岩石力学与岩石压力
蠕变和岩石强度的时间依赖性
- N. Stavrogin和E. V. Lodus
通常称为在给定压力下材料的支撑能力的时间依赖性给定材料的耐久性。 在其他条件相同的情况下，负载更大时，恒定载荷下的材料断裂更快当。
材料样本中的压缩（拉伸）应力与破裂时间之间的关系（存在时间）t是指数的：
（1）
其中和是常数。
因此，和的图像是一条直线。
等式（1）已经针对多种材料进行了验证。 与（1）在一些中找到了很好的一致金属[1]，氯化银晶体[2]，聚合物[3]和巴黎湿性石膏（Griggs，1936），光卤石盐（Vodop#39;yanova和Urazova，1964），岩盐单晶（Manke，1934）和弱岩石（Fisenko，1965）。
在耐久性方面的实验中，在文献中报道了通过类型（1）的方程分析结果的材料蠕变的研究。对金属[4]，固体聚合物[3]和其他材料的蠕变研究表明，单轴应力下试样的行为与方程（1）有相关性。 然而，指数中的系数有一个加号，而不是在方程（1）中的一个减号。公式中系数的绝对值的意思为（1）耐久性。（2）蠕变速度
（2）其中是常数，认为是相等的。
在本文中，我们给出了关于列宁格勒地区Verkhnekamskaya和Starobin矿床和寒武纪粘土钾盐标本蠕变和长期强度试验的结果。标本为棱型，尺寸为150bull;150bull;300毫米。实验室的单轴压缩试验在UDI型的百吨级弹簧压力机上进行[5]。图一展示了最新的图表。样本1位于可移动横档2上。借助于液压千斤顶3和螺杆4以及一组碟形弹簧5，所需的载荷通过活动横档2传递到标本1。将螺母6拧入螺纹轴4，直至其与固定横档7相遇。液压千斤顶3被释放，并且载荷由柱8和固定横档7和9施加。在实验过程中，由于储存在压缩的弹簧组5中的能量，负载保持不变。
在实验过程中，我们测量样品的应力和所有主要变形。这些变形是通过一组0.01纳米刻度的刻度盘来测量的。图2显示了一个具有一套量具和用于安装的特殊夹具的岩石样本。样品的总纵向变形由量具1和2测量（后者在图2中看不到）。试样中间部分在100毫米的基础上的纵向变形也由固定在带刀刃的板形式的特殊附件量具3和4测量（后者在图2中看不到）。试样中间部分的横向变形通过固定在悬挂在上部金属压力板上的托架上的量具5和6借助平面旋转弹簧来测量。
作为对照，横向变形在样品底部用量具7和8测量。除了在弹簧枢轴被固定到底部压力板之外，这些都是以类似的方式固定的。因此，每个变形的测量结果是重复的，增加了实验的准确性。为了避免错位，压缩轴向力通过一个球传递到样本。试样与周围大气隔开很多（最多10-20层）石蜡和强化粘结剂的交替表面涂层，这样可以使试样的水分含量在很长一段时间内保持恒定。绝缘涂层还保护材料免受大气水分的渗透。 进入样品的大气水分会削弱基本的原子间键，因此蠕变可能变得更加迅速[5]。测试是在30,50,60,70和85％的断裂应力下进行的，这是通过在普通压力测试中快速加载发现的。每个试验重复2-3个样本，所有试验都是在18-20摄氏度的条件下进行的。
测量的第一个结果被绘制成变形-时间图。这种曲线称为蠕变曲线。图3和图4给出了分别来自Verkhnekamskaya和Starobin矿床的蛇纹石的蠕变曲线，图5是寒武纪粘土的相似蠕变曲线图。
在每条曲线上，我们给出相应的载荷值作为快速载荷下的强度的百分比。基于对样品中部变形的测量，构建蠕变曲线用于纵向，横向和体积变形。曲线是不同孪生样本的2-8个独立图形的平均值。
蠕变曲线有三个特征部分：1）与非稳态蠕变区域对应的初始曲线部分; 2）称为稳定蠕变区域的近似直线部分，其中蠕变速度被认为是恒定的; 3）最后的弯曲部分，其对应于渐进的蠕变并且以断裂结束。最后一节没有记录一些标本; 这里任意假定断裂发生在稳定蠕变的区域。
在sylvinites的蠕变曲线上（图8和图4），值得注意的是横向变形超过了纵向变形的宽范围值。横向变形系数大于1，导致材料松动和体积增大。
