察爾汗鹽湖巖鹽路基應(yīng)力作用下溶蝕特性試驗(yàn)研究

吳麗華，李 勇，董建華

(1.中鐵西北科學(xué)研究院，蘭州 730030；2.蘭州理工大學(xué)， 蘭州 730050)

察爾汗鹽湖巖鹽路基應(yīng)力作用下溶蝕特性試驗(yàn)研究

吳麗華1，李 勇1，董建華2

(1.中鐵西北科學(xué)研究院，蘭州 730030；2.蘭州理工大學(xué)， 蘭州 730050)

為研究察爾汗鹽湖巖鹽路基在應(yīng)力作用下的溶蝕特性，對察爾汗鹽湖巖鹽試樣通過控制圍壓、軸向應(yīng)變和溶蝕時(shí)間的方法，并采用位移加載方式，進(jìn)行單軸和三軸壓縮條件下的巖鹽應(yīng)力-溶蝕耦合效應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)，得出了巖鹽在應(yīng)力作用下的溶蝕特性：(1)隨著圍壓的增大，巖鹽溶蝕質(zhì)量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，即在巖鹽收到較大側(cè)向限制時(shí)，巖鹽在上部荷載作用下產(chǎn)生了較小的塑性變形，減少了水溶液與巖鹽的接觸面積，從而使溶蝕速率減緩；(2)荷載作用下，巖體所產(chǎn)生的裂縫加大了水溶液與巖鹽顆粒的接觸面積，即在處理巖鹽地基時(shí)需考慮減小巖鹽地基巖體的孔隙。

巖鹽路基；路基穩(wěn)定；應(yīng)力-溶蝕；溶蝕速率

既有青藏鐵路K720+500～K752+680段穿越了察爾汗鹽湖，鹽湖地區(qū)的鐵路直接以飽含鹵水的巖鹽地層為路基基底，長達(dá)30余km。長期以來，對于察爾汗鹽湖巖鹽的物理力學(xué)性質(zhì)，尤其是巖鹽路基在上部機(jī)車荷載和路基自重應(yīng)力作用下的溶蝕特性的研究尚不成熟，而該溶蝕特性直接影響著鐵路路基的穩(wěn)定性評價(jià)問題。

國內(nèi)很多專家和學(xué)者對巖鹽的溶蝕特性做過相關(guān)的研究，在巖鹽溶蝕特性研究方面，張哲緯等[1-3]進(jìn)行了巖鹽水溶性能試驗(yàn)研究。在巖鹽溶腔穩(wěn)定性研究方面，劉新榮等[4-5]對巖鹽溶腔圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算和分析。湯艷春等[6-9]對湖北省云應(yīng)巖鹽礦區(qū)巖鹽取樣進(jìn)行單軸壓縮條件下巖鹽應(yīng)力-溶蝕耦合效應(yīng)細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)分析，并建立了應(yīng)力作用下溶蝕模型。國外研究人員[10-12]也對巖鹽的溶蝕及力學(xué)特性做了相應(yīng)的研究。

但上述研究主要是針對于巖鹽作為能源存儲(chǔ)介質(zhì)或者研究對象，并非針對察爾汗鹽湖地區(qū)路基巖鹽，故有必要基于路基穩(wěn)定性方面對該地區(qū)巖鹽在應(yīng)力作用下的溶蝕特性做進(jìn)一步的研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣的制備

本次試驗(yàn)所用巖鹽試樣取自察爾汗鹽湖，實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

將巖鹽加工為尺寸φ37.5 mm×70 mm的圓柱形巖鹽試樣，并對試驗(yàn)所用鹽樣進(jìn)行化學(xué)成分與礦物成分分析，確定巖鹽主要物理組成，各種礦物成分含量及其各種鹽分離子分布情況。其巖樣具體礦物及化學(xué)成分見表1。結(jié)果表明：巖樣中主要為氯化鈉鹽，同時(shí)含有少量硫酸鹽與碳酸鹽等。

