裂隙形式對盾構端部加固體強度及破壞模式影響*

王軍祥， 崔寧坤， 甘秀蘭， 唐亞新， 李金宇

(1. 沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2. 中鐵十一局集團第一工程有限公司 杭紹臺項目部， 湖北 襄陽 441104)

盾構機穿過巖溶或松散土層時，容易發生盾構機下沉、地表塌陷及局部液化等不良工程現象[1].當盾構施工地區的工程地質條件不良時，其端部破壞較易發生，在工程上為了改善不良的工程地質條件，保證工程安全，通常會事先采用回填、壓力注漿、高壓旋噴法等方法預處理不良地質體.盾構施工對松散土體的加固處理常常采用高壓旋噴法進行加固，由于地下加固過程不可視，難免會出現加固不良現象，加固體中出現各種裂隙.裂隙的存在對加固體的力學特性及強度都具有不良影響，故此對存在裂隙的加固體破壞特性進行研究具有實際的工程意義.國內外許多學者對巖體及類巖體材料的破壞特性進行了研究.肖桃李等[2]采用MTS常規三軸壓縮試驗方法，對預制裂隙的類巖體材料進行試驗，研究了裂隙試樣的破壞特性；張波等[3-4]考慮了多種裂隙形式，用類巖體材料模擬巖體，進行單軸壓縮試驗，研究了巖體中存在交叉裂隙情況的力學性能及破壞機制；Haeri等[5]用含1～2條預置裂隙類巖石圓盤試件進行壓縮試驗，觀測到翼裂紋首先出現并向最大壓應力的方向擴展；劉學偉等[6]利用單軸壓縮試驗，研究了類巖石材料中裂隙形式對試樣強度特征及失穩模式的影響；劉欣宇等[7]研究了交叉充填節理對類巖石強度特征和變形特性的影響；樊成等[8]對巖體Ⅱ型裂紋擴展進行了數值模擬方法研究；張科等[9]對巖體中反傾角裂隙的壓剪破壞進行了研究.

本文主要以某市地下綜合管廊盾構施工為現實工程背景，利用施工現場端部加固體材料制作試驗試件，進行單軸壓縮試驗，分析高壓旋噴法對盾構施工端部加固時，加固體中裂隙的存在對加固體強度的影響及其破壞模式.通過試驗可知，工程上應該從兩個方面來減小裂隙對加固體的影響：1)通過改善水泥漿與施工地區砂土的配比，提高加固體的整體強度；2)改善施工工藝，使水泥漿與砂土混合得更加充分均勻，減小加固體中裂隙存在的可能性[10].

1 巖體破壞力學分析

在巖體破壞中，常見的破壞有巖石自身強度的破壞和巖體中軟弱結構的破壞兩種形式.假設試件材料滿足各向同性且材料強度與裂隙強度均符合摩爾-庫倫準則時，由摩爾-庫倫準則可知

(1)

(2)

由裂隙強度符合摩爾-庫倫準則可知

τ=cw+σtanφw

(3)

式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；β為裂隙傾角；cw為裂隙面粘聚力；φw為裂隙面內摩擦角；τ和σ為裂隙面上的剪應力與正應力.

由式(1)～(3)可得裂隙強度摩爾-庫倫準則為

(4)

巖塊的摩爾-庫倫強度準則為

(5)

式中，φ0和c0為巖塊內摩擦角和粘聚力.

由式(4)可得裂隙強度曲線斜率及裂隙面的單軸抗壓強度分別為

(6)

(7)

同理可得巖塊強度曲線斜率及巖塊單軸抗壓強度分別為

(8)

(9)

由上述公式可知，巖塊的強度由自身的內摩擦角及粘聚力控制；巖體內存在裂隙時，其整體強度則由裂隙的強度控制.由式(6)～(7)可知，巖體內裂隙的強度由裂隙傾角β、裂隙面粘聚力cw、裂隙面內摩擦角φw控制，而φw、cw僅與材料屬性有關，故裂隙傾角β對于含有裂隙巖體強度有著至關重要的影響.

2 單軸壓縮試驗

2.1 試驗方案

在某市地下綜合管廊項目中，端部加固體是使用42.5級普通硅酸鹽水泥與水進行1∶0.7質量比配成水泥漿液，然后與地下砂土混合而成.本次試驗試件的制作將采用相同規格的水泥與水，按照質量比為1∶0.7配制水泥漿液，然后與現場砂土進行不同配比，制作試驗試件進行單軸壓縮試驗，具體配比如表1所示.

