凍融循環下多裂隙注漿巖石破壞特性試驗研究

張慶 王博 趙鈺洲

（吉林建筑大學土木工程學院，吉林長春 130000）

地下工程建設數量不斷增多，建設規模不斷提升，地下工程巖體失穩事故頻發，巖體加固技術研究是現階段重要研究方向。注漿加固技術是工程中普遍采用的加固技術之一，應用于礦山、隧道等地下工程項目[1]。寒冷地區低溫時間長，導致大量的巖體缺陷，增大巖體事故發生的幾率與風險，所以注漿加固技術在寒區的應用研究是加固技術重要的研究方向。

近年來，巖石加固技術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與力學特性。王志等[2]研究學者針對于不同荷載作用下注漿巖石開展了大量的試驗研究工作，分析巖石破壞形態及力學特性，探索符合注漿巖石的本構關系模型。張嘉凡等[3]研究不同循環次數對于注漿巖石力學性能的影響，分析其力學性能變化規律。

現階段對于單裂隙與雙裂隙注漿加固巖石的試驗研究較多，對多裂隙類注漿加固巖石材料研究尚沒有可靠的試驗及理論研究基礎。本文從凍融循環對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

1.1 試件制作

本試驗采用水、水泥、細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，采用鋁合金薄片預制裂隙，裂隙的寬度為0.8mm，長度為10mm。試件養護過程中檢查裂隙預制質量。

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，每排設置3 個等距離裂隙，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填充裂隙的方式。通過破壞狀態試件分析，最終注漿的填充量占裂隙尺寸的80%以上，符合工程巖體修復材料實際填充量。注漿后試件養護7 天，采用自由飽水方法放入水中靜置48 小時，飽和水試件放入HN-MD-E型建材凍融試驗臺中，本次試驗按照凍融循環試驗規范，一次凍融循環設置為8 小時。

1.2 試驗儀器與加載條件

巖石凍融試驗裝置為HN-MD-E 型建材凍融試驗臺，凍融過程的控制溫度設置為20℃和-20℃，循環次數為40 次。單軸壓縮試驗裝置采用500kN 微機控制電液伺服結構試驗系統，壓力試驗機采用POP-M 型控制器，本次試驗采用力控加載，力控加載的速度為0.2kN/S，本試驗利用三維數字圖像相關技術（DIC-3D）觀測系統觀測注漿試件破壞的全過程，形成多裂隙注漿試件三維應變云圖。

2 試驗結果分析及討論

試件采用持續加載的方式，直至荷載達到材料的極限荷載，發生瞬時的脆性斷裂。針對該變形特征，選取極限荷載的應變場云圖進行分析，極限荷載三維應變場的計算結果如圖2 所示。不同裂隙應變場云圖表明，3 條裂隙、6 條裂隙試件的試件上部出現了應變突變，試件的完整性較好，裂隙處未出現應變突變現象；9 條裂隙試件上部裂隙與下部裂隙出現明顯的應變突變情況，上部裂隙出現了應變最大值，最大值為-1.76mm；12 條、15 條裂隙試件的應變場云圖顯示裂隙位置均出現應變突變情況，12 條裂隙試件的應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應力突變現象，應變突變值也出現在上部裂隙處，由于裂隙數量較多，裂隙距離較近，應變突變值出現在上部裂隙處試件邊緣附近。隨著試件裂隙數量增多，試件中部裂隙的應變突變現象越加明顯，應變突變數量逐漸增加。

圖2 試件的三維應變云圖（單位：mm）

通過試驗應變云圖分析，隨著裂隙數量增多，受凍融影響的多裂隙注漿修復巖石上部與下部裂隙處均出現明顯的應變突變現象，中部裂隙的突變值逐漸增大；距離試驗加載裝置越近的裂隙，應變突變值越大，12 條裂隙試件達到最大值；隨著裂隙數量增多，應變突變值逐漸增大，裂隙數量增多到一定程度，應變突變值不再增大，應變突變位置數量增多，15 條的裂隙的應變突變位置數量最多，整個試件的應變突變現象最明顯。

由于試件數量較多，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，試件垂直方向應變特點與破壞情況，12 條裂隙試件垂直荷載方向的全場應變云圖如圖3 所示。

圖3 垂直荷載方向的全場應變云圖（單位：mm）

通過不同荷載水平的應變云圖分析，隨著荷載不斷增加，應變數值不斷增大，應變突變位置不斷增多，具體試驗結果與破壞情況如下：

（1）在試驗加載初期（初始壓密階段），試件上部出現明顯的應力集中現象，裂隙注漿修復處未出現明顯的變化。在荷載水平達到20%～30%時，經過修復后試件的完整性較好，試件上部與下部裂隙均未出現應變突變情況，試件上部裂隙應變值大于下部裂隙。

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

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

3 結論

本文針對凍融循環下多裂隙注漿巖石破壞特性進行了試驗研究，通過試驗研究分析凍融循環對于不同裂隙排布試件的影響，通過試驗數據分析，得到以下結論：

3.1 通過凍融循環下不同裂隙排布試件單軸壓縮試驗數據比較分析，試件裂隙較少時，單軸壓縮試件的完整性較好，未出現明顯的應變突變情況。隨著裂隙數量增多，試件裂隙突變值逐漸增大，裂隙數量到達一定程度，應變突變值不再增大，應變突變位置逐漸增多。隨著試件中部裂隙位置與上部、下部裂隙位置的應變突變值發展規律不同，相同排布試件的中部裂隙處應變突變值較上部與下部的應變突變值小，應變突變值較大位置出現在試件上部裂隙處。

3.2 通過12 條裂隙排布試件單軸壓縮試驗垂直荷載方向的應變云圖分析，試件垂直荷載方向應變值的變化規律是初期應變值增大，中期應變值逐漸減少，后期應變值迅速增大的現象。試件破壞的規律是試件承受荷載水平達到35%時試件右上部出現斜向裂紋，隨著荷載水平不斷提升，裂紋不斷擴展和貫通，荷載水平達到60%時試件右上部出現局部破壞。荷載水平再向上提升，應變快速增大直至試件下部被壓碎破壞。