凍融條件下單裂隙注漿巖石破壞特性試驗研究

王 博,張 慶

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

在寒區(qū)巖體工程建設(shè)中對不良地質(zhì)體進(jìn)行加固尤為常見,由于施工方便、設(shè)備簡單以及工期短等優(yōu)點(diǎn),注漿加固技術(shù)在寒區(qū)巖體工程中得到廣泛應(yīng)用.注漿過程中,漿液填充巖體裂隙將裂隙膠結(jié),形成注漿固結(jié)體[1-2].通過注漿可以改善裂隙巖體的物理力學(xué)性能,但受凍融作用的影響,注漿固結(jié)體膠結(jié)結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)劣化,為確保寒區(qū)工程建設(shè)安全,開展凍融循環(huán)作用下注漿固結(jié)體破壞特性研究非常必要.

由于巖體工程的隱蔽性和巖體內(nèi)部微裂隙的隨機(jī)分布,對注漿加固后巖體的破壞機(jī)理進(jìn)行研究具有一定挑戰(zhàn).關(guān)于巖石裂隙注漿加固研究,劉冬[3]、王曉晶等[4]、楊哲瀚[5]、金勇等[6]主要利用巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積來對巖土體進(jìn)行注漿加固,論述巴氏芽孢桿菌是如何誘導(dǎo)碳酸鈣沉積;劉泉聲等[7]人對注漿固結(jié)體試樣進(jìn)行加載試驗,研究注漿加固對巖體裂隙力學(xué)特性的影響規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn)注漿加固后巖體裂隙的峰值抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度得到極大提高,裂隙面的抗變形能力增強(qiáng);馮慶元等[8]人采用多種注漿方式對基坑進(jìn)行防水加固,達(dá)到了基本防水要求;任曉軍[9]將草酸溶液加入到脲醛樹脂中形成化學(xué)漿液對豎井井壁涌水現(xiàn)象進(jìn)行施工處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)封水效果顯著且達(dá)到了基本防水要求;王正勝等[10]人對丙烯酸鹽注漿材料基本性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)注漿材料凝膠時間隨主劑濃度增加而縮短,漿材固砂體單軸抗壓強(qiáng)度小于1 MPa.

針對寒區(qū)巖石裂隙問題,注漿固結(jié)體力學(xué)性能的研究主要集中在注漿后強(qiáng)度、固結(jié)體變形特征等方面.趙含等[11]人采用凍融試驗,發(fā)現(xiàn)高聚物注漿材料抗壓強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)、試件密度呈二次多項式回歸關(guān)系;張慶等[12]人對凍融環(huán)境下多裂隙注漿巖石破壞特性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)巖石應(yīng)變突變值隨裂隙數(shù)量增多逐漸增大,裂隙數(shù)量增多到一定程度,應(yīng)變突變值不再增大,突變位置數(shù)量增多;熊彩鳳等[13]人研究凍融循環(huán)對高寒區(qū)巖石蠕變特性的影響,發(fā)現(xiàn)在卸荷過程和凍融循環(huán)作用下,凝灰質(zhì)砂巖的蠕變變形能力有所提高;張嘉凡等[14-15]人通過凍融試驗,發(fā)現(xiàn)隨凍融次數(shù)增加,裂隙試樣及注漿固結(jié)體的質(zhì)量先增后減,注漿固結(jié)體抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度持續(xù)降低.Nasir等[16]人、Tian等[17]人通過室內(nèi)剪切試驗,發(fā)現(xiàn)注漿固結(jié)體剪切變形曲線出現(xiàn)了明顯的峰值剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度.

現(xiàn)階段對于凍融巖石的研究點(diǎn)多而雜且研究面廣.本文主要以巖石裂隙角度、凍融循環(huán)次數(shù)為參數(shù)、環(huán)氧樹脂為注漿材料對注漿巖石的抗壓能力與破壞特征進(jìn)行分析,以便對工程的防護(hù)起到一定的參考作用.

