含孔洞裂隙巖體灌漿后力學特性的物理試驗與數值模擬

張 科，劉享華，楊紅宣，范文臣

(1.昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500；3.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

由于漫長的地質構造作用，巖體內部除了存在裂隙缺陷，也孕育了孔洞缺陷[1]。這些地質缺陷是影響巖體強度和變形破壞特性的主要因素，也是影響工程安全的重要地質條件。因此，開展含地質缺陷的巖體力學特性試驗研究，對于確保巖體工程的穩定具有重要的理論意義。

近幾十年來，國內外學者們對含裂隙缺陷的巖體力學特性進行了大量的試驗、理論以及數值模擬研究，取得了豐碩的成果[2-5]。而對含孔洞缺陷的巖體力學特性方面的研究相對較少，Lajtai[6]最早采用石膏模型材料試驗研究壓縮作用下含孔洞試件的破壞過程。胡盛斌等[7]采用水泥砂漿材料試驗研究了單軸循環荷載作用下含孔洞試件的破壞特征。宋義敏等[8]采用石膏模型材料試驗研究了含孔洞試件拉斷裂和遠場斷裂破壞、V型坑破壞和分區破裂化3種破壞形式的形成機制。李地元等[9]研究了單軸壓縮條件下含雙側預制孔洞的花崗巖巖板力學特性和變形破裂演化規律。Chen等[10]對大比尺含圓形孔洞模型進行了雙向加載試驗。朱譚譚等[11]對含雙圓形孔洞的砂巖試樣進行了單軸壓縮試驗。孔洞和裂隙在幾何形態上存在著差異性，所以在受力條件下將表現出不同的力學特性。研究表明，壓縮應力作用下含裂隙巖石類脆性材料的破裂演化過程中產生翼型裂紋和次生裂紋[2-5]，翼型裂紋屬于拉裂紋，在裂隙尖端或靠近尖端的位置萌生；次生裂紋屬于剪切裂紋，出現在裂紋尖端。而含孔洞巖石類脆性材料在壓縮加載過程中觀察到3種裂紋模式[8]：初始拉裂紋，形成于孔頂和孔底拉應力集中區；剪切裂紋，形成于孔壁左右兩側壓應力集中區；遠場裂紋，形成于孔洞周邊的遠處。巖體工程中常采用灌漿充填技術處理地質缺陷，加固巖體[12-16]。孔洞缺陷和裂隙缺陷往往同時出現在巖體中，朱譚譚等[17]對孔洞-裂隙組合型缺陷巖體的力學特性進行了試驗研究，但灌漿體對含孔洞裂隙巖體力學特性的影響研究卻鮮有報道。

本文采用類巖石模型材料制備含孔洞裂隙模型試件，單軸壓縮試驗對比孔洞不充填和完全灌漿充填2種工況，使用RFPA2D軟件進行數值模擬，研究不同裂隙傾角條件下灌漿體對含孔洞裂隙巖體應力環境、破裂模式、力學特性參數的影響，為理解孔洞灌漿體的加固作用機制提供了一種途徑。

1 試件制備與試驗方案

1.1 試件制備

若直接采用天然巖石進行試驗，試件加工困難且無法保證一致性，因此本試驗制備類巖石模型材料，這類材料具有與巖石相似的結構特征和破壞特征，同時還具有力學特性穩定、制作方便以及成本低廉等優點。類巖石模型材料配比參考Zhang等的研究[18]，配比為白色硅酸鹽水泥∶細砂∶水=2∶2∶1 (體積比)。試件尺寸為150 mm (長)×150 mm (寬)×30 mm (厚)。在巖溶地區隧道工程的修建過程中難免遇到巖溶問題，如果未能及時處理，容易造成塌方事故，給施工和運行造成重大安全隱患。通過地質勘察發現圓形、類圓形是天然溶洞主要的形狀之一[19]。因此，在模型材料中心位置添加圓形預制孔洞，以模擬天然溶洞，孔洞半徑為25 mm(圖1a)。在模型材料初凝前插入云母片模擬閉合型裂隙，裂隙長度為10 mm，裂隙延長線與孔洞圓心重合。設計3種不同的裂隙傾角β，定義為裂隙與水平方向的夾角，分別設置為0°，30°和90°，分別表征水平、傾斜和豎直裂隙(圖1a)。試件在標準鋼模具中澆注成型，澆筑完24 h后拆模，然后將其放入混凝土養護箱按標準養護方式養護28 d。模型材料和裂隙的基本物理力學參數與文獻[18]相同。

試驗對比孔洞不充填和完全灌漿充填2種工況。而孔邊裂隙為閉合型，無法對其進行灌漿處理，所以試驗未考慮裂隙灌漿充填這種工況。對于孔洞完全灌漿充填工況，相應的試件制備是在養護完成的含孔洞裂隙物理模型試件基礎上，按白色硅酸鹽水泥∶細砂=1∶2 (體積比)以及適量水配制低強度水泥砂漿，用于模擬灌漿體，將其完全充填孔洞(圖1b)，然后再養護72 h。養護完成后，將試件上下表面磨平，以便于在試驗中觀察裂紋擴展過程，物理模型試件如圖2所示。

