巖石結構面注漿加固抗剪特性試驗研究

韓立軍，宗義江，韓貴雷，張后全

（中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008）

1 引 言

巖體結構包括兩個基本要素，即結構面和結構體。結構面為巖體內具有一定方向、延展較大、厚度較小的面狀地質界面[1]。結構面在巖土工程中廣泛存在，破壞了巖體的連續性和完整性，使之具有不均一性和各向異性，并控制著巖體的穩定性[2]。因此，進行結構面的力學特性研究具有十分重大的理論及工程應用價值。近年來，許多學者通過物理試驗或數值模擬研究了不同起伏程度、角度、剪切速率下的結構面的強度、變形等力學特性[3－7]。這些研究主要針對原始狀態的結構面，未進行加固處理，但由于破裂巖體中結構面等弱面的存在嚴重影響了巖體的穩定，通常要對破裂的巖體采取各種措施進行支護加固，主要途徑包括兩個：錨固與注漿加固。針對結構面加錨后力學特性的研究取得了大量成果[8－10]，但對注漿加固后結構面的力學特性的研究還較少。

因此，本文通過自然狀態、注漿加固結構面及模型化結構面的剪切試驗，對破裂巖體結構面注漿加固前后抗剪特性進行了研究。該研究對揭示其加固實質和作用機制具有十分重要的意義，并能促進注漿加固技術的推廣和應用。

2 試驗材料與試驗方案

2.1 試驗設備

剪切試驗設備選用中國科學院武漢巖土力學研究所生產的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力狀態下的長期變形與強度指標，也可用于巖石快剪力學性質的測定。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度類型的試樣的力學試驗；在高荷載作用下可保持加載力長期穩定，并能較好地測定巖石在變形破壞過程中的全過程曲線。

2.2 試件制作

本次試驗通過對加載后破裂巖樣結構面的測量研究發現，同種巖體在人工致裂工程中形成的破裂面JRC相接近，結構面粗糙度系數主要影響因素為巖石結構。這說明結構面粗糙度具有可復制性，即可以通過精確測量破裂巖樣結構面粗糙度后，根據其數值加工具有相同JRC的結構面試件，用于剪切試驗。經過測量與對比研究，在本次試驗中石灰巖粗糙度系數JRC約為8～10，與相關研究結果相近[1]。

鉆取石灰巖φ100 mm×100 mm巖芯，將其沿直徑剖開，依據《工程巖體試驗方法標準》[11]進行制作。①自然狀態及注漿加固剪切試件：根據加載破裂巖樣橫向（剪切方向）結構面的JRC數值，將試件打磨到粗糙度與破裂巖樣JRC相近。②模型化結構面剪切試件：沿直徑剖開時，根據模型化要求采用線切割機將試件切割成含 45°規則鋸齒的試件。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：澆注時在澆注盒中間部位放置塑料薄膜，以保證上下兩個試件為分開狀態，同時保證試件在立方體混凝土塊的中間部位，此類試件結構面為自然狀態，用“JZ”、“MJZ”表示，用于模擬自然狀態下結構面的剪切試驗；第2類：澆注時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定好（接觸面為剪切時的固定剪切面），此類試件結構面為水泥膠結狀態，用“JS”和“MJS”表示，用于注漿加固后的結構面剪切試驗。將上述澆注好的4種試件放置在實驗室中，按水泥固結的標準條件養護28 d。

自然狀態及注漿加固剪切試件：采用5個垂直荷載水平：0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 MPa，每個水平取5個試件，共50個試件。模型化結構面剪切試件：采用3個垂直荷載水平（1.0、2.0、3.0 MPa ）進行1條鋸齒、2條鋸齒、3條鋸齒的模型化結構面剪切試驗，共36個試件。

2.3 剪切過程

（1）將試件置于剪切試驗儀上。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構面的幾何中心，最后，安裝位移計，要求法向和切向位移計不應少于2個，并對稱布置。

（2）法向力的施加

自然狀態及注漿加固剪切試驗：法向荷載分5個水平等級，分別為5、10、20、30、40 kN，相應地作用在結構面的法向應力分別為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 MPa。模型化結構面剪切試驗：法向荷載分3個水平等級，分別為10、20、30 kN，相應地作用于結構面的法向應力分別為1.0、2.0、3.0 MPa。每級法向荷載再按5等份施加，立即測讀法向位移，5 min后再測讀一次，即可施加剪切荷載。