1 試樣制作與試驗

1.1 試樣制作

試驗采用相似材料作為研究對象,將C42.5水泥、石英砂、硅粉、水、減水劑按質(zhì)量比為20∶16∶2.2∶5.6∶0.2稱量后,混合均勻進(jìn)行攪拌.按照《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL/T 264-2020)預(yù)制直徑50 mm 、高100 mm 的圓柱體試樣.采用定制的鋁合金片(長50 mm、寬30 mm、高20 mm)預(yù)制裂隙,制作出長30 mm、寬2 mm的貫穿單裂隙.裂隙的選取根據(jù)張開程度:寬張裂隙(縫寬>5 mm)、張開裂隙(縫寬3 mm～5 mm)、微張裂隙(縫寬1 mm～3 mm)、閉合裂隙(縫寬<1 mm).根據(jù)試驗要求,裂隙設(shè)置4個角度,分別為30°,45°,60°,90°,待24 h后拆模,養(yǎng)護(hù)28 d,將養(yǎng)護(hù)完成的裂隙巖樣進(jìn)行注漿加固,對注漿加固體養(yǎng)護(hù)7 d.試樣分組見表1.

表1 裂隙巖石與注漿加固體試樣

1.2 試驗

(1) 將注漿加固體按照裂隙角度、凍融次數(shù)分為4組,每組不同角度3塊巖樣并編號.例A-B:A代表凍融循環(huán)次數(shù),B代表裂隙角度.

(2) 將分組后的巖樣放入101-2AB電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥,溫度設(shè)置為105 ℃.使用精度為0.01 g電子稱,每隔24 h測量巖樣的干燥質(zhì)量并稱重,至巖樣達(dá)到恒重.

(3) 將干燥后的巖樣進(jìn)行飽水試驗,將巖樣放入水槽中,水槽高度大于100 mm,往水槽中加水至巖樣高度的1/4,每隔2 h加水至巖樣高度的1/2和3/4,6 h后加水浸沒巖樣飽水48 h.

(4) 將飽水后的巖樣放入真空泵中,真空泵中的水面高于巖樣表面即可,將容器密封后進(jìn)行真空 ,飽和時間設(shè)為4 h,真空結(jié)束后斷開電源,將巖樣靜置4 h形成飽和試樣,測量飽和巖樣的質(zhì)量并記錄.

(5) 將真空后的每組巖樣進(jìn)行凍融試驗,凍融次數(shù)為0次、10次、30次、60次.凍融箱溫度循環(huán)范圍為±20 ℃,一次循環(huán)8 h(凍結(jié)4 h,融化4 h).

(6) 將凍融完成的巖樣從凍融箱取出,擦拭表面水分,晾干表面,用啞光白噴漆噴灑試樣表面,待試樣表面噴漆干燥后用馬克筆進(jìn)行涂點(diǎn),形成白底黑斑試樣.

(7) 對完成以上步驟試樣進(jìn)行壓縮試驗和數(shù)字VIC-3D技術(shù)對破壞過程進(jìn)行同步觀測.試驗設(shè)備與食品如圖1所示.

試驗測得的巖石物理力學(xué)參數(shù)見表2

表2 試驗物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 注漿固結(jié)體宏觀破壞情況

根據(jù)巖石力學(xué)理論可知,巖石試樣在單軸壓縮荷載作用下破壞時,常見的破壞形式有以下3種:① X狀共軛斜面剪切破壞;② 單斜面剪切破壞;③ 拉伸(劈裂)破壞.注漿加固體破壞形式見表3.

表3 注漿加固體破壞形式

注漿固結(jié)體試樣在單軸壓縮作用下的破壞形式主要為單斜面剪切破壞和拉伸破壞,大多以單斜面剪切破壞為主.各注漿固結(jié)體破壞狀況描述如下:

0-30試樣隨荷載的不斷增大,試樣從右上角破壞出現(xiàn)裂紋,經(jīng)裂隙中部最后延伸至左下角,形成剪切破壞.在裂隙的中部延伸出4條次生裂紋,裂紋長度2 0 mm～40 mm,裂紋寬度0.05 mm～0.2 mm.在試樣的左部,試樣發(fā)生拉伸破壞,是由于不可控因素導(dǎo)致試件表面不平整,存在誤差.

