楊 科 張 帆

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院, 武漢 430068)

天然氣是一種清潔環(huán)保的重要能源,建設硐穴式液化天然氣(LNG)地下儲庫是保障天然氣供給和國家能源戰(zhàn)略安全的必要措施。[1]硐穴式LNG地下儲存是在常壓下將天然氣冷卻到-162 ℃,將其變成液態(tài)后儲存于地下洞庫中,早期儲氣庫不成功的原因是儲庫圍巖受低溫影響,內(nèi)部會產(chǎn)生破裂,從而造成LNG泄露。[2]為了防止漏氣和漏液,地下儲庫的水封條件要求位于地下水位以下。[3]在儲存過程中,即使有很好的保溫層,儲庫近區(qū)的圍巖也會長期處于-30 ～-50 ℃,導致圍巖中存在干燥低溫區(qū)和飽和凍結區(qū)。[4]由于巖體抵抗裂紋擴展的能力是由斷裂韌性決定的。因此,為了確保儲庫圍巖的結構安全,研究干燥和飽和狀態(tài)圍巖在低溫狀態(tài)下的斷裂韌性具有重要意義。

國內(nèi)外學者對低溫下巖石的物理力學性質(zhì)進行了廣泛研究。徐光苗等在不同凍結溫度(-20～20 ℃)下對飽和和干燥巖石進行了單軸壓縮和三軸壓縮試驗,指出溫度和含水率對巖石的單軸強度和彈性模量有顯著影響。[5]Kodama等在低溫單軸壓縮和間接拉伸試驗中,研究了含水率和溫度對凍結巖石強度和破壞過程的影響,指出巖石的強度隨含水率的增大而增大,含水率起著十分重要的作用。[6]唐明明等對干燥和飽和狀態(tài)花崗巖在低溫(-10～-50 ℃)條件下的力學特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)-40 ℃是抗壓強度趨于穩(wěn)定的溫度界限值。[7]李玉成等在低溫(-50 ～-20 ℃)凍融循環(huán)條件下對花崗巖進行了三軸壓縮和三點彎曲試驗,指出花崗巖的峰值強度和抗拉強度都會隨溫度降低而減小,凍融循環(huán)次數(shù)的影響很大。[8]Inada等在-160 ℃至室溫下對花崗巖和安山巖進行了單軸壓縮和巴西劈裂試驗,得出干燥和飽和狀態(tài)巖石的抗壓和抗拉強度隨凍融次數(shù)的增加而降低,低溫對巖石強度的加強效果大于低溫造成的損傷。[9]Dwivedi等對不同巖石的巴西圓盤(CCNBD)試樣在-50 ～30 ℃下進行了斷裂試驗,得出試樣的含水率越高,斷裂韌度隨溫度降低增大的幅度越大。[10]賀晶晶等研究了花崗巖經(jīng)過凍融循環(huán)后的斷裂性能,從能量釋放原則分析了試樣宏觀裂紋的擴展機理,得出花崗巖的峰值荷載和斷裂韌度均有不同程度的劣化。[11]低溫對巖石的劣化主要表現(xiàn)在巖石內(nèi)部的裂隙擴展上,裂隙也是影響巖石力學性能的重要因素。孫浩程等進行了單軸壓縮試驗并利用離散元軟件,研究含尖端相交裂隙巖石的裂紋擴展特征和起裂應力變化。[12]陳有亮等通過低溫凍融試驗和單軸壓縮試驗,建立了損傷表達式,研究了損傷裂隙對巖石在凍融循環(huán)下的性質(zhì)變化。[13]

目前,對巖石在低溫下力學性質(zhì)的研究,主要集中于凍融循環(huán)后巖石抗壓強度和抗拉強度的變化,而對花崗巖在實時低溫下斷裂韌性的研究較少。國際巖石力學協(xié)會(ISRM)提出了半圓彎曲法(SCB法)[14],測量有直槽預制裂縫的半圓巖石材料在拉伸和張開斷裂下的I型靜態(tài)斷裂韌性。SCB法試樣制備簡單,所需材料較少,只須施加壓縮荷載便可得到斷裂韌度。[15]因此,研究將選用SCB法,對實時低溫(-60,-40,-20,0,25 ℃)條件下干燥和飽和狀態(tài)的花崗巖進行三點彎曲試驗,研究實時低溫對干燥和飽和狀態(tài)花崗巖I型斷裂韌性的影響。

