含裂隙類巖石注漿加固后破壞試驗(yàn)研究

王志，李龍，王朝雅

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含裂隙類巖石注漿加固后破壞試驗(yàn)研究

王志，李龍，王朝雅

(鄭州大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州，450001)

采用白水泥預(yù)埋抽條法制作類巖石試樣，利用鄰苯二甲酸二丁酯增韌的環(huán)氧樹脂漿液進(jìn)行注漿，分析加固前后裂尖位置的應(yīng)變場，揭示加固后多裂隙試樣的破壞機(jī)理。研究結(jié)果表明：加固前后的裂紋萌生位置相同，未注漿試樣的起裂角與原裂紋面垂直，注漿后的試樣裂縫由起裂位置豎直向上下貫通整個試樣，類似于完整試樣的單軸壓縮破壞，注漿加固能夠?qū)⒘鸭獾膽?yīng)力集中有效抑制，同時增強(qiáng)試樣的完整性。未注漿的單裂隙試樣裂尖最大主應(yīng)變在達(dá)到臨界時出現(xiàn)首條裂縫，隨后會發(fā)生應(yīng)力重分布，注漿加固后，主應(yīng)變增長均勻，破壞是由于裂隙充填物與類巖石材料之間的變形不平衡引起的。未注漿的雙裂隙試樣，裂紋萌生后，韌帶區(qū)附近最大主應(yīng)變增加至臨界值出現(xiàn)貫通裂縫，斷裂類型為I型斷裂，注漿加固后雙裂隙試樣，裂尖附近拉應(yīng)變幾乎同時達(dá)到最大值，注漿加固可避免由于不連續(xù)節(jié)理或裂縫形成應(yīng)力重分布，使試樣形成較為完整的整體，影響注漿效果的主要因素是注漿材料的強(qiáng)度以及其與基體材料的黏結(jié)情況。

