盐岩分数阶蠕变损伤耦合本构模型及蠕变破坏时间预测研究

Due to the creep characteristics of salt rock, the problem of shrinkage and failure of salt cavern is becoming more serious. The main reason is that it is still unclear to learn about the damage evolution mechanism of creep and difficult to predict the creep failure of salt rock. In order to reveal the salt rock creep damage evolution mechanism and built the creep damage evolution equations, this project study on the creep of the salt rock under uniaxial and triaxial load and monitored by the acoustic emission, then obtain the characterization of damage variables and quantitative calculation methods. And the damage coupling fractional order creep model based on the creep damage evolution equations and the fractional order creep model will be built to provide a mathematic model for prediction of the salt cavity volume shrinkage. The mathematic model for predicting failure time of salt rock creep also will be established based on the creep damage evolution equations and the initial damage value and damage threshold of the creep.

由于盐岩蠕变特性导致盐穴腔体不断收缩乃至破坏的问题日益突出，其主要原因在于对盐岩蠕变损伤演化机制认识不清以至于蠕变破坏时间难以预测。本项目拟对盐岩蠕变损伤演化机制这一关键科学问题展开试验和理论研究：针对盐岩开展单轴、三轴分级加载蠕变试验，并在蠕变试验中采用声发射全程监测手段，获取盐岩蠕变声发射特征，探究蠕变过程中损伤变量的表征与定量计算方法，揭示盐岩蠕变过程中的损伤演化机制，提出蠕变损伤演化方程；在盐岩分数阶蠕变模型的基础上引入蠕变损伤演化方程，建立盐岩分数阶蠕变损伤耦合本构模型，为预测盐穴腔体体积收缩提供理论依据；基于盐岩蠕变损伤演化方程，分析蠕变过程中的损伤初始值和损伤破坏阈值，建立预测盐岩蠕变破坏时间的理论模型，为预测盐穴腔体何时失效提供参考和指导。

盐岩具有极低的渗透性与优良的蠕变行为，能够保证地下能源储库的密封性；但目前对于盐岩力学及蠕变特性的研究主要集中在短期强度和蠕变特性上，而盐岩的长期强度研究较少。盐岩蠕变试验是开展盐岩蠕变特性研究的基础工作，我国开展的盐岩蠕变时间偏短，需要大力提倡长时间盐岩蠕变试验研究，同时加强关于盐岩长期强度的研究，以推动盐岩蠕变理论更好的发展。其次，盐岩蠕变损伤演化机制认识不清和蠕变破坏时间难以预测，都是值得深入研究和探讨的问题。事关地下能源储气库的密封问题。.本项目对盐岩蠕变损伤演化机制这一关键科学问题拟开展的研究内容包括：盐岩单轴、三轴分级加载蠕变试验；盐岩单轴及三轴蠕变声发射特征试验及时空分布特征；盐岩蠕变损伤演化机制；盐岩分数阶蠕变损伤耦合本构模型研究；盐岩蠕变破坏时间预测。.通过项目得到的重要研究结果包括：盐岩开展了单轴、三轴分级加载蠕变试验，确定了长期强度大小，并在蠕变试验中采用声发射全程监测手段，获取了盐岩蠕变声发射特征。探究了蠕变过程中损伤变量的表征与定量计算方法，揭示了盐岩蠕变过程中的损伤演化机制，提出了蠕变损伤演化方程；在盐岩分数阶蠕变模型的基础上引入蠕变损伤演化方程，建立了盐岩分数阶蠕变损伤耦合本构模型，为预测盐穴腔体体积收缩提供理论依据；基于盐岩蠕变损伤演化方程，分析了蠕变过程中的损伤初始值和损伤破坏阈值，建立了预测盐岩蠕变破坏时间的理论模型，为预测盐穴腔体何时失效提供参考和指导。.关键数据包括：增加加载级数以及延长加载时间使获得了盐岩的长期强度为12 MPa，为单轴抗压强度的48%。盐岩单轴蠕变声发射试验研究发现在200天左右才进入稳定蠕变阶段，30天时对应的蠕变率为200天时对应蠕变率的2.5倍。 .本项目不仅有利于我国的能源战略储备的建设和商业储存新产业的形成与发展，还有利于推动高放废弃物的地下处置和环境保护的新技术发展，为我国地下储存库重大项目的建设提供理论基础和创造必要条件。