飽和鹵水對(duì)鹽巖力學(xué)性質(zhì)影響研究范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了飽和鹵水對(duì)鹽巖力學(xué)性質(zhì)影響研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:為了探求飽和鹵水對(duì)察爾汗地區(qū)鹽巖力學(xué)特性的影響，以該地區(qū)發(fā)育的鹽巖為研究對(duì)象，通過(guò)采用分層飽和法、鋸式干磨法對(duì)野外采集得到的鹽巖樣進(jìn)行加工，對(duì)加工完成的鹽巖進(jìn)行單軸壓縮法試驗(yàn)。結(jié)果表明:天然狀態(tài)條件下鹽巖單軸抗壓強(qiáng)度為4.2～7.9MPa，屬于軟巖。使用當(dāng)?shù)氐脑畸u水飽和作用后，不含泥質(zhì)夾層鹽巖的軟化系數(shù)為0.59～0.7，含泥質(zhì)夾層的鹽巖軟化系數(shù)為0.38～0.67;綜合分析鹵水飽和狀態(tài)對(duì)鹽巖的力學(xué)特性影響認(rèn)為，鹵水主要通過(guò)溶解鹽巖礦物，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終使巖石強(qiáng)度減弱，鹽巖軟化;飽和鹵水對(duì)含泥質(zhì)夾層鹽巖的軟化影響大于無(wú)泥質(zhì)夾層鹽巖。

關(guān)鍵詞:察爾汗地區(qū);單軸抗壓強(qiáng)度;飽和鹽巖;力學(xué)特性

鹽巖又稱蒸發(fā)巖是指海盆或湖盆經(jīng)過(guò)蒸發(fā)，鹽分濃縮，膠結(jié)，沉積形成的化學(xué)沉積巖。鹽巖具低滲透、損傷恢復(fù)、易溶蝕等特殊的工程及力學(xué)特性［1］。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)鹽巖的基本力學(xué)特性及對(duì)其性質(zhì)的影響因素做了研究［2－3］。陳結(jié)等［4］為研究鹽巖地下儲(chǔ)庫(kù)的穩(wěn)定性，對(duì)鹽巖的在不同溫度的鹵水溶液作用下的鹽巖力學(xué)特性進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究;梁衛(wèi)國(guó)等［5］對(duì)鹽巖在不同濃度的鹵水溶液中浸泡一定的時(shí)間后針對(duì)其力學(xué)特性變化進(jìn)行了研究;祝艷波等［6］以宜巴高速公路涼水井隧道出露的石膏質(zhì)鹽巖為研究對(duì)象，開展了不同含水率和不同干濕循環(huán)下的鹽巖強(qiáng)度軟化特性研究;吳麗華等［7］針對(duì)察爾汗鹽湖巖鹽路基在應(yīng)力作用下的溶蝕特性試驗(yàn)研究;張媛等［8］通過(guò)CT掃描對(duì)鹽巖在鹵水條件前后的微觀特性進(jìn)行研究;李銀平等［9］針對(duì)鹽巖儲(chǔ)存庫(kù)中夾層問(wèn)題，對(duì)泥質(zhì)夾層對(duì)鹽巖的力學(xué)性質(zhì)影響進(jìn)行了研究。以上研究主要針對(duì)開發(fā)鹽巖儲(chǔ)存庫(kù)過(guò)程中，鹽巖的力學(xué)特性研究較多，而針對(duì)鹽巖溶蝕及在飽和鹵水作用下鹽巖的力學(xué)特性研究較少，針對(duì)察爾汗地區(qū)鹽巖的研究多以鹵水對(duì)鹽巖路基的溶蝕特性為主，并未研究飽和鹵水條件下察爾汗地區(qū)鹽巖力學(xué)性質(zhì)，另外察爾汗地區(qū)鹽巖類型不同，主要分為含泥質(zhì)夾層鹽巖與不含泥質(zhì)夾層鹽巖兩類，前人也未對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)研究。為了研究察爾汗地區(qū)不同種類鹽巖的力學(xué)及變形特性，并確定飽和鹵水條件下對(duì)其特性的影響，本文通過(guò)分層飽和法制作鹽巖在原位鹵水條件下的飽和試樣，針對(duì)天然與飽和狀態(tài)下的鹽巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)不同種類鹽巖遇鹵水飽和后的力學(xué)特性的理論研究及察爾汗地區(qū)工程建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

