层状盐岩体蠕变损伤演化机理及其宏细观复合模型研究

本项目紧紧围绕解决我国层状盐岩能源(石油、天然气等)储备研究中小夹层与盐岩层之间的差异变形和层状复合非均匀介质等关键基础科学问题开展研究，主要研究内容包括：以湖北云应层状盐岩储备库为示范工程，首先对层状盐岩试样开展蠕变过程的声发射试验，研究盐岩层和夹层组成的层状复合盐岩体蠕变过程的损伤演化机理，用数值试验方法对此演化过程进行模拟分析；然后通过细观力学方法建立跨尺度的层状盐岩体宏细观复合蠕变损伤本构模型，此宏观等效本构模型即能考虑细观上复合体中盐岩层和夹层的相对含量，也能考虑两者的力学性质。将建立的理论模型嵌入到大型岩土工程分析软件。最后利用建立的本构模型对储备库进行长期稳定性分析，研究运营期溶腔蠕变损伤演化的时空变化规律，分析损伤演化区对储库长期稳定性的影响。项目研究将为我国层状盐岩体能源储备库长期稳定性研究等奠定理论基础。

本项目对层状盐岩的蠕变损伤演化规律进行了声发射试验研究和数值实验研究，在此基础上建立了层状盐岩宏细观复合蠕变损伤本构模型及对示范工程溶腔稳定性进行了分析，结果表明：在单轴压缩声发射加载的初始阶段，发生了很少量的声发射事件，随着荷载的逐渐增加，试样内部微裂缝逐渐增多，相应的声发射事件也逐渐增多，但是在夹层位置附近发生的声发射事件比其他位置发生的声发射多；在单轴压缩蠕变声发射加载过程中，层状盐岩的声发射信号明显加大，加载到指定荷载后并蠕变一段时间后，声发射信号的增大程度放低，绝大部分声发射信号集中在夹层位置附近。 在单轴和三轴压缩蠕变损伤数值实验中，等效Mises应力分布呈对称分布，在泥岩夹层的中间位置以及两个端头最大；剪切应力的分布基本成反对称分布，从层状盐岩内部到边界处，剪应力越来越大，到边界界面处达到最大值；在泥岩层中间位置出现了拉应力，且从夹层的中间位置到两侧边缘处，拉应力越来越小，可见夹层中间部位应该是最先拉裂的位置；越到模型右边界位置其位移差异越大，在右侧界面处达到一个很高的位移梯度；塑性应变PE11内部值比较小，从模型中间到两边盐岩层塑性应变越来越大，在夹层的两端附近达到最大值，整个呈对称分布；盐岩的等效蠕变应变CEEQ在模型两端的界面位置达到最大值，在模型内部等效蠕变应变CEEQ比较小。建立了层状盐岩宏细观非线性复合蠕变损伤本构模型，此本构模型与泥岩夹层和盐岩的弹性常数、各自体积含量、盐岩层当前应力及时间步长有关，当不考虑损伤项时，则退化成前期建立的层状盐岩体非线性蠕变本构模型。对示范工程深层盐岩体容腔稳定性进行数值仿真表明，溶腔围岩均有较大的位移变形，各溶腔围岩最大位移发生在腔体围岩中部位置；蠕变应变在容腔顶部右侧位置数值比较大，并且从边缘往围岩内部越来越小；在容腔顶部右侧位置非弹性应变分布比较集中，而且在容腔右下角位置数值也比较大；在容腔洞顶右侧有比较明显的剪切应力集中现象；增加内压对腔体的体积减少或者腔内位移有明显的抑制作用，但增加内压容易使容腔顶部发生更大的应力集中，容易引起夹层开裂而发生漏气。