注漿加固；裂隙；破壞機(jī)理；應(yīng)變分析；類巖石

在礦山開采過程中，垮塌、漏水等災(zāi)害頻發(fā)，對巖土體進(jìn)行注漿加固成為事故處理與預(yù)防的主要手 段[1?2]。注漿加固可以改善被加固巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，從而提高整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性，由于巖體工程的隱蔽性以及巖體內(nèi)部裂隙、孔洞等缺陷分布的隨機(jī)性，開展注漿加固后巖體的破壞機(jī)理研究，是一個具有挑戰(zhàn)性的研究課題。注漿加固后巖體的破壞機(jī)理，是巖土工程研究的一個重要內(nèi)容，目前關(guān)于注漿加固后巖體的強(qiáng)度與變形問題研究，主要集中在注漿加固效果研究與評價等方面，如周維垣等[3]曾在二灘水電站現(xiàn)場以聲波檢測、原位實(shí)驗(yàn)為手段對壩基弱風(fēng)化巖體的注漿加固效果進(jìn)行了分析評價，認(rèn)為注漿后巖體的黏聚力并無顯著提高，但摩擦因數(shù)則有顯著增長。葛家良等[4]通過巖體注漿模擬實(shí)驗(yàn)，分析了注漿加固體強(qiáng)度特征和影響規(guī)律。張農(nóng)等[5]研究了破裂巖石注漿后的殘余強(qiáng)度和變形性能，巖塊經(jīng)注漿固結(jié)后，其殘余強(qiáng)度有較大提高，軸向變形和側(cè)向變形趨向協(xié)調(diào)，固結(jié)體可以在較大的變形范圍內(nèi)保持較穩(wěn)定的承載能力。劉長武等[6]通過巖體注漿前后電鏡掃描觀察、孔隙分布、X 線衍射圖譜成分及宏觀力學(xué)參數(shù)的分析比較，認(rèn)為水泥注漿改變了巖石的微結(jié)構(gòu)、微孔隙，從而提高了結(jié)構(gòu)面的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角。王漢鵬等[7]采用水泥漿和瑪麗散 N 加固破裂試件，發(fā)現(xiàn)加固后巖石的變形趨于協(xié)調(diào)，同一漿液加固不同的巖石，被加固體本身的強(qiáng)度越高注漿加固體的強(qiáng)度越高，同樣的巖石注入不同漿液，漿液的黏結(jié)強(qiáng)度越高注漿后的強(qiáng)度就越高。許宏發(fā)等[8]對已有巖體注漿前后強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行量綱一分析，建立了量綱一的參量即強(qiáng)度增長率和原巖體與漿液結(jié)石強(qiáng)度比，進(jìn)而提出了破碎巖體注漿加固體強(qiáng)度增長率的經(jīng)驗(yàn)公式。金愛兵等[9]應(yīng)用室內(nèi)模擬方法，對完整巖塊以及采取注漿膠結(jié)、錨桿?注漿膠結(jié)聯(lián)合加固 2 種方法加固后的破裂巖石力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得破裂巖石加固后的強(qiáng)度恢復(fù)信息，注漿膠結(jié)加固后的破裂巖石試樣抗壓強(qiáng)度可以恢復(fù)到完整巖石試樣的 40%~50%，無殘余強(qiáng)度。以上這些研究，通過實(shí)驗(yàn)或模擬，從定量的角度對注漿加固的效果進(jìn)行了預(yù)測與評價，但注漿加固體整體破壞發(fā)生的機(jī)理尚不清楚。楊加米等[10]以損傷力學(xué)為基礎(chǔ), 提出了注漿加固體的本構(gòu)模型, 討論了注漿加固體本構(gòu)模型中加固因子與裂隙、注漿材料等的關(guān)系。宗義江等[11?12]研究了不同軸壓下注漿系統(tǒng)的特性以及注漿后巖體的力學(xué)特性。韓立軍等[13?14]還進(jìn)行破裂巖樣結(jié)構(gòu)面注漿加固的剪切實(shí)驗(yàn)，分析了注漿對結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度和剛度等力學(xué)特性參數(shù)的影響，建立了單一界面注漿加固體的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，注漿加固后，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度沿各個方向均得到提升，但結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度仍然存在明顯的各向異性，而內(nèi)摩擦角變化不大。劉泉聲等[15]采用直剪試驗(yàn)研究了注漿前后泥巖裂隙面的閉合和剪切力學(xué)性質(zhì)，注漿加固后泥巖裂隙面法向變形量較之注漿前顯著減小，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。對于天然巖體來說，制作裂縫以及加工都存在一定的困難，不少研究者致力于通過類巖石材料模擬真實(shí)巖石，取得了可喜的成績，張強(qiáng)勇等[16?17]根據(jù)相似原理，研制出一種新型鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料，該材料具有重度高、力學(xué)參數(shù)變化范圍廣、性能穩(wěn)定、價格低廉、干燥快速、制作工藝簡單、無毒無害等顯著優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料。本文作者采用白水泥制作類巖石材料，通過抽條法預(yù)制規(guī)則裂隙，在單軸壓縮荷載下，通過裂尖應(yīng)變場分析，研究環(huán)氧樹脂加固前后含裂隙巖石破壞機(jī)理。

1 材料基本力學(xué)性能

選用普通的白色硅酸鹽水泥，與水混合質(zhì)量比為2:1，充分?jǐn)嚢柚谱黝悗r石試樣，室溫養(yǎng)護(hù)條件下，齡期28 d后，分別進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)、單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)測定材料的抗拉強(qiáng)度1、彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度c、I型斷裂韌度IC等基本力學(xué)性能。注漿加固材料選用上海佳固建筑材料有限公司的JG?600型環(huán)氧樹脂(A組分)和固化劑(B組分)，增韌劑為鄰苯二甲酸二丁酯(C組分)，A，B與C按質(zhì)量比6:3:1進(jìn)行溶液配制，充分?jǐn)嚢韬蟮谷刖鬯姆蚁┠＞撸叵鹿袒?，靜置固化72 h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在室溫約 25 ℃、大氣環(huán)境條件下，基于應(yīng)變測試法，測定其彈性模量和泊松比以及抗拉強(qiáng)度等。為了對裂隙面不同膠結(jié)情況的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行對比分析，本文采用白水泥和環(huán)氧樹脂對單裂隙紅砂巖試樣進(jìn)行注漿加固，并觀測其在單軸壓縮荷載下的破壞情況，具體3種材料的基本力學(xué)性能測試結(jié)果見表1。

