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| 有限元分析 |
三轴压缩试验是研究岩石在三向应力状态下变形和强度特性的一种重要手段，也是地下工程建设中获取岩石力学参数的主要试验内容之一。盐岩以其良好的力学特性（如孔隙度低、渗透性小、良好的蠕变特性等）被作为地下深部建设能源战略储备库、核废料处置库和压气储能储气库的理想场所。通过江苏金坛天然气储气库的建设，及江苏淮安、河南平顶山、湖北潜江和应城、云南安宁等地拟建天然气储气库的可行性论证，对盐岩力学特性开展了大量研究，但三轴应力状态下的强度分析方法仍值得探讨。
三轴应力状态下，岩石变形能力随围压增加而增大，当围压达到一定值后，变形会呈现脆性向延性转化的特征。通过对盐岩的静、动强度特性、蠕变特性、损伤和渗透特性进行有限元分析研究，取得了丰硕的成果，但对三轴应力下，特别是围压达到一定值后，盐岩出现大变形，此时得到的轴向应力与轴向压缩变形的关系常为硬化特征，而无应力下降的软化变形阶段，这到底是什么原因，事实是否如此呢？针对该疑问，进行了探讨。盐岩作为一种典型的软岩，围压对变形的影响尤为显著，通常当围压未超出10 MPa时，变形相对较小，破坏时具有显著剪切破坏面，反之则呈大变形特征，而剪切破坏特征不明显，轴向最大压缩量可达40%，横向膨胀量可达25%，横截面面积增量可达6%，甚至更大。事实上，盐穴天然气储气库所处的实际地应力通常不会低于15 MPa。因此，三轴应力状态下的盐岩力学特性研究，不应忽略大变形的影响。
盐穴储气库建库深度通常接近1000 m或更深，地应力接近三向等压的静水应力状态，并随埋深增加而增大，埋深较大的地应力可达50 MPa，例如，平顶山和潜江储气库的埋深都在2 000 m左右。
然而，室内试验时通常根据我国现行的岩石试验标准、规范中三轴压缩试验建议方法，用轴向荷载除以试件的初始面积计算轴向应力，并据此求取相关参数。该方法计算轴向应力时，忽略了试验过程中横向变形对横截面积的影响，仅适用于变形较小时的岩石应力应变分析，但当盐岩发生大变形后，该方法可能会得到不正确的结果。针对盐岩在一定围压下可以发生塑性大变形的特点，基于工程应变和对数应变的适用条件，利用四川大学MTS815岩石力学试验系统，对盐岩进行了不同围压下的三轴试验，对其轴向应力、变形特性和强度特性等进行了分析，揭示了利用对数应变分析盐岩发生大变形后的应力-应变特征。
表示应变量大小的方法通常有工程应变和对数应变两种。工程应变又称为相对应变或名义应变，即试件高度变化量与其初始高度的比值；对数应变也称为真（实）应变或自然应变，即在应变主轴保持不变条件下的应变增量的总和。图显示了盐岩相同加载时刻工程应变与对数应变的差异，当变形很小时，对数应变虽然仍小于工程应变，但二者相近，变形越大，二者相差越大。
对数应变或真实应变，代表了在应变主轴方向不变情况下的应变增量的总和，真实地反映了物体变形的实际累积过程和塑性大变形物体的变形程度。
盐岩岩芯取自云南安宁，埋深约为500 m，测试样品NaCl平均含量为79%。按文献中推荐方法，室内采用干切法和干车法进行试件加工，标准试件尺寸为90 mm×180 mm，直径允许偏差小于0.2 mm，两端面的不平整度小于0.05 mm，端面与轴线的垂直偏差不超过±0.25º。
试验采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统完成。试验轴向荷载最大量程为2 600 kN，轴向位移量程为±50 mm，围压压力量程为140 MPa，横向变形引伸计的量程为-2.5～15 mm。试验围压分别为5、10、15、20 MPa，加载速率为3 MPa/min；测试温度为25°C；轴向加载采用轴向位移控制，加载速率为1.0 mm/min。
当围压小于15 MPa时，盐岩具有明显的剪切破坏面，反之则无显著剪切破坏面，而呈大变形特征。盐岩的轴向压缩变形和横向扩张变形均随围压增加而递增，围压为5 MPa时的轴向压缩变形为21.36 mm，20 MPa时轴向压缩变形l增加到了66 mm，压缩量是5 MPa时的3.09倍。