1.2 試驗裝置和方法

單軸壓縮實驗在RYL-600型微機控制巖石剪切流變儀上完成(圖3)。試驗加載過程中采用位移控制，加載速率設置為0.6 mm/min，試驗加載持續到試件完全破壞。采用配套的控制記錄軟件記錄軸向位移和荷載數據，采用高清攝像機記錄裂紋起裂、擴展、貫通和失效等破壞過程。

圖3 試驗裝置Fig.3 Experimental setup

圖4 數值計算模型Fig.4 Numerical model

2 數值模型

RFPA2D是基于有限元和統計損傷理論的數值模擬軟件，可以真實地模擬巖石類脆性材料的破壞過程。相應的數值模型試件尺寸為長×寬=150 mm×150 mm，模型網格劃分為300×300=90 000個細觀基元(圖4)。破壞判據采用修正的Morh-Coulomb準則和拉破壞準則。模型試件上部施加法向位移控制條件，下部設置為法向位移約束。

3 試驗及模擬結果分析

3.1 孔洞灌漿體對應力環境的影響

采用RFPA2D軟件計算數值模型試件的應力分布，以軸向加載位移量為0.17 mm為例，不同裂隙傾角的試件最大和最小主應力云圖如圖5所示，各試件最大壓應力和最大拉應力的計算結果見表1。可以看出，孔洞不充填和孔洞完全灌漿充填試件的主應力集中區域大體一致：“X”型最大壓應力帶交于孔洞左右兩側，且孔洞和裂隙周邊應力更大，最大拉應力則集中于孔頂和孔底。相比于孔洞不充填試件，完全灌漿充填試件的灌漿體減輕了應力集中，表現為最大壓應力和最大拉應力下降，降幅分別為7.6%～9.8%、0.4%～9.8%。

圖5 不同裂隙傾角β下的主應力云圖(MPa)Fig.5 Contours of the principal stresses of different flaw angles β (MPa)

3.2 破裂模式

3.2.1 裂隙傾角對破裂模式的影響

單軸壓縮作用下不同裂隙傾角的含孔洞裂隙物理模型和數值模型試件(孔洞不充填和完全灌漿充填)宏觀破裂模式如圖6所示。

(1)水平裂隙(β=0°)：RFPA2D數值模擬表明，在加載初期，孔頂和孔底產生拉應力集中現象(圖5)。這些裂紋立即擴展到一定長度，由于拉應力得以釋放，繼續加載后一直保持穩定，并未導致試件貫通破壞。隨后，數值模擬發現孔壁左右兩側壓應力集中(圖5)，導致發生碎屑崩落的現象，類似于地下工程開挖過程中發生的巖爆現象。孔洞左上側稍遠處形成遠場裂紋；預制裂隙右端形成剪切裂紋沿試件左下端發展。隨著施加荷載的進一步增加，宏觀裂紋搭接貫通，最終導致試件的失穩破壞(圖6)，此時數值模擬結果顯示應力集中現象不明顯。

表1 應力計算結果

(2)傾斜裂隙(β=30°)：在加載初期，除了在孔頂和孔底產生初始拉裂紋，孔邊預制裂隙尖端也觀察到拉裂紋。隨著施加荷載的增加，孔壁左右兩側碎屑崩落，孔洞左下側稍遠處形成遠場裂紋；而預制裂隙尖端產生剪切裂紋，向右上端延伸和擴展。繼續加載，遠場裂紋、預制裂隙和剪切裂紋搭接貫通，使得試件產生最終破壞(圖6)，此后數值模擬結果表明應力趨于平均分布。

圖6 不同裂隙傾角β下的試件單軸壓縮破裂模式Fig.6 Uniaxial compression failure modes of specimens under different flaw angles β

(3)豎直裂隙(β=90°)：孔洞左上側和右下側形成的遠場裂紋導致試件的失穩破壞(圖6)。

RFPA2D數值模擬所再現的破壞過程與試驗結果大體吻合。本次試驗中水平和傾斜裂隙試件的破裂模式與朱譚譚等[16]的含孔洞張開型裂隙砂巖試驗結果基本一致。由于裂隙開合狀態以及試件材料的不同，導致豎直裂隙試件的破裂模式有所不同，探究這兩因素的影響效應是今后研究的方向。

3.2.2 孔洞灌漿體對破裂模式的影響

孔洞完全灌漿充填試件的裂紋擴展特征與孔洞不充填試件類似，這是由于灌漿體強度遠低于圍巖強度，雖然使得應力環境有所改善，但仍不足以改變最終破裂模式。水平和豎直裂隙試件(β=0°和90°)最終的破裂呈現為遠場裂紋剪斷巖橋，均未沿預制裂隙發生破壞；而沿遠場裂紋、預制裂隙和次生剪切裂紋的剪切滑移導致傾斜裂隙試件的最終破壞。

