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裂隙面起伏形态对注浆固结体剪切力学特性的影响
摘要：为研究裂隙面起伏形态对裂隙岩体注浆加固后剪切力学特性的影响，首先，通过3D打印技术生成不同起伏形态的裂隙模型，并采用类岩石材料浇筑成型，然后，对裂隙岩体进行注浆加固，最后，对含不同类型裂隙的注浆固结体进行常法向荷载直剪试验。结果表明：锯齿形固结体的剪切强度最大，波浪形次之，平直形最小；随着法向荷载的增加，平直形固结体的剪切强度增幅最大，波浪形次之，锯齿形最小。剪切过程中，平直形固结体仅发生沿浆-岩界面的剪切破坏；波浪形固结体的浆-岩界面在加载初期发生剪切破坏，随着浆脉与岩壁的啮合程度降低，剪切破坏面逐渐向浆脉和岩体的内部发展，而锯齿形固结体的剪切破坏面出现在浆脉和岩石内部。
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深部巷道掘进后，围岩变形明显。岩体内部裂隙的扩展及破坏，将造成岩体整体强度下降，进而导致围岩失稳，对矿井巷道安全造成严重影响。注浆是解决这一问题的主要方法之一。实际注浆工程中，浆液沿裂隙空间、大孔隙通道充填扩散，其胶结固化后使裂隙岩体的强度及抗变形能力得到提高。目前，国内外就裂隙注浆加固效果开展了大量研究，并取得了丰硕成果。通过注浆加固规则锯齿状裂隙岩体，开展直剪试验研究注浆固结体力学特性。基于室内相似试验，探究注浆固结体的抗剪强度和剪切破坏模式，较少有考虑裂隙面起伏形态对注浆固结体力学性能的影响。
本文基于Barton标准粗糙度剖面曲线生成了不同起伏形态的裂隙面，通过3D打印技术制作了裂隙岩体模具，采用相似材料浇筑成型，并对裂隙岩体进行了注浆加固。通过开展3种不同裂隙面注浆固结体的常法向荷载直剪试验，研究不同类型裂隙面注浆固结体的剪切力学行为与破坏模式。
1、试件制备与试验方案
1.1 试验设备
本次试验在YZW-50B型直剪试验机上进行，该试验机法向和切向的最大载荷为500 kN，最大切向加载位移为400 mm，最大法向加载位移为350 mm；加载方式包括荷载控制（范围：0.1～20 kN/s）和位移控制(精度：0.001 mm)。本次试验法向力采用荷载控制，速率为0.1 kN/s；切向加载采用位移控制，速率为0.6 mm/min，最大剪切位移为9 mm。
1.2 试件制备
考虑到天然裂隙岩体取样难度高，本文采用水泥砂浆类岩石材料浇筑裂隙岩体试样。首先，选取3种不同类型的标准JRC曲线；然后，将标准曲线扩展为两倍长度曲线；最后，在扩展曲线上随机选取长度为100 mm的线段样本，以20条曲线为母线，结合样条插值函数，生成100 mm×100 mm的插值曲面，如图1所示。通过3D打印技术打印出厚度为5 mm的模具并组装成浇筑盒，如图2所示。
图1 曲面生成
图2 浇筑盒示意图
将天然河沙、普通硅酸盐水泥、水以4∶2∶1的比例均匀混合，倒入浇筑盒内，并立刻将浇筑盒(100 mm×100 mm×100 mm)放置于混凝土震荡台上进行震荡去除气泡。养护28 d后，得到具有目标节理类型的裂隙试样，最后采用NF高性能水泥基注浆料对裂隙试样进行注浆加固，根据裂隙面形态将固结体分为平直形、波浪形、锯齿形，如图3所示。
1.3 试验方案
在进行直剪试验之前，对类岩石材料和纯浆液固结体进行基本力学参数测定，结果如表1所示。然后，对含不同裂隙面的注浆固结体进行常法向荷载直剪试验。法向载荷的4个水平分别为5、10、15、20 kN，以0.6 mm/min的剪切速率施加切应力直至试件破坏，本次试验共计36个试样。
图3 试样制备
表1 类岩石和纯浆液固结体力学参数
2、试验结果分析
平直形固结体剪应力-剪切位移曲线如图4所示。由图4可知，正应力σn分别为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa时，平直形固结体的剪应力-剪切位移曲线具有相同的变化趋势，即：在加载初期，剪应力随着剪切位移线性变化；剪应力达到峰值强度后，剪应力迅速下降，产生应力跌落现象，此时浆-岩界面黏结失效；然后，曲线趋于平缓，剪应力保持稳定，进入残余阶段。
图4 平直形固结体剪应力-剪切位移曲线
通过对比不同正应力下的曲线可知，正应力为0.5 MPa和1.0 MPa时，残余阶段的剪应力未发生明显变化。然而，正应力为1.5 MPa和2.0 MPa时，残余阶段的剪应力有缓慢降低趋势。分析认为，在较低的正应力作用下，浆脉与岩壁间的相互滑移未造成浆脉或岩壁的微凸体发生破断，而在较高法向应力下，界面上的微凸体发生应力集中，从而被剪断，形成薄充填层，对界面滑移起到润滑作用，导致剪应力降低。
通过对比平直形固结体峰值剪应力和残余剪应力可知，峰后应力最大降幅为38.95%，其下降幅度与正应力的大小呈负相关。在高正应力条件下，固结体剪应力达到峰值强度后会经历2个阶段降低，第1阶段的应力下降幅度是第2阶段的1.44倍。
