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    巖石結(jié)構(gòu)面注漿加固抗剪特性試驗(yàn)研究

    2011-09-20 06:16:26韓立軍宗義江韓貴雷張后全
    巖土力學(xué) 2011年9期
    關(guān)鍵詞:鋸齒抗剪剪切

    韓立軍,宗義江,韓貴雷,張后全

    (中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221008)

    1 引 言

    巖體結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)基本要素,即結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)面為巖體內(nèi)具有一定方向、延展較大、厚度較小的面狀地質(zhì)界面[1]。結(jié)構(gòu)面在巖土工程中廣泛存在,破壞了巖體的連續(xù)性和完整性,使之具有不均一性和各向異性,并控制著巖體的穩(wěn)定性[2]。因此,進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性研究具有十分重大的理論及工程應(yīng)用價(jià)值。近年來,許多學(xué)者通過物理試驗(yàn)或數(shù)值模擬研究了不同起伏程度、角度、剪切速率下的結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度、變形等力學(xué)特性[3-7]。這些研究主要針對(duì)原始狀態(tài)的結(jié)構(gòu)面,未進(jìn)行加固處理,但由于破裂巖體中結(jié)構(gòu)面等弱面的存在嚴(yán)重影響了巖體的穩(wěn)定,通常要對(duì)破裂的巖體采取各種措施進(jìn)行支護(hù)加固,主要途徑包括兩個(gè):錨固與注漿加固。針對(duì)結(jié)構(gòu)面加錨后力學(xué)特性的研究取得了大量成果[8-10],但對(duì)注漿加固后結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性的研究還較少。

    因此,本文通過自然狀態(tài)、注漿加固結(jié)構(gòu)面及模型化結(jié)構(gòu)面的剪切試驗(yàn),對(duì)破裂巖體結(jié)構(gòu)面注漿加固前后抗剪特性進(jìn)行了研究。該研究對(duì)揭示其加固實(shí)質(zhì)和作用機(jī)制具有十分重要的意義,并能促進(jìn)注漿加固技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

    2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

    2.1 試驗(yàn)設(shè)備

    剪切試驗(yàn)設(shè)備選用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所生產(chǎn)的JQ-200型巖石剪切流變儀(見圖1)。該剪切流變儀可用于研究巖石在剪切應(yīng)力狀態(tài)下的長期變形與強(qiáng)度指標(biāo),也可用于巖石快剪力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。該儀器加載能力大(垂直加載400 kN,水平加載1 000 kN),可做大尺寸試件和各種不同強(qiáng)度類型的試樣的力學(xué)試驗(yàn);在高荷載作用下可保持加載力長期穩(wěn)定,并能較好地測(cè)定巖石在變形破壞過程中的全過程曲線。

    2.2 試件制作

    本次試驗(yàn)通過對(duì)加載后破裂巖樣結(jié)構(gòu)面的測(cè)量研究發(fā)現(xiàn),同種巖體在人工致裂工程中形成的破裂面JRC相接近,結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)主要影響因素為巖石結(jié)構(gòu)。這說明結(jié)構(gòu)面粗糙度具有可復(fù)制性,即可以通過精確測(cè)量破裂巖樣結(jié)構(gòu)面粗糙度后,根據(jù)其數(shù)值加工具有相同JRC的結(jié)構(gòu)面試件,用于剪切試驗(yàn)。經(jīng)過測(cè)量與對(duì)比研究,在本次試驗(yàn)中石灰?guī)r粗糙度系數(shù)JRC約為8~10,與相關(guān)研究結(jié)果相近[1]。

    鉆取石灰?guī)rφ100 mm×100 mm巖芯,將其沿直徑剖開,依據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]進(jìn)行制作。①自然狀態(tài)及注漿加固剪切試件:根據(jù)加載破裂巖樣橫向(剪切方向)結(jié)構(gòu)面的JRC數(shù)值,將試件打磨到粗糙度與破裂巖樣JRC相近。②模型化結(jié)構(gòu)面剪切試件:沿直徑剖開時(shí),根據(jù)模型化要求采用線切割機(jī)將試件切割成含 45°規(guī)則鋸齒的試件。然后將切割、打磨好的試件放于 150 mm×150 mm×150 mm的澆注盒中,與C30混凝土澆注成150 mm×150 mm×150 mm立方體試件。