表1 材料基本力學(xué)性能測試結(jié)果

2 含裂隙試樣注漿前后單軸壓縮 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

采用與基本力學(xué)性能測試相同的水灰比制作試樣，采用有機(jī)玻璃制作試樣模具，試樣尺寸為長()×寬()×高()為50 mm×50 mm×100 mm，利用預(yù)埋抽條法預(yù)制規(guī)則裂紋，常溫下養(yǎng)護(hù)28 d后脫模備用。脫模后檢查試件表面的平整度和裂紋的貫穿性，對出現(xiàn)不平整或不光滑的試件進(jìn)行打磨或剔除以保證滿足試驗(yàn)要求。本次試驗(yàn)選用單裂隙試樣和雙裂隙試樣進(jìn)行試驗(yàn)，具體試樣尺寸示意圖如圖1所示，其中裂隙傾角=45°，裂紋長2=20 mm，韌帶間距為=10 mm。試樣制作完成后，采用注射器注入環(huán)氧樹脂漿液，靜置72 h完全固化后進(jìn)行壓縮破壞實(shí)驗(yàn)。單軸壓縮實(shí)驗(yàn)采用位移控制，加載速度為1 mm/min，實(shí)驗(yàn)過程中記錄裂紋擴(kuò)展情況。

圖1 含裂隙試樣尺寸示意圖

為了研究注漿加固前后裂尖的應(yīng)變場變化規(guī)律，在注漿加固前后的單裂隙試樣的2個裂尖(裂尖1和裂尖2)分別黏貼如圖2(a)所示的應(yīng)變花，雙裂隙試樣的4個裂尖裂尖(裂尖3、裂尖4、裂尖5、裂尖6)分別黏貼應(yīng)變花如圖2(b)所示應(yīng)變花。

圖2 應(yīng)變片布置

2.2 破壞軌跡

圖3所示為單裂隙試樣注漿前后破壞軌跡。從圖3可見：對于未注漿的單裂隙試樣，當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的70%~80%時，第1條裂縫從裂紋尖端萌生，起裂角與原裂紋面垂直，并快速擴(kuò)展(圖3(a)裂縫1)；隨著荷載繼續(xù)增加，第2條裂縫從裂縫中央處開始擴(kuò)展，直到試樣完全破壞(圖3(a)裂縫2)；對于注漿后的試樣，其裂縫起始位置與未注漿情況一致(圖3(b)裂縫1)，但起裂角與試樣長邊平行，然后在荷載的繼續(xù)作用下，該裂縫繼續(xù)向下擴(kuò)展，形成第2條裂縫(圖3(b)裂縫2)，直至形成一條大致豎直上下的裂縫?？梢姡鹤{加固后的破壞類似于完整試樣的單軸壓縮破壞，加固后的裂縫已經(jīng)將試樣上下部分連為一個整體，可以近似作為一個完整試樣來考慮。

