裂隙形式對(duì)盾構(gòu)端部加固體強(qiáng)度及破壞模式影響*

王軍祥， 崔寧坤， 甘秀蘭， 唐亞新， 李金宇

(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870； 2. 中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司 杭紹臺(tái)項(xiàng)目部， 湖北 襄陽(yáng) 441104)

盾構(gòu)機(jī)穿過(guò)巖溶或松散土層時(shí)，容易發(fā)生盾構(gòu)機(jī)下沉、地表塌陷及局部液化等不良工程現(xiàn)象[1].當(dāng)盾構(gòu)施工地區(qū)的工程地質(zhì)條件不良時(shí)，其端部破壞較易發(fā)生，在工程上為了改善不良的工程地質(zhì)條件，保證工程安全，通常會(huì)事先采用回填、壓力注漿、高壓旋噴法等方法預(yù)處理不良地質(zhì)體.盾構(gòu)施工對(duì)松散土體的加固處理常常采用高壓旋噴法進(jìn)行加固，由于地下加固過(guò)程不可視，難免會(huì)出現(xiàn)加固不良現(xiàn)象，加固體中出現(xiàn)各種裂隙.裂隙的存在對(duì)加固體的力學(xué)特性及強(qiáng)度都具有不良影響，故此對(duì)存在裂隙的加固體破壞特性進(jìn)行研究具有實(shí)際的工程意義.國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)巖體及類巖體材料的破壞特性進(jìn)行了研究.肖桃李等[2]采用MTS常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)方法，對(duì)預(yù)制裂隙的類巖體材料進(jìn)行試驗(yàn)，研究了裂隙試樣的破壞特性；張波等[3-4]考慮了多種裂隙形式，用類巖體材料模擬巖體，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究了巖體中存在交叉裂隙情況的力學(xué)性能及破壞機(jī)制；Haeri等[5]用含1～2條預(yù)置裂隙類巖石圓盤(pán)試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，觀測(cè)到翼裂紋首先出現(xiàn)并向最大壓應(yīng)力的方向擴(kuò)展；劉學(xué)偉等[6]利用單軸壓縮試驗(yàn)，研究了類巖石材料中裂隙形式對(duì)試樣強(qiáng)度特征及失穩(wěn)模式的影響；劉欣宇等[7]研究了交叉充填節(jié)理對(duì)類巖石強(qiáng)度特征和變形特性的影響；樊成等[8]對(duì)巖體Ⅱ型裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了數(shù)值模擬方法研究；張科等[9]對(duì)巖體中反傾角裂隙的壓剪破壞進(jìn)行了研究.

本文主要以某市地下綜合管廊盾構(gòu)施工為現(xiàn)實(shí)工程背景，利用施工現(xiàn)場(chǎng)端部加固體材料制作試驗(yàn)試件，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析高壓旋噴法對(duì)盾構(gòu)施工端部加固時(shí)，加固體中裂隙的存在對(duì)加固體強(qiáng)度的影響及其破壞模式.通過(guò)試驗(yàn)可知，工程上應(yīng)該從兩個(gè)方面來(lái)減小裂隙對(duì)加固體的影響：1)通過(guò)改善水泥漿與施工地區(qū)砂土的配比，提高加固體的整體強(qiáng)度；2)改善施工工藝，使水泥漿與砂土混合得更加充分均勻，減小加固體中裂隙存在的可能性[10].

1 巖體破壞力學(xué)分析

在巖體破壞中，常見(jiàn)的破壞有巖石自身強(qiáng)度的破壞和巖體中軟弱結(jié)構(gòu)的破壞兩種形式.假設(shè)試件材料滿足各向同性且材料強(qiáng)度與裂隙強(qiáng)度均符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則時(shí)，由摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則可知

(1)

(2)

由裂隙強(qiáng)度符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則可知

τ=cw+σtanφw

(3)

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；β為裂隙傾角；cw為裂隙面粘聚力；φw為裂隙面內(nèi)摩擦角；τ和σ為裂隙面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力.

