饱和卤水对盐岩力学性质影响研究范文

摘要:为了探求饱和卤水对察尔汗地区盐岩力学特性的影响，以该地区发育的盐岩为研究对象，通过采用分层饱和法、锯式干磨法对野外采集得到的盐岩样进行加工，对加工完成的盐岩进行单轴压缩法试验。结果表明:天然状态条件下盐岩单轴抗压强度为4.2～7.9MPa，属于软岩。使用当地的原位卤水饱和作用后，不含泥质夹层盐岩的软化系数为0.59～0.7，含泥质夹层的盐岩软化系数为0.38～0.67;综合分析卤水饱和状态对盐岩的力学特性影响认为，卤水主要通过溶解盐岩矿物，导致内部结构发生变化，最终使岩石强度减弱，盐岩软化;饱和卤水对含泥质夹层盐岩的软化影响大于无泥质夹层盐岩。

关键词:察尔汗地区;单轴抗压强度;饱和盐岩;力学特性

盐岩又称蒸发岩是指海盆或湖盆经过蒸发，盐分浓缩，胶结，沉积形成的化学沉积岩。盐岩具低渗透、损伤恢复、易溶蚀等特殊的工程及力学特性［1］。国内外专家学者针对盐岩的基本力学特性及对其性质的影响因素做了研究［2－3］。陈结等［4］为研究盐岩地下储库的稳定性，对盐岩的在不同温度的卤水溶液作用下的盐岩力学特性进行了相应的试验研究;梁卫国等［5］对盐岩在不同浓度的卤水溶液中浸泡一定的时间后针对其力学特性变化进行了研究;祝艳波等［6］以宜巴高速公路凉水井隧道出露的石膏质盐岩为研究对象，开展了不同含水率和不同干湿循环下的盐岩强度软化特性研究;吴丽华等［7］针对察尔汗盐湖岩盐路基在应力作用下的溶蚀特性试验研究;张媛等［8］通过CT扫描对盐岩在卤水条件前后的微观特性进行研究;李银平等［9］针对盐岩储存库中夹层问题，对泥质夹层对盐岩的力学性质影响进行了研究。以上研究主要针对开发盐岩储存库过程中，盐岩的力学特性研究较多，而针对盐岩溶蚀及在饱和卤水作用下盐岩的力学特性研究较少，针对察尔汗地区盐岩的研究多以卤水对盐岩路基的溶蚀特性为主，并未研究饱和卤水条件下察尔汗地区盐岩力学性质，另外察尔汗地区盐岩类型不同，主要分为含泥质夹层盐岩与不含泥质夹层盐岩两类，前人也未对其进行详细研究。为了研究察尔汗地区不同种类盐岩的力学及变形特性，并确定饱和卤水条件下对其特性的影响，本文通过分层饱和法制作盐岩在原位卤水条件下的饱和试样，针对天然与饱和状态下的盐岩试样进行单轴压缩试验，并对其试验结果进行分析，对不同种类盐岩遇卤水饱和后的力学特性的理论研究及察尔汗地区工程建设具有指导意义。

1试验概述

1.1试样特征试样取青海察尔汗地区青藏铁路“万丈盐桥”附近(图1)，地表以下2～3m为含泥岩夹层的盐岩，7～10m为纯盐岩不含泥质夹层。所采集试样为第四纪以来盐湖沉积形成的层状盐岩，根据采集试样是否含有泥岩夹层将其分为两类(表1)，盐岩表面由于风化作用形成定向排列的小孔，新鲜面成白色或灰色，半透明至不透明，块状、似层状产出，不等粒结构，内部孔隙较为发育，孔隙方向多沿石盐结晶面方向延伸。

1.2试样制备根据DZ/T0276.5—2015《岩石物理力学性质试验规程》［10］，试样满足单轴压缩试验的要求，首先需要钻取野外采集岩块的岩芯，由于盐溶于水，所以采用饱和卤水作为盐岩钻取过程中钻机的降温介质(图2a);然后为保证盐岩在加工过程中不受损坏利用锯式干磨法对岩芯试件进行打磨(图2b，c，d):首先，对所钻取岩芯用锯条将两端风化面锯掉;其次，利用双端面磨石机及对其两端进行打磨处理;第三、通过人工用砂纸对两端进行打磨直至使试样尺寸更符合试验标准为止。具体规格要求:(1)形状径高比为1∶2的圆柱体;(2)上下底面，沿试样高度方向的直径，相差不超过3mm;(3)两端不平整度最大不超过0.05mm;(4)两端面应垂直试样轴线，最大偏角不超过0.25°;但由于盐岩在制样过程中比较困难，高径比未能达到2∶1的试样，打磨至试样可以保留的最大长度(图3)。盐岩为易溶岩，人工配置饱和盐水会对盐岩产生显著的溶蚀作用，为更好的反应察尔汗地区两类盐岩在卤水条件下的力学特性，试验模拟出野外较真实情况，在采样点附近的盐池中采集原位卤水通过分层饱和法和真空泵对两组盐岩进行饱和处理:(1)在已制备好的试样的侧面约1/4，1/2，3/4高度处，标出记号;(2)在盛水容器底部放一些直径大致相同的玻璃棒，并将试样放在玻璃棒上;(3)向放有试样的盛水容器中注如野外采集得到的原位卤水，至式样高度1/4处;然后，每隔两小时依次注水，分别至式样高度的1/2处、3/4处，最后注水至高出式样1～2cm，在浸泡48h;(4)为防止岩石暴露在空气中水分减少降低饱和度，在浸泡容器中用卤水浸泡湿毛巾包裹岩石样品后再将试样取出。把加工完成的试件，根据原盐岩类型不同，将其分为两组进行试验(表2)。对处理好的试样进行单轴压缩试验。在实验压缩过程中，轴向荷载加载速度控制在0.50MPa，然后在岩样与实验机之间应适当涂抹润滑剂，以便减少“端部效应”对实验结果的影响。观察试验过程中岩石试样破坏特点，记录岩石在压缩过程中轴向应变、横向应标数据，绘制试验的应力—应变全过程曲线，分析盐岩的单轴压缩条件下的力学特性及遇水软化特性。

