察尔汗盐湖岩盐路基应力作用下溶蚀特性试验研究

吴丽华，李 勇，董建华

(1.中铁西北科学研究院，兰州 730030；2.兰州理工大学， 兰州 730050)

察尔汗盐湖岩盐路基应力作用下溶蚀特性试验研究

吴丽华1，李 勇1，董建华2

(1.中铁西北科学研究院，兰州 730030；2.兰州理工大学， 兰州 730050)

为研究察尔汗盐湖岩盐路基在应力作用下的溶蚀特性，对察尔汗盐湖岩盐试样通过控制围压、轴向应变和溶蚀时间的方法，并采用位移加载方式，进行单轴和三轴压缩条件下的岩盐应力-溶蚀耦合效应的力学试验，得出了岩盐在应力作用下的溶蚀特性：(1)随着围压的增大，岩盐溶蚀质量呈现逐渐减小的趋势，即在岩盐收到较大侧向限制时，岩盐在上部荷载作用下产生了较小的塑性变形，减少了水溶液与岩盐的接触面积，从而使溶蚀速率减缓；(2)荷载作用下，岩体所产生的裂缝加大了水溶液与岩盐颗粒的接触面积，即在处理岩盐地基时需考虑减小岩盐地基岩体的孔隙。

岩盐路基；路基稳定；应力-溶蚀；溶蚀速率

既有青藏铁路K720+500～K752+680段穿越了察尔汗盐湖，盐湖地区的铁路直接以饱含卤水的岩盐地层为路基基底，长达30余km。长期以来，对于察尔汗盐湖岩盐的物理力学性质，尤其是岩盐路基在上部机车荷载和路基自重应力作用下的溶蚀特性的研究尚不成熟，而该溶蚀特性直接影响着铁路路基的稳定性评价问题。

国内很多专家和学者对岩盐的溶蚀特性做过相关的研究，在岩盐溶蚀特性研究方面，张哲纬等[1-3]进行了岩盐水溶性能试验研究。在岩盐溶腔稳定性研究方面，刘新荣等[4-5]对岩盐溶腔围岩应力分布规律进行了数值模拟计算和分析。汤艳春等[6-9]对湖北省云应岩盐矿区岩盐取样进行单轴压缩条件下岩盐应力-溶蚀耦合效应细观力学试验分析，并建立了应力作用下溶蚀模型。国外研究人员[10-12]也对岩盐的溶蚀及力学特性做了相应的研究。

但上述研究主要是针对于岩盐作为能源存储介质或者研究对象，并非针对察尔汗盐湖地区路基岩盐，故有必要基于路基稳定性方面对该地区岩盐在应力作用下的溶蚀特性做进一步的研究。

1 试验概况

1.1 试样的制备

本次试验所用岩盐试样取自察尔汗盐湖，实验用水为蒸馏水。

将岩盐加工为尺寸φ37.5 mm×70 mm的圆柱形岩盐试样，并对试验所用盐样进行化学成分与矿物成分分析，确定岩盐主要物理组成，各种矿物成分含量及其各种盐分离子分布情况。其岩样具体矿物及化学成分见表1。结果表明：岩样中主要为氯化钠盐，同时含有少量硫酸盐与碳酸盐等。

表1 岩盐矿物及化学成分 ω/10-2

1.2 试验方案

采用位移加载方式，对试样分别在0、2、5、15 MPa围压下，加载至不同轴向应变时岩盐试样在不同溶蚀时间的溶蚀情况，溶蚀时间分别为100、200、400、600、800 s。

试验具体步骤如下：

(1)在预定围压(0、2、5、15 MPa)时，将试样加载至某一轴向应变值，并保持轴向应变不变；

(2)然后在向封闭的加载容腔内快速注入蒸馏水，让岩盐试样在蒸馏水中溶蚀；

(3)在溶蚀预定时间(100、200、400、600、800 s)后将容腔内的溶液排出；

(4)试验结束后，取出试样，用电子称称量烘干后的岩盐试样，计算出被溶蚀的质量。

2 试验结果分析

岩盐的溶蚀现象与水溶液与岩盐的接触面积有关，在应力作用下，岩盐会发生塑性变形，该塑性变形主要体现在裂缝的发生与发展，岩盐试样在破坏过程中，裂缝的变化主要分以下4个阶段：

