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《循环荷载下盐岩力学特性及应用》主要内容包括低频三角形循环荷载及低频梯形循环荷载下盐岩的蠕变特性、循环荷载下纯盐岩及层状盐岩的疲劳特性、循环温度与循环荷载下盐岩的疲劳特性、循环荷载下盐岩的蠕变-疲劳特性及其本构模型，以及盐穴压气储能电站长期稳定性分析与评价等。
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目录前言第1章 绪论 11.1 研究背景及意义 11.2 研究现状 31.2.1 循环荷载下盐岩蠕变特性研究现状 31.2.2 循环荷载下盐岩疲劳特性研究现状 31.2.3 盐穴储气库长期稳定性分析及评价研究现状 51.3 本书主要内容 6第2章 低频三角形循环荷载下盐岩蠕变特性 82.1 低频三角形循环荷载试验方法 82.2 轴向应力-轴向应变*线及蠕变特性指标 112.2.1 轴向应力-轴向应变*线整体变化规律 112.2.2 单个循环轴向应力-轴向应变*线变化规律 122.2.3 蠕变应变 182.2.4 蠕变速率 202.2.5 不可逆变形 232.2.6 弹性模量 252.2.7 能量演化特征 272.3 本章小结 32第3章 低频梯形循环荷载下盐岩蠕变特性 343.1 低频梯形循环荷载试验方法 343.2 轴向应力-轴向应变*线及蠕变特性指标 363.2.1 轴向应力-轴向应变*线整体变化规律 363.2.2 单个循环轴向应力-轴向应变*线变化规律 373.2.3 蠕变应变 413.2.4 蠕变速率 463.2.5 不可逆变形 503.2.6 弹性模量 513.2.7 能量演化特征 523.3 本章小结 55第4章 循环荷载下盐岩疲劳特性 574.1 盐岩疲劳试验方法 574.2 盐岩宏观疲劳特性 604.2.1 轴向应力-轴向应变*线 604.2.2 弹性模量 624.2.3 不可逆变形 634.3 盐岩细观疲劳特性 654.3.1 裂纹特征演化 654.3.2 孔隙尺寸分布 674.3.3 孔隙数量变化 724.3.4 孔隙率 754.3.5 渗透率 774.3.6 迂*度 784.3.7 渗透率随孔隙率变化规律 804.3.8 疲劳损伤演化 814.4 本章小结 84第5章 循环荷载下层状盐岩疲劳特性 865.1 层状盐岩疲劳试验方法 865.2 轴向应力-轴向应变*线及疲劳特性指标 895.2.1 轴向应力-轴向应变*线 895.2.2 轴向应变 945.2.3 不可逆变形 985.2.4 弹性模量 1015.2.5 层状盐岩各层岩石轴向应变 1045.2.6 层状盐岩与纯盐岩疲劳特性对比 1075.3 本章小结 109第6章 循环温度与循环荷载下盐岩疲劳特性 1116.1 循环温度与循环荷载试验方法 1116.2 轴向应力-轴向应变*线及疲劳特性指标 1136.2.1 轴向应力-轴向应变*线 1136.2.2 最大轴向应变 1186.2.3 不可逆变形 1216.2.4 疲劳寿命 1236.2.5 弹性模量 1256.2.6 能量演化特征 1286.3 本章小结 139第7章 循环荷载下盐岩蠕变-疲劳特性 1407.1 盐岩蠕变-疲劳试验方法 1407.2 轴向应力-轴向应变*线及蠕变-疲劳特性指标 1417.2.1 轴向应力-轴向应变*线整体变化规律 1417.2.2 单个循环轴向应力-轴向应变*线变化规律 1417.2.3 蠕变应变和蠕变速率 1467.2.4 弹性模量 1487.2.5 不可逆变形 1497.3 盐岩蠕变-疲劳特性和疲劳特性的对比 1527.3.1 最大轴向应变 1527.3.2 单个循环轴向应力-轴向应变*线 1547.3.3 弹性模量 1567.3.4 不可逆变形 1577.4 盐岩蠕变-疲劳特性和蠕变特性的对比 1587.4.1 蠕变应变和蠕变速率 1587.4.2 破坏时间 1607.5 本章小结 161第8章 循环荷载下盐岩蠕变-疲劳本构模型及其程序化 1638.1 循环荷载下盐岩疲劳本构模型 1638.1.1 基本理论 1638.1.2 盐岩非线性疲劳模型建立 1658.1.3 非线性疲劳模型参数确定方法 1698.1.4 非线性疲劳模型合理性验证 1708.2 循环荷载下盐岩蠕变-疲劳本构模型 