湖北云应盐矿深部层状盐岩直剪试验研究

第26卷第9期岩石力学与工程学报Vol.26No.92007年9月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringSept.，2007收稿日期：2007–02–09；修回日期：2007–03–29基金项目：国家自然科学基金资助项目(50434050，50374064)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412704)作者简介：李银平(1969–)，男，博士，1991年毕业于浙江大学工程力学系，现任副研究员，主要从事岩石力学与工程方面的研究工作。E-mail：[e-mail]湖北云应盐矿深部层状盐岩直剪试验研究李银平1，蒋卫东2，3，刘江4，陈剑文1，杨春和1(1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉430071；2.中南大学商学院，湖南长沙410083；3.江西铜业集团公司，江西贵溪335424；4.中南电力设计院，湖北武汉430071)摘要：为了解湖北云应盐矿深部层状盐岩，特别是盐岩和硬石膏夹层界面的抗剪性能，开展3类典型岩体的直剪试验。试验结果表明：层状盐岩界面和盐岩、硬石膏的剪切应力–位移曲线较为相似，加载初期曲线的斜率较小，剪应力增加缓慢而位移增加较快；当剪应力达到某一数值后，剪切位移增加变得缓慢，曲线斜率变大；快达到峰值强度时曲线斜率再逐渐由陡变缓；达到峰值强度后出现软化，剪应力随位移的增加逐渐达到残余强度，从峰值强度到残余强度过程中，相对而言，层状岩石交界面的剪应力下降得比较快。试验结果还表明：盐岩硬石膏交界层面处的抗剪强度参数c，ϕ值分别为4.08MPa和45.9°，和盐岩试样和硬石膏试样的强度参数相差并不大，甚至还略强。这说明湖北省云应盐矿深部层状盐岩中盐岩和硬石膏夹层的交界层面具有较强的粘结力，不是一个弱面，这将有利于盐岩溶腔的密闭性和稳定性。层状盐岩的这一特殊力学特性对于在深部层状盐岩构造中开展能源储备是非常有利的。关键词：岩石力学；盐岩；直接剪切试验；夹层；交界面中图分类号：TU454文献标识码：A文章编号：1000–6915(2007)09–1767–06DIRECTSHEARTESTSFORLAYEREDSALTROCKSOFYUNYINGSALTMINEINHUBEIPROVINCELIYinping1，JIANGWeidong2，3，LIUJiang4，CHENJianwen1，YANGChunhe1(1.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering，InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan，Hubei430071，China；2.SchoolofBusiness，CentralSouthUniversity，Changsha，Hunan410083，China；3.JiangxiCopperCorporation，Guixi，Jiangxi335424，China；4.CentralSouthernChinaElectricPowerDesignInstitute，Wuhan，Hubei430071，China)Abstract：ForinvestigationonthecharacteristicsofsheardeformationandstrengthoflayeredsaltrocksinYunyingSaltMine，HubeiProvince，directsheartestsonthreetypesofrocksarecarriedout.Itisshownthatthecurvesofshearstressvs.displacementofsaltrock，anhydriteandlayeredsaltrockaresimilar：duringthebeginningstageofshearloading，theslopecoefficientsaresmall，thesheardisplacementincreasingfastwhiletheshearstressincreasingslowly；whentheshearstressesreachacertainvalue，theincreaseofsheardisplacementslowsdown，andtheslopecoefficientsgetlarger；theincreaseofsheardisplacementbecomesfastagainpriortoshearstressreachingpeakvalue；afterpeakpoint，strainsofteningappears，theshearstressesdecreasingslowlyandreachingresidualstrengthfinally.Thetestresultsalsoshowthattheshearstrengthoflayeredsaltrocksisclosetoorevenslightlyhigherthanthatofsaltrockandanhydrite：cohesivestrength08.4=cMPa，andfrictionalangle=ϕ45.9°.Thisindicatesthattheinterfacesbetweensaltrockandanhydritearenotweakasexpected.Thestronginterfacepropertyoflayeredsaltrockswillguaranteethesealabilityandstabilityofsaltcaverns，andbenefittheenergy(oilandgas)storageinlayeredsaltrocksformationindepth.Keywords：rockmechanics；saltrock；directsheartest；interlayer；interface•1768•岩石力学与工程学报2007年1引言盐岩由于具有孔隙度低、渗透率小、损伤自恢复和塑性变形能力大等优良特性，被认为是石油、天然气地下储备和高放射性废物深埋置的理想场所。