0-45試樣隨荷載的不斷增大,試樣從右上角破壞出現(xiàn)裂紋,裂紋穿過裂隙端部延伸至左下角,形成剪切破壞.裂隙上端部延伸出3條次生裂紋,裂紋長度30 mm～40 mm,裂紋寬度1 mm～2 mm.次生裂紋之間形成新的二次裂紋.下端部延伸出2條次生裂紋,裂紋長度40 mm～50 mm,裂紋寬度0.8 mm～1.2 mm.

0-60試樣隨荷載的不斷增大,試樣從右上角破壞出現(xiàn)裂紋,裂紋穿過裂隙上下端部延伸至左下角,形成剪切破壞.裂紋上端部形成1條主裂紋與次生裂紋,主裂紋長度38 mm,裂紋寬度4 mm.裂紋下端部形成2條主裂紋:1條主裂紋方向向下延伸至試件底部,裂紋長度42 mm,寬2 mm;1條裂紋方向向上,形成的裂紋與試樣右上角破壞產(chǎn)生的裂紋交錯.其次,試件右上角發(fā)生拉伸破壞,產(chǎn)生的裂紋垂直向下.

0-90試樣隨著荷載的不斷增大,試樣從中間破壞出現(xiàn)裂紋,裂紋垂直延伸至試樣底部,形成拉伸破壞.裂紋長度103 mm,裂紋寬度1.4 mm.

10-30試樣隨荷載的不斷增大,試樣從右上角破壞出現(xiàn)2條裂紋:1條裂紋從右上角向下經(jīng)過裂隙上下端部,最后延伸至左下角,裂紋長度115 mm,裂紋寬度1.8 mm,形成剪切破壞;1條裂紋從右上角垂直向下直到試樣底部,形成拉伸破壞.裂紋長度100 mm,裂紋寬度2.2 mm.

10-45試樣隨荷載的不斷增大,在試樣右上角產(chǎn)生裂紋,裂紋經(jīng)過裂隙最后延伸到試樣左下角,形成剪切破壞.裂紋長度104 mm,裂隙寬度4 mm,試樣伴隨荷載的增大右側(cè)出現(xiàn)部分脫落.

10-60試樣隨著荷載的不斷增大,試樣從左上角產(chǎn)生2條主裂紋:1條裂紋經(jīng)過裂隙上端部隨后延伸到試樣底部偏右位置,形成剪切破壞.裂紋長度94 mm,裂紋寬度1.8 mm;1條裂紋垂直向下至試樣底部,形成拉伸破壞.2條裂紋周圍均發(fā)現(xiàn)試樣碎片脫落.

10-90試樣伴隨荷載的增大,試樣右上部與中部產(chǎn)生裂紋,方向向下延伸至裂隙上端部匯聚,之后穿過裂隙垂直向下至底部,形成拉伸破壞,所產(chǎn)生的裂紋長度101 mm,裂紋寬度2.1 mm.其次在試樣底部發(fā)生拉伸破壞,裂紋發(fā)育方向從底部垂直向上到與裂隙上端部平齊位置停止.

30-30試樣伴隨荷載的增大,試樣從底部中央偏左位置產(chǎn)生裂紋,方向垂直向上經(jīng)過裂隙下端部持續(xù)向上發(fā)育直至破壞,產(chǎn)生的裂紋長度85 mm,裂紋寬度約1.8 mm.

30-45試樣伴隨壓力的不斷增大,先從左上角產(chǎn)生裂紋垂直向下至試樣下邊緣,裂紋長度96 mm,裂紋寬度約1.3 mm.其次在試樣上邊緣中部產(chǎn)生裂紋,方向向下發(fā)育至裂隙上端部,之后產(chǎn)生新的裂紋從裂隙上端部處向上偏左發(fā)育至試樣上邊緣左端.在試樣上邊緣產(chǎn)生的裂紋經(jīng)過裂隙后繼續(xù)向下發(fā)育至試樣底部.

