察爾汗鹽湖巖鹽路基應力作用下溶蝕特性試驗研究

吳麗華，李 勇，董建華

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

察爾汗鹽湖巖鹽路基應力作用下溶蝕特性試驗研究

吳麗華1，李 勇1，董建華2

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

為研究察爾汗鹽湖巖鹽路基在應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、軸向應變和溶蝕時間的方法，并采用位移加載方式，進行單軸和三軸壓縮條件下的巖鹽應力-溶蝕耦合效應的力學試驗，得出了巖鹽在應力作用下的溶蝕特性：(1)隨著圍壓的增大，巖鹽溶蝕質量呈現逐漸減小的趨勢，即在巖鹽收到較大側向限制時，巖鹽在上部荷載作用下產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需考慮減小巖鹽地基巖體的孔隙。

巖鹽路基；路基穩定；應力-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，鹽湖地區的鐵路直接以飽含鹵水的巖鹽地層為路基基底，長達30余km。長期以來，對于察爾汗鹽湖巖鹽的物理力學性質，尤其是巖鹽路基在上部機車荷載和路基自重應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定性評價問題。

國內很多專家和學者對巖鹽的溶蝕特性做過相關的研究，在巖鹽溶蝕特性研究方面，張哲緯等[1-3]進行了巖鹽水溶性能試驗研究。在巖鹽溶腔穩定性研究方面，劉新榮等[4-5]對巖鹽溶腔圍巖應力分布規律進行了數值模擬計算和分析。湯艷春等[6-9]對湖北省云應巖鹽礦區巖鹽取樣進行單軸壓縮條件下巖鹽應力-溶蝕耦合效應細觀力學試驗分析，并建立了應力作用下溶蝕模型。國外研究人員[10-12]也對巖鹽的溶蝕及力學特性做了相應的研究。

但上述研究主要是針對于巖鹽作為能源存儲介質或者研究對象，并非針對察爾汗鹽湖地區路基巖鹽，故有必要基于路基穩定性方面對該地區巖鹽在應力作用下的溶蝕特性做進一步的研究。

1 試驗概況

1.1 試樣的制備

本次試驗所用巖鹽試樣取自察爾汗鹽湖，實驗用水為蒸餾水。

將巖鹽加工為尺寸φ37.5 mm×70 mm的圓柱形巖鹽試樣，并對試驗所用鹽樣進行化學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成分見表1。結果表明：巖樣中主要為氯化鈉鹽，同時含有少量硫酸鹽與碳酸鹽等。

表1 巖鹽礦物及化學成分 ω/10-2

1.2 試驗方案

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

試驗具體步驟如下：

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

(2)然后在向封閉的加載容腔內快速注入蒸餾水，讓巖鹽試樣在蒸餾水中溶蝕；

(3)在溶蝕預定時間(100、200、400、600、800 s)后將容腔內的溶液排出；

(4)試驗結束后，取出試樣，用電子稱稱量烘干后的巖鹽試樣，計算出被溶蝕的質量。

2 試驗結果分析

巖鹽的溶蝕現象與水溶液與巖鹽的接觸面積有關，在應力作用下，巖鹽會發生塑性變形，該塑性變形主要體現在裂縫的發生與發展，巖鹽試樣在破壞過程中，裂縫的變化主要分以下4個階段：

(1)在軸向應力較低時，引起相應的軸向應變也較小，在該過程中，只存在原有結構在應力條件下逐漸致密的現象，幾乎不會產生新的裂縫；

(2)當軸向應力逐漸增大時，結構會產生大量的細微裂縫并逐步擴展；

(3)當應力增大到一定程度時，結構內部原有細微裂縫逐步發展成為主裂縫，并不斷產生新的細微裂縫；

(4)當應力過大時，這些細觀主裂紋會發展成為貫通性裂面，試件整體發生破壞。

以上裂縫在不同階段時表現出的現象，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，該應力-溶蝕耦合力學試驗可以得出在特定的側向約束下不同軸向應變和溶蝕時間下的巖鹽溶蝕質量。