我国盐岩矿藏分布范围广，盐岩层的基本特点是盐岩层多，单层厚度薄，盐岩体中一般含有众多夹层(如硬石膏层、硬石膏层和钙芒硝层等)[1，2]。在这种特殊条件下，储存库的稳定性和安全性等关键问题在国内外尚无成熟的理论可借鉴。目前，国内外对盐岩等层状岩体的力学特性开展了一系列的试验研究，如U.Hunsche等[3～12]通过试验开展了盐岩的静动力力学特征、蠕变特性及温度效应的研究。最近，针对湖北云应盐矿深部层状盐岩，李银平等[1，13]开展了盐岩、硬石膏泥岩和含硬石膏盐岩3种典型试样的单轴及三轴压缩试验，分析了3种试样的变形和破损特征，试验结果表明：夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响，强度高于盐岩的夹层却先于盐岩出现横向拉伸破坏；应力–应变曲线出现“应力跌落”现象；最后结合互层盐岩体Cosserat介质扩展模型[14，15]分析了盐岩和夹层力学特性的不匹配对复合岩体变形和破坏特性的影响，解释了试验观察到的现象，进一步揭示了复合体的变形和破坏机制。陈锋等[16]则开展了层状盐岩的流变试验，试验结果表明，硬石膏泥岩的蠕变率只有盐岩的1/5～1/20，层状盐岩的蠕变主要由盐岩层控制。对于层状盐岩介质而言，其变形破损特征与盐岩和硬石膏夹层的界面的力学特性是紧密相关的，界面的力学特性对层状盐岩构造中的洞穴——储库的稳定性、盖层突破压力及渗透稳定性都有着显著的影响。已进行的压缩试验[1]和流变试验[16]结果表明，湖北云应盐矿深部层状盐岩试样在压缩试验中没有出现沿界面的滑动。为了深入了解界面的力学特性，作者开展了一系列的试验，如层状盐岩直接剪切试验、巴西劈裂(间接拉伸)试验以及界面微观分析试验，限于篇幅，本文仅对层状盐岩直接拉伸试验的结果进行介绍。2试样制备本文的层状盐岩试样来自湖北云应盐矿，云应盐矿是典型的层状盐岩矿床，主要由盐层和硬石膏夹层组成，夹层和盐层呈不等厚互层结构，其中04–15盐群(埋深为500～800m)则是密集互层结构。本文试验的岩石试样分为3种类别：第1种是从盐岩层取出的盐岩试样，主要化学成分为NaCl，Na2SO4，CaSO4和不溶物，NaCl含量为65.73%～68.33%，Na2SO4含量为4.28%～5.89%，CaSO4含量为14.46%～16.50%；不溶物含量为11.45%～12.80%，盐层中同种化学成分的变化在3%以内，呈灰褐色粗粒状。第2种是从硬石膏夹层中取出的试样，NaCl含量为17.50%～23.62%，Na2SO4含量为11.19%～19.43%，CaSO4含量为23.86%～26.35%，水不溶物平均含量为36.24%～42.62%。第3种是含硬石膏夹层盐岩的层状盐岩试样，即盐岩试样中含有不同厚度的水平硬石膏夹层。为了解层状盐岩的抗剪强度，除了对层状盐岩中盐岩和硬石膏交界层面进行直剪试验外，为了便于分析比较，还对盐岩和硬石膏试样进行了试验。由于直剪试验的标准试样是边长为150mm的立方体或直径不小于150mm的圆柱体。将所取到的直径为75～90mm的圆柱体盐岩和硬石膏岩芯切割为100～120mm长的圆柱体，层状盐岩直剪试样加工过程中应保证盐岩与硬石膏的交界层面位于圆柱体试样中间，加工好的直剪试样如图1所示。将加工好的圆柱体试样放入150mm×150mm×150mm的模具中心位置，同时保证盐岩和硬石膏交界层面位于模具垂直高度的中间位置，然后在试样周围浇注混凝土，在浇注的立方体中间即试样的剪切层面位置预留一层约10mm厚的无强度砂层，然后浇注成型见图1。盐岩和硬石膏的直剪试样采用同样的模具进行浇注，在试样中间受剪部分也同样预留一层约10mm厚的无强度砂层。图1直剪试样图Fig.1Samplesfordirectsheartest浇注成型试样第26卷第9期李银平，等.湖北云应盐矿深部层状盐岩直剪试验研究•1769•3试验设备及过程直剪试验是在中国科学院武汉岩土力学研究所自行研制的RMT–150C岩石力学试验机上进行的，该试验机为数字控制式电液伺服试验机，主要用来做岩石和混凝土一类材料的力学性能试验，可以做单轴压缩、单轴间接拉伸、三轴压缩和剪切等多种试验。直剪试验的试验程序为：先将试样放入剪切盒中，施加一定的法向力(本次试验的法向力分别为5，10，20和30kN)；然后施加剪切荷载直至试样破坏。直剪试验试样受力情况如图2所示。图2直剪试验试样受力图Fig.2Forcediagramofsamplesindirectsheartest直剪试验的目的是：(1)确定岩石的抗剪强度；(2)获取岩石的黏聚力c和内摩擦角ϕ；(3)获取层状盐岩体中盐岩与硬石膏交界面的界面剪切力学参数。直剪试验的法向应力nσ和剪应力τ按下式计算：AQAP==τσ，n(1)式中：P为法向力，Q为试样剪断前达到的最大剪切力，A为沿试样剪切方向的有效剪切面积。由于预留砂层的摩擦力是很小的，有效剪切面积指的是立方体试样内埋圆柱形岩芯的横截面积。4试验结果及分析4.1剪切变形特性盐岩、层状盐岩及硬石膏3种试样在相同法向力下的剪应力–剪切位移曲线如图3所示。从图3中可以看出，盐岩、层状盐岩和硬石膏3种岩石的剪应力–剪切位移曲线比较相似，其基本特点是：(a)法向力5kN(b)法向力10kN(c)法向力20kN(d)法向力30kN图3相同法向力下3种岩石的剪应力–位移曲线Fig.3Curvesofshearstressvs.displacementforthreerocksunderdifferentnormalstresses剪应力/MPa剪切位移/mm剪应力/MPa剪切位移/mm剪应力/MPa剪切位移/mm剪应力/MPa