1試驗(yàn)概述

1.1試樣特征試樣取青海察爾汗地區(qū)青藏鐵路“萬(wàn)丈鹽橋”附近(圖1)，地表以下2～3m為含泥巖夾層的鹽巖，7～10m為純鹽巖不含泥質(zhì)夾層。所采集試樣為第四紀(jì)以來(lái)鹽湖沉積形成的層狀鹽巖，根據(jù)采集試樣是否含有泥巖夾層將其分為兩類(表1)，鹽巖表面由于風(fēng)化作用形成定向排列的小孔，新鮮面成白色或灰色，半透明至不透明，塊狀、似層狀產(chǎn)出，不等粒結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙較為發(fā)育，孔隙方向多沿石鹽結(jié)晶面方向延伸。

1.2試樣制備根據(jù)DZ/T0276.5—2015《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》［10］，試樣滿足單軸壓縮試驗(yàn)的要求，首先需要鉆取野外采集巖塊的巖芯，由于鹽溶于水，所以采用飽和鹵水作為鹽巖鉆取過(guò)程中鉆機(jī)的降溫介質(zhì)(圖2a);然后為保證鹽巖在加工過(guò)程中不受損壞利用鋸式干磨法對(duì)巖芯試件進(jìn)行打磨(圖2b，c，d):首先，對(duì)所鉆取巖芯用鋸條將兩端風(fēng)化面鋸掉;其次，利用雙端面磨石機(jī)及對(duì)其兩端進(jìn)行打磨處理;第三、通過(guò)人工用砂紙對(duì)兩端進(jìn)行打磨直至使試樣尺寸更符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為止。具體規(guī)格要求:(1)形狀徑高比為1∶2的圓柱體;(2)上下底面，沿試樣高度方向的直徑，相差不超過(guò)3mm;(3)兩端不平整度最大不超過(guò)0.05mm;(4)兩端面應(yīng)垂直試樣軸線，最大偏角不超過(guò)0.25°;但由于鹽巖在制樣過(guò)程中比較困難，高徑比未能達(dá)到2∶1的試樣，打磨至試樣可以保留的最大長(zhǎng)度(圖3)。鹽巖為易溶巖，人工配置飽和鹽水會(huì)對(duì)鹽巖產(chǎn)生顯著的溶蝕作用，為更好的反應(yīng)察爾汗地區(qū)兩類鹽巖在鹵水條件下的力學(xué)特性，試驗(yàn)?zāi)M出野外較真實(shí)情況，在采樣點(diǎn)附近的鹽池中采集原位鹵水通過(guò)分層飽和法和真空泵對(duì)兩組鹽巖進(jìn)行飽和處理:(1)在已制備好的試樣的側(cè)面約1/4，1/2，3/4高度處，標(biāo)出記號(hào);(2)在盛水容器底部放一些直徑大致相同的玻璃棒，并將試樣放在玻璃棒上;(3)向放有試樣的盛水容器中注如野外采集得到的原位鹵水，至式樣高度1/4處;然后，每隔兩小時(shí)依次注水，分別至式樣高度的1/2處、3/4處，最后注水至高出式樣1～2cm，在浸泡48h;(4)為防止巖石暴露在空氣中水分減少降低飽和度，在浸泡容器中用鹵水浸泡濕毛巾包裹巖石樣品后再將試樣取出。把加工完成的試件，根據(jù)原鹽巖類型不同，將其分為兩組進(jìn)行試驗(yàn)(表2)。對(duì)處理好的試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)壓縮過(guò)程中，軸向荷載加載速度控制在0.50MPa，然后在巖樣與實(shí)驗(yàn)機(jī)之間應(yīng)適當(dāng)涂抹潤(rùn)滑劑，以便減少“端部效應(yīng)”對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。觀察試驗(yàn)過(guò)程中巖石試樣破壞特點(diǎn)，記錄巖石在壓縮過(guò)程中軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)標(biāo)數(shù)據(jù)，繪制試驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，分析鹽巖的單軸壓縮條件下的力學(xué)特性及遇水軟化特性。