表1 巖鹽礦物及化學(xué)成分 ω/10-2

1.2 試驗(yàn)方案

采用位移加載方式，對試樣分別在0、2、5、15 MPa圍壓下，加載至不同軸向應(yīng)變時(shí)巖鹽試樣在不同溶蝕時(shí)間的溶蝕情況，溶蝕時(shí)間分別為100、200、400、600、800 s。

試驗(yàn)具體步驟如下：

(1)在預(yù)定圍壓(0、2、5、15 MPa)時(shí)，將試樣加載至某一軸向應(yīng)變值，并保持軸向應(yīng)變不變；

(2)然后在向封閉的加載容腔內(nèi)快速注入蒸餾水，讓巖鹽試樣在蒸餾水中溶蝕；

(3)在溶蝕預(yù)定時(shí)間(100、200、400、600、800 s)后將容腔內(nèi)的溶液排出；

(4)試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，用電子稱稱量烘干后的巖鹽試樣，計(jì)算出被溶蝕的質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

巖鹽的溶蝕現(xiàn)象與水溶液與巖鹽的接觸面積有關(guān)，在應(yīng)力作用下，巖鹽會(huì)發(fā)生塑性變形，該塑性變形主要體現(xiàn)在裂縫的發(fā)生與發(fā)展，巖鹽試樣在破壞過程中，裂縫的變化主要分以下4個(gè)階段：

(1)在軸向應(yīng)力較低時(shí)，引起相應(yīng)的軸向應(yīng)變也較小，在該過程中，只存在原有結(jié)構(gòu)在應(yīng)力條件下逐漸致密的現(xiàn)象，幾乎不會(huì)產(chǎn)生新的裂縫；

(2)當(dāng)軸向應(yīng)力逐漸增大時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)微裂縫并逐步擴(kuò)展；

(3)當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部原有細(xì)微裂縫逐步發(fā)展成為主裂縫，并不斷產(chǎn)生新的細(xì)微裂縫；

(4)當(dāng)應(yīng)力過大時(shí)，這些細(xì)觀主裂紋會(huì)發(fā)展成為貫通性裂面，試件整體發(fā)生破壞。

以上裂縫在不同階段時(shí)表現(xiàn)出的現(xiàn)象，直接影響巖鹽試樣的溶蝕特性。

2.1 不同圍壓下巖鹽溶蝕特性

通過一系列在單軸(σ=0 MPa)和三軸壓縮條件下的巖鹽溶蝕性試驗(yàn)，該應(yīng)力-溶蝕耦合力學(xué)試驗(yàn)可以得出在特定的側(cè)向約束下不同軸向應(yīng)變和溶蝕時(shí)間下的巖鹽溶蝕質(zhì)量。

圖1為巖鹽試驗(yàn)在圍壓為σ=0 MPa時(shí)，不同軸向應(yīng)變時(shí)溶蝕時(shí)間和溶蝕質(zhì)量關(guān)系，圍壓σ=0 MPa時(shí)即為單軸壓縮試驗(yàn)，在沒有圍壓作用下，巖樣不受側(cè)向約束力，在加載初期，隨著軸向應(yīng)變的加大，試樣表面逐步出現(xiàn)細(xì)微的裂縫，在注入蒸餾水后，這些表面細(xì)微裂縫在與水溶液接觸之后發(fā)生溶蝕，但由于裂縫細(xì)微且數(shù)量較少，溶蝕速率較小。當(dāng)軸向應(yīng)變加大到一定程度后，試樣逐漸出現(xiàn)豎向主裂縫，通長裂縫的出現(xiàn)使得水溶液與試樣的接觸面積顯著增大，進(jìn)而溶蝕速率也隨之迅速增大，巖鹽的溶蝕質(zhì)量也顯著增大，溶蝕質(zhì)量的增幅也相應(yīng)增大。當(dāng)軸向應(yīng)變?chǔ)旁龃笾?.6%時(shí)，試樣出現(xiàn)通長貫通性裂縫，該通長貫通性裂縫使得水溶液與巖樣接觸面積大量增加，并迅速發(fā)生溶蝕現(xiàn)象，溶蝕質(zhì)量相應(yīng)增加。

