 mm、宽0.4 mm的裂隙，预制裂隙与水平方向夹角θ范围为0～90°(间隔15°)共7组。

图2 孔洞-裂隙组合示意图及不同裂隙倾角对应的示意图

2.2 盐岩数值模型细观参数标定

选取室内单轴压缩试验结果为参照，利用“试错法”反复进行数值试验，不断调整细观力学参数，如表1所示。标准试样单轴压缩实验与PFC模拟应力-应变曲线对比如图3所示。由图3可以看出，数值模拟得到的应力-应变曲线的变化趋势基本与室内试验结果相符，破坏形态均呈现剪切破坏。

表1 盐岩数值模型细观力学参数

图3 室内试验与数值模拟结果对比

3 模拟结果及分析

3.1 加载速率对完整盐岩力学性能分析

为了探讨不同加载速率下盐岩力学性能的差异，设置上下墙体加载速率变化范围为0.1～1.1 mm/s，步长为0.2 mm/s，完整岩盐模型的应力-应变曲线及裂纹最终扩展形态如图4所示。上下墙体相对运动速率由0.1 mm/s增加至0.3 mm/s时，峰值应力增加较大，在0.3～1.1 mm/s范围变化时抗压强度增加较小。峰值应力在加载速率逐渐增大时，应力峰值有明显增大的趋势，整体的应力-应变曲线出现后移。加载速率继续增加至1.1 mm/s时，会出现盐岩模型的峰值应变低于较小速率下峰值应变的情况，可能是由于较大的加载速率使得应力-应变曲线提前达到峰值。加载初始阶段，上下墙体运动速率的增大让加载曲线表现出一定的波动性，并且随着加载速率增加，这种上下墙体与颗粒接触力不稳定的现象越来越显著，且应力-应变曲线斜率缓慢增长。加载阶段的中期，应力-应变曲线的斜率出现增大的现象。可能是加载速率的增加导致盐岩模型中颗粒之间没有充分的时间进行重新分布，颗粒之间的频繁摩擦导致颗粒之间的接触力增大，较难达到颗粒黏结强度，使颗粒之间黏结破坏，难以达到峰值应力，在宏观表现上为加载曲线的斜率增大，曲线较为陡峭。

盐岩试样在单轴压缩的过程中，出现两侧颗粒脱落，模型的破坏是从边缘部位开始。不同加载速率下裂纹的扩展形式有所差异，随着加载的应变速率增加，裂纹贯通的方式越来越趋向一致。随着荷载的持续增加，盐岩内部的裂纹不断生成、贯通和扩展，横向变形不断增大。当加载速率在0.1～0.5 mm/s范围变化时，靠近上部墙体的右边角部位置，岩样沿着倾斜的方向破坏，随着速率的增加，左边边缘部分开始出现明显的倾斜裂纹带，滑移带分布较为分散。当加载速率在0.7～1.1 mm/s时，在对角线方向附近出现大量的裂纹，呈现出沿对角线方向的剪切滑移带，验证了盐岩在高应变速率下的破坏形态是以剪切滑移为主，且加载应变速率越大，剪切滑移破坏特征越明显，在裂纹带的其他位置出现较为稀疏的孤立裂纹，拉伸裂纹主要分布在对角线方向上，由此可以看出盐岩的破坏形态具有应变率效应。

图4 不同加载速率下试样的应力-应变曲线及裂纹最终扩展形态

盐岩模型的峰值强度和弹性模量与加载速率之间也存在着一定的相关性，如图5所示。随着加载速率的增大，峰值强度随之增大，符合幂指数函数关系；随着加载速率的增大，弹性模量也随之增大，符合线性函数关系。

在无侧限单轴压缩的过程中，借助颗粒流离散元对盐岩模型进行不同加载应变速率下研究的可行性。由于盐岩属于软岩的一种，不同于一般的硬质岩石，盐岩的单轴加载曲线会出现较大的应变，表现为体积的膨胀。通过以上研究可以看出加载速率对弹性模量、峰值强度以及破坏形态有一定的影响，随着加载速率的增加，弹性模量和峰值强度均有所增加，且岩样的裂纹带多集中在对角线方向，在较大的加载速率下盐岩的破坏形态接近一致。

