湯艷春 ，房敬年，周 輝

（1. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071； 2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3. 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，鄭州 450003）

1 引 言

巖鹽的用途廣泛，除了直接應(yīng)用于石油化工工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、通用動力工業(yè)、國防部門、農(nóng)業(yè)以及環(huán)保等領(lǐng)域以外，近年來，隨著世界范圍內(nèi)對能源的需求量急劇增加，能源危機(jī)日益突出，巖鹽礦藏還被各國用于進(jìn)行國家戰(zhàn)略能源地下儲存以及核廢料地下儲存。

安全性問題是在巖鹽中實施能源儲存和核廢料處置的首要問題，儲庫鹽腔一般采用水溶法建造，在實際的水溶建腔過程中，保證儲庫鹽腔的圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要。前人圍繞著巖鹽溶腔形態(tài)控制和穩(wěn)定性開展了大量和富有成效的研究工作，在巖鹽的力學(xué)特性研究方面，楊春和等[1]、邱賢德等[2]、Carter等[3]進(jìn)行了單軸和三軸壓縮、松弛狀態(tài)下以及不同溫度條件下巖鹽的蠕變試驗研究，房敬年等[4]根據(jù)巖鹽單/三軸壓縮試驗和細(xì)觀力學(xué)試驗結(jié)果，對巖鹽的彈塑性損傷耦合機(jī)制進(jìn)行了研究；在巖鹽溶蝕特性研究方面，楊駿六等[5]、劉成倫等[6]、梁衛(wèi)國等[7]進(jìn)行了巖鹽水溶特性試驗研究；在巖鹽溶腔形狀控制與穩(wěn)定性研究方面，劉新榮等[8]、尹雪英等[9]對巖鹽溶腔圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬計算和分析，班凡生等[10]、趙志成等[11]對巖鹽儲氣庫水溶建腔流體輸運理論以及溶腔形態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了研究；在巖鹽應(yīng)力-溶解-滲流耦合特性研究方面，周輝等[12]建立了鹽巖裂隙滲流-溶解耦合模型，并通過試驗驗證了模型的適用性，湯艷春等[13－14]通過單軸壓縮條件下巖鹽應(yīng)力-溶解耦合效應(yīng)的細(xì)觀力學(xué)試驗對巖鹽應(yīng)力-溶解耦合特性進(jìn)行了初步的研究。

目前所開展的研究主要集中在純?nèi)芙庾饔靡约皢屋S應(yīng)力作用下巖鹽溶解速率的試驗等方面，忽略了實際情況下三向應(yīng)力作用對巖鹽溶解速率的影響。通過大量的三軸應(yīng)力作用下的巖鹽溶蝕特性試驗，本文研究在三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性的變化規(guī)律，為進(jìn)一步研究巖鹽的應(yīng)力-溶解耦合機(jī)制提供理論依據(jù)和試驗基礎(chǔ)。

2 三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

（1）通過無應(yīng)力作用下的巖鹽溶蝕試驗以及不同圍壓作用下巖鹽溶蝕特性試驗，對比不同應(yīng)力作用（無應(yīng)力、單軸應(yīng)力和三軸應(yīng)力）下的巖鹽溶蝕特性；

（2）通過不同圍壓作用下巖鹽溶蝕特性試 驗，獲取三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性與巖鹽力學(xué)性質(zhì)之間的定量關(guān)系。

2.2 試驗方案

本次試驗所用的巖鹽試樣取自于湖北省云應(yīng)巖鹽礦區(qū)，具體的試驗方案概述如下：

（1）巖鹽試樣制備

用于三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性試驗的巖鹽試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸為φ 37.5 mm×75 mm，由于巖鹽質(zhì)脆、遇水易溶，因此，巖鹽試樣是通過手工切割、磨制加工而成。所加工出來的巖鹽試樣如圖1 所示。巖樣的加工精度包括平行度、平直度和垂直度，在巖鹽試樣加工的過程中，不僅要滿足其加工精度，而且還要注意對巖鹽的保護(hù)，避免對巖鹽試樣表面造成損壞，影響試驗結(jié)果。