30-60試樣隨荷載的不斷增大,首先試樣上邊緣右邊產(chǎn)生破壞,形成裂紋繼續(xù)向下發(fā)育穿過裂隙,最后延伸到試樣下邊緣,形成剪切破壞,裂紋長度104 mm,裂紋寬度1.2 mm.其次在試樣的左右兩側(cè)均發(fā)生拉伸破壞,裂紋均從試樣下邊緣向上發(fā)育,左側(cè)裂紋延伸至裂隙上部終止,右側(cè)裂紋延伸到試樣中部直至脫落.在壓縮的過程中由于材料的原因以及試驗機(jī)的剛性較大,試樣伴隨著碎片脫落.

30-90試樣隨荷載的不斷增大,試樣下邊緣產(chǎn)生破壞,在下邊緣中部與右側(cè)產(chǎn)生裂紋,中部裂紋向上發(fā)育至在裂隙下端部偏右與右側(cè)裂紋匯聚.右側(cè)裂紋發(fā)育至試樣右邊緣,最終形成碎塊.

60-30試樣隨荷載的不斷加大,首先從試樣左上角產(chǎn)生裂紋,之后裂紋向下發(fā)育經(jīng)過裂隙下端部再從裂隙下方發(fā)育至試樣下邊緣右側(cè),形成剪切破壞,裂紋長度108 mm,裂紋寬度0.3 mm.

60-45試樣隨荷載的增大,試樣首先從右上角發(fā)生破壞產(chǎn)生3條裂紋,第1條裂紋垂直向下發(fā)育至裂隙下端部偏上位置終止.第3條裂紋垂直向下發(fā)育至試樣高度的1/9停止.第2條裂紋發(fā)育方向向下偏右側(cè)至裂隙上端部之后兵分兩路,一路裂紋水平向右至試樣右側(cè),裂紋長度38 mm,裂紋寬度0.1 mm.另一路從裂隙上端部向下發(fā)育至試樣下邊緣偏右,形成剪切破壞,總裂紋長度101 mm,裂紋寬度0.2 mm.

60-60試樣隨著荷載的不斷增大,在試樣上邊緣產(chǎn)生3條主裂紋(從左至右),第3條裂紋豎直向下發(fā)育至裂隙上端部停止.第1條裂紋豎直向下發(fā)育至試樣下邊緣左側(cè),裂紋長度101 mm,裂紋寬度約3.5 mm.第2條裂紋先豎直向下發(fā)育穿過裂隙,其次裂紋偏右發(fā)育至試樣下邊緣,裂紋長度103 mm,裂紋寬度約2.6 mm.

60-90試樣隨荷載的增大,試樣首先從上邊緣左側(cè)發(fā)生破壞,產(chǎn)生2條裂紋均豎直向下發(fā)育,第1條裂紋延伸到距離試樣下邊緣14 mm處停止,裂紋長度86 mm,裂紋寬度0.9 mm.通過對試樣的破壞過程分析,裂隙角度對于試樣的破壞形式具有一定的影響,這對于需要注漿加固的工程具有一定的借鑒意義.

2.2 注漿固結(jié)體凍融前后強(qiáng)度降低情況

采用500 kN微機(jī)控制電液伺服結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng),對4組注漿固結(jié)體試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗,試驗采用力控加載,加載速度為0.2 kN/s.在試驗時利用數(shù)字VIC-3D技術(shù)進(jìn)行觀測試樣破壞過程,最終得出不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的抗壓強(qiáng)度結(jié)果(應(yīng)力-應(yīng)變曲線)如圖2～圖5所示,測得4組各試樣的峰值強(qiáng)度值見表4.