图5 加载速率与峰值强度和弹性模量的关系

3.2 孔洞-裂隙组合下盐岩力学性能分析

孔洞-裂隙组合下盐岩的应力-应变曲线及裂纹最终扩展形态如图6所示。从不同倾角裂隙下的盐岩单轴压缩应力-应变曲线可以看出，裂隙和孔洞等缺陷的存在使得盐岩的峰值强度降低，完整试样的压缩强度均大于含缺陷的试样。圆形孔洞和90°倾角下孔-裂隙的峰值强度接近，说明缺陷的多少可能并不影响峰值强度的变化。不同倾角下裂隙盐岩的抗压强度存在差异，在倾角为0°时，裂隙的峰值强度略小于倾角为15°时的裂隙，2种倾角下的裂隙盐岩峰值强度均大于倾角为75°时的裂隙。裂隙倾角在30～60°范围时，随着裂隙倾角的增加，抗压强度呈现一定的降低趋势。总之，整体上，孔洞-裂隙组合下岩盐的峰值应力随倾角的变化没有显著的规律。造成这种现象的原因可能是由于盐岩处于单轴无侧向限制的状态，在轴向荷载施加的过程中，试样水平方向受拉力作用，裂隙在不同倾角下的闭合状态不同而导致峰值强度的变化呈现差异。

裂隙倾角为0°时，圆孔周围的裂隙被压闭合，孔的形状也由圆变成椭圆，裂纹聚集形成带状分布，模型两侧出现体积膨胀的现象；裂隙倾角为15°时，圆孔几乎被压成线型，所有裂隙被压密实后，沿着圆孔边缘开始出现裂纹，形成带状分布；裂隙倾角为30°和45°时，破坏形态差异较为相似，周围裂隙开始影响裂纹的产生位置；当裂隙倾角为60°时，圆孔完全闭合，部分裂隙处于半闭合状态，裂纹在圆孔处产生，扩展至上下分布的2条裂隙后，在裂隙端部形成裂纹，有明显的剪切滑移破坏特征；当裂隙倾角为75°时，上下分布的2条裂隙完全闭合，左右分布的2条裂隙被压缩后变窄，圆孔被压成线条型的裂隙，在其端部萌生裂纹，与左右分布的裂隙端部生成的裂纹逐渐搭接，形成2条近似平行的滑移带；当裂隙倾角为90°时，圆孔受到压缩成为椭圆形状，围绕在圆孔周围的裂隙几乎未受到轴向压力的影响，依然保持原来的形状，裂纹在椭圆尖端产生，形成明显的剪切滑移带破坏特征；当试样中只含圆孔孔洞时，破坏形态与裂隙为90°倾角时的破坏特征相似。

图6 孔洞-裂隙组合下盐岩的应力-应变曲线

从各倾角裂隙以及仅含圆孔孔洞试样的破坏特征分析可以得知，圆孔周围裂隙的存在并不影响裂纹分布带的产生过程。圆孔的存在直接影响裂纹萌生的位置，周围的裂隙在对裂纹带分布特征上有一定影响。在整个单轴压缩的过程中，裂隙处于90°倾角时，没有被压实，在其他倾角时，裂隙均会出现不同程度的闭合行为，符合盐岩在压缩过程中出现的损伤自愈特征。圆孔在不同倾角裂隙下会出现完全闭合、半闭合2种状态，围绕在圆孔周围的不同倾角裂隙并不对圆孔的闭合产生影响。显然，与传统的方法相比，利用颗粒流方法从细观角度研究盐岩缺陷的闭合行为有一定的优势。

4 结 语

为了研究盐岩在裂隙和孔洞等缺陷下的闭合行为，基于离散元软件对孔洞-裂隙组合下的岩盐进行单轴压缩数值模拟，主要结论如下：

(1)当岩盐试样保持完整(没有缺陷)时，其峰值强度随着加载速率的增大而增大，符合幂指数函数关系，其弹性模量也随之增大，符合线性函数关系。

(2)岩样的裂纹带多集中在对角线方向，盐岩的破坏形态与加载速率有一定联系，在较大的加载速率下盐岩的剪切滑移裂纹带接近一致。

(3)当盐岩试样预制孔洞-裂隙时，圆形孔洞的存在影响裂纹萌生的位置，围绕在圆孔周围的不同倾角裂隙对圆孔的闭合不产生显著影响。预制裂隙倾角为90°时，对裂纹带的位置移动几乎不产生影响，与只含圆孔缺陷的试样破坏形态上保持一致。