2結(jié)果與分析

2.1鹽巖破壞過(guò)程在單軸壓縮條件下，兩組試驗(yàn)過(guò)程中，飽和狀態(tài)下的鹽巖與天然狀態(tài)下鹽巖破壞過(guò)程均一致。觀察鹽巖試樣的破壞過(guò)程，在應(yīng)力作用下，巖鹽彈性變形階段較短，主要發(fā)生塑性變形，該塑性變形主要表現(xiàn)在巖石內(nèi)部次裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，觀察試驗(yàn)試樣在逐步破壞的過(guò)程中，裂縫的發(fā)展過(guò)程主要體現(xiàn)在以下4個(gè)階段:(1)軸向應(yīng)力從零開始逐漸加壓的過(guò)程中，其引起相應(yīng)的軸向應(yīng)變也相對(duì)較小，在此過(guò)程中，試驗(yàn)試樣的形變僅存在原結(jié)構(gòu)在軸向壓力的作用下逐漸壓實(shí)致密的現(xiàn)象，既此過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生新的裂縫;(2)隨著軸向應(yīng)力的逐漸增大，鹽巖試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量的細(xì)微的次生裂縫，伴隨著應(yīng)力的不斷增大，裂縫逐步擴(kuò)展;(3)直到應(yīng)力增大到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的次生細(xì)微裂縫發(fā)展成為主裂縫，試件內(nèi)部同時(shí)也在不斷產(chǎn)生新的細(xì)微裂縫;(4)當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，鹽巖外部出現(xiàn)崩塊，內(nèi)部主裂縫逐漸變大以致發(fā)展成為貫通性裂面，試件至此樣塊整體發(fā)生破壞(圖4)。以上裂縫在破壞過(guò)程中不同階段時(shí)表現(xiàn)出的現(xiàn)象，直接反應(yīng)出鹽巖性質(zhì)對(duì)破壞過(guò)程影響，對(duì)比兩組試驗(yàn):(1)察爾汗地區(qū)鹽巖在天然狀態(tài)下與飽和狀態(tài)下雖然破壞過(guò)程大致相似，破壞情況也都以剪切性破壞為主(圖4);但相對(duì)于天然試樣，飽和試樣的破壞程度明顯增大，軸向應(yīng)變明顯變大，其內(nèi)部出現(xiàn)更多的貫通性的裂面;(2)對(duì)比兩種不同種類鹽巖破壞過(guò)程，是否含有泥質(zhì)夾層對(duì)鹽巖破壞前期影響不大，但在試件破壞后期，含有泥質(zhì)夾層的試樣更容易破壞，且次生裂隙沿層面方向發(fā)展。

2.2應(yīng)力—應(yīng)變曲線特性兩組鹽巖試驗(yàn)所得到的單軸壓縮全應(yīng)力—應(yīng)變曲線(圖5)，分別通過(guò)橫縱兩個(gè)方向?qū)D5進(jìn)行分析對(duì)比，可分別得到飽和鹵水處理和是否含有夾層兩個(gè)方面對(duì)試驗(yàn)曲線的影響。通過(guò)橫向?qū)Ρ葍山M曲線，兩類鹽巖無(wú)論是否含有泥質(zhì)夾層，均有以下特點(diǎn):(1)鹽巖經(jīng)鹵水飽和處理后峰值強(qiáng)度明顯小于天然鹽巖;(2)飽水曲線的屈服過(guò)程都短于天然狀態(tài)下的鹽巖;(3)飽和狀態(tài)下鹽巖在彈性形變階段較緩;(4)飽和狀態(tài)下的鹽巖應(yīng)變軟化現(xiàn)象比天然狀態(tài)下更加明顯。究其原因，天然狀態(tài)下鹽巖在飽和鹵水的條件下被軟化，其彈性模量減小，導(dǎo)致彈性階段變緩;同時(shí)導(dǎo)致試件的破壞更容易發(fā)生;對(duì)比其破壞過(guò)程，飽和狀態(tài)下試樣在應(yīng)力不斷施加的過(guò)程中裂隙擴(kuò)展速度大于天然試樣，以致到達(dá)峰值應(yīng)力時(shí)屈服過(guò)程短于天然試件。通過(guò)縱向觀察兩組曲線，泥質(zhì)夾層對(duì)鹽巖整體影響不大，但無(wú)論鹽巖是否經(jīng)過(guò)鹵水飽和處理，含有夾層試樣峰值強(qiáng)度均小于不含夾層試樣;含夾層試樣屈服階段均有不同程度的小于天然狀態(tài)下試樣。究其原因:含泥質(zhì)夾層鹽巖結(jié)構(gòu)面薄弱，且泥質(zhì)夾層的抗壓能力小于原有鹽巖試件。