1728.2.1 模型初步建立 1728.2.2 模型进一步修正 1738.3 盐岩蠕变-疲劳本构模型二次开发 1778.3.1 模型的有限差分形式 1778.3.2 模型程序验证 1818.4 本章小结 185第9章 盐穴压气储能电站长期稳定性分析及评价 1879.1 物理模型及参数 1879.1.1 物理模型 1879.1.2 本构模型及参数 1889.2 单腔型CAES电站长期稳定性数值模拟 1899.2.1 数值模型 1899.2.2 洞周位移 1899.2.3 腔体体积损失率 1939.2.4 疲劳效应对CAES电站长期稳定性的影响 1949.2.5 最大储存压力和*小储存压力确定 1969.3 双腔型CAES电站长期稳定性数值模拟 1989.3.1 数值模型 1989.3.2 洞周位移 1999.3.3 腔体体积损失率 2039.3.4 塑性区分布 2049.4 双腔型CAES电站长期稳定性评价 2069.4.1 稳定性评价体系的建立及指标权重计算 2069.4.2 模糊综合评价模型 2099.5 本章小结 213参考文献 215
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第1章绪论 1.1研究背景及意义 能源低碳化和清洁化是我国能源发展过程中应对国内外挑战的迫切需求，作为低碳清洁能源的天然气在国家能源体系中的重要性日益凸显(Zhang et al.，2020b；张强勇等，2014；Liu et al.，2013)，而储气设施建设滞后、储备能力不足等问题成为制约我国天然气安全稳定供应和行业健康发展的短板(阳小平，2023)。为了降低极端气候、战争等突发事件对能源供应的影响，保证国民经济健康、快速发展，建立完善的能源储备体系具有非常重要的意义。利用地下储气库储存天然气具有储量大、经济性好、安全性高、占地面积小及受气候影响小等优点，被认为是*为理想的战略能源储存方式(Liu et al.，2019)。在天然气产业链中，地下储气库是“产、运、储、销、用”的五大关键环节之一，是实现天然气季节性调峰和大规模储备的重要基础设施。地下储气库按地质构造可分为枯竭油气藏储气库、地下含水层储气库、盐穴储气库及地下矿坑储气库等。对世界范围内地下储气库的工作气量和日采气能力统计可知(杨春和和王同涛，2022)，*先是气藏型储气库，其工作气量约占总储气量的75%；其次是地下含水层储气库，其工作气量约占总储气量的12%；*后是盐穴储气库与油藏型储气库，其工作气量各占总储气量的7%、6%。日采气数据表明，拥有75%工作气量的气藏型储气库日采气能力仅占总日采气能力的59%；盐穴储气库日采气量占比却高达23%。可见，气藏型储气库虽然储气量大，但采气能力相对较弱；盐穴储气库吞吐量巨大，在调峰供气和灵活存储方面拥有巨大优势(刘伟等，2014)。 随着全球变暖问题日趋严重，化石能源燃烧造成的环境污染问题受到了世界各国的广泛关注(叶斌等，2016)。推动能源转型，大力发展可再生清洁能源，已成为国际社会的普遍共识，也是我国实现“双碳”目标和推进社会可持续发展的重点攻坚方向。在此背景下，太阳能、风能等可再生清洁能源发电技术得到了迅速发展，成为诸多国家能源战略的重要组成部分。受自然条件限制，太阳能、风能等可再生清洁能源发电技术具有不稳定性和间歇性两大缺点(Geissbuhler et al.，2018)，其大规模应用需要有大规模储能技术的支持。目前，较为成熟的大规模储能技术主要包括蓄电池储能技术、抽水储能技术和压缩空气储能技术三种。其中，压缩空气储能技术的基本原理是在用电低谷期，利用多余的电能驱动压缩机将空气压入地下洞室中进行储存，待到用电高峰期，再将高压空气释放出来带动发电机发电(周瑜等，2017；Budt et al.，2016；夏才初等，2014)。与其他两种储能技术相比，压缩空气储能技术具有占地面积小、储存容量大，以及投资、运营成本低等优点，是大规模储能领域*具潜力的发展方向(Zhan et al.，2019)。 盐岩地层是一种特殊的化学沉积软岩地层，在盐岩地层中建设天然气储气库和压气储能电站具有诸多天然优势(Yang et al.，2013；赵克烈等，2009；杨春和等，2005)。