由式(1)～(3)可得裂隙強(qiáng)度摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則為

(4)

巖塊的摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則為

(5)

式中，φ0和c0為巖塊內(nèi)摩擦角和粘聚力.

由式(4)可得裂隙強(qiáng)度曲線斜率及裂隙面的單軸抗壓強(qiáng)度分別為

(6)

(7)

同理可得巖塊強(qiáng)度曲線斜率及巖塊單軸抗壓強(qiáng)度分別為

(8)

(9)

由上述公式可知，巖塊的強(qiáng)度由自身的內(nèi)摩擦角及粘聚力控制；巖體內(nèi)存在裂隙時(shí)，其整體強(qiáng)度則由裂隙的強(qiáng)度控制.由式(6)～(7)可知，巖體內(nèi)裂隙的強(qiáng)度由裂隙傾角β、裂隙面粘聚力cw、裂隙面內(nèi)摩擦角φw控制，而φw、cw僅與材料屬性有關(guān)，故裂隙傾角β對(duì)于含有裂隙巖體強(qiáng)度有著至關(guān)重要的影響.

2 單軸壓縮試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

在某市地下綜合管廊項(xiàng)目中，端部加固體是使用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥與水進(jìn)行1∶0.7質(zhì)量比配成水泥漿液，然后與地下砂土混合而成.本次試驗(yàn)試件的制作將采用相同規(guī)格的水泥與水，按照質(zhì)量比為1∶0.7配制水泥漿液，然后與現(xiàn)場(chǎng)砂土進(jìn)行不同配比，制作試驗(yàn)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，具體配比如表1所示.

表1 材料配比Tab.1 Mix proportion of materials

本試驗(yàn)取用與工程現(xiàn)場(chǎng)相同的砂土和水泥漿液，按照一定比例進(jìn)行混合，以此來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)高壓旋噴法端部加固體，同時(shí)利用預(yù)制PVC薄片來(lái)模擬加固體中出現(xiàn)的單裂隙、平行雙裂隙，以此研究不同配比、不同裂隙角度的試件在單軸壓縮條件下的力學(xué)性能和裂隙的破壞特性，對(duì)使用高壓旋噴法進(jìn)行端部加固的工程提供一定的幫助和建議.

2.2 試件制作

選用A×B×H=50 mm×50 mm×100 mm的方形模具制備試件，如圖1所示.其中，A為試件寬度，B為試件厚度，H為試件高度.預(yù)制裂縫所使用的PVC薄片是使用透明文件拉桿夾制作而成，厚度為0.2 mm，寬度為15 mm.將預(yù)制的PVC薄片貫穿試件來(lái)代替貫穿裂隙，近似模擬閉合裂隙，沿著厚度B的方向進(jìn)行放置，單裂隙的放置角度分別為0°、30°、60°、90°，平行雙裂隙的放置角度分別為30°和60°，裂隙角度示意圖如圖2所示，具體各工況如表2所示.本試驗(yàn)中，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，排除偶然誤差的影響，每種工況制作5個(gè)相同試件，共制作21種工況105個(gè)試驗(yàn)試件.

圖1 試件模具制備Fig.1 Preparation of specimen mould

圖2 預(yù)制裂隙試件示意圖Fig.2 Schematic diagram of prefabricated crack specimens

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Operating conditions of tests

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

單軸壓縮試驗(yàn)是在沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院建筑材料結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心的萬(wàn)能試驗(yàn)儀上完成的.該設(shè)備具有軸向加載剛度大，可以獨(dú)立伺服加載，具有高精度寬頻電液伺服閥，對(duì)于材料可以快速響應(yīng)，測(cè)得的數(shù)據(jù)比較精準(zhǔn)可靠，可以進(jìn)行多種不同物理參數(shù)的測(cè)量，且可以進(jìn)行電子計(jì)算機(jī)的全程自動(dòng)控制.在本試驗(yàn)中采用位移加載的方式進(jìn)行加載，加載速率為0.5 mm/min.

