巖石結(jié)構(gòu)面注漿加固抗剪特性試驗(yàn)研究

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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