*先，盐岩具有孔隙率小、渗透率低、延展性高、力学性质稳定及损伤自愈合能力良好等优点，可以较好地适应储气库内压变化并有效保证储气库的密闭性；其次，盐岩具有遇水溶解的特点，利用水溶采矿的方法建造储气库不仅可以对盐岩进行综合利用，减少环境污染，还可以降低投资成本。因此，盐岩地层被国际上公认为是建造盐穴储气库和压气储能电站的理想介质(Wang et al.，2022d；刘迪等，2017)。 盐岩具有较强的蠕变特性，加之盐穴储气库埋深较深，洞室周围地层压力较大，且盐穴内储存的气体压力始终小于地层压力，故在长期运营过程中，围岩会产生随时间延长而不断增大的蠕变变形，从而导致盐穴体积不断减小，甚至发生顶板垮塌、片帮等破坏。我国盐穴储能工程建设起步较晚，运营时间较短，尚未出现重大工程灾害。但是，重大灾害在国外却时有发生(吴文等，2005)，如法国Tersanne储气库的Te02库，尽管该储气库在运营过程中保持了较高的压力，但由于盐岩较强的蠕变特性，运营9年后溶腔体积仍减少了35%；美国Eminence储气库，在运营不到2年的时间内，储气库底板隆起量达36m，体积损失超过40%，最终导致溶腔报废。 此外，为了平衡天然气随季节波动的供需关系，盐穴天然气储气库一般每年需完成一两次注采循环(董志凯，2020；赵克烈等，2009；郤保平等，2008；杨春和等，2004)，而盐穴压气储能电站的注采频率较高，一般每天完成一两次注采循环，在30～50年的运营期内，注采循环次数可达数万次(Wang et al.，2024a；Rahimi and Hosseini，2015；王军保等，2013；Guo et al.，2012)。周期性注采气会引起盐穴内气体压力的周期性波动，这就相当于对洞周围岩施加了一个周期性变化的循环荷载。对于盐穴储气库，由于注采速率慢、频率低、次数少，围岩的长期变形过程可视为循环荷载下的蠕变过程；对于盐穴压气储能电站，注采速率快、频率高、次数多，在长期运营过程中，围岩除了产生蠕变变形和蠕变损伤外，还会产生反复加卸载导致的疲劳变形和疲劳损伤。 基于此，本书对盐岩在循环荷载下的力学特性(蠕变特性、疲劳特性、蠕变-疲劳特性等)进行了较为系统的研究，研究成果可为我国深地盐穴储能灾害防控提供一定的借鉴和参考。需要说明的是，本书中除第5章用“纯盐岩”和“层状盐岩”来区分盐岩的结构特征外，其余章节所述的“盐岩”均特指“纯盐岩”。 1.2研究现状 1.2.1循环荷载下盐岩蠕变特性研究现状 地下盐穴储气库大多紧邻人口稠密、经济较为发达的地区，一旦发生事故，不但影响能源储备安全，而且还会对上部既有建(构)筑物、管线和线路等产生影响，甚至还会危害到附近人群的生命和财产安全(杨石刚等，2012)。盐岩具有较强的蠕变特性。研究表明，即使在较小的偏应力作用下，经过较长时间后，盐岩也会产生较大的蠕变变形，国外已经报道了多起盐岩蠕变行为导致地下盐穴储气库报废的案例(吴文等，2005)。此外，由于具有周期性注采气的特点，在盐穴储气库长期运营过程中，其围岩将承受周期性变化的循环荷载作用。因此，储气库围岩的长期变形过程是一个处于循环荷载下的蠕变变形过程。近年来，部分学者对盐岩在循环荷载下的蠕变特性进行了研究。 在忽略疲劳效应的基础上，王军保等(2014，2013)对盐岩开展了恒定轴压、循环围压下的低频循环荷载蠕变试验，并建立了描述盐岩在低频循环荷载下蠕变变形行为的改进伯格斯(Burgers)模型。易其康等(2015)基于盐岩低频三轴循环荷载蠕变试验结果，建立了描述盐岩在循环荷载下蠕变变形行为的变参数伯格斯蠕变损伤模型。Roberts等(2015)在对比盐岩三轴循环荷载蠕变试验结果和静荷载蠕变试验结果的基础上，讨论了循环荷载对盐岩蠕变行为的影响。刘斌等(2018)基于应力耗散原理建立了描述盐岩在循环荷载下变形行为的非线性流变模型。基于盐岩循环荷载蠕变试验结果，Han等(2020)建立了考虑平均应力、半振幅和循环荷载周期影响的改进伯格斯蠕变模型。Zhao等(2020)研究了盐岩在循环荷载蠕变试验条件下的能量耗散规律，并建立了基于反S函数的蠕变损伤模型。Wang等(2021b)对盐岩开展了长周期循环荷载蠕变试验，分析了上限应力、循环荷载周期和荷载循环次数对盐岩蠕变特性的影响规律。Wang等(2022a)通过开展不同加载速率、卸载速率下的单轴梯形循环荷载蠕变试验，分析了盐岩在梯形循环荷载下的蠕变力学特性。 