DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.04.025
含裂隙类岩石注浆加固后破坏试验研究
王志，李龙，王朝雅
(郑州大学 力学与工程科学学院，河南 郑州，450001)
摘要：采用白水泥预埋抽条法制作类岩石试样，利用邻苯二甲酸二丁酯增韧的环氧树脂浆液进行注浆，分析加固前后裂尖位置的应变场，揭示加固后多裂隙试样的破坏机理。研究结果表明：加固前后的裂纹萌生位置相同，未注浆试样的起裂角与原裂纹面垂直，注浆后的试样裂缝由起裂位置竖直向上下贯通整个试样，类似于完整试样的单轴压缩破坏，注浆加固能够将裂尖的应力集中有效抑制，同时增强试样的完整性。未注浆的单裂隙试样裂尖最大主应变在达到临界时出现首条裂缝，随后会发生应力重分布，注浆加固后，主应变增长均匀，破坏是由于裂隙充填物与类岩石材料之间的变形不平衡引起的。未注浆的双裂隙试样，裂纹萌生后，韧带区附近最大主应变增加至临界值出现贯通裂缝，断裂类型为I型断裂，注浆加固后双裂隙试样，裂尖附近拉应变几乎同时达到最大值，注浆加固可避免由于不连续节理或裂缝形成应力重分布，使试样形成较为完整的整体，影响注浆效果的主要因素是注浆材料的强度以及其与基体材料的黏结情况。
关键词：注浆加固；裂隙；破坏机理；应变分析；类岩石
中图分类号：TU45 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2018)04-0957-07
Experimental study on failure of cracked rock-like material after grouting reinforcement
WANG Zhi, LI Long, WANG Chaoya
(School of Mechanics & Engineering Science, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)
Abstract: Using white cement as the rock-like materials, the specimens in which the cracks were arranged through pre-installed steel slice were produced. The epoxy resin toughened by dibutyl phthalate (DBP) was used to carry out grouting reinforcement. The failure mechanism of the multi cracks specimens after grouting reinforcement was revealed through strain field analysis of the crack tip. The results show that the crack initiates in the same position for specimen before and after grouting reinforcement. The crack angle of specimens without grouting is perpendicular to the original crack plane and the crack of specimens after grouting is vertically penetrated through the whole specimen from the crack initiation position which is similar to the un-cracked specimen. The grouting reinforcement can effectively restrain the stress concentration of the crack tip and enhance the integrity of the specimen. The first cracks initiate when the maximum principal strain at the crack tip of single crack specimen reaches its critical value and then stress redistribution occurs. After grouting reinforcement, the maximum principal strain increase with a relatively flat trend and the failure occur because of the deformation imbalance between the rock like materials and the fracture fillings. For double cracks specimen without grouting, a penetrating crack occur in the ligament region because the maximum principal strain reaches critical value after the first crack initiates and Mode I fracture occurs. For double cracks specimen after grouting, the tensile strains almost reach their maximum value at the same time. The grouting reinforcement can avoid the formation of stress redistribution and strengthen the integrity of the specimen. The main factors of the grouting effect are the strength of the grouting material and its bonding properties.
