三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性試驗研究

湯艷春 ，房敬年，周 輝

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

1 引 言

巖鹽的用途廣泛，除了直接應用于石油化工工業、化學工業、通用動力工業、國防部門、農業以及環保等領域以外，近年來，隨著世界范圍內對能源的需求量急劇增加，能源危機日益突出，巖鹽礦藏還被各國用于進行國家戰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定性至關重要。前人圍繞著巖鹽溶腔形態控制和穩定性開展了大量和富有成效的研究工作，在巖鹽的力學特性研究方面，楊春和等[1]、邱賢德等[2]、Carter等[3]進行了單軸和三軸壓縮、松弛狀態下以及不同溫度條件下巖鹽的蠕變試驗研究，房敬年等[4]根據巖鹽單/三軸壓縮試驗和細觀力學試驗結果，對巖鹽的彈塑性損傷耦合機制進行了研究；在巖鹽溶蝕特性研究方面，楊駿六等[5]、劉成倫等[6]、梁衛國等[7]進行了巖鹽水溶特性試驗研究；在巖鹽溶腔形狀控制與穩定性研究方面，劉新榮等[8]、尹雪英等[9]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，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變化規律進行了研究；在巖鹽應力-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力-溶解耦合效應的細觀力學試驗對巖鹽應力-溶解耦合特性進行了初步的研究。

目前所開展的研究主要集中在純溶解作用以及單軸應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力作用對巖鹽溶解速率的影響。通過大量的三軸應力作用下的巖鹽溶蝕特性試驗，本文研究在三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性的變化規律，為進一步研究巖鹽的應力-溶解耦合機制提供理論依據和試驗基礎。

2 三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性試驗

2.1 試驗目的

（1）通過無應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，對比不同應力作用（無應力、單軸應力和三軸應力）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，獲取三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性與巖鹽力學性質之間的定量關系。

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巖鹽礦區，具體的試驗方案概述如下：

（1）巖鹽試樣制備

用于三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性試驗的巖鹽試樣標準尺寸為φ 37.5 mm×75 mm，由于巖鹽質脆、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，避免對巖鹽試樣表面造成損壞，影響試驗結果。

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

（2）無應力作用下巖鹽溶蝕試驗

采用長方體巖鹽試樣進行無應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）力學試驗階段

力學試驗階段為三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性試驗的第1 階段，在中國科學院武漢巖土力學研究所與法國里爾科技大學合作研制開發的巖石全自動三軸伺服流變儀上進行，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力、應變狀態后，進行卸載，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量。

2.3 試驗數據

無應力作用下巖鹽溶蝕試驗數據如表1 所示，并將溶蝕的巖鹽質量統一換算為巖鹽溶解速率，稱為無應力溶解速率。

對表1 中無應力溶解速率與溶解時間的試驗數據進行曲線擬合，可以得出無應力溶解速率與溶解時間之間的關系表達式為

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

三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性試驗中卸載點的應力、應變值以及不同溶解時間的溶蝕質量如表2 所示。表2 中試樣A0 代表圓柱形巖鹽試樣在無應力作用下的溶蝕試驗數據，其所對應的不同溶解時間下的溶蝕質量是根據式（1）換算出來的。表2中應變是以壓縮的正應變為正。

塑性體應變的計算公式為

式中：1ε 為軸向應變；2ε =3ε 為環向應變；1σ 為軸向應力；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，在軸向塑性應變相同時，其塑性體應變相差較大，而且計算出來的塑性體應變都為負值（負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，在后續的分析中取其絕對值）。

表1 無應力作用下巖鹽溶蝕試驗數據 Table 1 Data of rock salt dissolving tests without stress

表2 三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性試驗數據 Table 2 Data of rock salt dissolving characteristics tests under triaxial stress