总体而言，研究人员对盐岩的蠕变行为已经进行了大量的研究，但大多是针对盐岩在恒定荷载作用下的蠕变行为展开的，关于盐岩在循环荷载下的蠕变特性研究相对较少。为保证盐穴储气库和压气储能电站工程的长期稳定性和安全性，这方面的研究工作亟须展开。 1.2.2循环荷载下盐岩疲劳特性研究现状 针对盐穴天然气储气库和盐穴压气储能电站围岩承受周期性循环荷载的特点，许多研究人员对盐岩在循环荷载下的疲劳特性进行了研究。赵克烈等(2011)发现上限应力低于75%盐岩单轴抗压强度时，盐岩在经历14789次循环后仍未发生疲劳破坏，进而指出可将单轴抗压强度的75%视为盐岩疲劳上限应力门槛值。郭印同等(2011)基于盐岩单轴疲劳试验结果，指出盐岩疲劳破坏终点变形量受其静态应力-应变全过程*线控制，且误差在10%左右。高红波等(2011)对盐岩及含夹层盐岩进行多级加载条件下的疲劳试验研究发现，在初期阶段盐岩试样循环加卸载*线基本呈线性重叠，滞回环很小，因而强度降幅也很小。任松等(2012)对盐岩开展了不同温度条件下的疲劳试验，并指出盐岩疲劳寿命随温度的升高而延长。马林建等(2013)发现随荷载循环次数增加，盐岩弹性模量在整体上呈指数函数形式递减，且在经过50～100次循环后趋于稳定。张强等(2022)研究了循环荷载下上限应力对盐岩微观结构变化的影响规律，并通过求解反S函数的方式建立了用于描述盐岩累积不可逆变形演化过程的经验疲劳模型。Fuenkajorn和Phueakphum(2010)研究发现，随着荷载循环次数增加，盐岩单轴抗压强度呈幂函数形式降低，而弹性模量在*初几个循环略有降低后便基本不发生变化。Liang等(2012)研究发现，相对于单调加载试验，盐岩在反复加载、卸载作用下的抗压强度出现明显降低，且降低幅度与荷载循环次数和累积滞回环面积密切相关，而盐岩弹性模量基本不受荷载循环次数和应力水平的影响。Liu等(2014)对盐岩开展了不同上限应力下的循环加载、卸载试验，结果表明，上限应力较低时，盐岩内部损伤程度较低；上限应力超过盐岩单轴抗压强度40%时，盐岩内部损伤程度逐渐趋于明显。Wang等(2016)基于盐岩疲劳试验结果和Manson-Coffin方程，提出了考虑加载频率和应力幅值影响的盐岩低周损伤模型。Voznesenskii等(2017)开展了盐岩疲劳试验，分析了盐岩强度和动弹性模量对荷载循环次数的响应规律。He等(2019)研究发现，盐岩在疲劳荷载条件下的损伤演化过程分为初始损伤、匀速损伤和加速损伤三个阶段，并指出增大应力幅值、加快加载频率和加载速率均会导致盐岩疲劳寿命降低。Martin-Clave等(2021)指出循环荷载下盐岩的疲劳变形主要由颗粒脆性变形和微裂隙发育引起。Wang等(2022b)采用核磁共振仪研究了盐岩在循环荷载下微观结构演化过程，并指出孔隙率存在一个临界值，当实际孔隙率大于该临界值时，孔隙率对渗透率的影响随孔隙率的增大逐渐增大。 总体而言，国内外学者对盐岩在循环荷载下的疲劳特性已经开展了大量的研究，但主要集中在强度、变形等宏观疲劳力学行为方面，对盐岩疲劳变形过程中微观结构的研究相对较少。**，盐岩在外部荷载作用下力学性质的劣化是其内部微观结构损伤演化的宏观体现。因此，从微观角度研究盐岩在循环荷载下的内部结构变化对于正确理解其疲劳变形机理具有重要意义。第二，我国的盐岩地层大多为富含不溶物夹层的层状盐岩，而目前的研究主要集中在纯盐岩的疲劳特性，层状盐岩疲劳特性相关研究还很缺乏。第三，在盐穴压气储能电站长期运营过程中，高频注采气除了使围岩产生疲劳损伤外，由于盐岩较强的蠕变特性，随运营时间延长，围岩也会产生蠕变损伤。因此，盐穴压气储能电站长期运营过程中围岩的变形过程是一个处于循环荷载下的蠕变-疲劳变形过程。目前，关于盐岩在循环荷载下的蠕变-疲劳特性研究还较为缺乏，相关研究亟须展开。 1.2.3盐穴储气库长期稳定性分析及评价研究现状 近年来，随着盐穴储气库的不断建设，许多学者考虑盐岩的蠕变行为对盐穴储气库的长期稳定性进行了分析和评价。 对于盐穴储气库长期稳定性，郤保平和赵阳升(2007)指出高跨比为7/4的竖直型椭球状储气库在运行内压为8～24MPa时的稳定性最好。王保群等(2011)指出在层状盐岩地层中，储气库高跨比为7/3，且矿柱间
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