圖1 σ=0 MPa時(shí)，不同軸向應(yīng)變下溶蝕時(shí)間與溶蝕質(zhì)量關(guān)系曲線

圖2、圖3分別為巖鹽試樣在圍壓為σ=2 MPa、σ=5 MPa時(shí)，不同軸向應(yīng)變時(shí)溶蝕時(shí)間和溶蝕質(zhì)量關(guān)系，在圍壓的作用下，側(cè)向力約束了試樣的軸向變形，使得試樣表面裂縫出現(xiàn)較少，開度也較小，水溶液很難侵入試樣內(nèi)部發(fā)生溶蝕。在軸向應(yīng)變較小時(shí)，試樣產(chǎn)生的塑性變形也較小，水溶液與試樣的接觸面積較小，溶蝕作用發(fā)生較為緩和，使得水溶液與試樣接觸面積增大較慢，從而溶蝕質(zhì)量增加緩慢。隨著軸向應(yīng)變增大至8.3%時(shí)，試樣表面裂縫增多，開度相應(yīng)增大，水溶液與試樣接觸面積逐漸增大，溶蝕質(zhì)量也相應(yīng)增大，溶蝕質(zhì)量增幅變大。

圖2 σ=2 MPa時(shí)，不同軸向應(yīng)變下溶蝕時(shí)間與溶蝕質(zhì)量關(guān)系曲線

圖3 σ=5 MPa時(shí)，不同軸向應(yīng)變下溶蝕時(shí)間與溶蝕質(zhì)量關(guān)系曲線

圖4為巖鹽試驗(yàn)在圍壓σ=15 MPa時(shí)，不同軸向應(yīng)變時(shí)溶蝕時(shí)間和溶蝕質(zhì)量關(guān)系圖。在圍壓較高時(shí)，受到側(cè)向力的嚴(yán)重限制，限制了裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，使得水溶液與試樣的接觸面積增大受阻，進(jìn)而使得溶蝕質(zhì)量增大較小。

圖4 σ=15 MPa時(shí)，不同軸向應(yīng)變下溶蝕時(shí)間與溶蝕質(zhì)量關(guān)系

可以看出，隨著圍壓的增大，在相同溶蝕時(shí)間內(nèi)，溶蝕質(zhì)量將呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，而該特性在巖鹽地基穩(wěn)定性方面表現(xiàn)為：當(dāng)巖鹽地基在側(cè)向力較大，更加有利于地基的穩(wěn)定性，即側(cè)向限制較大時(shí)，增大了巖體的側(cè)向力，使得巖體在受到上部荷載的作用時(shí)塑性變形較小，在受到降雨或地下水增加時(shí)，巖鹽不被很快溶蝕。

另一方面，巖體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫也為巖體的溶蝕提供了條件，即在處理巖鹽地基時(shí)，需考慮減小巖鹽地基巖體中由于裂縫而增加的空隙，可采用注漿等方法。

2.2 不同溶蝕時(shí)間下巖鹽溶蝕特性

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在相同的溶蝕時(shí)間條件下，不同的圍壓以及不同的軸向應(yīng)變所對應(yīng)的巖鹽溶蝕質(zhì)量不同。

圖5為溶蝕時(shí)間t=100 s時(shí)，試樣在不同圍壓下軸向應(yīng)變和溶蝕質(zhì)量的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，隨著軸向應(yīng)變的增大，巖鹽的溶蝕質(zhì)量呈現(xiàn)增大的趨勢，軸向應(yīng)變和溶蝕質(zhì)量成正相關(guān)趨勢。而不同圍壓下溶蝕質(zhì)量增加幅度則不盡相同。當(dāng)圍壓σ=0 MPa時(shí)，在軸向應(yīng)變增大的情況下，溶蝕質(zhì)量顯著增大，當(dāng)圍壓σ=2 MPa時(shí)，趨勢同前，隨著軸向應(yīng)變的增大，巖鹽的溶蝕質(zhì)量逐漸增大，但值得說明的是，圍壓σ=2 MPa時(shí)整體增幅較圍壓σ=0 MPa時(shí)有所減小，即側(cè)向約束力限制了巖鹽內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，使水溶液與巖鹽接觸面積減少，進(jìn)而使溶蝕質(zhì)量減小。隨著圍壓的增大，這種溶蝕質(zhì)量的增幅逐步減小，當(dāng)圍壓σ=15 MPa時(shí)，關(guān)系曲線幾乎呈水平狀。