圖1 巖鹽試樣照片 Fig.1 Photo of rock salt sample

（2）無應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕試驗

采用長方體巖鹽試樣進(jìn)行無應(yīng)力作用下的巖鹽溶蝕試驗，測試不同溶解時間長方體巖鹽試樣在蒸餾水中溶蝕的巖鹽質(zhì)量。在試驗中，除了1 個面裸露外，長方體巖鹽試樣的其他面均用703 硅橡膠均勻涂抹。

（3）力學(xué)試驗階段

力學(xué)試驗階段為三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性試驗的第1 階段，在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所與法國里爾科技大學(xué)合作研制開發(fā)的巖石全自動三軸伺服流變儀上進(jìn)行，試驗的圍壓分別為0、2、5、15 MPa，采用軸向位移加載控制方式，軸向加載速率為0.022 mm/min。將巖鹽試樣加載到不同的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)后，進(jìn)行卸載，將巖鹽試樣從三軸室中取出，并將試樣表面的油液清凈，因為試樣表面的液壓油液會阻礙巖鹽的溶蝕。

（4）溶蝕試驗階段

溶蝕試驗階段為三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性試驗的第2 階段，首先將卸載下來的試樣軸線方向的兩個端面用703 硅橡膠均勻涂抹，再將試樣完全浸泡于蒸餾水中，測試不同溶解時間試樣在蒸餾水中所溶蝕的巖鹽質(zhì)量。

2.3 試驗數(shù)據(jù)

無應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕試驗數(shù)據(jù)如表1 所示，并將溶蝕的巖鹽質(zhì)量統(tǒng)一換算為巖鹽溶解速率，稱為無應(yīng)力溶解速率。

對表1 中無應(yīng)力溶解速率與溶解時間的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，可以得出無應(yīng)力溶解速率與溶解時間之間的關(guān)系表達(dá)式為

式中：v 為無應(yīng)力溶解速率，單位為g/(cm2×100 s)；t 為溶解時間，單位為100 s。

三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性試驗中卸載點的應(yīng)力、應(yīng)變值以及不同溶解時間的溶蝕質(zhì)量如表2 所示。表2 中試樣A0 代表圓柱形巖鹽試樣在無應(yīng)力作用下的溶蝕試驗數(shù)據(jù)，其所對應(yīng)的不同溶解時間下的溶蝕質(zhì)量是根據(jù)式（1）換算出來的。表2中應(yīng)變是以壓縮的正應(yīng)變?yōu)檎?/p>

塑性體應(yīng)變的計算公式為

式中：1ε 為軸向應(yīng)變；2ε =3ε 為環(huán)向應(yīng)變；1σ 為軸向應(yīng)力；2σ =3σ 為圍壓；E 為彈性模量；v 為泊松比。各巖鹽試樣卸載點的塑性體應(yīng)變值如表2 所示，從表2 中可以看出，不同圍壓下，在軸向塑性應(yīng)變相同時，其塑性體應(yīng)變相差較大，而且計算出來的塑性體應(yīng)變都為負(fù)值（負(fù)值說明巖鹽試樣體積在增加，正值說明巖鹽試樣體積在減少，在后續(xù)的分析中取其絕對值）。

表1 無應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕試驗數(shù)據(jù) Table 1 Data of rock salt dissolving tests without stress

表2 三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性試驗數(shù)據(jù) Table 2 Data of rock salt dissolving characteristics tests under triaxial stress

3 三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性

3.1 不同應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性對比

根據(jù)表2 巖鹽溶蝕特性試驗數(shù)據(jù)，對不同應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性進(jìn)行對比分析，可得出：

（1）在相同溶解時間下，不同的圍壓，特別是塑性應(yīng)變明顯產(chǎn)生后，巖鹽的溶蝕特性會發(fā)生顯著的變化。

（2）圍壓的大小對巖鹽溶解速率有影響，對于巖鹽溶解速率來說，三軸應(yīng)力作用的影響不可忽略。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