圖1為巖鹽試驗在圍壓為σ=0 MPa時，不同軸向應變時溶蝕時間和溶蝕質量關系，圍壓σ=0 MPa時即為單軸壓縮試驗，在沒有圍壓作用下，巖樣不受側向約束力，在加載初期，隨著軸向應變的加大，試樣表面逐步出現細微的裂縫，在注入蒸餾水后，這些表面細微裂縫在與水溶液接觸之后發生溶蝕，但由于裂縫細微且數量較少，溶蝕速率較小。當軸向應變加大到一定程度后，試樣逐漸出現豎向主裂縫，通長裂縫的出現使得水溶液與試樣的接觸面積顯著增大，進而溶蝕速率也隨之迅速增大，巖鹽的溶蝕質量也顯著增大，溶蝕質量的增幅也相應增大。當軸向應變ε增大至8.6%時，試樣出現通長貫通性裂縫，該通長貫通性裂縫使得水溶液與巖樣接觸面積大量增加，并迅速發生溶蝕現象，溶蝕質量相應增加。

圖1 σ=0 MPa時，不同軸向應變下溶蝕時間與溶蝕質量關系曲線

圖2、圖3分別為巖鹽試樣在圍壓為σ=2 MPa、σ=5 MPa時，不同軸向應變時溶蝕時間和溶蝕質量關系，在圍壓的作用下，側向力約束了試樣的軸向變形，使得試樣表面裂縫出現較少，開度也較小，水溶液很難侵入試樣內部發生溶蝕。在軸向應變較小時，試樣產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，從而溶蝕質量增加緩慢。隨著軸向應變增大至8.3%時，試樣表面裂縫增多，開度相應增大，水溶液與試樣接觸面積逐漸增大，溶蝕質量也相應增大，溶蝕質量增幅變大。

圖2 σ=2 MPa時，不同軸向應變下溶蝕時間與溶蝕質量關系曲線

圖3 σ=5 MPa時，不同軸向應變下溶蝕時間與溶蝕質量關系曲線

圖4為巖鹽試驗在圍壓σ=15 MPa時，不同軸向應變時溶蝕時間和溶蝕質量關系圖。在圍壓較高時，受到側向力的嚴重限制，限制了裂縫的產生和擴展，使得水溶液與試樣的接觸面積增大受阻，進而使得溶蝕質量增大較小。

圖4 σ=15 MPa時，不同軸向應變下溶蝕時間與溶蝕質量關系

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

另一方面，巖體在應力作用下產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，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 不同溶蝕時間下巖鹽溶蝕特性

通過試驗數據可知，在相同的溶蝕時間條件下，不同的圍壓以及不同的軸向應變所對應的巖鹽溶蝕質量不同。

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

圖5 t=100 s時，不同圍壓下軸向應變與溶蝕質量關系

圖6～圖9分別為溶蝕時間t=200、400、600、800 s時，不同圍壓下軸向應變與溶蝕質量的關系曲線，大體趨勢如圖5所示，上述圖中呈現的規律可總結如下：

圖6 t=200 s時，不同圍壓下軸向應變與溶蝕質量關系曲線

圖7 t=400 s時，不同圍壓下軸向應變與溶蝕質量關系曲線

圖8 t=600 s時，不同圍壓下軸向應變與溶蝕質量關系曲線

圖9 t=800 s時，不同圍壓下軸向應變與溶蝕質量關系曲線

(1)溶蝕時間相同的情況下，不同的圍壓時，溶蝕質量與軸向應變的關系曲線趨勢有所差異，該差異主要是由圍壓對巖鹽側向約束力的不同，致使巖鹽試樣在遇到相同軸向應變時內部結構的完整性表現出的不一致性所造成的；

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

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

(4)在相同的溶蝕時間，在試驗加載中后期，隨著軸向應變的增大，不同圍壓下溶蝕質量之間的差值也相應增大。

通過上述試驗，發現在應力作用下巖鹽的溶蝕特性會發生顯著的變化，對于巖鹽溶蝕速率和溶蝕質量來說，應力作用的影響是不可忽略的。

3 結論

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，加載至不同軸向應變時巖鹽試樣在不同溶蝕時間下的溶蝕情況，得出了巖鹽在應力作用下的溶蝕特性，并提出相應建議。

(1)隨著圍壓的增大，溶蝕質量將呈現逐漸減小的趨勢，該特性在巖鹽地基穩定性方面表現為：巖鹽地基在側向約束較大時，更加有利于地基的穩定性，使得巖體在受到上部荷載的作用時塑性變形較小，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