圖3 單裂隙試樣破壞軌跡

圖4所示為雙裂隙試樣注漿前后破壞軌跡。對于未注漿的雙裂隙試樣，裂縫起始點(diǎn)從圖4(a)中的裂尖1開始起裂，起裂角近似與原裂紋面垂直，隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫1開始擴(kuò)展，并在此基礎(chǔ)上在2條裂縫之間的韌帶區(qū)連通第2條裂縫(圖4(a)裂縫2)；隨著荷載繼續(xù)增加，裂縫從其他多個部位萌生并擴(kuò)展，直至裂縫貫通上下2個平面。對于注漿后的雙裂隙試樣，破壞起始位置與未注漿一致(圖4(b)裂縫1)，裂縫出現(xiàn)后穿過注漿體向上下2個方向分別擴(kuò)展，形成新裂紋(圖4(b)裂縫2)；隨著荷載繼續(xù)增加，同一條裂紋的另一處裂尖出現(xiàn)裂紋(圖4(b)裂縫3)，并沿豎直方向快速擴(kuò)展，直到試樣破壞。不論是單裂隙還是雙裂隙試樣，破壞的起始位置均相同，都是始于原裂尖附近，且注漿后的破壞峰值荷載均遠(yuǎn)比注漿前的大，可見注漿加固能夠?qū)⒘鸭獾膽?yīng)力集中有效抑制，同時增強(qiáng)試樣的完整性，具有較好的加固效果。

圖4 雙裂隙試樣破壞軌跡圖

2.3 應(yīng)變測試結(jié)果

對于如圖5所示的直角應(yīng)變花，可以建立如圖5所示的坐標(biāo)系，其最大主應(yīng)變與最小主應(yīng)變計(jì)算公式[18]為

1—未注漿裂尖1；2—注漿后裂尖1；3—未注漿裂尖2；4—注漿后裂尖2。

圖6所示為單裂隙試樣裂尖應(yīng)變變化趨勢，對于未注漿的單裂隙試樣，在加載過程中，其裂尖最大主應(yīng)變在荷載達(dá)到某一值時突然增大，超過其臨界應(yīng)變，出現(xiàn)第1條裂縫。對比圖3(a)可知：最先出現(xiàn)的裂縫恰好位于裂尖1處，隨著裂縫的出現(xiàn)，應(yīng)力出現(xiàn)重新分布，最大主應(yīng)變迅速下降，并伴隨小范圍波動，而最小主應(yīng)變較小(見圖6(b))，說明對于含裂隙試樣，裂尖應(yīng)力集中，在壓縮荷載作用下，裂尖拉應(yīng)力增長快于壓應(yīng)力增長，最終發(fā)生拉伸斷裂破壞。注漿加固后，單裂隙試樣的2個裂尖均出現(xiàn)較為均勻的主應(yīng)變增長，曲線較為平緩，說明應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效抑制。比較最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變可知：在注漿加固后，壓應(yīng)變約為拉應(yīng)變的2倍左右，注漿加固后的破壞是由于裂隙充填物與類巖石材料之間的變形不平衡引起的拉伸應(yīng)變以及壓縮應(yīng)變共同作用的破壞模式。

圖7所示為雙裂隙試樣裂尖應(yīng)變變化趨勢。從圖7可見：對于未注漿的雙裂隙試樣，開始加載時，4個裂尖附近的應(yīng)變發(fā)展較為一致；當(dāng)荷載增加到某一特定值時，裂尖3的最大主應(yīng)變出現(xiàn)較大增長(裂尖位置見圖3)，說明在4個裂尖的位置中，裂尖3附近的最為薄弱，裂縫從此處開始萌生，這與裂縫擴(kuò)展軌跡規(guī)律一致(見圖4(a)裂縫1)；隨著荷載繼續(xù)增加，裂尖4和裂尖5的最大主應(yīng)變開始增加，應(yīng)變重新分布，韌帶間出現(xiàn)貫通裂縫(見圖4(a)裂縫2)。對比最小主應(yīng)變規(guī)律可知：最先出現(xiàn)裂縫的裂尖3其最大主應(yīng)變遠(yuǎn)大于最小主應(yīng)變，說明裂縫起裂原因是由于拉伸應(yīng)力，斷裂類型應(yīng)為I型斷裂，第1條裂縫出現(xiàn)后；隨著應(yīng)力重分布，韌帶間的最小主應(yīng)變也增加變?yōu)檎?，說明韌帶間的裂縫貫通也是由于拉伸應(yīng)力的作用。