    試件分為兩類,第1類:澆注時(shí)在澆注盒中間部位放置塑料薄膜,以保證上下兩個(gè)試件為分開狀態(tài),同時(shí)保證試件在立方體混凝土塊的中間部位,此類試件結(jié)構(gòu)面為自然狀態(tài),用“JZ”、“MJZ”表示,用于模擬自然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)面的剪切試驗(yàn);第2類:澆注時(shí)澆注盒中間部位不放置塑料薄膜,上下兩塊試件澆注成整體,并且將試件接觸面位置標(biāo)定好(接觸面為剪切時(shí)的固定剪切面),此類試件結(jié)構(gòu)面為水泥膠結(jié)狀態(tài),用“JS”和“MJS”表示,用于注漿加固后的結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)。將上述澆注好的4種試件放置在實(shí)驗(yàn)室中,按水泥固結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d。

    自然狀態(tài)及注漿加固剪切試件:采用5個(gè)垂直荷載水平:0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 MPa,每個(gè)水平取5個(gè)試件,共50個(gè)試件。模型化結(jié)構(gòu)面剪切試件:采用3個(gè)垂直荷載水平(1.0、2.0、3.0 MPa )進(jìn)行1條鋸齒、2條鋸齒、3條鋸齒的模型化結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn),共36個(gè)試件。

    2.3 剪切過程

    (1)將試件置于剪切試驗(yàn)儀上。保證試件受剪方向與打磨粗糙條帶方向垂直,首先,安裝法向液壓千斤頂,然后,安裝剪切方向的液壓千斤頂,確保法向荷載和切向荷載通過結(jié)構(gòu)面的幾何中心,最后,安裝位移計(jì),要求法向和切向位移計(jì)不應(yīng)少于2個(gè),并對(duì)稱布置。

    (2)法向力的施加

    自然狀態(tài)及注漿加固剪切試驗(yàn):法向荷載分5個(gè)水平等級(jí),分別為5、10、20、30、40 kN,相應(yīng)地作用在結(jié)構(gòu)面的法向應(yīng)力分別為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 MPa。模型化結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn):法向荷載分3個(gè)水平等級(jí),分別為10、20、30 kN,相應(yīng)地作用于結(jié)構(gòu)面的法向應(yīng)力分別為1.0、2.0、3.0 MPa。每級(jí)法向荷載再按5等份施加,立即測(cè)讀法向位移,5 min后再測(cè)讀一次,即可施加剪切荷載。

    (3)切向荷載的施加:在法向應(yīng)力加載穩(wěn)定以后,按估計(jì)的最大剪切荷載分8~12級(jí),每級(jí)荷載施加后,立即測(cè)讀剪切位移和法向位移,5 min后再測(cè)讀一次,即可施加下一級(jí)剪切荷載,當(dāng)剪切位移明顯增大時(shí),可適當(dāng)減小級(jí)差。但峰值前施加剪切荷載不宜少于10級(jí)。

    (4)一次剪切完成的標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)剪切位移明顯變大,在剪切應(yīng)力τ與剪切位移us關(guān)系曲線上出現(xiàn)明顯的突變段時(shí)可以認(rèn)為一次剪切過程已經(jīng)完成。但由于結(jié)構(gòu)面的剪切性質(zhì)的復(fù)雜性,剪切應(yīng)力τ與剪切位移us關(guān)系曲線很可能不會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值,這時(shí)可以認(rèn)為總剪切位移達(dá)到了試件邊長的10%時(shí)完成一次剪切。