圖5 t=100 s時(shí)，不同圍壓下軸向應(yīng)變與溶蝕質(zhì)量關(guān)系

圖6～圖9分別為溶蝕時(shí)間t=200、400、600、800 s時(shí)，不同圍壓下軸向應(yīng)變與溶蝕質(zhì)量的關(guān)系曲線，大體趨勢如圖5所示，上述圖中呈現(xiàn)的規(guī)律可總結(jié)如下：

圖6 t=200 s時(shí)，不同圍壓下軸向應(yīng)變與溶蝕質(zhì)量關(guān)系曲線

圖7 t=400 s時(shí)，不同圍壓下軸向應(yīng)變與溶蝕質(zhì)量關(guān)系曲線

圖8 t=600 s時(shí)，不同圍壓下軸向應(yīng)變與溶蝕質(zhì)量關(guān)系曲線

圖9 t=800 s時(shí)，不同圍壓下軸向應(yīng)變與溶蝕質(zhì)量關(guān)系曲線

(1)溶蝕時(shí)間相同的情況下，不同的圍壓時(shí)，溶蝕質(zhì)量與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線趨勢有所差異，該差異主要是由圍壓對巖鹽側(cè)向約束力的不同，致使巖鹽試樣在遇到相同軸向應(yīng)變時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性表現(xiàn)出的不一致性所造成的；

(2)溶蝕時(shí)間相同，圍壓一定時(shí)，隨著巖鹽試樣軸向應(yīng)變的增加，巖鹽的溶蝕質(zhì)量也隨之增加，而且在加載中期，隨著軸向應(yīng)變的增大，巖鹽試樣的溶蝕質(zhì)量增幅也呈增大趨勢；

(3)在相同的溶蝕時(shí)間、相同的軸向應(yīng)變下，隨著巖鹽試樣圍壓的增大，巖鹽的溶蝕質(zhì)量逐漸降低；

(4)在相同的溶蝕時(shí)間，在試驗(yàn)加載中后期，隨著軸向應(yīng)變的增大，不同圍壓下溶蝕質(zhì)量之間的差值也相應(yīng)增大。

通過上述試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力作用下巖鹽的溶蝕特性會(huì)發(fā)生顯著的變化，對于巖鹽溶蝕速率和溶蝕質(zhì)量來說，應(yīng)力作用的影響是不可忽略的。

3 結(jié)論

通過對巖鹽路基試樣采用位移加載方式，對試樣分別在0、2、5、15 MPa圍壓下，加載至不同軸向應(yīng)變時(shí)巖鹽試樣在不同溶蝕時(shí)間下的溶蝕情況，得出了巖鹽在應(yīng)力作用下的溶蝕特性，并提出相應(yīng)建議。

(1)隨著圍壓的增大，溶蝕質(zhì)量將呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，該特性在巖鹽地基穩(wěn)定性方面表現(xiàn)為：巖鹽地基在側(cè)向約束較大時(shí)，更加有利于地基的穩(wěn)定性，使得巖體在受到上部荷載的作用時(shí)塑性變形較小，減少了水溶液與巖鹽的接觸面積，從而使溶蝕速率減緩。

(2)荷載作用下，巖體所產(chǎn)生的裂縫加大了水溶液與巖鹽顆粒的接觸面積，即在處理巖鹽地基時(shí)需考慮減小巖鹽地基巖體的孔隙，故可采用注漿法加固巖鹽地基。

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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

吳麗華(1960—)，女，高級工程師，E-mail：com742913814@qq.com。

1004-2954(2014)09-0010-04

TU452

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.003