循環加卸載下巖石漿體力學特性試驗研究

肖家平，彭秋凡

（1.淮南職業技術學院，安徽 淮南232001；2.上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032）

注漿是對軟弱巖層巷道圍巖治理的1個常用手段，通過注漿，能夠使巷道圍巖淺部巖層的內摩擦角和黏聚力等力學參數提高，增加圍巖的承載能力。在軟弱巖層巷道中注漿之后，圍巖穩定性就與巖石漿體的力學性能密切相關。巷道圍巖受鄰近煤層或巖層的采動影響，其巷道圍巖的應力環境處在1個動態變化過程中，從巷道掘進之后，圍巖應力一直處在平衡-重新分布-平衡的過程，這一過程可視為圍巖處在1個循環加卸載的過程，因此，研究循環加卸載下巖石漿體力學對軟弱巖層巷道注漿之后支護設計具有重要意義。國內外學者對于不同巖石循環加卸載力學特性開展了大量的試驗研究，成果頗豐。主要包括循環加卸載下巖石的強度、變形和疲勞特性[1-10]，研究對象主要集中在大理巖、花崗巖和紅砂巖等致密堅硬巖石在循環加卸載下的力學特性，文獻[11-12]還對含有原生裂隙的煤巖進行了循環加卸載試驗，文獻[13-15]針對巖鹽在循環加卸載下的變形、強度和疲勞損傷進行了研究。已有研究成果中，對于巖石漿體在循環加卸載下的力學特性研究較少[16]，雖然巖石漿體的力學特性與巖石的力學特性具有一定的共同點，但是巖石漿體受水灰比、巖石顆粒粒徑等的影響，與天然形成的巖石必然存在一定的差異。通過制作水灰比為0.5∶1，不同粒徑的標準巖石漿體試件，利用RMT-150B巖石力學試驗機進行循環加卸載試驗，對其強度和變形特征進行了探究。基于研究結果，提出了在軟巖巷道進行注漿加固時應提高錨桿預應力和增強注漿效果的關鍵技術。研究結果對于軟巖注漿支護設計具有重要意義。

1 試驗方案設計

1.1 試件制作

巖石漿體組成成分是巖石顆粒、水和水泥。試驗制作巖石漿體的巖石顆粒來源于皖北礦區祁南煤礦34下采區巷道鉆孔取心，然后通過加工篩選得到不同的巖石粒徑。水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

制作的巖石漿體試件水灰比為0.5∶1，巖石顆粒分為 2.5～<5 mm、5～<10 mm、10～<20 mm 3種。在制作時，將鉆取的巖心砸碎，然后通過標準巖石篩網進行篩取。按照水灰比，將水泥漿和不同直徑的巖石顆粒攪拌均勻，然后將其倒入標準模具中進行固結。1周后拆除模具進行晾干，在此過程中適當灑水養護。為將其加工成標準件，在30 d后對其進行切割、打磨加工成φ50 mm×100 mm的標準圓柱體試件。制作的部分巖石漿體如圖1。

圖1 巖石漿體照片

1.2 試驗方案設計

巷道兩幫的垂直應力處在1個平衡-重新分布-平衡的過程，將垂直應力看作是軸壓，水平應力視為圍壓，巷幫就是1個圍壓不變，軸壓循環加卸載的過程。試驗儀器采用RMT-150B，主要采用應力控制方式中的增加（σ1-σ3）差值的試驗方法（σ1為軸向應力，σ3為圍壓），通過固定圍壓進行循環加卸載軸壓。試驗采用手動控制進行操作。試驗的具體過程如下。

1）軸向應力以0.1 kN/s的速率進行加載，圍壓以0.05 MPa/s速率進行加載，軸向應力和圍壓同步進行，按預定值加載至靜水壓力狀態。

2）保持圍壓不變，以0.2 kN/s的速率逐步將軸向應力加載至試件破壞前的應力狀態，這一應力狀態設置為常規三軸壓縮試驗平均強度的80%。

3）保持圍壓不變，以0.2 kN/s的速率卸除軸向應力，當軸壓卸載至設定值后，以相同速率立即設定下一級載荷，載荷加至設定值后，觀察試驗曲線的應變速率，當應變速率明顯加快時，結束加載。開始設定下一級載荷，直至試件破壞。下一級載荷的設定在上一級載荷的基礎上提高10%。

2 試驗結果分析

2.1 巖石漿體強度特征

巖石漿體的應力應變曲線如圖2。不同巖石粒徑下的曲線所顯示的基本規律相同；試件在加卸載過程中，加卸載路徑不重合，產生一定的塑性變形，加卸載曲線之間會形成塑性滯回環，加卸載曲線近似直線狀，斜率相近。由于后一級加載載荷比前一級提高10%，塑性滯回環的面積隨加卸載次數增加有增長趨勢。當加載至最高強度時，塑性變形明顯增加，進入應變軟化階段，當巖石漿體的塑性變形積累到一定程度時，試件將發生宏觀破壞。