2.3強(qiáng)度特性分析通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)得到天然狀態(tài)下的各試件單軸抗壓強(qiáng)度(表3)，天然狀態(tài)不含夾層鹽巖的單軸抗壓強(qiáng)度為4.2～7.9MPa，根據(jù)工程巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［10］鹽巖屬于軟巖;飽和狀態(tài)下鹽巖的單軸抗壓強(qiáng)度為1.5～4.7MPa，經(jīng)鹵水飽和處理后鹽巖被軟化，強(qiáng)度降低。通過(guò)分層飽和法處理天然狀態(tài)鹽巖得到鹵水飽和狀態(tài)的鹽巖試件，對(duì)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定飽和狀態(tài)下試件的單軸壓縮強(qiáng)度(表4)飽和狀態(tài)下鹽巖的單軸抗壓強(qiáng)度為1.5～4.7MPa，與天然狀態(tài)下鹽巖試件強(qiáng)度比較，經(jīng)原位鹵水飽和處理過(guò)的后鹽巖被軟化，強(qiáng)度降低。無(wú)論鹽巖是否存在泥質(zhì)夾層，鹵水飽和狀態(tài)下的鹽巖強(qiáng)度均低于天然鹽巖，說(shuō)明飽和鹵水狀態(tài)下鹽巖被軟化，但夾層的存在影響鹵水的軟化效果(圖6)，對(duì)比圖6a和圖6b，圖6a兩條線之間的間距明顯大于圖6b，說(shuō)明含泥質(zhì)夾層的鹽巖在飽和鹵水的條件下被軟化的效果更高，計(jì)算其軟化系數(shù)得到不含泥質(zhì)夾層鹽巖的軟化系數(shù)在0.59～0.7;含泥質(zhì)夾層的鹽巖軟化系數(shù)0.38～0.67。2.4質(zhì)量變化與強(qiáng)度關(guān)系分析觀察飽和鹵水處理前后試樣的質(zhì)量差與強(qiáng)度關(guān)系，用最小二乘法擬合二者關(guān)系(圖7)，明顯看出質(zhì)量變化(△m)與單軸抗壓強(qiáng)度(σ)之間成負(fù)相關(guān)，既質(zhì)量增加越多，強(qiáng)度越低。分析其原因，起試件質(zhì)量發(fā)生變化主要有兩個(gè)因素:試樣在隨著時(shí)間不斷浸水飽和的過(guò)程中伴隨著巖石內(nèi)孔隙充水和部分礦物溶解，孔隙充水使試件質(zhì)量增加，礦物溶解使試件質(zhì)量減少，兩種因素共同作用下，最終導(dǎo)致鹽巖的質(zhì)量增大，但二者對(duì)于巖石的強(qiáng)度都是產(chǎn)生負(fù)作用，孔隙水溶解內(nèi)部礦物結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鹽巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞致使鹽巖強(qiáng)度降低。試件質(zhì)量增加愈多對(duì)應(yīng)含水率愈多，因此，同樣的含夾層條件下的鹽巖，含水率越高，強(qiáng)度越低。