    3 結(jié)構(gòu)面注漿加固抗剪特性分析

    3.1 強(qiáng)度特性分析

    巖樣結(jié)構(gòu)面剪切前后對(duì)比圖如圖2所示。

    通過試件剪切前后對(duì)比可知,混凝土試模部分較完好,試件受剪面積達(dá)到試件的面積的80%以上,說明試件承擔(dān)了大部分的剪切應(yīng)力,因此,測(cè)得的剪切應(yīng)力基本為試件剪切應(yīng)力。試件剪切后結(jié)構(gòu)面凸起部分明顯剪斷,并且部分被剪斷的凸起在法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力共同作用被摩擦剪碎,剪切現(xiàn)象明顯。自然結(jié)構(gòu)面和注漿結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力-位移(τ-s)曲線如圖3、4所示。

    通過對(duì)圖3、4中τ-s曲線變化規(guī)律的分析可以發(fā)現(xiàn):

    (1)上升段斜率

    上升段斜率能夠反映結(jié)構(gòu)面在一定荷載作用下的滑動(dòng)位移情況,斜率大說明在一定荷載作用下產(chǎn)生的位移較小,反之較大。同時(shí),結(jié)構(gòu)面上升段斜率也反映了結(jié)構(gòu)面剛度。在巷道(硐室)支護(hù)中,不僅要保證巷道的安全,同時(shí)還要保證巷道的設(shè)計(jì)斷面,即巷道圍巖產(chǎn)生的位移必須控制在一定范圍內(nèi)。因此,研究結(jié)構(gòu)面位移情況具有實(shí)際的意義。

    由圖3、4可知:注漿后上升段斜率具有明顯的提高,這說明注漿使得結(jié)構(gòu)面粘結(jié)緊密,限制了結(jié)構(gòu)面在受外力作用下變形。另外,自然結(jié)構(gòu)面剪切峰值大致出現(xiàn)在水平位移13~15 mm之間,注漿后峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在8~10 mm之間,這也同樣說明了注漿對(duì)結(jié)構(gòu)面位移具有明顯的控制效果。

    圖3 自然結(jié)構(gòu)面τ -s曲線Fig.3 τ -s curves of natural structural plane

    圖4 注漿結(jié)構(gòu)面τ -s曲線Fig.4 τ -s curves of grouting structural plane

    (2)峰值強(qiáng)度

    注漿后試件剪切峰值強(qiáng)度有一定的增長,但并不是隨著垂直應(yīng)力的增長無限增長的,這是由于C30的混凝土剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石剪切強(qiáng)度,所以垂直應(yīng)力較大時(shí)的最終剪切強(qiáng)度仍表現(xiàn)為巖石的剪切強(qiáng)度。

    (3)殘余強(qiáng)度

    結(jié)構(gòu)面注漿后殘余強(qiáng)度有一定程度的提高(見圖5),提高程度在10%左右。

    3.2 結(jié)構(gòu)面剛度分析

    巖石結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)剛度參數(shù)見表 1。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可獲得注漿前后的Ks0-σ雙對(duì)數(shù)曲線(見圖6)以及τm-σ曲線(見圖7)。

    圖5 結(jié)構(gòu)面殘余強(qiáng)度Fig.5 Residual strengths of structural plane

    表1 結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)剛度參數(shù)Table 1 Stiffness parameters of structural plane in shear test

    通過對(duì)Ks0-σ雙對(duì)數(shù)曲線的擬合可以獲得結(jié)構(gòu)面的初始切向剛度[12-13]

    注漿前

    注漿后

    圖6 注漿后Ks0 -σ 曲線Fig.6 Ks0 -σ curve after grouting

    通過對(duì)τm-σ曲線的擬合可得到結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

    注漿前

    注漿后

    式中:f為摩擦系數(shù);c為黏聚力。

    圖7 注漿后τ m -σ 曲線Fig.7 τ m -σ curves after grouting

    而剪切剛度可表示為

    將Ks0、f和c值代入式(5),則可得到切線剛度為

    注漿前

    注漿后

    注漿后,巖體中裂隙面的剛度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)都有所改善,而剛度的改善更為明顯,其抗變形能力和承載性能得到了相應(yīng)提高。對(duì)于破裂巖體注漿而言,其中大裂隙的充填固結(jié),將起到約束其中、細(xì)、小裂隙變形,提高圍巖體變形剛度的作用。