在寒武系粘土的蠕变曲线上，横向变形总是小于相应的纵向变形。横向变形系数是材料压实和体积减小过程的特征值。对于不同试样负载持续时间（这些时间显示在每条曲线上）的体积变形与压缩应力的关系曲线绘制在图1和2中。 Verkhnekamskaya和Starobin silvinites分别为6和7; 图8是寒武纪粘土曲线图。对于，减号表示压缩，加号表示膨胀。虚线表示基于胡克定律体积形式的理论图。标记为t=0的曲线是在压力机中进行正常测试的实验中获得的。我们看到，只有在压力机的正常测试中获得的强度的10-15％的应力的非常小的值，才观察到盐岩的压实（伴随着体积的减小）。 随着载荷增加，曲线通过最大值，此后的符号变为膨胀的符号。随着实验持续时间的增加，其他条件相等，增加得非常快。如果实验持续30小时，则体积增加比胡克定律预测的变化大60倍，并且具有相反的符号。
这不仅意味着数量上的差异，而且意味着真实固体的性质与物体变形力学所基于的连续介质模型之间的定性差异。观察到的体积增加是由于缺陷和微裂纹的开放和发展;这是我们[6]详细描述的，但没有考虑时间因素。时间因素可以大大增加裂纹形成的效果，而不会损失身体的支撑能力。在所有情况下，寒武系粘土的体积变化都是压实作用;随着实验持续时间和作用应力的增加，压实作用增加（体积减小）。在这种情况下，随着实验持续时间的增加，体积的减小受到两个过程的控制 - 闭合间隙和变干。当试样的整个表面被耐久且实际上完美的不透水隔热层覆盖时，发生干燥。 来自试样的水分出现并积聚在试样本体和绝缘涂层之间形成的间隙中。 当绝缘体断开时，间隙中总会找到几立方厘米的自由水。潮湿的寒武纪粘土中的裂缝开放并不是典型的现象。 只有在发生干燥时，裂纹形成才更加明显。这在图8中通过在压应力的某个值处曲线上出现最大值来说明。从试样中挤出湿气使人怀疑在含水材料的长期试验中使用单轴压缩的可能性。有理由认为，这里最好的测试是三轴非均匀压缩。
在[7]中我们研究了湿度对石灰石强度的影响（Eston-slanets矿床）。这些实验涉及没有侧向压力的单轴压缩或不同强度的侧向压力。已经发现，在单向压力小于5-6目标的侧向压力下，水分从试样中挤出; 它不会在超过6个目标的侧向压力下挤压。
图9是log t vs 和log〜vs 的耐久性（上部曲线）和蠕变速率（下部曲线）的实验结果图。曲线I是Verkhnekamskaya矿床钾盐耐久性和蠕变的曲线，曲线II是Starobin矿床的曲线，曲线III是寒武纪粘土的蠕变（粘土没有耐力曲线，因为寒武系粘土 在我们的实验中没有被破坏）。蠕变速率曲线图基于样品中部纵向变形的测量结果。在这些图中，实验点位于由方程（1)和（2）的直线上。
对于每种盐岩，如我们从表1中看到，的耐久性和蠕变速率的系数几乎相同。这里 I和是等式的系数。
系数近似相等的一个有用的实际结果如下。事实上，如果我们有从我们所感兴趣的材料的蠕变曲线和长期强度的任何一个值（例如，快速加载下的断裂应力的80％的载荷下的强度），我们可以确定在开采过程中可以确定蠕变速率的结构，建筑物或支柱的任何力元素的断裂负荷和时间无穷，在这种情况下，我们进行如下操作。
从log vs 的图表我们确定。 在一个log t vs 的图上，我们用一个长角强度点与切线绘制一条与轴呈一定角度的直线。因此，我们绘制了一个图标（参见图9），箭头表示确定应力和断裂时间的操作，即从log开始坐标为的点的移动满足蠕变速率曲线（可以从观察结果中获知，例如，在开采过程中的柱子的蠕变），然后与相交（因此我们确定了作用在柱子上的应力）。然后点从轴移动到与耐久曲线相交，然后从耐久曲线与log t轴相交（因此我们确定柱子的断裂时间）。
此外，比如，在提取和开发操作过程中，原则上确定蠕变速率和作用应力的可能性使我们能够获得矿区应力分布的总体情况。为此，我们必须在我们感兴趣的矿场地区建立一些测量支柱纵向变形的台站；从变形发展的时机来看，按照上述方法进行处理，考虑到前线的进步，我们确定了和在这种情况下，岩体或支柱的元素开始发挥具有已知预定特征的力计（测力计）的部分。
因此，我们建议的方法是基于绘制蠕变曲线并确定长期强度的一个值。我们必须获得两个应力水平的最小蠕变曲线。如果在自然条件作用下的材料（例如，坑中的柱子）和实验室中的样品之间完全相同，则该方法将更加有效。我们可以列出可能违反条件的原因：1）实验室中的大气和温度条件可能与坑内的不同。2）实验室中的压力状态可能与例如坑中的支柱不同。3）自然条件下比例因子和宏观结构的影响。4）由采矿引起的柱内应力状态的压力和形态的变化操作。
在上述方法的基础上，在自然条件下进行试验，可以得到最准确的结果[5]。然而，实地试验之前进行了实验室试验，以确定使用该方法的可行性，实验证明该方法仅适用于有限范围的岩石。我们首先建立方程的有效性。（1）和（2），因为该方法仅适用于在蠕变和耐久性测试中服从这些方程的材料。在实地条件下进行这样的实验将非常麻烦。
