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层状盐岩中界面裂纹与亚界面裂纹扩展的模拟研究

付庆楠  
【摘要】:盐岩由于其致密、损伤自愈合和塑性变形能力大等优良的物理力学特性,被世界公认为是石油、天然气地下存储、放射性核废料处置以及压气蓄能的理想介质。但我国的大多数盐岩矿床与国外普遍存在的“盐丘型”盐矿不同,我国盐岩具有“盐岩层数多,单层厚度薄”的基本特点。在中国的层状盐岩中建造储气库或核废料处置库时,夹层的存在会造成其与盐岩在交界处变形不协调而产生裂纹。裂纹的产生和扩展一方面会形成泄漏通道,另一方面会改变裂纹周围的应力场而影响盐岩溶腔的稳定性,研究层状盐岩中的裂纹扩展规律尤其是盐岩与夹层交界面附近的裂纹扩展行为具有重要的意义。本文针对层状盐岩中盐岩与夹层交界面附近的裂纹扩展问题,应用扩展有限单元法(XFEM)及牵引-分离内聚力模型,在Abaqus中模拟了层状盐界面裂纹与亚界面裂纹在压剪应力场中的扩展过程,模拟中考虑了夹层强度、界面强度、界面倾角及裂纹面摩擦的影响。在模拟层状盐岩界面裂纹与亚界面裂纹扩展之前,首先将纯盐岩中的裂纹扩展模拟结果与文献中的试验结果进行了比较,验证了模拟方法在模拟盐岩中裂纹扩展的正确性;随后对夹层之一的石膏进行了一系列断裂试验,将实验结果与模拟结果对比,验证了模拟方法在模拟石膏夹层中裂纹扩展的正确性。对层状盐岩中界面裂纹与亚界面裂纹的数值模拟,得到以下主要结果:(1)在预制裂纹基础上萌生出裂纹的开裂属于局部张拉开裂,新裂纹并不沿着预制裂纹的方向,并随着裂纹的向前扩展而趋向于压应力方向。整个裂纹扩展过程中,预制裂纹的尖端位置存在应力集中区,界面端附近区域由于裂纹的萌生和扩展而出现低应力区。(2)夹层的强度对界面裂纹或位于盐岩中亚界面裂纹扩展的影响都较小,对位于夹层中亚界面裂纹扩展的扩展影响最显著。不同夹层强度下界面裂纹及亚界面裂纹的长度、起裂角都相差较小,界面裂纹或位于盐岩中亚界面裂纹扩展的路径也没有明显差异;不同的夹层强度下,位于夹层中亚界面裂纹扩展穿过界面后表现为:软弱夹层情况下裂纹穿过界面后连续扩展,而坚硬夹层情况下当裂纹到达界面后沿界面向下“移动”了一段距离,而后继续向前扩展,扩展方向也略有改变。(3)界面强度对两种亚界面裂纹扩展的起裂角及裂纹长度影响都较小,对界面裂纹扩展的影响主要表现在裂纹长度方面,界面裂纹长度随界面强度的增高而增加,界面裂纹起裂角在不同界面强度下基本相同。(4)界面倾角对界面裂纹及亚界面裂纹的扩展均有显著影响,当界面向上倾斜时裂纹向上扩展,当界面向下倾斜时裂纹向下扩展;界面倾角越大,裂纹的起裂角越小;总体上,裂纹扩展后的裂纹长度随界面倾角的增大而减小。(5)裂纹面摩擦也显著影响界面裂纹与亚界面裂纹的扩展,主要表现在裂纹的扩展路径方面。不同裂纹面摩擦系数下,裂纹的起裂角都相同或基本相同;界面裂纹扩展后的裂纹长度随裂纹面摩擦系数的增大而减小,而两种亚界面裂纹扩展后的裂纹长度随裂纹面摩擦系数的增大而增大。


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