1—裂尖3；2—裂尖4；3—裂尖5；4—裂尖6。

圖8所示為注漿加固后雙裂隙試樣裂尖附近應(yīng)變變化趨勢，注漿加固后的4個裂尖的最大主應(yīng)變增長基本趨勢一致，期間有小幅度波動，當(dāng)荷載增加到峰值荷載的80%左右，裂尖3處的拉應(yīng)變突然增加，裂縫由此處萌生(見圖4(b))，并繼續(xù)向下豎直擴(kuò)展形成上下貫通裂縫，而其他部位應(yīng)變增加均勻，說明局部開裂并未影響其他部位的受力，最終荷載達(dá)到峰值時，各個部位拉應(yīng)變幾乎同時達(dá)到最大值，試樣破壞。對于最小主應(yīng)變，整個試樣各部均受壓，且由于裂縫已經(jīng)被封堵，應(yīng)力集中與重分布被有效抑制，壓應(yīng)變可以均勻增長，直到荷載達(dá)到峰值荷載發(fā)生破壞，破壞時最小主應(yīng)變絕對值是最大主應(yīng)變的2倍左右。注漿加固最顯著的作用是抑制裂尖的應(yīng)力集中，避免由于不連續(xù)節(jié)理或裂縫形成應(yīng)力重分布，使試樣形成較為完整的整體。從而起到增加強(qiáng)度以及延性的目的。

1—裂尖3；2—裂尖4；3—裂尖5；4—裂尖6。

3 裂隙內(nèi)不同膠結(jié)狀況比較

本文同時采用單裂隙紅砂巖試樣進(jìn)行注漿加固破壞試驗(yàn)，注漿材料分別選用普通的白色硅酸鹽水泥漿液和環(huán)氧樹脂，試驗(yàn)破壞軌跡如圖9所示，對于水泥注漿試樣，當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的80%時，水泥與紅砂巖的接觸面發(fā)生滑移，進(jìn)而出現(xiàn)裂縫，最終原裂縫面達(dá)到其應(yīng)力極值，發(fā)生開裂，在裂縫形成后，在荷載作用下，裂縫不斷擴(kuò)展發(fā)育，最終發(fā)生與未注漿試樣相同的破壞形式(見圖9(a))，但加固后的峰值荷載遠(yuǎn)比未注漿試樣的大，起到了一定的加固效果。對于樹脂注漿后的試樣，整個加載過程與完整巖石試樣基本一致，在加載過程中沒有明顯的起裂；當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載時，試樣突然從中間或靠近端部某個位置起裂，注漿體部分沒有發(fā)生破壞，最終形成主裂縫(見圖9(b)，樹脂注漿后的試樣其峰值荷載遠(yuǎn)比未注漿以及水泥注漿試樣的大，并基本與完整試樣的一致?？梢娪绊懽{后強(qiáng)度以及裂紋擴(kuò)展情況的主要因素是注漿材料的強(qiáng)度以及其與基體材料的黏結(jié)情況，樹脂注漿后與基體的協(xié)調(diào)性較好，具有較好的加固效果。

圖9 紅砂巖試樣破壞軌跡

4 結(jié)論

1) 注漿加固前后的裂紋萌生位置相同，未注漿試樣的起裂角與原裂紋面垂直，注漿后的試樣由起裂位置豎直向上下貫通整個試樣，類似于完整試樣的單軸壓縮破壞。注漿后的破壞峰值荷載遠(yuǎn)比注漿前的大，注漿加固能夠?qū)⒘鸭獾膽?yīng)力集中有效抑制，同時增強(qiáng)試樣的完整性，具有較好的加固效果。