最好的结果可以通过我们的方法在横向尺寸小的支柱（例如，高度是宽度的两倍）与高度相比得到。在这种情况下，支柱中的应力状态是最均匀的，这简化了支柱中材料的变形模式和断裂模式。为了确定其特征变形和断裂指数，低宽支柱需要特殊的初步调查。
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岩石 |
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来自Verkhnekamskaya矿床的钾盐 |
0.047 |
0.045 |
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来自Starobin矿床的钾盐 |
0.0143 |
0.0133 |
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寒武纪粘土 |
- |
0.0061 |
结论
- 实验不仅揭示了定量差异，而且揭示了变形物体力学所基于的连续介质模型与真实固体性质之间的定性差异。因此，对于盐岩，发现由于逐渐开放和发展缺陷和多发裂隙，体积增加。在寒武纪粘土中发现的压实效应受实验过程中材料的干燥，孔隙和间隙闭合以及长期试验中发生的再结晶过程的影响。时间因素涉及我们关于固体负载行为的想法的严重变化。体积变形可能对固体岩石中应力状态的形成产生严重影响;特别是在桥台压力区，膨胀效应可能会产生一个附加的力，倾向于将岩石喷射到解决的区域-这在冲击颠簸和岩石爆裂问题中尤为重要。
体积的减小减小了朝向解决的区域的排斥力。
- 通过对钾盐和寒武纪粘土样品的蠕变和长期强度的实验室测试，发现蠕变速率在所研究的条件范围内与应力的关系如下：
（1）
耐久t和压力之间的关系是：
（2）
- 实验表明，方程（1）几乎等于方程（2）。
不同岩盐的三轴蠕变试验及本构关系研究
张华斌a，王志印a，郑雅莉bc ，品嘉段a，双龙丁a
中国石油大学城市油气分配技术教育部重点实验室，北京102249
b中国地质大学（北京）能源学院，北京100083，中国
c石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007
摘要
为了评估给定构造中盐穴的长期运行对岩石变形及其稳定性的影响，对钙芒硝，无水石膏和泥质岩盐进行三轴蠕变试验，从中也可以得出蠕变曲线 得到稳态蠕变阶段的应变率指数函数和实验过程中不同岩盐的蠕变本构方程。研究结果表明：（1）在相同的偏应力作用下，泥质岩盐的应变率低于钙芒硝和无水石膏，并且随偏应力的增大，差异变大;（2）不同种类岩盐的蠕变本构方程与Burgers模型吻合较好，并比较了两种蠕变模型各自的特点。蠕变参数的变化也说明了岩盐的差异。 研究结果可为盐穴储气库的长期稳定性分析提供参考。
关键词：岩盐 盐洞 蠕变特性 汉堡模型 安全和稳定
- 简介
由于低渗透性和蠕变破坏自我恢复的优点，岩盐接缝一直是建立地下储气库的最佳选择。同时，岩盐的蠕变力学性质对岩石工程的稳定性以及相关的蠕变参数对储存设计和安全运行具有重要意义。盐穴已引起世界各地学者和专家的关注。现在主要通过经验和理论与实践方法相结合的本构关系是岩盐蠕变力学性质的一个关键问题。早些时候，Passaris（1979）提出了一个相对简单的岩石盐本构模型，由弹簧元素，粘性和Kelvin模型; Munson（1997），Hunsche和Hampel（1999）提出，第二蠕变阶段的蠕变速率 蠕变）可以表示为具有偏应力和指数的幂函数与温度的关系；基于Lubby2的材料模型，考虑岩盐的位移机制，软化和硬化特性以及岩盐损伤恢复机理，建立了Hou / Lux（1997）蠕变损伤模型。 近几十年来，邱等人。（2003）通过对比分析建立了蠕变模型，分析了两种岩盐的蠕变损伤不同的原因；刘（2006）提出了温度，围压，偏应力对岩盐蠕变影响的相关稳定蠕变率的本构方程；林等人 （2007）基于应力水平构建了金坛盐洞瞬时蠕变和稳定蠕变的综合本构方程; 杨等人。 （2000），Chen等人（2006）关注中国岩盐矿床的特征，对
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