3.1 裂隙對(duì)加固體力學(xué)性能的影響

對(duì)試驗(yàn)試件逐個(gè)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理和計(jì)算得到具體詳細(xì)數(shù)據(jù)，如表3所示.單軸壓縮試驗(yàn)中各工況的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3～5所示.

當(dāng)水泥漿液與砂進(jìn)行1∶1配比混合時(shí)，由1～7工況的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知：工況1無(wú)裂隙試件的峰值強(qiáng)度最大；工況7含有60°平行雙裂隙的峰值強(qiáng)度最??；工況3含有30°單列隙的峰值強(qiáng)度大于工況6含有30°平行雙裂隙的峰值強(qiáng)度；工況4含有60°單列隙的峰值強(qiáng)度大于工況7含有60°平行雙裂隙的峰值強(qiáng)度.由此可知，裂隙的存在會(huì)一定程度地降低試件的強(qiáng)度.

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Test data

圖3 工況1～7應(yīng)力-應(yīng)變圖Fig.3 Stress-strain curves at operating conditions 1 to 7

圖4 工況8～14應(yīng)力-應(yīng)變圖Fig.4 Stress-strain curves at operating conditions 8 to 14

圖5 工況15～21應(yīng)力-應(yīng)變圖Fig.5 Stress-strain curves at operating conditions 15 to 21

當(dāng)水泥漿液與砂進(jìn)行2∶3配比混合時(shí)，由工況8～14的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知：工況8無(wú)裂隙試件的峰值強(qiáng)度最大；工況14含有60°平行雙裂隙的峰值強(qiáng)度最小；工況10含有30°單列隙的峰值強(qiáng)度大于工況13含有30°平行雙裂隙的峰值強(qiáng)度；工況11含有60°單列隙的峰值強(qiáng)度大于工況14含有60°平行雙裂隙的峰值強(qiáng)度，與工況1～7的結(jié)論大致相同.

當(dāng)水泥漿液與砂進(jìn)行1∶2配比混合時(shí)，由工況15～21的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知：工況15無(wú)裂隙試件的峰值強(qiáng)度最大；工況21含有60°平行雙裂隙的峰值強(qiáng)度最??；工況17含有30°單列隙的峰值強(qiáng)度大于工況20含有30°平行雙裂隙的峰值強(qiáng)度；工況18含有60°單列隙的峰值強(qiáng)度大于工況21含有60°平行雙裂隙的峰值強(qiáng)度.

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線及單軸抗壓強(qiáng)度平均值可知，無(wú)裂隙工況1、8、15的水泥漿液與砂的配比分別為1∶1、2∶3、1∶2，配比為2∶3(工況8)的峰值強(qiáng)度最大，配比為1∶2(工況15)具有最小峰值強(qiáng)度.本試驗(yàn)認(rèn)為水泥漿液主要起到膠結(jié)作用，其對(duì)力的承載主要由砂顆粒來(lái)承擔(dān)，配比為2∶3較配比為1∶1的試件具有更多的砂顆粒來(lái)承擔(dān)壓力；配比為1∶2雖有較多的砂顆粒來(lái)承擔(dān)壓力，但其漿液較少，砂顆粒間的粘結(jié)力較弱.故本次試驗(yàn)認(rèn)為，水泥漿液與砂土進(jìn)行2∶3配比混合時(shí)，加固體具有較高強(qiáng)度；在加固體強(qiáng)度未達(dá)到一定值時(shí)，裂隙的數(shù)量較裂隙角度對(duì)加固體強(qiáng)度影響占主導(dǎo)地位；強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，裂隙的角度對(duì)加固體強(qiáng)度的影響較為突出.

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

3.2.1 無(wú)裂縫試件

工況1、8、15為三種不同配比無(wú)裂縫試件，在其受到軸向壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大致沿45°方向的對(duì)角線裂縫，屬于典型剪切破壞，其強(qiáng)度特征符合經(jīng)典摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，如圖6所示.故此認(rèn)為，在沒(méi)有裂隙存在的加固體中，其破壞為典型剪切破壞.