2结果与分析

2.1盐岩破坏过程在单轴压缩条件下，两组试验过程中，饱和状态下的盐岩与天然状态下盐岩破坏过程均一致。观察盐岩试样的破坏过程，在应力作用下，岩盐弹性变形阶段较短，主要发生塑性变形，该塑性变形主要表现在岩石内部次裂缝的产生与发展，观察试验试样在逐步破坏的过程中，裂缝的发展过程主要体现在以下4个阶段:(1)轴向应力从零开始逐渐加压的过程中，其引起相应的轴向应变也相对较小，在此过程中，试验试样的形变仅存在原结构在轴向压力的作用下逐渐压实致密的现象，既此过程中几乎不产生新的裂缝;(2)随着轴向应力的逐渐增大，盐岩试件内部结构产生大量的细微的次生裂缝，伴随着应力的不断增大，裂缝逐步扩展;(3)直到应力增大到一定程度时，结构内部产生的次生细微裂缝发展成为主裂缝，试件内部同时也在不断产生新的细微裂缝;(4)当轴向应力达到峰值时，盐岩外部出现崩块，内部主裂缝逐渐变大以致发展成为贯通性裂面，试件至此样块整体发生破坏(图4)。以上裂缝在破坏过程中不同阶段时表现出的现象，直接反应出盐岩性质对破坏过程影响，对比两组试验:(1)察尔汗地区盐岩在天然状态下与饱和状态下虽然破坏过程大致相似，破坏情况也都以剪切性破坏为主(图4);但相对于天然试样，饱和试样的破坏程度明显增大，轴向应变明显变大，其内部出现更多的贯通性的裂面;(2)对比两种不同种类盐岩破坏过程，是否含有泥质夹层对盐岩破坏前期影响不大，但在试件破坏后期，含有泥质夹层的试样更容易破坏，且次生裂隙沿层面方向发展。

2.2应力—应变曲线特性两组盐岩试验所得到的单轴压缩全应力—应变曲线(图5)，分别通过横纵两个方向对图5进行分析对比，可分别得到饱和卤水处理和是否含有夹层两个方面对试验曲线的影响。通过横向对比两组曲线，两类盐岩无论是否含有泥质夹层，均有以下特点:(1)盐岩经卤水饱和处理后峰值强度明显小于天然盐岩;(2)饱水曲线的屈服过程都短于天然状态下的盐岩;(3)饱和状态下盐岩在弹性形变阶段较缓;(4)饱和状态下的盐岩应变软化现象比天然状态下更加明显。究其原因，天然状态下盐岩在饱和卤水的条件下被软化，其弹性模量减小，导致弹性阶段变缓;同时导致试件的破坏更容易发生;对比其破坏过程，饱和状态下试样在应力不断施加的过程中裂隙扩展速度大于天然试样，以致到达峰值应力时屈服过程短于天然试件。通过纵向观察两组曲线，泥质夹层对盐岩整体影响不大，但无论盐岩是否经过卤水饱和处理，含有夹层试样峰值强度均小于不含夹层试样;含夹层试样屈服阶段均有不同程度的小于天然状态下试样。究其原因:含泥质夹层盐岩结构面薄弱，且泥质夹层的抗压能力小于原有盐岩试件。

