凍融循環(huán)下多裂隙注漿巖石破壞特性試驗(yàn)研究

張慶 王博 趙鈺洲

（吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林長春 130000）

地下工程建設(shè)數(shù)量不斷增多，建設(shè)規(guī)模不斷提升，地下工程巖體失穩(wěn)事故頻發(fā)，巖體加固技術(shù)研究是現(xiàn)階段重要研究方向。注漿加固技術(shù)是工程中普遍采用的加固技術(shù)之一，應(yīng)用于礦山、隧道等地下工程項(xiàng)目[1]。寒冷地區(qū)低溫時(shí)間長，導(dǎo)致大量的巖體缺陷，增大巖體事故發(fā)生的幾率與風(fēng)險(xiǎn)，所以注漿加固技術(shù)在寒區(qū)的應(yīng)用研究是加固技術(shù)重要的研究方向。

近年來，巖石加固技術(shù)研究主要集中在不同荷載條件下、不同含水率情況下，注漿加固巖石的破壞特點(diǎn)與力學(xué)特性。王志等[2]研究學(xué)者針對(duì)于不同荷載作用下注漿巖石開展了大量的試驗(yàn)研究工作，分析巖石破壞形態(tài)及力學(xué)特性，探索符合注漿巖石的本構(gòu)關(guān)系模型。張嘉凡等[3]研究不同循環(huán)次數(shù)對(duì)于注漿巖石力學(xué)性能的影響，分析其力學(xué)性能變化規(guī)律。

現(xiàn)階段對(duì)于單裂隙與雙裂隙注漿加固巖石的試驗(yàn)研究較多，對(duì)多裂隙類注漿加固巖石材料研究尚沒有可靠的試驗(yàn)及理論研究基礎(chǔ)。本文從凍融循環(huán)對(duì)不同裂隙排布注漿試件的影響，比較不同裂隙排布注漿巖石破壞特征。

1 試件制作與試驗(yàn)

1.1 試件制作

本試驗(yàn)采用水、水泥、細(xì)砂等材料制作類巖石試件，材料配合比采用體積比，比例為2:1:1，試件的長度為150 mm、高度為75 mm、厚度為30 mm；試件制作完成后，采用鋁合金薄片預(yù)制裂隙，裂隙的寬度為0.8mm，長度為10mm。試件養(yǎng)護(hù)過程中檢查裂隙預(yù)制質(zhì)量。

本試件采用45°傾角的裂隙，裂隙布置共分為5 種，包括1排、2 排、3 排、4 排、5 排，每排設(shè)置3 個(gè)等距離裂隙，每種裂隙排布類巖石試件制作3 塊。5 種裂隙布置位置如圖1 所示。

圖1 試件中裂隙布置方式（單位：mm）

本次注漿材料采用工程中常用的水泥基材料，水泥基材料選用快硬高強(qiáng)的水泥作為原材料，符合工程快速施工要求。注漿材料的配合比為質(zhì)量比，水泥與水的比例為2:1。試件的裂隙寬度較小，注漿液采用自由流動(dòng)填充裂隙的方式。通過破壞狀態(tài)試件分析，最終注漿的填充量占裂隙尺寸的80%以上，符合工程巖體修復(fù)材料實(shí)際填充量。注漿后試件養(yǎng)護(hù)7 天，采用自由飽水方法放入水中靜置48 小時(shí)，飽和水試件放入HN-MD-E型建材凍融試驗(yàn)臺(tái)中，本次試驗(yàn)按照凍融循環(huán)試驗(yàn)規(guī)范，一次凍融循環(huán)設(shè)置為8 小時(shí)。

1.2 試驗(yàn)儀器與加載條件

巖石凍融試驗(yàn)裝置為HN-MD-E 型建材凍融試驗(yàn)臺(tái)，凍融過程的控制溫度設(shè)置為20℃和-20℃，循環(huán)次數(shù)為40 次。單軸壓縮試驗(yàn)裝置采用500kN 微機(jī)控制電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)，壓力試驗(yàn)機(jī)采用POP-M 型控制器，本次試驗(yàn)采用力控加載，力控加載的速度為0.2kN/S，本試驗(yàn)利用三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC-3D）觀測系統(tǒng)觀測注漿試件破壞的全過程，形成多裂隙注漿試件三維應(yīng)變?cè)茍D。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

試件采用持續(xù)加載的方式，直至荷載達(dá)到材料的極限荷載，發(fā)生瞬時(shí)的脆性斷裂。針對(duì)該變形特征，選取極限荷載的應(yīng)變場云圖進(jìn)行分析，極限荷載三維應(yīng)變場的計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。不同裂隙應(yīng)變場云圖表明，3 條裂隙、6 條裂隙試件的試件上部出現(xiàn)了應(yīng)變突變，試件的完整性較好，裂隙處未出現(xiàn)應(yīng)變突變現(xiàn)象；9 條裂隙試件上部裂隙與下部裂隙出現(xiàn)明顯的應(yīng)變突變情況，上部裂隙出現(xiàn)了應(yīng)變最大值，最大值為-1.76mm；12 條、15 條裂隙試件的應(yīng)變場云圖顯示裂隙位置均出現(xiàn)應(yīng)變突變情況，12 條裂隙試件的應(yīng)變突值最大值在上部裂隙，最大值為-2.56mm，15 條裂隙試件的全部裂隙出均出現(xiàn)應(yīng)力突變現(xiàn)象，應(yīng)變突變值也出現(xiàn)在上部裂隙處，由于裂隙數(shù)量較多，裂隙距離較近，應(yīng)變突變值出現(xiàn)在上部裂隙處試件邊緣附近。隨著試件裂隙數(shù)量增多，試件中部裂隙的應(yīng)變突變現(xiàn)象越加明顯，應(yīng)變突變數(shù)量逐漸增加。