波浪形固结体剪应力-剪切位移曲线如图5所示。由图5可知，剪应力达到峰值前，波浪形固结体的剪应力-剪切位移曲线总体与平直形固结体相似，剪应力与剪切位移正相关。达到峰值强度后，浆-岩接触面开始破坏，此时，剪应力逐渐下降，直至进入残余阶段。相较于平直形浆-岩界面，波浪形固结体在残余阶段时期，会出现1次明显的应力下降。试验过程中，波浪形固结体在残余阶段分为2个阶段，第1阶段是岩壁沿着浆-岩界面爬坡，第2阶段，上下岩壁沿水平方向滑移。岩壁凸起和浆脉剪断是进入第2阶段的标志，也是残余阶段应力骤降的主要因素。
图5 波浪形固结体剪应力-剪切位移曲线
正应力为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa时，岩壁发生二次剪断的剪切位移分别为5.5、4.7、4.2、3.4 mm。对比可知，正应力越小，剪应力二次骤降时的剪切位移越大，岩体的爬坡距离越大。分析认为，岩体爬坡过程中，岩壁的受力面积降低，凸体剪应力递增，直至达到岩体抗剪强度发生破断。
锯齿形固结体剪应力-剪切位移曲线图如图6所示，正应力分别为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa时，锯齿形固结体剪应力-剪切位移曲线总体上具有相同的变化趋势，其基本特点：加载初期，剪应力与剪切位移呈正相关，其斜率与其正应力无关剪应力达到峰值前，由于少部分微凸体存在应力集中，并发生破坏，所以剪应力增长速率下降。
通过对比分析锯齿形固结体的峰值抗剪强度和残余抗剪强度可知，正应力越大，剪应力下降幅度越小；正应力为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa时，剪应力的降幅分别为61%、48.8%、36.3%及24%。正应力每增加0.5 MPa，下降幅度平均降低12.33%。
图6 锯齿形固结体剪应力-剪切位移曲线
峰值剪切强度随正应力变化规律如图7所示。由图7可知，在相同正应力下，锯齿形固结体的抗剪强度最高，波浪形次之，平直形最低。注浆固结体的峰值抗剪强度均随正应力的增大而增大，锯齿形的平均增长速率为0.68，波浪形的平均增长速率为1.24，而平直形的增长速率仅为1.14。
图7 峰值剪切强度随正应力变化规律
注浆固结体在关键时间节点的破坏特征如图8所示，根据图4～图7可知，平直形固结体达到峰值强度后，浆-岩界面破坏；而波浪形固结体达到峰值抗剪强度之前，沿剪切方向坡度为负的浆-岩界面已然发生破坏，且剪应力增长速率未发生明显变化，因为该破坏是受拉剪力作用造成。根据Mohr-Coulomb准则和最大拉应力破坏准则可知，拉剪应力状态下的极限破坏应力将比压剪应力小得多，忽略该破坏对抗剪强度的影响。所以判断剪应力达到峰值强度后下降，是由于固结体沿剪切方向坡度为正的浆-岩界面发生破坏；锯齿形固结体达到峰值抗剪强度后，裂纹始发于浆-岩界面，向岩体和浆脉内部扩展，因此锯齿形浆-岩界面的破坏形式是岩体和浆脉的剪断破坏。固结体的浆-岩界面形状和破坏形式影响其残余阶段断面的粗糙度，锯齿形固结体的断面最为粗糙，波浪形次之，平直形最小。
图8 浆-岩界面破坏特征
3、结语
(1）常法向荷载作用下的直剪试验表明：注浆固结体的峰值抗剪强度随正应力的增大而增大，在相同正应力下，锯齿形裂隙面加固后的抗剪强度最大，波浪形次之，平直形最小。
(2）平直形和锯齿形固结体的浆-岩界面在峰前阶段均未发生破坏，而波浪形固结体沿剪切方向坡度为负的浆-岩界面则在峰前阶段发生破坏；达到峰值强度后，平直形固结体浆-岩界面破坏，波浪形固结体沿剪切方向坡度为正的浆-岩界面破坏，锯齿形固结体浆脉和岩体内部开始破坏。
(3）正应力和滑移界面粗糙度越大，固结体的残余强度就越大；相同法向载荷下，固结体剪切破坏后，锯齿形固结体的滑移界面粗糙度最大，波浪形次之，平直形最小。
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基金资助:国家自然科学基金项目(12172280); 陕西省自然科学基金重点资助项目(2020JZ-53);
文章来源:张嘉凡,刘昌启,覃祥瑞,等.裂隙面起伏形态对注浆固结体剪切力学特性的影响[J].煤炭技术,2024,43(07):1-4.
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2024-09-02我要评论
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2024-07-03
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