Key words: grouting reinforcement; crack; failure mechanism; strain analysis; rock-like materials
在矿山开采过程中，垮塌、漏水等灾害频发，对岩土体进行注浆加固成为事故处理与预防的主要手段[1-2]。注浆加固可以改善被加固岩体的物理力学性质，从而提高整体强度与稳定性，由于岩体工程的隐蔽性以及岩体内部裂隙、孔洞等缺陷分布的随机性，开展注浆加固后岩体的破坏机理研究，是一个具有挑战性的研究课题。注浆加固后岩体的破坏机理，是岩土工程研究的一个重要内容，目前关于注浆加固后岩体的强度与变形问题研究，主要集中在注浆加固效果研究与评价等方面，如周维垣等[3]曾在二滩水电站现场以声波检测、原位实验为手段对坝基弱风化岩体的注浆加固效果进行了分析评价，认为注浆后岩体的黏聚力并无显著提高，但摩擦因数则有显著增长。葛家良等[4]通过岩体注浆模拟实验，分析了注浆加固体强度特征和影响规律。张农等[5]研究了破裂岩石注浆后的残余强度和变形性能，岩块经注浆固结后，其残余强度有较大提高，轴向变形和侧向变形趋向协调，固结体可以在较大的变形范围内保持较稳定的承载能力。刘长武等[6]通过岩体注浆前后电镜扫描观察、孔隙分布、X 线衍射图谱成分及宏观力学参数的分析比较，认为水泥注浆改变了岩石的微结构、微孔隙，从而提高了结构面的黏结力和内摩擦角。王汉鹏等[7]采用水泥浆和玛丽散 N 加固破裂试件，发现加固后岩石的变形趋于协调，同一浆液加固不同的岩石，被加固体本身的强度越高注浆加固体的强度越高，同样的岩石注入不同浆液，浆液的黏结强度越高注浆后的强度就越高。许宏发等[8]对已有岩体注浆前后强度实验值进行量纲一分析，建立了量纲一的参量即强度增长率和原岩体与浆液结石强度比，进而提出了破碎岩体注浆加固体强度增长率的经验公式。金爱兵等[9]应用室内模拟方法，对完整岩块以及采取注浆胶结、锚杆-注浆胶结联合加固 2 种方法加固后的破裂岩石力学性能进行实验研究，获得破裂岩石加固后的强度恢复信息，注浆胶结加固后的破裂岩石试样抗压强度可以恢复到完整岩石试样的 40%~50%，无残余强度。以上这些研究，通过实验或模拟，从定量的角度对注浆加固的效果进行了预测与评价，但注浆加固体整体破坏发生的机理尚不清楚。杨加米等[10]以损伤力学为基础, 提出了注浆加固体的本构模型, 讨论了注浆加固体本构模型中加固因子与裂隙、注浆材料等的关系。宗义江等[11-12]研究了不同轴压下注浆系统的特性以及注浆后岩体的力学特性。韩立军等[13-14]还进行破裂岩样结构面注浆加固的剪切实验，分析了注浆对结构面强度和刚度等力学特性参数的影响，建立了单一界面注浆加固体的抗剪强度计算公式，注浆加固后，结构面的抗剪强度沿各个方向均得到提升，但结构面的抗剪强度仍然存在明显的各向异性，而内摩擦角变化不大。刘泉声等[15]采用直剪试验研究了注浆前后泥岩裂隙面的闭合和剪切力学性质，注浆加固后泥岩裂隙面法向变形量较之注浆前显著减小，剪切变形曲线出现了明显的峰值剪切强度和残余剪切强度。对于天然岩体来说，制作裂缝以及加工都存在一定的困难，不少研究者致力于通过类岩石材料模拟真实岩石，取得了可喜的成绩，张强勇等[16-17]根据相似原理，研制出一种新型铁晶砂胶结岩土相似材料，该材料具有重度高、力学参数变化范围广、性能稳定、价格低廉、干燥快速、制作工艺简单、无毒无害等显著优点，是一种比较理想的地质力学模型相似材料。本文作者采用白水泥制作类岩石材料，通过抽条法预制规则裂隙，在单轴压缩荷载下，通过裂尖应变场分析，研究环氧树脂加固前后含裂隙岩石破坏机理。
1 材料基本力学性能