通過上述試驗可以發(fā)現(xiàn)，在溶蝕試驗階段，相同的溶解時間內(nèi)巖鹽試樣宏觀溶解速率（即所溶蝕的質(zhì)量）與巖鹽試樣所處的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)，本文采用卸載點處的塑性體應(yīng)變、圍壓來量化這一狀態(tài)。在相同的塑性體應(yīng)變與圍壓下，宏觀溶解速率隨著溶解時間變化而變化。

通過以上分析可知，應(yīng)力作用下巖鹽溶解速率的變化可以通過宏觀溶解速率與塑性體應(yīng)變、圍壓和溶解時間之間的關(guān)系來進(jìn)行定量描述。對表2 中溶蝕質(zhì)量、塑性體應(yīng)變、圍壓和溶解時間的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并將溶蝕質(zhì)量換算成宏觀溶解速率，可以得出宏觀溶解速率與塑性體應(yīng)變、圍壓σ3和溶解時間t 之間的關(guān)系表達(dá)式為

式中：v 為應(yīng)力作用下宏觀溶解速率(g/(cm2×100 s))；-11.52 ≤≤0(%)；0 ≤σ3≤ 15(MPa)；0 ≤ t ≤ 9(100 s)。

3.3 相同圍壓條件下的巖鹽溶蝕特性

為了直觀地分析和比較有無應(yīng)力作用巖鹽溶蝕特性的差異，定義應(yīng)力影響質(zhì)量這個概念，其含義為相同溶解時間下應(yīng)力作用下巖鹽的溶蝕質(zhì)量與無應(yīng)力作用下溶蝕質(zhì)量之差，其值反應(yīng)了相同溶解時間下應(yīng)力作用與無應(yīng)力作用下巖鹽宏觀溶解速率之間的差異。

圍壓分別為0、2、5、15 MPa 時，巖鹽應(yīng)力影響質(zhì)量與塑性體應(yīng)變、溶解時間之間的變化規(guī)律基本相似，圖2 是圍壓為5 MPa 時應(yīng)力影響質(zhì)量與塑性體應(yīng)變、溶解時間之間的關(guān)系，圖中的曲線為試驗數(shù)據(jù)擬合曲線。從圖2 中可以看出：

（1）在相同圍壓條件下，當(dāng)給定塑性體應(yīng)變值時，隨著溶解時間的增加，應(yīng)力影響質(zhì)量不斷增加，并且其增長速率也不斷增大；

（2）在相同圍壓條件下，當(dāng)給定溶解時間隨著塑性體應(yīng)變的增加，應(yīng)力影響質(zhì)量不斷增加。

圖2 圍壓為5 MPa 時不同塑性體應(yīng)變下應(yīng)力影響質(zhì)量與溶解時間之間的關(guān)系 Fig.2 Relationships between dissolved mass with stress and time while σ 3 = 5 MPa under different plastic volumetric strains

圖3～5 分別為A1、A5 和A9 試樣溶蝕前后的照片，在圖5 中使用線框標(biāo)記了不同溶解時間時巖鹽裂紋形態(tài)的變化。從圖3～5 中可以看出：

（3）特別是出現(xiàn)如圖5 所示的貫通性裂紋后，隨著溶解時間的增加，裂紋的形態(tài)變化顯著，其意味著隨著溶解時間的增加，巖鹽與水溶液接觸的溶蝕面積隨之較快增加，應(yīng)力影響質(zhì)量明顯增加。

圖3 A1 試樣（=1.84%）溶蝕前后的照片 Fig.3 Photos of sample A1 dissolved at =1.84%

圖4 A5 試樣（5.86%）溶蝕前后的照片 Fig.4 Photos of sample A5 dissolved at =5.86%

圖5 A9 試樣（ =9.85%）溶蝕前后的照片 Fig.5 Photos of sample A9 after dissolved at =9.85%

3.4 不同圍壓條件下的巖鹽溶蝕特性

圖6 為溶解時間為900 s 時不同圍壓條件下應(yīng)力影響質(zhì)量與塑性體應(yīng)變之間的關(guān)系圖，圖中曲線為試驗數(shù)據(jù)擬合曲線。其他溶解時間（100、200、300、600 s）時不同圍壓條件下應(yīng)力影響質(zhì)量與塑性體應(yīng)變之間的關(guān)系與圖6 相似。