2) 未注漿的單裂隙試樣，裂尖最大主應(yīng)變在達(dá)到臨界時出現(xiàn)首條裂縫，隨后應(yīng)力重分布，最大主應(yīng)變迅速下降。注漿加固后，主應(yīng)變增長均勻，應(yīng)力集中得到有效抑制，壓應(yīng)變約為拉應(yīng)變的2倍。注漿加固后的破壞模式是由于裂隙充填物與類巖石材料之間的變形不平衡引起的拉伸應(yīng)變以及壓縮應(yīng)變共同作用的破壞模式。

3) 未注漿的雙裂隙試樣，裂紋首先出現(xiàn)在4個裂尖中的薄弱環(huán)節(jié)，隨后韌帶區(qū)裂尖附近最大主應(yīng)變增加至臨界值出現(xiàn)韌帶間貫通裂縫，最大主應(yīng)變遠(yuǎn)大于最小主應(yīng)變，斷裂類型應(yīng)為I型斷裂。注漿加固后雙裂隙試樣4個裂尖的主應(yīng)變增長趨勢一致，當(dāng)荷載達(dá)到峰值時，各個部位拉應(yīng)變幾乎同時達(dá)到最大值，試樣被破壞。注漿加固可避免由于不連續(xù)節(jié)理或裂縫形成應(yīng)力重分布，使試樣形成較為完整的整體。

4) 對于單裂隙紅砂巖試樣，影響注漿后強(qiáng)度以及裂紋擴(kuò)展情況的主要因素是注漿材料的強(qiáng)度以及其與基體材料的黏結(jié)情況。水泥材料黏結(jié)性較弱，注漿后最先的破壞發(fā)生于水泥與砂巖膠結(jié)面，最終破壞與未注漿試樣相同，但峰值荷載遠(yuǎn)比未注漿試樣的大。樹脂注漿試樣加固后整體性較好，其破壞過程與完整巖石試樣的破壞過程基本一致。

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(編輯 楊幼平)

Experimental study on failure of cracked rock-like material after grouting reinforcement

WANG Zhi, LI Long, WANG Chaoya

(School of Mechanics & Engineering Science, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Using white cement as the rock-like materials, the specimens in which the cracks were arranged through pre-installed steel slice were produced. The epoxy resin toughened by dibutyl phthalate (DBP) was used to carry out grouting reinforcement. The failure mechanism of the multi cracks specimens after grouting reinforcement was revealed through strain field analysis of the crack tip. The results show that the crack initiates in the same position for specimen before and after grouting reinforcement. The crack angle of specimens without grouting is perpendicular to the original crack plane and the crack of specimens after grouting is vertically penetrated through the whole specimen from the crack initiation position which is similar to the un-cracked specimen. The grouting reinforcement can effectively restrain the stress concentration of the crack tip and enhance the integrity of the specimen. The first cracks initiate when the maximum principal strain at the crack tip of single crack specimen reaches its critical value and then stress redistribution occurs. After grouting reinforcement, the maximum principal strain increase with a relatively flat trend and the failure occur because of the deformation imbalance between the rock like materials and the fracture fillings. For double cracks specimen without grouting, a penetrating crack occur in the ligament region because the maximum principal strain reaches critical value after the first crack initiates and Mode I fracture occurs. For double cracks specimen after grouting, the tensile strains almost reach their maximum value at the same time. The grouting reinforcement can avoid the formation of stress redistribution and strengthen the integrity of the specimen. The main factors of the grouting effect are the strength of the grouting material and its bonding properties.

grouting reinforcement; crack; failure mechanism; strain analysis; rock-like materials

TU45

A

1672?7207(2018)04?0957?07

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.04.025

2017?04?06；

2017?07?21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404212)；河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(2016GGJS-002)(Project(51404212) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016GGJS-002) supported by the Foundation for University Key Teacher by the Henan Educational Committee)

王志，博士，副教授，從事巖石斷裂與損傷力學(xué)研究；E-mail：wangzhi@zzu.edu.cn