1 試驗過程

1.1 試樣材料

所用花崗巖取自福建省南安市水頭鎮(zhèn),花崗巖呈青灰色,天然密度和孔隙率分別為2.73 g/cm3和0.63%。通過X射線儀測定其礦物成分,結果表明:花崗巖試樣中鈉長石、黑云母、石英和透閃石含量分別為39.63%、39.15%、16.76%和4.46%。試樣如圖1所示,尺寸按照ISRM建議標準[14]制作。使用取芯機在花崗巖巖塊中鉆取直徑為76 mm的巖芯,用電鋸將巖芯切成厚度為30 mm的圓盤,將圓盤對稱切成兩半,在試樣中間加工出垂直于直徑的裂縫,預制裂縫寬度為1 mm,長度為19 mm。經(jīng)過切割得到的試樣還須使用打磨機進行打磨,確保各端面的平整。得到的試樣成品還需檢查,用電子游標卡尺(精度為0.01 mm)對各尺寸進行測量取平均值。

圖1 試樣Fig.1 Specimens for SCB

1.2 試樣處理

所有試樣在進行干燥和飽和處理前須先稱取質(zhì)量,分別采用烘干法和抽真空法對試樣進行烘干和飽和處理,并通過高精度電子天平(精度為0.01g)測量干燥和飽和處理后的花崗巖試樣質(zhì)量。剔除質(zhì)量變化過大的試樣,將質(zhì)量變化相近的歸為同一組,保證試驗樣品孔隙率的相似性,減小樣品差異帶來的試驗誤差。為確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性,每一組試驗至少進行3個試樣,并對試驗結果取平均值進行分析。

1.3 試驗步驟

采用ETM305D的電子萬能試驗機對干燥和飽和狀態(tài)花崗巖在實時低溫條件下進行了三點彎曲試驗。設備最大荷載為300 kN,溫控箱最低溫度可達-70 ℃。試驗采用位移加載控制,為了滿足I型靜態(tài)斷裂的要求(加載速率不高于0.2 mm/min)[16],加載速率為0.01 mm/min。試驗過程中先將三點彎曲夾具安裝平齊,試樣對稱放置在夾具中間位置。然后溫控箱以1 ℃/min的降溫速率降到目標溫度,保溫至少2 h,使試樣溫度均勻。最后在實時低溫條件下進行試驗,獲得荷載-位移曲線和峰值荷載。

2 試驗結果分析

2.1 微觀結構

當溫度恢復到室溫后,試樣內(nèi)部的礦物顆粒和微裂紋就不可恢復。[9]由圖2a和圖2b可見:0 ℃時,干燥和飽和狀態(tài)花崗巖試樣斷裂面完整,微裂紋較少。干燥試樣在-60 ℃下會出現(xiàn)微裂紋(圖2c)。微裂紋的出現(xiàn)是由礦物顆粒骨架在低溫下收縮,礦物顆粒之間的孔隙變大導致。[17]當微裂隙有張開變形趨勢時,微裂隙尖端處將存在應力集中,如果斷裂韌度小于應力強度因子,裂隙便會擴展。[2]飽和試樣在-60 ℃時,斷裂面微裂紋增多,并變寬變長(圖2d)。這是因為巖石內(nèi)部的孔隙水在低溫下凍結時,孔隙冰的存在會產(chǎn)生約9%的體積膨脹,導致花崗巖內(nèi)部的礦物顆粒骨架產(chǎn)生損傷,試樣內(nèi)部微裂紋增多。[18]巖石內(nèi)部裂縫形態(tài)的復雜性增大了孔隙冰與巖石的接觸面積,在凍結過程中裂縫的膨脹會釋放冰塞,較小的冰塞便可保持裂縫水密封,當膨脹發(fā)生在冰塞以下未凍結區(qū)時,也會產(chǎn)生很大的壓力,造成裂紋進一步擴展。[19]但是孔隙水凍結膨脹只是巖石冰凍破裂的原因之一,巖石中的孔隙水遷移和孔隙冰蠕變也會帶來影響。[20]

a—干燥,0 ℃; b—飽和,0 ℃; c—干燥,-60 ℃; d—飽和,-60 ℃。圖2 花崗巖SCB試樣斷裂面的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.2 SEM images for fracture surfaces of granite SCB specimens