3討論與結(jié)論

察爾汗地區(qū)的鹽巖中大都以層狀似層狀產(chǎn)出，但其的雜質(zhì)含量不一，泥質(zhì)夾層分布不均勻［12］，得到的試件中的夾層也不能保證夾層大小一致且分布均勻。在試驗(yàn)中選取試樣時(shí)從同一塊巖石中鉆取巖芯，這樣得到試驗(yàn)結(jié)果只能表明試樣表面的泥質(zhì)夾層的含量及厚度大致一樣。且目前的技術(shù)手段很難判別試樣內(nèi)部夾層的具體分布［13－14］，無(wú)法研究夾層厚度對(duì)鹽巖力學(xué)特性的影響程度，這也是目前研究的難點(diǎn)所在，因此本文假定內(nèi)部泥質(zhì)夾層是均勻分布的。通過(guò)對(duì)野外采集的兩類鹽巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，天然和鹵水飽和兩種狀態(tài)下鹽巖的破壞過(guò)程、全應(yīng)變－應(yīng)力曲線、強(qiáng)度特性、質(zhì)量差與強(qiáng)度的關(guān)系等方面研究與分析，得到主要結(jié)論如下:(1)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中試件的破壞過(guò)程及應(yīng)力應(yīng)變曲線分析:單軸壓縮條件下，鹽巖的破壞以剪切破壞為主;鹵水飽和鹽巖更容易發(fā)生破壞，且破壞程度大于天然狀態(tài)下的鹽巖，含有泥巖夾層的鹽巖試件破壞程度變大;(2)察爾汗地區(qū)天然狀態(tài)下鹽巖強(qiáng)度4.2～7.9MPa，屬于軟巖，飽和鹵水條件下鹽巖發(fā)生軟化;且飽和鹵水對(duì)夾層鹽巖的軟化程度較大，在工程實(shí)踐中用注意含夾層鹽巖對(duì)工程穩(wěn)定性的影響;(3)飽和鹵水處理后的鹽巖所增加質(zhì)量與鹽巖強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)，通過(guò)對(duì)其分析得出同樣的含夾層條件下的鹽巖，含水率越高，強(qiáng)度越低。由于采樣與制樣的困難，對(duì)鹽巖力學(xué)特性的研究?jī)H進(jìn)行宏觀條件下的單軸壓縮試驗(yàn)，在一定程度上可以反映飽和鹵水對(duì)鹽巖的力學(xué)特性的影響，但無(wú)法全面的掌握飽和鹵水對(duì)鹽巖作用方式，采用電鏡掃描及巖石CT等技術(shù)對(duì)微觀狀態(tài)下鹽巖在飽和鹵水下的影響的研究會(huì)繼續(xù)深入進(jìn)行。

參考文獻(xiàn):

［1］姜在興．沉積學(xué)［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2003:236－237．

［4］陳結(jié)，姜德義，邱華富．鹵水浸泡后鹽巖聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究［J］．巖土力學(xué)，2013，34(7)1937－1942．

［5］梁衛(wèi)國(guó)，張傳達(dá)，高紅波，等．鹽水浸泡作用下石膏巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(6):1156－1163．

［6］祝艷波，吳銀亮，余宏明．隧道石膏質(zhì)圍巖溶蝕及溶出特性試驗(yàn)研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53(1):28－37．

［7］吳麗華，李勇，董建華．察爾汗鹽湖巖鹽路基應(yīng)力作用下溶蝕特性試驗(yàn)研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58(9):10－13．

［8］張媛，董建華．察爾汗鹽巖路基溶蝕數(shù)值模擬及病害分析［J］．甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，28(1):99－104．

［9］李銀平，劉江，楊春和．泥巖夾層對(duì)鹽巖變形和破損特征的影響分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006(12):2461－2466．

［10］中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部．巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程:DZ/T0276．18—2015［S］．北京:地質(zhì)出版社，2015:3－4．

［11］中華人民共和國(guó)水利部．工程巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):GB50218—94［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1995．

［12］劉振敏，楊更生．察爾汗鹽湖鹽殼類型及形成條件［J］．化工礦產(chǎn)地質(zhì)，1997(2):34－37．

［13］徐素國(guó)，梁衛(wèi)國(guó)，莫江，等．軟弱泥巖夾層對(duì)層狀鹽巖體力學(xué)特性影響研究［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(5):878－883

［14］陳祥勝，李銀平，尹洪武，等．多夾層鹽礦地下儲(chǔ)氣庫(kù)氣體滲漏評(píng)價(jià)方法［J］．巖土力學(xué)，2018，39(1):11－20．

作者：李斌 張文 羅艷珍 王瓏霖 單位：青海大學(xué)