圖6 無(wú)裂縫試件破壞后側(cè)面圖Fig.6 Side view of crack-free specimens after failure

3.2.2 0°裂隙試件

工況2、9、16為0°單裂隙試件，當(dāng)軸向受壓時(shí)三個(gè)工況均在近似平行軸向(即近似垂直于0°裂縫的方向)方向上出現(xiàn)裂縫，即拉破壞，如圖7所示.

圖7 0°裂隙試件正面破壞圖Fig.7 Front view of 0° crack specimens after failure

3.2.3 30°裂隙試件

工況3、10、17為30°單裂隙試件，在受到軸向加載時(shí)，不同配比試件出現(xiàn)不同的裂隙，1∶1配比的整組試件在正面幾乎沒(méi)有明顯的裂紋，而兩個(gè)側(cè)面出現(xiàn)與無(wú)裂縫組相同的大跨度對(duì)角線裂縫的剪切破壞，其余兩組試件前后兩面出現(xiàn)少量沿著預(yù)制裂縫的豎直延展裂縫，即拉破壞，如圖8所示.

圖8 30°裂隙試件正面破壞圖Fig.8 Front view of 30° crack specimens after failure

3.2.4 60°裂隙試件

工況4、11、18為60°單裂隙試件，在軸向加載時(shí)，出現(xiàn)了沿著裂隙方向的擴(kuò)展裂隙，其擴(kuò)展裂隙與模擬的裂隙共面，如圖9所示，試件的四個(gè)面均有剪切破壞裂隙出現(xiàn).

圖9 60°裂隙試件正面破壞圖Fig.9 Front view of 60° crack specimens after failure

3.2.5 90°裂隙試件

工況5、12、19為90°單裂隙試件，在軸向加載時(shí)，出現(xiàn)了與0°單裂縫相同的破壞，大多在前后兩面出現(xiàn)一道或幾道豎向裂縫，即拉破壞；側(cè)面出現(xiàn)剪切破壞的長(zhǎng)斜裂縫，即剪破壞，如圖10所示.

圖10 90°裂隙試件正面破壞圖Fig.10 Front view of 90° crack specimens after failure

3.2.6 30°平行雙裂隙試件

工況6、13、20為30°平行雙裂隙試件，在軸向加載時(shí)，試件背面出現(xiàn)了一定程度上的對(duì)頂錐破壞，即共軛剪切破壞，如圖11所示.

3.2.7 60°平行雙裂隙試件

工況7、14、21為60°平行雙裂隙試件，當(dāng)軸向加載時(shí)，大部分試件均出現(xiàn)共軛剪節(jié)理，即發(fā)生對(duì)頂錐式剪切破壞，如圖12所示.

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)基于某市地下綜合管廊實(shí)際工程，研究了裂隙形式對(duì)盾構(gòu)施工端部加固體破壞的影響，試驗(yàn)結(jié)果能夠?yàn)槎軜?gòu)施工提供一定的參考價(jià)值.本試驗(yàn)得出以下結(jié)論：水泥漿液與砂的配比為2∶3時(shí)，加固體具有較高的強(qiáng)度；水泥漿液與砂的配比為1∶2時(shí)，加固體的強(qiáng)度最低；試件軸向加載時(shí)，裂隙的存在都將使試件的強(qiáng)度有所降低，其破壞形式與裂隙的角度及數(shù)量有關(guān)；對(duì)于單裂縫來(lái)說(shuō)，多為拉-壓破壞和剪切破壞；對(duì)于雙裂縫來(lái)說(shuō)，多為共軛剪切破壞，并伴隨有明顯的共軛剪節(jié)理出現(xiàn).

圖11 30°平行雙裂隙試件正面破壞圖Fig.11 Front view of 30° parallel double crack specimens after failure

圖12 60°平行雙裂隙試件正面破壞圖Fig.12 Front view of 60° parallel double crack specimens after failure