    3.4 模型化結(jié)構(gòu)面注漿加固抗剪特性分析

    規(guī)則鋸齒結(jié)構(gòu)面理想化模型如圖8所示。

    圖8 結(jié)構(gòu)面力學(xué)模型Fig.8 Mechanical model of structural plane

    σ較小時(shí),結(jié)構(gòu)面受剪脹作用如圖9所示,其強(qiáng)度遵循Patton公式:

    σ較大時(shí),鋸齒受啃斷作用如圖10所示,其強(qiáng)度接近巖塊的強(qiáng)度,即

    綜合上式(9)、(10),結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線如圖11所示,剪斷凸起的條件為

    圖9 沿單個(gè)鋸齒剪脹Fig.9 Shear expansion along the single sawtooth

    圖10 剪斷鋸齒Fig.10 Shear break of sawteeth

    圖11 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度包絡(luò)圖Fig.11 Strength envelope of structural plane

    將 Datataker采集的模型化剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到如圖12、13所示,注漿前后位移-剪切應(yīng)力曲線。通過分析可知:

    (1)峰值強(qiáng)度

    通過對(duì)比注漿前后試件的試驗(yàn)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),注漿后試件剪切峰值強(qiáng)度都有不同程度的增長,增長幅度基本在4.7%~14.8%之間。注漿對(duì)提高結(jié)構(gòu)面的峰值強(qiáng)度效果不大。

    (2)剪切參數(shù)

    結(jié)構(gòu)面注漿對(duì)于剪切參數(shù)c、?的影響不一致,注漿后c值具有明顯的增長。同上述分析一樣,c值表示注漿后提高了結(jié)構(gòu)面的初始摩擦力,這點(diǎn)是比較明確的,對(duì)于鋸齒結(jié)構(gòu)面模型,注漿前,由于試件沒有鋸齒部位光滑,其初始摩擦力主是由鋸齒間的咬合引起的,而對(duì)于注漿后的試件,由于水泥漿的粘合作用在提高了摩擦力的同時(shí)也擴(kuò)大了上下結(jié)構(gòu)面之間的接觸面積,因而使得其c值具有明顯的增加;而注漿對(duì)于?值的改變沒有明顯的規(guī)律性。這是由于在水平荷載施加后,試件具有明顯的滑動(dòng),結(jié)構(gòu)面的控制因素為鋸齒強(qiáng)度及其個(gè)數(shù),相對(duì)于上述因水泥漿的強(qiáng)度影響就顯得不明顯了。

    圖12 注漿前水平位移-剪切應(yīng)力曲線Fig.12 Horizontal displacement-shear stress curves before grouting

    圖13 注漿后水平位移-剪切應(yīng)力曲線Fig.13 Horizontal displacement-shear stress curves after grouting

    (3)上升段斜率

    注漿后結(jié)構(gòu)面上升段斜率具有明顯地提高,而注漿后峰值強(qiáng)度處的水平位移有一定程度的降低,因此,注漿能夠有效地限制結(jié)構(gòu)面的剪切位移。

    (4)殘余強(qiáng)度

    如果在實(shí)際工程中,把工程破裂巖體看作第1次破壞,把注漿后再次破壞看作第2次破壞的話,那么在本次試驗(yàn)研究中同樣可以把注漿前鋸齒結(jié)構(gòu)面狀態(tài)稱為第1次破壞,同樣注漿后剪切試驗(yàn)稱為第2次破壞。結(jié)構(gòu)面注漿后殘余強(qiáng)度約有10%左右的提高。在工程實(shí)際中,注漿能夠提高再次破壞的殘余強(qiáng)度,這樣能夠給工程帶來較大的安全系數(shù),所以說,注漿對(duì)于改善圍巖受力狀態(tài)及承載特性具有顯著的意義。