圖6 溶解時間為900 s 時不同圍壓下應(yīng)力影響 質(zhì)量與塑性體應(yīng)變之間的關(guān)系 Fig.6 Relationships between dissolved mass with stress and plastic volumetric strain while t = 900 s under different values of σ 3

從圖6 中可以看出：

（1）在相同的溶解時間下，不同的圍壓下，巖鹽應(yīng)力影響質(zhì)量與塑性體應(yīng)變之間的變化規(guī)律存在著差異。當(dāng)圍壓3σ =0 時，應(yīng)力影響質(zhì)量與塑性體應(yīng)變之間的變化規(guī)律可分為3 個階段：緩慢增長階段（I 階段）、急劇變化階段（II 階段）以及最后的減緩階段（III 階段）；當(dāng)圍壓3σ =2，5 MPa 時，只有I、II 階段存在；當(dāng)圍壓3σ =15 MPa 時，只有III階段存在。

造成這個現(xiàn)象的原因在于：塑性體應(yīng)變與圍壓的值相關(guān)，隨著圍壓的增加，由于儀器測量量程的限制，部分變化階段無法獲得。

（2）在相同的溶解時間下，當(dāng)塑性體應(yīng)變一定時，隨著圍壓的增加，應(yīng)力影響質(zhì)量值不斷降低。當(dāng)圍壓 3σ =0 時，應(yīng)力影響質(zhì)量值最大；當(dāng)圍壓15 MPa 時，應(yīng)力影響質(zhì)量值較小。

為了更直觀地分析不同圍壓下的巖鹽溶蝕特性，選取試樣A5、B14、C21 和D26 溶蝕前后的照片進(jìn)行對比，這4 個試樣的試驗條件是圍壓不同，但溶蝕時塑性體應(yīng)變值相差較小。A5 試樣溶蝕前后的照片已在圖4 中列出，圖7～9 分別為B14、C21和D26 試樣溶蝕前后的照片。

從圖4、7～9 中可以看出：在相同的溶解時間、塑性體應(yīng)變也相差較小的條件下，不同圍壓下巖鹽試樣溶蝕前后的形態(tài)差異較明顯，且隨著圍壓的增加，試樣溶蝕后形態(tài)的變化越小，在圍壓為15 MPa時，試樣溶蝕前后形態(tài)基本無變化。

圖7 B14 試樣（=5.86%，σ 3 = 2 MPa）溶蝕前后的照片 Fig.7 Photos of sample B14 dissolved at 5.86% and σ 3 =2 MPa

圖8 C21 試樣（ =7.23%，σ 3 = 5 MPa）溶蝕前后的照片 Fig.8 Photos of sample C21 dissolved at =7.23% and σ 3 =5 MPa

圖9 D26 試樣（=4.92%，σ 3 = 15 MPa）溶蝕前后的照片 Fig.9 Photos of sample D26 dissolved at =4.92% and σ 3 =15 MPa

4 三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性變化機(jī)制分析

巖鹽與水溶液接觸發(fā)生溶解，其溶解速率的大小取決于巖鹽與水溶液接觸的溶蝕作用面有效面積的大小。在三軸應(yīng)力作用下，特別是產(chǎn)生塑性變形后，表面裂紋會不斷發(fā)育與擴(kuò)展，使得溶蝕作用面有效面積增加，從而使得巖鹽溶解速率變大；同時，由于圍壓的存在，限制了巖鹽表面裂隙的發(fā)育與擴(kuò)展，阻止了巖鹽晶粒間的相對滑移，從而造成不同圍壓下表面裂紋的發(fā)育與擴(kuò)展程度不同。

基于三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性試驗成果，以及上述機(jī)制分析，可認(rèn)為三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶解速率變化和不同圍壓下表面裂紋的發(fā)育與擴(kuò)展有著直接的聯(lián)系，具體分析如下：