圖2 試件的三維應(yīng)變?cè)茍D（單位：mm）

通過試驗(yàn)應(yīng)變?cè)茍D分析，隨著裂隙數(shù)量增多，受凍融影響的多裂隙注漿修復(fù)巖石上部與下部裂隙處均出現(xiàn)明顯的應(yīng)變突變現(xiàn)象，中部裂隙的突變值逐漸增大；距離試驗(yàn)加載裝置越近的裂隙，應(yīng)變突變值越大，12 條裂隙試件達(dá)到最大值；隨著裂隙數(shù)量增多，應(yīng)變突變值逐漸增大，裂隙數(shù)量增多到一定程度，應(yīng)變突變值不再增大，應(yīng)變突變位置數(shù)量增多，15 條的裂隙的應(yīng)變突變位置數(shù)量最多，整個(gè)試件的應(yīng)變突變現(xiàn)象最明顯。

由于試件數(shù)量較多，本文篇幅有限，本文只列舉出12 條裂隙試件的荷載水平為30%、45%、75%、90%下，試件垂直方向應(yīng)變特點(diǎn)與破壞情況，12 條裂隙試件垂直荷載方向的全場應(yīng)變?cè)茍D如圖3 所示。

圖3 垂直荷載方向的全場應(yīng)變?cè)茍D（單位：mm）

通過不同荷載水平的應(yīng)變?cè)茍D分析，隨著荷載不斷增加，應(yīng)變數(shù)值不斷增大，應(yīng)變突變位置不斷增多，具體試驗(yàn)結(jié)果與破壞情況如下：

（1）在試驗(yàn)加載初期（初始?jí)好茈A段），試件上部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂隙注漿修復(fù)處未出現(xiàn)明顯的變化。在荷載水平達(dá)到20%～30%時(shí)，經(jīng)過修復(fù)后試件的完整性較好，試件上部與下部裂隙均未出現(xiàn)應(yīng)變突變情況，試件上部裂隙應(yīng)變值大于下部裂隙。

（2）荷載水平達(dá)到35%～45%時(shí)，試件裂隙位置無明顯應(yīng)變突變現(xiàn)象，由于試件裂隙處不斷壓密，試件整體的應(yīng)變值小于荷載水平為30%時(shí)應(yīng)變值，試件整體性較好，但是由于試件右上角的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致試件右上部出現(xiàn)斜向開裂，裂紋高度達(dá)到試件的一半，裂紋未出現(xiàn)貫通情況。

（3）在荷載水平達(dá)到45%～60%時(shí)，試件右上角的裂紋達(dá)到擴(kuò)展和貫通，試件右上角出現(xiàn)局部破壞情況，右下角也出現(xiàn)應(yīng)變突變的現(xiàn)象。試件的應(yīng)變值較荷載水平35%～45%時(shí)增大，試件上部裂隙的應(yīng)變值較下部裂隙大。在荷載水平達(dá)到60%～90%期間，試件應(yīng)變值持續(xù)增加，右上角裂紋破壞部位的應(yīng)變值出現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象。在荷載水平達(dá)到100%時(shí)，試件出現(xiàn)破壞，試件的下部被壓碎。

3 結(jié)論

本文針對(duì)凍融循環(huán)下多裂隙注漿巖石破壞特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)研究分析凍融循環(huán)對(duì)于不同裂隙排布試件的影響，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

3.1 通過凍融循環(huán)下不同裂隙排布試件單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析，試件裂隙較少時(shí)，單軸壓縮試件的完整性較好，未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變突變情況。隨著裂隙數(shù)量增多，試件裂隙突變值逐漸增大，裂隙數(shù)量到達(dá)一定程度，應(yīng)變突變值不再增大，應(yīng)變突變位置逐漸增多。隨著試件中部裂隙位置與上部、下部裂隙位置的應(yīng)變突變值發(fā)展規(guī)律不同，相同排布試件的中部裂隙處應(yīng)變突變值較上部與下部的應(yīng)變突變值小，應(yīng)變突變值較大位置出現(xiàn)在試件上部裂隙處。

3.2 通過12 條裂隙排布試件單軸壓縮試驗(yàn)垂直荷載方向的應(yīng)變?cè)茍D分析，試件垂直荷載方向應(yīng)變值的變化規(guī)律是初期應(yīng)變值增大，中期應(yīng)變值逐漸減少，后期應(yīng)變值迅速增大的現(xiàn)象。試件破壞的規(guī)律是試件承受荷載水平達(dá)到35%時(shí)試件右上部出現(xiàn)斜向裂紋，隨著荷載水平不斷提升，裂紋不斷擴(kuò)展和貫通，荷載水平達(dá)到60%時(shí)試件右上部出現(xiàn)局部破壞。荷載水平再向上提升，應(yīng)變快速增大直至試件下部被壓碎破壞。