    (5)齒數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)面剪切特性的影響

    在剪切過程中,鋸齒結(jié)構(gòu)面具有明顯的剪脹現(xiàn)象[15-17]。在自由剪脹條件下,峰值抗剪強(qiáng)度為

    殘余抗剪強(qiáng)度為

    在約束剪脹條件下,峰值抗剪強(qiáng)度為

    殘余抗剪強(qiáng)度為

    式中:B為與鋸齒特性相關(guān)的參數(shù)。

    由上式可以看出,結(jié)構(gòu)面剪脹效應(yīng)受到約束,明顯提高了峰值抗剪強(qiáng)度τp及殘余抗剪強(qiáng)度τs,鋸齒個(gè)數(shù)較多時(shí),相互之間提供了剪脹效應(yīng)的約束,因此,能夠明顯提高剪切峰值及殘余強(qiáng)度。

    同時(shí),通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析(見圖12、13),可以發(fā)現(xiàn):

    ①當(dāng)σn較小時(shí),鋸齒個(gè)數(shù)對(duì)強(qiáng)度影響較大,σn較小時(shí),允許試件在剪切過程中有較大的垂直位移,但較多的鋸齒相對(duì)于鋸齒較少的結(jié)構(gòu)面,其垂直位移受到較大的約束。說明當(dāng)σn較小時(shí),較多鋸齒的結(jié)構(gòu)面受到較大的約束作用。因此,其剪切強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度有較大的提高。②當(dāng)σn較大時(shí),剪切峰值強(qiáng)度基本上為剪斷巖石的強(qiáng)度,這個(gè)強(qiáng)度與試件材料關(guān)系較大,而受鋸齒個(gè)數(shù)的影響較小,同時(shí)由于σn較大,鋸齒被剪碎,其中鋸齒較多時(shí)破碎巖塊較多,這些破壞巖塊約束了剪切過程中的水平位移及垂直位移,從而使得峰值強(qiáng)度有小幅度的增加。③強(qiáng)度參數(shù)c值隨著鋸齒條數(shù)的增加(見圖14),均有一定程度的增加,這說明隨著鋸齒條數(shù)的增加,結(jié)構(gòu)面的鋸齒咬合的面積增大,增大了上下兩個(gè)結(jié)構(gòu)面初始摩擦力,因而帶來了c值的增加,試驗(yàn)結(jié)果與采用多項(xiàng)式擬合結(jié)果比較相近。

    注漿前

    注漿后

    式中:c為試件黏聚力;x為鋸齒個(gè)數(shù)。

    圖14 鋸齒個(gè)數(shù)與黏聚力的關(guān)系Fig.14 Relationships between sawteeth number and cohesion

    4 結(jié) 論

    (1)同種巖體,在人工致裂工程中形成的破裂面JRC相近,結(jié)構(gòu)面粗糙度具有可復(fù)制性。因此,可加工具有與自然壓壞巖樣結(jié)構(gòu)面粗糙度JRC相近的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)。

    (2)注漿后的剪切峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、剪切參數(shù)及上升段斜率均有不同程度的提高,從而說明注漿對(duì)結(jié)構(gòu)面能夠起到加固的作用。

    (3)注漿后,結(jié)構(gòu)面的剛度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)都有所改善,而剛度的改善更為明顯。

    (4)鋸齒個(gè)數(shù)和注漿過程對(duì)剪切過程有很大的影響。結(jié)構(gòu)面的剪切峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度隨著鋸齒形齒數(shù)的增多明顯提高,而注漿過程對(duì)鋸齒模型結(jié)構(gòu)的剪切過程的影響主要表現(xiàn)在對(duì)峰值強(qiáng)度、剪切參數(shù)、上升段斜率及殘余強(qiáng)度的影響上。

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