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摘要:為了探求飽和鹵水對察爾汗地區鹽巖力學特性的影響，以該地區發育的鹽巖為研究對象，通過采用分層飽和法、鋸式干磨法對野外采集得到的鹽巖樣進行加工，對加工完成的鹽巖進行單軸壓縮法試驗。結果表明:天然狀態條件下鹽巖單軸抗壓強度為4.2～7.9MPa，屬于軟巖。使用當地的原位鹵水飽和作用后，不含泥質夾層鹽巖的軟化系數為0.59～0.7，含泥質夾層的鹽巖軟化系數為0.38～0.67;綜合分析鹵水飽和狀態對鹽巖的力學特性影響認為，鹵水主要通過溶解鹽巖礦物，導致內部結構發生變化，最終使巖石強度減弱，鹽巖軟化;飽和鹵水對含泥質夾層鹽巖的軟化影響大于無泥質夾層鹽巖。

關鍵詞:察爾汗地區;單軸抗壓強度;飽和鹽巖;力學特性

鹽巖又稱蒸發巖是指海盆或湖盆經過蒸發，鹽分濃縮，膠結，沉積形成的化學沉積巖。鹽巖具低滲透、損傷恢復、易溶蝕等特殊的工程及力學特性［1］。國內外專家學者針對鹽巖的基本力學特性及對其性質的影響因素做了研究［2－3］。陳結等［4］為研究鹽巖地下儲庫的穩定性，對鹽巖的在不同溫度的鹵水溶液作用下的鹽巖力學特性進行了相應的試驗研究;梁衛國等［5］對鹽巖在不同濃度的鹵水溶液中浸泡一定的時間后針對其力學特性變化進行了研究;祝艷波等［6］以宜巴高速公路涼水井隧道出露的石膏質鹽巖為研究對象，開展了不同含水率和不同干濕循環下的鹽巖強度軟化特性研究;吳麗華等［7］針對察爾汗鹽湖巖鹽路基在應力作用下的溶蝕特性試驗研究;張媛等［8］通過CT掃描對鹽巖在鹵水條件前后的微觀特性進行研究;李銀平等［9］針對鹽巖儲存庫中夾層問題，對泥質夾層對鹽巖的力學性質影響進行了研究。以上研究主要針對開發鹽巖儲存庫過程中，鹽巖的力學特性研究較多，而針對鹽巖溶蝕及在飽和鹵水作用下鹽巖的力學特性研究較少，針對察爾汗地區鹽巖的研究多以鹵水對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鹽巖力學性質，另外察爾汗地區鹽巖類型不同，主要分為含泥質夾層鹽巖與不含泥質夾層鹽巖兩類，前人也未對其進行詳細研究。為了研究察爾汗地區不同種類鹽巖的力學及變形特性，并確定飽和鹵水條件下對其特性的影響，本文通過分層飽和法制作鹽巖在原位鹵水條件下的飽和試樣，針對天然與飽和狀態下的鹽巖試樣進行單軸壓縮試驗，并對其試驗結果進行分析，對不同種類鹽巖遇鹵水飽和后的力學特性的理論研究及察爾汗地區工程建設具有指導意義。

1試驗概述

1.1試樣特征試樣取青海察爾汗地區青藏鐵路“萬丈鹽橋”附近(圖1)，地表以下2～3m為含泥巖夾層的鹽巖，7～10m為純鹽巖不含泥質夾層。所采集試樣為第四紀以來鹽湖沉積形成的層狀鹽巖，根據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、似層狀產出，不等粒結構，內部孔隙較為發育，孔隙方向多沿石鹽結晶面方向延伸。

1.2試樣制備根據DZ/T0276.5—2015《巖石物理力學性質試驗規程》［10］，試樣滿足單軸壓縮試驗的要求，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程中鉆機的降溫介質(圖2a);然后為保證鹽巖在加工過程中不受損壞利用鋸式干磨法對巖芯試件進行打磨(圖2b，c，d):首先，對所鉆取巖芯用鋸條將兩端風化面鋸掉;其次，利用雙端面磨石機及對其兩端進行打磨處理;第三、通過人工用砂紙對兩端進行打磨直至使試樣尺寸更符合試驗標準為止。具體規格要求:(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3mm;(3)兩端不平整度最大不超過0.05mm;(4)兩端面應垂直試樣軸線，最大偏角不超過0.25°;但由于鹽巖在制樣過程中比較困難，高徑比未能達到2∶1的試樣，打磨至試樣可以保留的最大長度(圖3)。鹽巖為易溶巖，人工配置飽和鹽水會對鹽巖產生顯著的溶蝕作用，為更好的反應察爾汗地區兩類鹽巖在鹵水條件下的力學特性，試驗模擬出野外較真實情況，在采樣點附近的鹽池中采集原位鹵水通過分層飽和法和真空泵對兩組鹽巖進行飽和處理:(1)在已制備好的試樣的側面約1/4，1/2，3/4高度處，標出記號;(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，根據原鹽巖類型不同，將其分為兩組進行試驗(表2)。對處理好的試樣進行單軸壓縮試驗。在實驗壓縮過程中，軸向荷載加載速度控制在0.50MPa，然后在巖樣與實驗機之間應適當涂抹潤滑劑，以便減少“端部效應”對實驗結果的影響。觀察試驗過程中巖石試樣破壞特點，記錄巖石在壓縮過程中軸向應變、橫向應標數據，繪制試驗的應力—應變全過程曲線，分析鹽巖的單軸壓縮條件下的力學特性及遇水軟化特性。