(1)在轴向应力较低时，引起相应的轴向应变也较小，在该过程中，只存在原有结构在应力条件下逐渐致密的现象，几乎不会产生新的裂缝；

(2)当轴向应力逐渐增大时，结构会产生大量的细微裂缝并逐步扩展；

(3)当应力增大到一定程度时，结构内部原有细微裂缝逐步发展成为主裂缝，并不断产生新的细微裂缝；

(4)当应力过大时，这些细观主裂纹会发展成为贯通性裂面，试件整体发生破坏。

以上裂缝在不同阶段时表现出的现象，直接影响岩盐试样的溶蚀特性。

2.1 不同围压下岩盐溶蚀特性

通过一系列在单轴(σ=0 MPa)和三轴压缩条件下的岩盐溶蚀性试验，该应力-溶蚀耦合力学试验可以得出在特定的侧向约束下不同轴向应变和溶蚀时间下的岩盐溶蚀质量。

图1为岩盐试验在围压为σ=0 MPa时，不同轴向应变时溶蚀时间和溶蚀质量关系，围压σ=0 MPa时即为单轴压缩试验，在没有围压作用下，岩样不受侧向约束力，在加载初期，随着轴向应变的加大，试样表面逐步出现细微的裂缝，在注入蒸馏水后，这些表面细微裂缝在与水溶液接触之后发生溶蚀，但由于裂缝细微且数量较少，溶蚀速率较小。当轴向应变加大到一定程度后，试样逐渐出现竖向主裂缝，通长裂缝的出现使得水溶液与试样的接触面积显著增大，进而溶蚀速率也随之迅速增大，岩盐的溶蚀质量也显著增大，溶蚀质量的增幅也相应增大。当轴向应变ε增大至8.6%时，试样出现通长贯通性裂缝，该通长贯通性裂缝使得水溶液与岩样接触面积大量增加，并迅速发生溶蚀现象，溶蚀质量相应增加。

图1 σ=0 MPa时，不同轴向应变下溶蚀时间与溶蚀质量关系曲线

图2、图3分别为岩盐试样在围压为σ=2 MPa、σ=5 MPa时，不同轴向应变时溶蚀时间和溶蚀质量关系，在围压的作用下，侧向力约束了试样的轴向变形，使得试样表面裂缝出现较少，开度也较小，水溶液很难侵入试样内部发生溶蚀。在轴向应变较小时，试样产生的塑性变形也较小，水溶液与试样的接触面积较小，溶蚀作用发生较为缓和，使得水溶液与试样接触面积增大较慢，从而溶蚀质量增加缓慢。随着轴向应变增大至8.3%时，试样表面裂缝增多，开度相应增大，水溶液与试样接触面积逐渐增大，溶蚀质量也相应增大，溶蚀质量增幅变大。

图2 σ=2 MPa时，不同轴向应变下溶蚀时间与溶蚀质量关系曲线

图3 σ=5 MPa时，不同轴向应变下溶蚀时间与溶蚀质量关系曲线

图4为岩盐试验在围压σ=15 MPa时，不同轴向应变时溶蚀时间和溶蚀质量关系图。在围压较高时，受到侧向力的严重限制，限制了裂缝的产生和扩展，使得水溶液与试样的接触面积增大受阻，进而使得溶蚀质量增大较小。

图4 σ=15 MPa时，不同轴向应变下溶蚀时间与溶蚀质量关系

可以看出，随着围压的增大，在相同溶蚀时间内，溶蚀质量将呈现逐渐减小的趋势，而该特性在岩盐地基稳定性方面表现为：当岩盐地基在侧向力较大，更加有利于地基的稳定性，即侧向限制较大时，增大了岩体的侧向力，使得岩体在受到上部荷载的作用时塑性变形较小，在受到降雨或地下水增加时，岩盐不被很快溶蚀。

另一方面，岩体在应力作用下产生的裂缝也为岩体的溶蚀提供了条件，即在处理岩盐地基时，需考虑减小岩盐地基岩体中由于裂缝而增加的空隙，可采用注浆等方法。

2.2 不同溶蚀时间下岩盐溶蚀特性

通过试验数据可知，在相同的溶蚀时间条件下，不同的围压以及不同的轴向应变所对应的岩盐溶蚀质量不同。

图5为溶蚀时间t=100 s时，试样在不同围压下轴向应变和溶蚀质量的关系曲线，从图中可以看出，随着轴向应变的增大，岩盐的溶蚀质量呈现增大的趋势，轴向应变和溶蚀质量成正相关趋势。而不同围压下溶蚀质量增加幅度则不尽相同。当围压σ=0 MPa时，在轴向应变增大的情况下，溶蚀质量显著增大，当围压σ=2 MPa时，趋势同前，随着轴向应变的增大，岩盐的溶蚀质量逐渐增大，但值得说明的是，围压σ=2 MPa时整体增幅较围压σ=0 MPa时有所减小，即侧向约束力限制了岩盐内部裂缝的产生和发展，使水溶液与岩盐接触面积减少，进而使溶蚀质量减小。随着围压的增大，这种溶蚀质量的增幅逐步减小，当围压σ=15 MPa时，关系曲线几乎呈水平状。

图5 t=100 s时，不同围压下轴向应变与溶蚀质量关系

图6～图9分别为溶蚀时间t=200、400、600、800 s时，不同围压下轴向应变与溶蚀质量的关系曲线，大体趋势如图5所示，上述图中呈现的规律可总结如下：

图6 t=200 s时，不同围压下轴向应变与溶蚀质量关系曲线

图7 t=400 s时，不同围压下轴向应变与溶蚀质量关系曲线

图8 t=600 s时，不同围压下轴向应变与溶蚀质量关系曲线

图9 t=800 s时，不同围压下轴向应变与溶蚀质量关系曲线

(1)溶蚀时间相同的情况下，不同的围压时，溶蚀质量与轴向应变的关系曲线趋势有所差异，该差异主要是由围压对岩盐侧向约束力的不同，致使岩盐试样在遇到相同轴向应变时内部结构的完整性表现出的不一致性所造成的；