2.3强度特性分析通过单轴压缩试验得到天然状态下的各试件单轴抗压强度(表3)，天然状态不含夹层盐岩的单轴抗压强度为4.2～7.9MPa，根据工程岩体质量分级标准［10］盐岩属于软岩;饱和状态下盐岩的单轴抗压强度为1.5～4.7MPa，经卤水饱和处理后盐岩被软化，强度降低。通过分层饱和法处理天然状态盐岩得到卤水饱和状态的盐岩试件，对试件进行单轴压缩试验测定饱和状态下试件的单轴压缩强度(表4)饱和状态下盐岩的单轴抗压强度为1.5～4.7MPa，与天然状态下盐岩试件强度比较，经原位卤水饱和处理过的后盐岩被软化，强度降低。无论盐岩是否存在泥质夹层，卤水饱和状态下的盐岩强度均低于天然盐岩，说明饱和卤水状态下盐岩被软化，但夹层的存在影响卤水的软化效果(图6)，对比图6a和图6b，图6a两条线之间的间距明显大于图6b，说明含泥质夹层的盐岩在饱和卤水的条件下被软化的效果更高，计算其软化系数得到不含泥质夹层盐岩的软化系数在0.59～0.7;含泥质夹层的盐岩软化系数0.38～0.67。2.4质量变化与强度关系分析观察饱和卤水处理前后试样的质量差与强度关系，用最小二乘法拟合二者关系(图7)，明显看出质量变化(△m)与单轴抗压强度(σ)之间成负相关，既质量增加越多，强度越低。分析其原因，起试件质量发生变化主要有两个因素:试样在随着时间不断浸水饱和的过程中伴随着岩石内孔隙充水和部分矿物溶解，孔隙充水使试件质量增加，矿物溶解使试件质量减少，两种因素共同作用下，最终导致盐岩的质量增大，但二者对于岩石的强度都是产生负作用，孔隙水溶解内部矿物结构导致盐岩内部结构破坏致使盐岩强度降低。试件质量增加愈多对应含水率愈多，因此，同样的含夹层条件下的盐岩，含水率越高，强度越低。

3讨论与结论

察尔汗地区的盐岩中大都以层状似层状产出，但其的杂质含量不一，泥质夹层分布不均匀［12］，得到的试件中的夹层也不能保证夹层大小一致且分布均匀。在试验中选取试样时从同一块岩石中钻取岩芯，这样得到试验结果只能表明试样表面的泥质夹层的含量及厚度大致一样。且目前的技术手段很难判别试样内部夹层的具体分布［13－14］，无法研究夹层厚度对盐岩力学特性的影响程度，这也是目前研究的难点所在，因此本文假定内部泥质夹层是均匀分布的。通过对野外采集的两类盐岩进行单轴压缩试验，天然和卤水饱和两种状态下盐岩的破坏过程、全应变－应力曲线、强度特性、质量差与强度的关系等方面研究与分析，得到主要结论如下:(1)通过对试验过程中试件的破坏过程及应力应变曲线分析:单轴压缩条件下，盐岩的破坏以剪切破坏为主;卤水饱和盐岩更容易发生破坏，且破坏程度大于天然状态下的盐岩，含有泥岩夹层的盐岩试件破坏程度变大;(2)察尔汗地区天然状态下盐岩强度4.2～7.9MPa，属于软岩，饱和卤水条件下盐岩发生软化;且饱和卤水对夹层盐岩的软化程度较大，在工程实践中用注意含夹层盐岩对工程稳定性的影响;(3)饱和卤水处理后的盐岩所增加质量与盐岩强度成负相关，通过对其分析得出同样的含夹层条件下的盐岩，含水率越高，强度越低。由于采样与制样的困难，对盐岩力学特性的研究仅进行宏观条件下的单轴压缩试验，在一定程度上可以反映饱和卤水对盐岩的力学特性的影响，但无法全面的掌握饱和卤水对盐岩作用方式，采用电镜扫描及岩石CT等技术对微观状态下盐岩在饱和卤水下的影响的研究会继续深入进行。

参考文献:

［1］姜在兴．沉积学［M］．北京:石油工业出版社，2003:236－237．

［4］陈结，姜德义，邱华富．卤水浸泡后盐岩声发射特征试验研究［J］．岩土力学，2013，34(7)1937－1942．

［5］梁卫国，张传达，高红波，等．盐水浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2010，29(6):1156－1163．

［6］祝艳波，吴银亮，余宏明．隧道石膏质围岩溶蚀及溶出特性试验研究［J］．现代隧道技术，2016，53(1):28－37．

［7］吴丽华，李勇，董建华．察尔汗盐湖岩盐路基应力作用下溶蚀特性试验研究［J］．铁道标准设计，2014，58(9):10－13．

［8］张媛，董建华．察尔汗盐岩路基溶蚀数值模拟及病害分析［J］．甘肃科学学报，2016，28(1):99－104．

［9］李银平，刘江，杨春和．泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分析［J］．岩石力学与工程学报，2006(12):2461－2466．

［10］中华人民共和国国土资源部．岩石物理力学性质试验规程:DZ/T0276．18—2015［S］．北京:地质出版社，2015:3－4．

［11］中华人民共和国水利部．工程岩体质量分级标准:GB50218—94［S］．北京:中国计划出版社，1995．

［12］刘振敏，杨更生．察尔汗盐湖盐壳类型及形成条件［J］．化工矿产地质，1997(2):34－37．

［13］徐素国，梁卫国，莫江，等．软弱泥岩夹层对层状盐岩体力学特性影响研究［J］．地下空间与工程学报，2009，5(5):878－883

［14］陈祥胜，李银平，尹洪武，等．多夹层盐矿地下储气库气体渗漏评价方法［J］．岩土力学，2018，39(1):11－20．

作者：李斌 张文 罗艳珍 王珑霖 单位：青海大学