2結果與分析

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

2.2應力—應變曲線特性兩組鹽巖試驗所得到的單軸壓縮全應力—應變曲線(圖5)，分別通過橫縱兩個方向對圖5進行分析對比，可分別得到飽和鹵水處理和是否含有夾層兩個方面對試驗曲線的影響。通過橫向對比兩組曲線，兩類鹽巖無論是否含有泥質夾層，均有以下特點:(1)鹽巖經鹵水飽和處理后峰值強度明顯小于天然鹽巖;(2)飽水曲線的屈服過程都短于天然狀態下的鹽巖;(3)飽和狀態下鹽巖在彈性形變階段較緩;(4)飽和狀態下的鹽巖應變軟化現象比天然狀態下更加明顯。究其原因，天然狀態下鹽巖在飽和鹵水的條件下被軟化，其彈性模量減小，導致彈性階段變緩;同時導致試件的破壞更容易發生;對比其破壞過程，飽和狀態下試樣在應力不斷施加的過程中裂隙擴展速度大于天然試樣，以致到達峰值應力時屈服過程短于天然試件。通過縱向觀察兩組曲線，泥質夾層對鹽巖整體影響不大，但無論鹽巖是否經過鹵水飽和處理，含有夾層試樣峰值強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下試樣。究其原因:含泥質夾層鹽巖結構面薄弱，且泥質夾層的抗壓能力小于原有鹽巖試件。

2.3強度特性分析通過單軸壓縮試驗得到天然狀態下的各試件單軸抗壓強度(表3)，天然狀態不含夾層鹽巖的單軸抗壓強度為4.2～7.9MPa，根據工程巖體質量分級標準［10］鹽巖屬于軟巖;飽和狀態下鹽巖的單軸抗壓強度為1.5～4.7MPa，經鹵水飽和處理后鹽巖被軟化，強度降低。通過分層飽和法處理天然狀態鹽巖得到鹵水飽和狀態的鹽巖試件，對試件進行單軸壓縮試驗測定飽和狀態下試件的單軸壓縮強度(表4)飽和狀態下鹽巖的單軸抗壓強度為1.5～4.7MPa，與天然狀態下鹽巖試件強度比較，經原位鹵水飽和處理過的后鹽巖被軟化，強度降低。無論鹽巖是否存在泥質夾層，鹵水飽和狀態下的鹽巖強度均低于天然鹽巖，說明飽和鹵水狀態下鹽巖被軟化，但夾層的存在影響鹵水的軟化效果(圖6)，對比圖6a和圖6b，圖6a兩條線之間的間距明顯大于圖6b，說明含泥質夾層的鹽巖在飽和鹵水的條件下被軟化的效果更高，計算其軟化系數得到不含泥質夾層鹽巖的軟化系數在0.59～0.7;含泥質夾層的鹽巖軟化系數0.38～0.67。2.4質量變化與強度關系分析觀察飽和鹵水處理前后試樣的質量差與強度關系，用最小二乘法擬合二者關系(圖7)，明顯看出質量變化(△m)與單軸抗壓強度(σ)之間成負相關，既質量增加越多，強度越低。分析其原因，起試件質量發生變化主要有兩個因素:試樣在隨著時間不斷浸水飽和的過程中伴隨著巖石內孔隙充水和部分礦物溶解，孔隙充水使試件質量增加，礦物溶解使試件質量減少，兩種因素共同作用下，最終導致鹽巖的質量增大，但二者對于巖石的強度都是產生負作用，孔隙水溶解內部礦物結構導致鹽巖內部結構破壞致使鹽巖強度降低。試件質量增加愈多對應含水率愈多，因此，同樣的含夾層條件下的鹽巖，含水率越高，強度越低。

3討論與結論

察爾汗地區的鹽巖中大都以層狀似層狀產出，但其的雜質含量不一，泥質夾層分布不均勻［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。在試驗中選取試樣時從同一塊巖石中鉆取巖芯，這樣得到試驗結果只能表明試樣表面的泥質夾層的含量及厚度大致一樣。且目前的技術手段很難判別試樣內部夾層的具體分布［13－14］，無法研究夾層厚度對鹽巖力學特性的影響程度，這也是目前研究的難點所在，因此本文假定內部泥質夾層是均勻分布的。通過對野外采集的兩類鹽巖進行單軸壓縮試驗，天然和鹵水飽和兩種狀態下鹽巖的破壞過程、全應變－應力曲線、強度特性、質量差與強度的關系等方面研究與分析，得到主要結論如下:(1)通過對試驗過程中試件的破壞過程及應力應變曲線分析: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生破壞，且破壞程度大于天然狀態下的鹽巖，含有泥巖夾層的鹽巖試件破壞程度變大;(2)察爾汗地區天然狀態下鹽巖強度4.2～7.9MPa，屬于軟巖，飽和鹵水條件下鹽巖發生軟化;且飽和鹵水對夾層鹽巖的軟化程度較大，在工程實踐中用注意含夾層鹽巖對工程穩定性的影響;(3)飽和鹵水處理后的鹽巖所增加質量與鹽巖強度成負相關，通過對其分析得出同樣的含夾層條件下的鹽巖，含水率越高，強度越低。由于采樣與制樣的困難，對鹽巖力學特性的研究僅進行宏觀條件下的單軸壓縮試驗，在一定程度上可以反映飽和鹵水對鹽巖的力學特性的影響，但無法全面的掌握飽和鹵水對鹽巖作用方式，采用電鏡掃描及巖石CT等技術對微觀狀態下鹽巖在飽和鹵水下的影響的研究會繼續深入進行。

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作者：李斌 張文 羅艷珍 王瓏霖 單位：青海大學