（3）切向荷載的施加：在法向應力加載穩定以后，按估計的最大剪切荷載分8～12級，每級荷載施加后，立即測讀剪切位移和法向位移，5 min后再測讀一次，即可施加下一級剪切荷載，當剪切位移明顯增大時，可適當減小級差。但峰值前施加剪切荷載不宜少于10級。

（4）一次剪切完成的標準：當剪切位移明顯變大，在剪切應力τ與剪切位移us關系曲線上出現明顯的突變段時可以認為一次剪切過程已經完成。但由于結構面的剪切性質的復雜性，剪切應力τ與剪切位移us關系曲線很可能不會出現明顯的峰值，這時可以認為總剪切位移達到了試件邊長的10%時完成一次剪切。

3 結構面注漿加固抗剪特性分析

3.1 強度特性分析

巖樣結構面剪切前后對比圖如圖2所示。

通過試件剪切前后對比可知，混凝土試模部分較完好，試件受剪面積達到試件的面積的80%以上，說明試件承擔了大部分的剪切應力，因此，測得的剪切應力基本為試件剪切應力。試件剪切后結構面凸起部分明顯剪斷，并且部分被剪斷的凸起在法向應力和剪切應力共同作用被摩擦剪碎，剪切現象明顯。自然結構面和注漿結構面剪切應力-位移（τ-s）曲線如圖3、4所示。

通過對圖3、4中τ-s曲線變化規律的分析可以發現：

（1）上升段斜率

上升段斜率能夠反映結構面在一定荷載作用下的滑動位移情況，斜率大說明在一定荷載作用下產生的位移較小，反之較大。同時，結構面上升段斜率也反映了結構面剛度。在巷道（硐室）支護中，不僅要保證巷道的安全，同時還要保證巷道的設計斷面，即巷道圍巖產生的位移必須控制在一定范圍內。因此，研究結構面位移情況具有實際的意義。

由圖3、4可知：注漿后上升段斜率具有明顯的提高，這說明注漿使得結構面粘結緊密，限制了結構面在受外力作用下變形。另外，自然結構面剪切峰值大致出現在水平位移13～15 mm之間，注漿后峰值強度出現在8～10 mm之間，這也同樣說明了注漿對結構面位移具有明顯的控制效果。

圖3 自然結構面τ -s曲線Fig.3 τ -s curves of natural structural plane

圖4 注漿結構面τ -s曲線Fig.4 τ -s curves of grouting structural plane

（2）峰值強度

注漿后試件剪切峰值強度有一定的增長，但并不是隨著垂直應力的增長無限增長的，這是由于C30的混凝土剪切強度遠低于巖石剪切強度，所以垂直應力較大時的最終剪切強度仍表現為巖石的剪切強度。

（3）殘余強度

結構面注漿后殘余強度有一定程度的提高（見圖5），提高程度在10%左右。

3.2 結構面剛度分析

巖石結構面剪切試驗剛度參數見表 1。根據試驗結果可獲得注漿前后的Ks0-σ雙對數曲線（見圖6）以及τm-σ曲線（見圖7）。

圖5 結構面殘余強度Fig.5 Residual strengths of structural plane

表1 結構面剪切試驗剛度參數Table 1 Stiffness parameters of structural plane in shear test

通過對Ks0-σ雙對數曲線的擬合可以獲得結構面的初始切向剛度[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τm-σ曲線的擬合可得到結構面的抗剪強度參數

注漿前

注漿后

式中：f為摩擦系數；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度參數都有所改善，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提高。對于破裂巖體注漿而言，其中大裂隙的充填固結，將起到約束其中、細、小裂隙變形，提高圍巖體變形剛度的作用。