(2)溶蚀时间相同，围压一定时，随着岩盐试样轴向应变的增加，岩盐的溶蚀质量也随之增加，而且在加载中期，随着轴向应变的增大，岩盐试样的溶蚀质量增幅也呈增大趋势；

(3)在相同的溶蚀时间、相同的轴向应变下，随着岩盐试样围压的增大，岩盐的溶蚀质量逐渐降低；

(4)在相同的溶蚀时间，在试验加载中后期，随着轴向应变的增大，不同围压下溶蚀质量之间的差值也相应增大。

通过上述试验，发现在应力作用下岩盐的溶蚀特性会发生显著的变化，对于岩盐溶蚀速率和溶蚀质量来说，应力作用的影响是不可忽略的。

3 结论

通过对岩盐路基试样采用位移加载方式，对试样分别在0、2、5、15 MPa围压下，加载至不同轴向应变时岩盐试样在不同溶蚀时间下的溶蚀情况，得出了岩盐在应力作用下的溶蚀特性，并提出相应建议。

(1)随着围压的增大，溶蚀质量将呈现逐渐减小的趋势，该特性在岩盐地基稳定性方面表现为：岩盐地基在侧向约束较大时，更加有利于地基的稳定性，使得岩体在受到上部荷载的作用时塑性变形较小，减少了水溶液与岩盐的接触面积，从而使溶蚀速率减缓。

(2)荷载作用下，岩体所产生的裂缝加大了水溶液与岩盐颗粒的接触面积，即在处理岩盐地基时需考虑减小岩盐地基岩体的孔隙，故可采用注浆法加固岩盐地基。

[1] 张哲纬.岩盐矿石水溶性能试验若干问题探讨[J].中国井矿盐，2002，33(2)：23-25．

[2] 杨骏六，杨进春，邹玉书.岩盐水溶特性的试验研究[J].四川联合大学学报：工程科学版，1997，1(2)：74-80．

[3] 梁卫国，徐素国，赵阳升.钙芒硝盐岩溶蚀渗透力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25(5)：951-955．

[4] 刘新荣，姜德义.岩盐溶腔围岩应力分布规律的有限元分析[J]. 重庆大学学报：自然科学版，2003，26(2)：43-46．

[5] 王贵君.盐岩层中天然气存储洞室围岩长期变形特征[J]. 岩土工程学报，2003，25(4)：431-435．

[6] 汤艳春，周 辉，冯夏庭，等.单轴压缩条件下岩盐应力-溶蚀耦合效应的细观力学试验分析[J].岩石力学与工程学报，2008，27(2)：294-302．

[7] 汤艳春，周 辉，冯夏庭，等. 应力作用下岩盐的溶蚀模型研究[J].岩土力学，2008，29(2)：296-302．

[8] 汤艳春.考虑岩盐应力与溶蚀耦合效应的盐腔溶腔机制研究[D].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2007.

[9] 钱海涛，谭朝爽，李守定，等.应力对岩盐溶蚀机制的影响分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29(4)：757-764.

[10] Jessen F W， Durie R W. The laminar boundary layer in the free convection dissionlution of salt[J]. Tectono Physics， 1962，6(5):110-125．

[11] Bosworth W. Strain-induced Preferential dissoloution of halite[J]. TectonoPhysics， 1981，78(1/2/3/4):509-525.

[12] Saberian A. Carity develoPment in a three-layer beded salt model[J]. Socity of Petroleum Engineers Journal， 1977，12(1):85-98.

Experimental Study on Corrosion Characteristics of Rock Salt Subgrade under Stress in Chaerhan Salt Lake

WU Li-hua1， LI Yong1， DONG Jian-hua2

(1.Northwest Research Institute of China Railway Engineering Corporation， Lanzhou， Gansu， China， 730030； 2.Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， Gansu， China)

In order to study the corrosion characteristics of rock salt subgrade under stress in Chaerhan salt lake， rock salt samples are mechanically tested by controlling the confining pressure， axial stain and the time of corrosion under displacement loading to obtain the coupling effect of stress-corrosion on rock salt with uniaxial and triaxial compression. The corrosion characteristics of rock salt under stress are resulted as follows : (1) the rock salt corrosion mass tends to decrease with the increase of confining pressure. That is when rock salt receives larger lateral restriction， it generates less plastic deformation under upper load and， thus， the area where water contracts with rock salt is reduced and the corrosion speed is slowed down. (2) the rock mass cracks under load increases the contact area with water and rock salt particles， therefore， it shall be considered to reduce the porosity of rock mass in rock salt foundation during rock salt foundation processing．

Rock salt subgrade; Stability of subgrade; Stress-corrosion; Corrosion speed

2014-04-14；

：2014-05-29

吴丽华(1960—)，女，高级工程师，E-mail：com742913814@qq.com。

1004-2954(2014)09-0010-04

TU452

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.003