圖2 0次循環(huán)裂隙角度應(yīng)力-應(yīng)變

圖3 10次循環(huán)裂隙角度應(yīng)力-應(yīng)變

圖4 30次循環(huán)裂隙角度應(yīng)力-應(yīng)變

圖5 60次循環(huán)裂隙角度應(yīng)力-應(yīng)變

表4 各試樣峰值強(qiáng)度

從應(yīng)力-應(yīng)變圖看出,按照米勒對峰值前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線劃分,預(yù)制的試樣基本符合塑-彈-塑性體.應(yīng)力較低時,曲線向上彎曲,當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值后,變形曲線變?yōu)橹本€,最后曲線向下彎曲,整體近似S形.根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線將試樣變形分為4個階段:① 孔隙裂隙壓密階段:受荷載初期,試樣內(nèi)部原有微裂隙逐漸閉合,試樣被壓密,形成非線性變形;② 彈性變形階段:曲線近似呈直線;③ 裂紋發(fā)展階段:曲線呈上凸型,試樣內(nèi)微裂紋不斷發(fā)育,直至試樣完全破壞;④ 破裂后階段:試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞,試樣內(nèi)裂隙快速發(fā)展,交叉聯(lián)合形成宏觀斷裂面,但試樣基本保持完整.

由表4得出,經(jīng)過凍融循環(huán)后的試樣抗壓強(qiáng)度明顯降低,無論試樣經(jīng)歷多少次循環(huán),在相同凍融次數(shù)條件下,隨著裂隙角度的增大試樣的抗壓強(qiáng)度隨之增大.對于0次循環(huán)條件下,裂隙角度30°最小抗壓強(qiáng)度21.34 MPA,裂隙角度90°抗壓強(qiáng)度最大42.38 MPA,增加了49.6%.同理,對于10次循環(huán)條件下,最小抗壓強(qiáng)度17.67 MPa,最大抗壓強(qiáng)度39.63 MPa,增加了55.4 %.同條件下,30次循環(huán)和60次循環(huán)分別增加了56.28 %和64.8 %.在相同的裂隙角度條件下,隨凍融次數(shù)的增加試樣的抗壓強(qiáng)度隨之降低.對于裂隙角度30°條件下,0次循環(huán)抗壓強(qiáng)度最大21.34 MPa,60次循環(huán)抗壓強(qiáng)度最小11.09 MPa,降低了48 %.同理,對于裂隙角度45°條件下,最大抗壓強(qiáng)度27.65 MPa,最小抗壓強(qiáng)度13.13 MPa,降低了52.5 %.裂隙角度60°和90°條件下分別降低了23.4 %和25.6 %.試樣抗壓強(qiáng)度的降低主要由于反復(fù)的凍融,在凍的時候試樣已達(dá)到飽水狀態(tài),試樣內(nèi)部的水分由于溫度的降低凍結(jié)成冰,導(dǎo)致試樣體積與質(zhì)量增大,在融的時候試樣本身溫度升高,導(dǎo)致內(nèi)部的冰融化成水,如此反復(fù),試樣在水冰相變的作用下,導(dǎo)致試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量的孔隙,最終試樣質(zhì)量降低,孔隙率進(jìn)一步提高,試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸被破壞,彈性模量隨之降低,導(dǎo)致凍融次數(shù)增加伴隨抗壓強(qiáng)度的降低.其次,試樣強(qiáng)度的降低有試樣本身的缺陷,在預(yù)制試樣時均是人為預(yù)制,有可能在制作上存在攪拌不均勻或者振搗不足使試樣內(nèi)部存在較多大開型孔隙,導(dǎo)致試樣本身的抗壓強(qiáng)度不高.

3 結(jié)論

通過對所有試樣進(jìn)行凍融、單軸抗壓試驗,得出以下結(jié)論:

(1) 通過對4組試樣的破壞形式分析發(fā)現(xiàn),裂隙角度為30°,45°,60°試樣主要以剪切破壞為主(除了30-30試樣);裂隙角度為90°試樣主要以拉伸破壞為主.

(2) 4組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本一致,分為4個階段:即孔隙裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂紋發(fā)展階段、破裂后階段.

(3) 對4組試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗得出,在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,隨裂隙角度的增加抗壓強(qiáng)度隨之增大;在相同的裂隙角度下,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加抗壓強(qiáng)度隨之降低.

(4) 試驗不足在于缺少完整試樣的對照組,導(dǎo)致用環(huán)氧樹脂注漿加固的效果無法得出,其次由于壓力試驗機(jī)的剛度大,試樣某部位發(fā)生破壞時試驗停止,存在抗壓強(qiáng)度過低的可能性.