2.2 斷裂面裂紋形態(tài)

圖3為不同實時低溫條件下,干燥和飽和狀態(tài)花崗巖試樣三點彎曲試驗斷裂后的圖片。SCB試驗的成功標準是斷裂面裂紋偏離預制裂縫所在平面的最大距離小于0.05D(D為試樣直徑),[14]即3.8 mm。否則,試樣會受到扭轉(zhuǎn)作用,其中包含了剪切作用,最后得到的是I-II型混合模式下的斷裂韌性。[21]從圖3可以看出:裂紋沿著預制裂縫軸向擴展,直到試樣發(fā)生斷裂。裂紋在擴展過程中,會發(fā)生輕微的橫向偏移,但總體上都是垂直于預制裂縫所在的平面。干燥和飽和試樣表面的斷裂裂紋形態(tài)相似,這是因為在實時低溫下,干燥試樣內(nèi)部孔隙收縮,礦物顆粒間的膠結變強。飽和試樣中孔隙水凍結對巖石微裂紋也有黏結作用。[18]因此,在低溫下,試樣斷裂面的裂紋不易發(fā)生偏離。

a—干燥狀態(tài); b—飽和狀態(tài)。圖3 試樣斷裂面裂紋Fig.3 Cracks on fracture surfaces of specimens

2.3 荷載-位移曲線

圖4為干燥和飽和狀態(tài)花崗巖試樣在不同實時低溫(-60,-40,-20,0,25 ℃)條件下進行三點彎曲試驗得到的荷載-位移曲線?？梢钥闯?曲線具有壓密階段、線彈性階段、屈服階段和峰后下降階段。在壓密階段,試樣初始孔隙被壓緊,荷載緩慢增大,曲線斜率逐漸增大。隨后曲線進入線彈性階段,荷載隨位移的增大線性增加。在達到峰值荷載前,曲線出現(xiàn)較短的應力強化階段,此時微小的荷載增量便可使位移繼續(xù)增大。試樣斷裂破壞時的最大荷載為峰值荷載,達到峰值荷載后,曲線出現(xiàn)陡降。干燥和飽和狀態(tài)花崗巖試樣在低溫下的荷載-位移曲線都表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。

干燥和飽和狀態(tài)花崗巖試樣的峰值荷載隨著溫度的降低都呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。由圖4a可見:當溫度從25 ℃降至0 ℃時,干燥狀態(tài)花崗巖的峰值荷載增大幅度較小。當溫度降低到-40 ℃時,干燥狀態(tài)花崗巖的峰值荷載出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象。低溫會引起干燥狀態(tài)花崗巖礦物顆粒的微觀變化,礦物顆粒收縮,試樣強度增加。[9]相較于干燥狀態(tài),在0 ℃以下,飽和狀態(tài)花崗巖的峰值荷載隨著溫度的降低顯著增大(圖4b)。這是因為在高飽和度下,孔隙水在低溫下結冰,孔隙冰的黏結和支撐作用決定了巖石的凍結強度。[17]值得注意的是:-60 ℃時干燥和飽和狀態(tài)花崗巖內(nèi)部都會出現(xiàn)明顯微裂紋;微裂紋的出現(xiàn)會降低花崗巖強度,但是低溫對巖石的加強效果高于微裂紋帶來的損傷效果。

a—干燥狀態(tài); b—飽和狀態(tài)?！?5 ℃; —0 ℃; —-20 ℃; —-40 ℃; —-60 ℃。圖4 低溫下干燥和飽和狀態(tài)花崗巖的荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of granite in dry and saturated states at low temperature

干燥狀態(tài)花崗巖荷載-位移曲線的初始壓密段隨著溫度的降低逐漸減小,峰值荷載對應的峰值位移隨著溫度的降低略有減小。主要原因是“低溫使干燥花崗巖內(nèi)部的孔隙和微裂紋產(chǎn)生收縮、體積減小,引起巖石的黏聚力增大”[7]。這也是導致干燥花崗巖的峰值荷載在低溫下增大的原因之一。

而飽和狀態(tài)花崗巖試樣荷載-位移曲線的初始壓密段和峰值位移都隨溫度的降低明顯增大。從-40 ℃開始,飽和試樣的初始壓密段明顯增大。這是由于飽和狀態(tài)花崗巖試樣在低溫下受到凍脹損傷的影響,內(nèi)部微裂紋的增多促使壓密段和峰值位移增大。