表1 材料配比Tab.1 Mix proportion of materials

本試驗取用與工程現場相同的砂土和水泥漿液，按照一定比例進行混合，以此來模擬現場高壓旋噴法端部加固體，同時利用預制PVC薄片來模擬加固體中出現的單裂隙、平行雙裂隙，以此研究不同配比、不同裂隙角度的試件在單軸壓縮條件下的力學性能和裂隙的破壞特性，對使用高壓旋噴法進行端部加固的工程提供一定的幫助和建議.

2.2 試件制作

選用A×B×H=50 mm×50 mm×100 mm的方形模具制備試件，如圖1所示.其中，A為試件寬度，B為試件厚度，H為試件高度.預制裂縫所使用的PVC薄片是使用透明文件拉桿夾制作而成，厚度為0.2 mm，寬度為15 mm.將預制的PVC薄片貫穿試件來代替貫穿裂隙，近似模擬閉合裂隙，沿著厚度B的方向進行放置，單裂隙的放置角度分別為0°、30°、60°、90°，平行雙裂隙的放置角度分別為30°和60°，裂隙角度示意圖如圖2所示，具體各工況如表2所示.本試驗中，為保證試驗數據的準確性，排除偶然誤差的影響，每種工況制作5個相同試件，共制作21種工況105個試驗試件.

圖1 試件模具制備Fig.1 Preparation of specimen mould

圖2 預制裂隙試件示意圖Fig.2 Schematic diagram of prefabricated crack specimens

表2 試驗工況Tab.2 Operating conditions of tests

3 試驗現象及數據分析

單軸壓縮試驗是在沈陽工業大學建筑與土木工程學院建筑材料結構試驗中心的萬能試驗儀上完成的.該設備具有軸向加載剛度大，可以獨立伺服加載，具有高精度寬頻電液伺服閥，對于材料可以快速響應，測得的數據比較精準可靠，可以進行多種不同物理參數的測量，且可以進行電子計算機的全程自動控制.在本試驗中采用位移加載的方式進行加載，加載速率為0.5 mm/min.

3.1 裂隙對加固體力學性能的影響

對試驗試件逐個進行單軸壓縮試驗，對試驗數據進行統計整理和計算得到具體詳細數據，如表3所示.單軸壓縮試驗中各工況的應力-應變曲線如圖3～5所示.

當水泥漿液與砂進行1∶1配比混合時，由1～7工況的應力-應變曲線可知：工況1無裂隙試件的峰值強度最大；工況7含有60°平行雙裂隙的峰值強度最小；工況3含有30°單列隙的峰值強度大于工況6含有30°平行雙裂隙的峰值強度；工況4含有60°單列隙的峰值強度大于工況7含有60°平行雙裂隙的峰值強度.由此可知，裂隙的存在會一定程度地降低試件的強度.

表3 試驗數據Tab.3 Test data

圖3 工況1～7應力-應變圖Fig.3 Stress-strain curves at operating conditions 1 to 7

圖4 工況8～14應力-應變圖Fig.4 Stress-strain curves at operating conditions 8 to 14

圖5 工況15～21應力-應變圖Fig.5 Stress-strain curves at operating conditions 15 to 21

當水泥漿液與砂進行2∶3配比混合時，由工況8～14的應力-應變曲線可知：工況8無裂隙試件的峰值強度最大；工況14含有60°平行雙裂隙的峰值強度最小；工況10含有30°單列隙的峰值強度大于工況13含有30°平行雙裂隙的峰值強度；工況11含有60°單列隙的峰值強度大于工況14含有60°平行雙裂隙的峰值強度，與工況1～7的結論大致相同.

當水泥漿液與砂進行1∶2配比混合時，由工況15～21的應力-應變曲線可知：工況15無裂隙試件的峰值強度最大；工況21含有60°平行雙裂隙的峰值強度最小；工況17含有30°單列隙的峰值強度大于工況20含有30°平行雙裂隙的峰值強度；工況18含有60°單列隙的峰值強度大于工況21含有60°平行雙裂隙的峰值強度.