3 三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性

3.1 不同應力作用下巖鹽溶蝕特性對比

根據表2 巖鹽溶蝕特性試驗數據，對不同應力作用下巖鹽溶蝕特性進行對比分析，可得出：

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

（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，三軸應力作用的影響不可忽略。

3.2 試驗數據分析

通過上述試驗可以發現，在溶蝕試驗階段，相同的溶解時間內巖鹽試樣宏觀溶解速率（即所溶蝕的質量）與巖鹽試樣所處的應力-應變狀態有關，本文采用卸載點處的塑性體應變、圍壓來量化這一狀態。在相同的塑性體應變與圍壓下，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變、圍壓和溶解時間之間的關系來進行定量描述。對表2 中溶蝕質量、塑性體應變、圍壓和溶解時間的試驗數據進行曲線擬合，并將溶蝕質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變、圍壓σ3和溶解時間t 之間的關系表達式為

式中：v 為應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力作用巖鹽溶蝕特性的差異，定義應力影響質量這個概念，其含義為相同溶解時間下應力作用下巖鹽的溶蝕質量與無應力作用下溶蝕質量之差，其值反應了相同溶解時間下應力作用與無應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，巖鹽應力影響質量與塑性體應變、溶解時間之間的變化規律基本相似，圖2 是圍壓為5 MPa 時應力影響質量與塑性體應變、溶解時間之間的關系，圖中的曲線為試驗數據擬合曲線。從圖2 中可以看出：

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

（2）在相同圍壓條件下，當給定溶解時間隨著塑性體應變的增加，應力影響質量不斷增加。

圖2 圍壓為5 MPa 時不同塑性體應變下應力影響質量與溶解時間之間的關系 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 中使用線框標記了不同溶解時間時巖鹽裂紋形態的變化。從圖3～5 中可以看出：

（3）特別是出現如圖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，應力影響質量明顯增加。

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力影響質量與塑性體應變之間的關系圖，圖中曲線為試驗數據擬合曲線。其他溶解時間（100、200、300、600 s）時不同圍壓條件下應力影響質量與塑性體應變之間的關系與圖6 相似。

圖6 溶解時間為900 s 時不同圍壓下應力影響 質量與塑性體應變之間的關系 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，巖鹽應力影響質量與塑性體應變之間的變化規律存在著差異。當圍壓3σ =0 時，應力影響質量與塑性體應變之間的變化規律可分為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）；當圍壓3σ =2，5 MPa 時，只有I、II 階段存在；當圍壓3σ =15 MPa 時，只有III階段存在。

造成這個現象的原因在于：塑性體應變與圍壓的值相關，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，當塑性體應變一定時，隨著圍壓的增加，應力影響質量值不斷降低。當圍壓 3σ =0 時，應力影響質量值最大；當圍壓15 MPa 時，應力影響質量值較小。

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差異較明顯，且隨著圍壓的增加，試樣溶蝕后形態的變化越小，在圍壓為15 MPa時，試樣溶蝕前后形態基本無變化。

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 三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性變化機制分析

巖鹽與水溶液接觸發生溶解，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。在三軸應力作用下，特別是產生塑性變形后，表面裂紋會不斷發育與擴展，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育與擴展，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育與擴展程度不同。

基于三軸應力作用下巖鹽溶蝕特性試驗成果，以及上述機制分析，可認為三軸應力作用下巖鹽溶解速率變化和不同圍壓下表面裂紋的發育與擴展有著直接的聯系，具體分析如下：

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

隨著塑性體應變的增加，巖鹽表面出現細觀主裂紋，與水接觸后細觀主裂紋形態急劇變化，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；當塑性體應變較大時，貫通性裂紋產生，與水接觸后，貫通性裂紋形態發生變化，溶蝕作用面有效面積增加，但其增幅變緩。

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

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

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

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、充填物的性質的不同，造成了巖鹽力學和溶蝕特性的差異。

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

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

6 結 論

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

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

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

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

該研究成果為進一步研究巖鹽應力-溶解耦合機制奠定了試驗依據以及理論基礎。

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