2.4 斷裂韌度

斷裂韌度是衡量斷裂韌性的指標,I型斷裂韌度KIC根據(jù)ISRM給出的算式[14]計算得到:

(1)

β=a/R

式中:Y′為無量綱應力強度因子;Pmax為峰值荷載;s為支撐跨距;β為歸一化長度;R為試件半徑;B為試件厚度;a為預制微裂隙長度。

根據(jù)表1可知:隨溫度的降低,干燥試樣在0,-20,-40,-60 ℃下的斷裂韌度相比25 ℃時分別增加了0.16%、13.50%、39.07%和48.71%。飽和試樣在0 ,-20 ,-40 ,-60 ℃下的斷裂韌度相比25 ℃時分別增加了1.70%、44.26%、64.48%和65.61%。

表1 干燥和飽和狀態(tài)花崗巖在不同溫度下的斷裂韌度Table 1 Fracture toughness of granite in dry and saturated states at different temperatures

從圖5可以看出:干燥和飽和狀態(tài)花崗巖的斷裂韌度隨著溫度的降低都呈增大趨勢。斷裂韌度和峰值荷載的變化規(guī)律一致,斷裂韌度和峰值荷載成正比。25 ℃時,飽和狀態(tài)花崗巖試樣的斷裂韌度略小于干燥狀態(tài),這是由于“孔隙水擴大了微裂紋導致”[9]。當溫度從25 ℃降至0 ℃時,斷裂韌度隨溫度的降低略微增加,干燥和飽和狀態(tài)花崗巖試樣的斷裂韌度相差不大。0 ℃以后,隨著溫度的降低,飽和狀態(tài)花崗巖試樣的斷裂韌度增大的幅度明顯大于干燥狀態(tài)。這是因為“孔隙冰更高的收縮系數(shù)平衡了孔隙水相變產(chǎn)生的體積膨脹”[2],孔隙冰強化了飽和花崗巖試樣的力學性質(zhì),巖樣的總體強度增加。干燥試樣在-20 ～-40 ℃,飽和試樣在0～-20 ℃時,斷裂韌度增加最為顯著。對飽和試樣而言,當溫度小于-20 ℃時,試樣內(nèi)部的孔隙水有近一半未凍結,[17]未凍結的孔隙水隨溫度的降低繼續(xù)凍結,導致斷裂韌度持續(xù)增大。當溫度到達-40 ℃后,隨溫度的進一步降低,斷裂韌度的增加幅度減小。在-60 ℃時,干燥和飽和試樣的斷裂韌度相對-40 ℃分別增加了6.9%和0.7%。這是由于微裂紋的增多,干燥試樣的斷裂韌度增加變緩。飽和試樣在凍脹損傷和孔隙冰支撐的共同作用下,斷裂韌度略微增加。

—干燥; —飽和。圖5 干燥和飽和狀態(tài)花崗巖斷裂韌度與溫度關系曲線Fig.5 Curves of fracture toughness and temperature of granite in dry and saturated states

3 結束語

1)在實時溫度-60～25 ℃,干燥和飽和狀態(tài)花崗巖的斷裂韌性都隨溫度的降低增大。溫度從25 ℃降為0 ℃時,兩者斷裂韌性的變化不大。0 ℃以下,兩者斷裂韌性顯著增大,飽和狀態(tài)花崗巖的斷裂韌性增大幅度大于干燥狀態(tài)。

2)在-40 ～-60 ℃,低溫對斷裂韌性的加強作用變緩。-60 ℃時,干燥和飽和試樣內(nèi)部都會產(chǎn)生微裂紋,飽和試樣的微裂紋更加明顯。微裂紋帶來的劣化減弱了花崗巖斷裂韌性的增長。

3)隨溫度的降低,干燥試樣的初始壓密段減小,峰值位移沒有明顯變化,主要原因是低溫下礦物顆粒和孔隙的收縮造成的。飽和試樣的初始壓密段和峰值位移都隨溫度的降低增大,主要原因是低溫下試樣內(nèi)部的礦物黏結、孔隙變化和孔隙水凍結等多種因素造成的。以上原因也是干燥和飽和狀態(tài)花崗巖試樣斷裂面的裂紋不易偏離預制裂縫所在平面的原因。