圖2 循環卸軸壓應力應變曲線

巖石漿體在循環加卸載過程中，損傷逐漸累加，巖石漿體中的裂隙處在壓密閉實-張開-壓密閉實的循環中，巖石漿體的強度與常規三軸的強度有所差異，并且，循環加卸載下的巖石漿體與巖石粒徑也密切相關。

不同巖石粒徑、不同圍巖下的循環加卸載和常規三軸破壞強度見表1。試件編號的命名進行如下說明：前2位數字為巖石粒徑，單位為mm，最后1位數字為圍壓，單位是MPa。本次試驗中，圍壓分為3 MPa和 5 MPa。

表1 循環加卸載和常規三軸壓縮試驗破壞強度

從上表1可看出，在循環加卸載條件下，巖石漿體的破壞強度總體上呈現出粒徑增加，破壞強度降低的趨勢。粗粒徑巖石漿體中粒徑接觸相對于細粒徑巖石漿體會存在更多的空間，粒徑間耦合效果不好，更易發生破壞。當巖石粒徑相同時，圍壓對巖石漿體的破壞強度影響明顯，表現為圍壓增加，破壞強度顯著增加的趨勢。

通過對比循環加卸載和常規三軸壓縮條件下的巖石漿體破壞強度可以發現，循環加卸載下巖石漿體破壞強度高于常規三軸壓縮。巖石漿體在循環加卸載條件下，軸向載荷卸載前，巖石漿體內部孔隙在閉實之后擴展，并產生張拉裂隙，隨著軸向載荷的逐漸降低，在圍壓的作用下，微小的張拉裂隙會在一定程度上壓密、閉實。當軸向載荷再次增加時，會再次產生微小張拉裂隙，軸向載荷降低后，產生的部分張拉裂隙會再次壓密、閉實，這種低應力水平下的循環不僅不會使巖石漿體強度降低，還會使巖石漿體內部更加致密，強度增加，依此過程循環下去，直到加載載荷超過巖石漿體的破壞強度時整個試件才會破壞。

2.2 循環加卸載巖石漿體宏觀破壞特征

部分巖石漿體宏觀破壞照片如圖3。由圖3可知，巖石漿體在循環加卸載條件下的破壞以剪切破壞形式為主，沒有縱向裂紋出現，劈裂破壞特征不明顯。粒徑較小的巖石漿體在破壞時的剪切面破壞較小，沿破壞面產生剪切滑移，產生明顯的滑動痕跡；隨巖石粒徑增大，試件局部出現破碎，產生較大的剪切帶，破壞形式仍為剪切破壞。巖石粒徑的增加不會改變巖石漿體的破壞形式，巖石漿體在發生剪切破壞難以將剪切面的巖石顆粒剪斷，巖石顆粒在切應力作用下會發生翻轉，從而帶動剪切面周圍的破壞，形成剪切帶。巖石顆粒的粒徑越大，剪切帶范圍越大。

圖3 破裂后巖石漿體照片

3 軟巖注漿加固關鍵技術

1）提高錨桿預應力。研究結果表明，在循環加卸載下，巖石漿體以剪切破壞為主，低圍壓和粗粒徑更易形成明顯的剪切帶。在注漿之后進行錨桿支護時，通過增加錨桿預應力來增加圍巖的圍壓，這樣可有效提高圍巖的支承強度。

2）增強注漿效果。注漿是通過增加破碎巖石塊體之間的黏聚力進而增加整個圍巖的黏聚力和內摩擦角，因此應該在現場施工時注意漿液的選擇，選擇黏聚力更強、黏聚時間短的材料進行注漿加固。如果使用水泥漿進行注漿加固，水占比過多的話，反而會降低巷道圍的強度。

4 結論

1）巖石漿體隨著下一級加載軸壓載荷的提高，塑性滯回環面積增加。巖石漿體在加卸載下的強度高于常規三軸，主要是由于在低應力狀態下的循環會使試件更加致密。

2）在循環加卸載條件下，巖石漿體的破壞強度總體上呈現出粒徑增加，破壞強度降低的趨勢。粗粒徑巖石漿體中粒徑接觸相對于細粒徑巖石漿體會存在更多的空間，粒徑間耦合效果不好，更易發生破壞。

3）巖石漿體在循環加卸載條件下的破壞以剪切破壞形式為主。巖石粒徑的增加不會改變巖石漿體的破壞形式，巖石漿體在發生剪切破壞難以將剪切面的巖石顆粒剪斷，巖石顆粒在切應力作用下會發生翻轉，從而帶動剪切面周圍的破壞，形成剪切帶。巖石顆粒的粒徑越大，剪切帶范圍越大。

4）基于研究成果，在對軟巖進行注漿加固時，提出了提高錨桿預應力和增加注漿效果的關鍵技術。