3.4 模型化結構面注漿加固抗剪特性分析

規則鋸齒結構面理想化模型如圖8所示。

圖8 結構面力學模型Fig.8 Mechanical model of structural plane

σ較小時，結構面受剪脹作用如圖9所示，其強度遵循Patton公式：

σ較大時，鋸齒受啃斷作用如圖10所示，其強度接近巖塊的強度，即

綜合上式（9）、（10），結構面的抗剪強度包絡線如圖11所示，剪斷凸起的條件為

圖9 沿單個鋸齒剪脹Fig.9 Shear expansion along the single sawtooth

圖10 剪斷鋸齒Fig.10 Shear break of sawteeth

圖11 結構面強度包絡圖Fig.11 Strength envelope of structural plane

將 Datataker采集的模型化剪切試驗數據進行分析處理，得到如圖12、13所示，注漿前后位移-剪切應力曲線。通過分析可知：

（1）峰值強度

通過對比注漿前后試件的試驗結果，可以發現，注漿后試件剪切峰值強度都有不同程度的增長，增長幅度基本在4.7%～14.8%之間。注漿對提高結構面的峰值強度效果不大。

（2）剪切參數

結構面注漿對于剪切參數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構面的初始摩擦力，這點是比較明確的，對于鋸齒結構面模型，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也擴大了上下結構面之間的接觸面積，因而使得其c值具有明顯的增加；而注漿對于?值的改變沒有明顯的規律性。這是由于在水平荷載施加后，試件具有明顯的滑動，結構面的控制因素為鋸齒強度及其個數，相對于上述因水泥漿的強度影響就顯得不明顯了。

圖12 注漿前水平位移-剪切應力曲線Fig.12 Horizontal displacement-shear stress curves before grouting

圖13 注漿后水平位移-剪切應力曲線Fig.13 Horizontal displacement-shear stress curves after grouting

（3）上升段斜率

注漿后結構面上升段斜率具有明顯地提高，而注漿后峰值強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構面的剪切位移。

（4）殘余強度

如果在實際工程中，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，那么在本次試驗研究中同樣可以把注漿前鋸齒結構面狀態稱為第1次破壞，同樣注漿后剪切試驗稱為第2次破壞。結構面注漿后殘余強度約有10%左右的提高。在工程實際中，注漿能夠提高再次破壞的殘余強度，這樣能夠給工程帶來較大的安全系數，所以說，注漿對于改善圍巖受力狀態及承載特性具有顯著的意義。

（5）齒數對結構面剪切特性的影響

在剪切過程中，鋸齒結構面具有明顯的剪脹現象[15－17]。在自由剪脹條件下，峰值抗剪強度為

殘余抗剪強度為

在約束剪脹條件下，峰值抗剪強度為

殘余抗剪強度為

式中：B為與鋸齒特性相關的參數。

由上式可以看出，結構面剪脹效應受到約束，明顯提高了峰值抗剪強度τp及殘余抗剪強度τs，鋸齒個數較多時，相互之間提供了剪脹效應的約束，因此，能夠明顯提高剪切峰值及殘余強度。

同時，通過對試驗結果的分析（見圖12、13），可以發現：

①當σn較小時，鋸齒個數對強度影響較大，σn較小時，允許試件在剪切過程中有較大的垂直位移，但較多的鋸齒相對于鋸齒較少的結構面，其垂直位移受到較大的約束。說明當σn較小時，較多鋸齒的結構面受到較大的約束作用。因此，其剪切強度及殘余強度有較大的提高。②當σn較大時，剪切峰值強度基本上為剪斷巖石的強度，這個強度與試件材料關系較大，而受鋸齒個數的影響較小，同時由于σn較大，鋸齒被剪碎，其中鋸齒較多時破碎巖塊較多，這些破壞巖塊約束了剪切過程中的水平位移及垂直位移，從而使得峰值強度有小幅度的增加。③強度參數c值隨著鋸齒條數的增加（見圖14），均有一定程度的增加，這說明隨著鋸齒條數的增加，結構面的鋸齒咬合的面積增大，增大了上下兩個結構面初始摩擦力，因而帶來了c值的增加，試驗結果與采用多項式擬合結果比較相近。

注漿前

注漿后

式中：c為試件黏聚力；x為鋸齒個數。

圖14 鋸齒個數與黏聚力的關系Fig.14 Relationships between sawteeth number and cohesion

4 結 論

（1）同種巖體，在人工致裂工程中形成的破裂面JRC相近，結構面粗糙度具有可復制性。因此，可加工具有與自然壓壞巖樣結構面粗糙度JRC相近的標準試件進行結構面剪切試驗。

（2）注漿后的剪切峰值強度、殘余強度、剪切參數及上升段斜率均有不同程度的提高，從而說明注漿對結構面能夠起到加固的作用。

（3）注漿后，結構面的剛度及抗剪強度參數都有所改善，而剛度的改善更為明顯。

（4）鋸齒個數和注漿過程對剪切過程有很大的影響。結構面的剪切峰值強度及殘余強度隨著鋸齒形齒數的增多明顯提高，而注漿過程對鋸齒模型結構的剪切過程的影響主要表現在對峰值強度、剪切參數、上升段斜率及殘余強度的影響上。

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