3.3 力學特性參數

3.3.1 裂隙傾角對力學特性參數的影響

單軸壓縮作用下不同裂隙傾角的含孔洞裂隙試件(孔洞不充填和完全灌漿充填)力學特性參數見圖7。對于含孔洞裂隙試件，預制裂隙傾角顯著影響試件的破裂模式，而宏觀強度參數與巖體中裂紋起裂、擴展和貫通過程緊密相關。傾斜裂隙試件破壞主要受預制裂隙控制，破壞模式為沿裂隙面滑移破壞，導致試件峰值強度最低，試驗和模擬結果分別為7.20和7.56 MPa。遠場裂紋是水平和豎直裂隙這兩種結構型式試件破壞的重要表現形式，均呈現為穿切巖橋剪切破壞，造成其峰值強度高于傾斜裂隙試件。

圖7 灌漿體對力學特征參數的影響Fig.7 Influence of grouting body on mechanical characteristic parameters

3.3.2 孔洞灌漿體對力學特性參數的影響

(1)對于峰值強度變化特征，蘇海健等[13]、尹乾等[15]研究發現低強度充填物對裂隙巖體峰值強度的增強效應并不明顯，與不充填相比僅增大1.49%～ 3.96%；而本次試驗采用的孔洞灌漿體也屬于低強度材料，但相比于孔洞不充填試件，孔洞完全灌漿充填的物理模型和數值模型試件的峰值強度增幅分別為5.45%～23.33%、4.18%～14.29%，加固效果明顯。另外，還發現傾斜裂隙試件的峰值強度增幅最大。

(2)對于殘余強度變化特征，孔洞完全灌漿充填試件破壞后并沒有完全失去承載力，除了巖石原生和次生裂隙內部之間摩擦力，灌漿體在受力條件下表現出彈塑性特征，所以還能承受荷載，導致殘余強度高于孔洞不充填試件。孔洞完全灌漿充填的物理模型和數值模型試件殘余強度的增幅分別達到31.68%～161.71%、22.54%～73.85%。在這一點上，孔洞灌漿體加固效果優于裂隙充填工況，蘇海健等[13]、尹乾等[15]研究發現殘余強度有所增大。這是因為充填物占比不大，所以影響輕微。

(3) 對于變形變化特征，孔洞完全灌漿充填情況下物理模型試件的彈性模量比孔洞不充填試件減小了1.47%～20.26%，而數值模型試件的彈性模量基本保持不變。

3.4 孔洞灌漿體的加固作用機制

綜合上述試驗和模擬結果，孔洞灌漿體的加固作用可能存在以下3種機制：

(1)當孔洞灌漿處理后，灌漿體與含孔洞裂隙巖體形成了一種復合結構體，盡管灌漿體強度不高，但巖體受荷變形壓縮灌漿體，灌漿體又對圍巖產生反作用力，灌漿體與含孔洞裂隙巖體之間形成了力學上相互作用，改善了孔洞周邊的應力環境，增強了圍巖的自支撐能力。

(2)另一方面，灌漿體和圍巖交界面會產生局部支護力，尤其在孔邊裂隙附近，而已有研究證明小的表面荷載對摩擦型介質中屈服區范圍可能會產生重大影響[20]。

(3) 另外，圍巖破壞并不意味著承載能力的消失，灌漿體在受力條件下表現出彈塑性特征，改善了含孔洞裂隙巖體的峰后特征，破壞后的試件還有較高的殘余強度。

4 結論

(1)孔洞灌漿體能夠改善孔洞周圍的應力環境，應力分析表明灌漿體與含孔洞裂隙巖體之間形成了力學上的相互作用，灌漿充填后的試件最大壓應力和最大拉應力均小于孔洞不充填試件，降幅分別為7.6%～9.8%和0.4%～9.8%，使得孔洞上下兩端初始拉裂紋以及孔壁碎屑崩落引起的破壞程度降低。

(2)孔洞完全灌漿充填的物理模型和數值模型試件最終破裂模式與孔洞不充填試件類似，傾斜裂隙試件破壞主要受預制裂隙控制，而水平和豎直裂隙試件的破裂模式為巖橋剪斷。

(3)孔洞完全灌漿充填的物理模型和數值模型試件峰值強度和殘余強度均顯著高于孔洞不充填試件，峰值強度增幅分別為5.45%～23.33%、4.18%～ 14.29%，殘余強度增幅分別為31.68%～ 161.71%、22.54%～73.85%。灌漿充填后的力學參數變化幅度與裂隙傾角有關，傾斜裂隙試件的加固效果最好。

(4)本次研究初步探究了單軸壓縮作用下充填試件的力學特性，下一步將開展雙軸和三軸壓縮作用下不同孔洞形狀的相關試驗和數值模擬研究工作。