（1）圍壓一定時 在塑性變形產(chǎn)生、塑性體應(yīng)變較小時，巖鹽表面出現(xiàn)細(xì)觀裂紋，與水接觸后，表面細(xì)觀裂紋變化較小，溶蝕作用面有效面積緩慢增加。

隨著塑性體應(yīng)變的增加，巖鹽表面出現(xiàn)細(xì)觀主裂紋，與水接觸后細(xì)觀主裂紋形態(tài)急劇變化，溶蝕作用面有效面積增加明顯，造成溶解速率增加，且其增加幅度也在變大；當(dāng)塑性體應(yīng)變較大時，貫通性裂紋產(chǎn)生，與水接觸后，貫通性裂紋形態(tài)發(fā)生變化，溶蝕作用面有效面積增加，但其增幅變緩。

（2）不同圍壓時 單軸壓縮狀態(tài)下，巖鹽裂紋的發(fā)育與擴(kuò)展未受圍壓的限制，表面裂紋的開度相對較大，使得水溶液較容易侵入發(fā)生溶蝕作用，溶解速率易受應(yīng)力作用的影響。

低圍壓（2、5 MPa）條件下，巖鹽裂紋的發(fā)育與擴(kuò)展受到圍壓的影響，表面裂紋的開度較小，水溶液較難侵入到裂紋內(nèi)部發(fā)生溶蝕作用，溶解速率受應(yīng)力作用的影響降低；當(dāng)圍壓較高（15 MPa）時，圍壓限制了裂紋的發(fā)育與擴(kuò)展，且由于應(yīng)力的壓密作用使得裂紋的開度較小，溶解速率受應(yīng)力作用的影響較小。

從以上分析可知，隨著圍壓的增加，表面裂紋的發(fā)育與擴(kuò)展受到的限制越強(qiáng)，溶蝕作用面的有效面積越小，造成溶解速率受應(yīng)力作用的影響越小。

5 試驗影響因素分析

試驗的主要影響因素如下：

（1）組成巖鹽的主要NaCl 晶體尺寸的大小、以及晶粒之間的膠結(jié)、充填物的性質(zhì)的不同，造成了巖鹽力學(xué)和溶蝕特性的差異。

（2）在試驗過程中，巖鹽試樣先加載至一定應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，再將應(yīng)力卸載，最后進(jìn)行溶蝕試驗。在進(jìn)行溶蝕試驗之前，巖鹽試樣的變形特征會由于卸載而發(fā)生變化，從而對試驗結(jié)果造成影響。

（3）溶蝕后從水溶液中取出試樣，再進(jìn)行溶蝕質(zhì)量的測定，在此過程中，溶蝕質(zhì)量值會產(chǎn)生一定的偏差。

6 結(jié) 論

（1）不同的應(yīng)力作用下，特別是塑性應(yīng)變產(chǎn)生后，巖鹽的溶蝕特性會發(fā)生顯著的變化，對于巖鹽溶解速率來說，三軸應(yīng)力作用的影響不可忽略；

（2）采用宏觀溶解速率（即溶蝕質(zhì)量）與圍壓、塑性體應(yīng)變和溶解時間之間的關(guān)系來定量描述三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶解速率的變化，并在試驗的基礎(chǔ)上獲得了宏觀溶解速率與圍壓、塑性體應(yīng)變和溶解時間之間的關(guān)系表達(dá)式；

（3）在相同的溶解時間、塑性體應(yīng)變條件下，不同圍壓下巖鹽試樣溶蝕前后的形態(tài)差異較明顯，應(yīng)力影響質(zhì)量變化較大，且隨著圍壓的增加，試樣溶蝕后形態(tài)的變化越小，應(yīng)力影響質(zhì)量越小；

（4）揭示了三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性變化機(jī)制，得出三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶解速率變化與不同圍壓下表面裂紋的發(fā)育與擴(kuò)展有著直接的聯(lián)系。

該研究成果為進(jìn)一步研究巖鹽應(yīng)力-溶解耦合機(jī)制奠定了試驗依據(jù)以及理論基礎(chǔ)。

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