由應力-應變曲線及單軸抗壓強度平均值可知，無裂隙工況1、8、15的水泥漿液與砂的配比分別為1∶1、2∶3、1∶2，配比為2∶3(工況8)的峰值強度最大，配比為1∶2(工況15)具有最小峰值強度.本試驗認為水泥漿液主要起到膠結作用，其對力的承載主要由砂顆粒來承擔，配比為2∶3較配比為1∶1的試件具有更多的砂顆粒來承擔壓力；配比為1∶2雖有較多的砂顆粒來承擔壓力，但其漿液較少，砂顆粒間的粘結力較弱.故本次試驗認為，水泥漿液與砂土進行2∶3配比混合時，加固體具有較高強度；在加固體強度未達到一定值時，裂隙的數量較裂隙角度對加固體強度影響占主導地位；強度達到一定值時，裂隙的角度對加固體強度的影響較為突出.

3.2 試驗現象

3.2.1 無裂縫試件

工況1、8、15為三種不同配比無裂縫試件，在其受到軸向壓力時，會產生大致沿45°方向的對角線裂縫，屬于典型剪切破壞，其強度特征符合經典摩爾-庫倫準則，如圖6所示.故此認為，在沒有裂隙存在的加固體中，其破壞為典型剪切破壞.

圖6 無裂縫試件破壞后側面圖Fig.6 Side view of crack-free specimens after failure

3.2.2 0°裂隙試件

工況2、9、16為0°單裂隙試件，當軸向受壓時三個工況均在近似平行軸向(即近似垂直于0°裂縫的方向)方向上出現裂縫，即拉破壞，如圖7所示.

圖7 0°裂隙試件正面破壞圖Fig.7 Front view of 0° crack specimens after failure

3.2.3 30°裂隙試件

工況3、10、17為30°單裂隙試件，在受到軸向加載時，不同配比試件出現不同的裂隙，1∶1配比的整組試件在正面幾乎沒有明顯的裂紋，而兩個側面出現與無裂縫組相同的大跨度對角線裂縫的剪切破壞，其余兩組試件前后兩面出現少量沿著預制裂縫的豎直延展裂縫，即拉破壞，如圖8所示.

圖8 30°裂隙試件正面破壞圖Fig.8 Front view of 30° crack specimens after failure

3.2.4 60°裂隙試件

工況4、11、18為60°單裂隙試件，在軸向加載時，出現了沿著裂隙方向的擴展裂隙，其擴展裂隙與模擬的裂隙共面，如圖9所示，試件的四個面均有剪切破壞裂隙出現.

圖9 60°裂隙試件正面破壞圖Fig.9 Front view of 60° crack specimens after failure

3.2.5 90°裂隙試件

工況5、12、19為90°單裂隙試件，在軸向加載時，出現了與0°單裂縫相同的破壞，大多在前后兩面出現一道或幾道豎向裂縫，即拉破壞；側面出現剪切破壞的長斜裂縫，即剪破壞，如圖10所示.

圖10 90°裂隙試件正面破壞圖Fig.10 Front view of 90° crack specimens after failure

3.2.6 30°平行雙裂隙試件

工況6、13、20為30°平行雙裂隙試件，在軸向加載時，試件背面出現了一定程度上的對頂錐破壞，即共軛剪切破壞，如圖11所示.

3.2.7 60°平行雙裂隙試件

工況7、14、21為60°平行雙裂隙試件，當軸向加載時，大部分試件均出現共軛剪節理，即發生對頂錐式剪切破壞，如圖12所示.

4 結 論

本試驗基于某市地下綜合管廊實際工程，研究了裂隙形式對盾構施工端部加固體破壞的影響，試驗結果能夠為盾構施工提供一定的參考價值.本試驗得出以下結論：水泥漿液與砂的配比為2∶3時，加固體具有較高的強度；水泥漿液與砂的配比為1∶2時，加固體的強度最低；試件軸向加載時，裂隙的存在都將使試件的強度有所降低，其破壞形式與裂隙的角度及數量有關；對于單裂縫來說，多為拉-壓破壞和剪切破壞；對于雙裂縫來說，多為共軛剪切破壞，并伴隨有明顯的共軛剪節理出現.

圖11 30°平行雙裂隙試件正面破壞圖Fig.11 Front view of 30° parallel double crack specimens after failure

圖12 60°平行雙裂隙試件正面破壞圖Fig.12 Front view of 60° parallel double crack specimens after failure