选用普通的白色硅酸盐水泥，与水混合质量比为2:1，充分搅拌制作类岩石试样，室温养护条件下，龄期28 d后，分别进行劈裂实验、单轴压缩实验、三点弯实验测定材料的抗拉强度σ1、弹性模量E、泊松比μ、抗压强度σc、I型断裂韧度KIC等基本力学性能。注浆加固材料选用上海佳固建筑材料有限公司的JG-600型环氧树脂(A组分)和固化剂(B组分)，增韧剂为邻苯二甲酸二丁酯(C组分)，A，B与C按质量比6:3:1进行溶液配制，充分搅拌后倒入聚四氟乙烯模具，常温下固化，静置固化72 h后进行实验。在室温约 25 ℃、大气环境条件下，基于应变测试法，测定其弹性模量和泊松比以及抗拉强度等。为了对裂隙面不同胶结情况的裂纹扩展进行对比分析，本文采用白水泥和环氧树脂对单裂隙红砂岩试样进行注浆加固，并观测其在单轴压缩荷载下的破坏情况，具体3种材料的基本力学性能测试结果见表1。
表1 材料基本力学性能测试结果
Table 1 Test results of experimental material
2 含裂隙试样注浆前后单轴压缩试验
2.1 试验方案
采用与基本力学性能测试相同的水灰比制作试样，采用有机玻璃制作试样模具，试样尺寸为长(B)×宽(H)×高(W)为50 mm×50 mm×100 mm，利用预埋抽条法预制规则裂纹，常温下养护28 d后脱模备用。脱模后检查试件表面的平整度和裂纹的贯穿性，对出现不平整或不光滑的试件进行打磨或剔除以保证满足试验要求。本次试验选用单裂隙试样和双裂隙试样进行试验，具体试样尺寸示意图如图1所示，其中裂隙倾角α=45°，裂纹长2a=20 mm，韧带间距为D=10 mm。试样制作完成后，采用注射器注入环氧树脂浆液，静置72 h完全固化后进行压缩破坏实验。单轴压缩实验采用位移控制，加载速度为1 mm/min，实验过程中记录裂纹扩展情况。
图1 含裂隙试样尺寸示意图
Fig. 1 Schematic diagram of cracked specimen
为了研究注浆加固前后裂尖的应变场变化规律，在注浆加固前后的单裂隙试样的2个裂尖(裂尖1和裂尖2)分别黏贴如图2(a)所示的应变花，双裂隙试样的4个裂尖裂尖(裂尖3、裂尖4、裂尖5、裂尖6)分别黏贴应变花如图2(b)所示应变花。
图2 应变片布置
Fig. 2 Arrangement of strain gauges
2.2 破坏轨迹
图3所示为单裂隙试样注浆前后破坏轨迹。从图3可见：对于未注浆的单裂隙试样，当荷载达到峰值荷载的70%~80%时，第1条裂缝从裂纹尖端萌生，起裂角与原裂纹面垂直，并快速扩展(图3(a)裂缝1)；随着荷载继续增加，第2条裂缝从裂缝中央处开始扩展，直到试样完全破坏(图3(a)裂缝2)；对于注浆后的试样，其裂缝起始位置与未注浆情况一致(图3(b)裂缝1)，但起裂角与试样长边平行，然后在荷载的继续作用下，该裂缝继续向下扩展，形成第2条裂缝(图3(b)裂缝2)，直至形成一条大致竖直上下的裂缝。可见：注浆加固后的破坏类似于完整试样的单轴压缩破坏，加固后的裂缝已经将试样上下部分连为一个整体，可以近似作为一个完整试样来考虑。
图3 单裂隙试样破坏轨迹
Fig. 3 Fracture trajectory of single crack specimens
图4所示为双裂隙试样注浆前后破坏轨迹。对于未注浆的双裂隙试样，裂缝起始点从图4(a)中的裂尖1开始起裂，起裂角近似与原裂纹面垂直，随着荷载的继续增加，裂缝1开始扩展，并在此基础上在2条裂缝之间的韧带区连通第2条裂缝(图4(a)裂缝2)；随着荷载继续增加，裂缝从其他多个部位萌生并扩展，直至裂缝贯通上下2个平面。对于注浆后的双裂隙试样，破坏起始位置与未注浆一致(图4(b)裂缝1)，裂缝出现后穿过注浆体向上下2个方向分别扩展，形成新裂纹(图4(b)裂缝2)；随着荷载继续增加，同一条裂纹的另一处裂尖出现裂纹(图4(b)裂缝3)，并沿竖直方向快速扩展，直到试样破坏。不论是单裂隙还是双裂隙试样，破坏的起始位置均相同，都是始于原裂尖附近，且注浆后的破坏峰值荷载均远比注浆前的大，可见注浆加固能够将裂尖的应力集中有效抑制，同时增强试样的完整性，具有较好的加固效果。
图4 双裂隙试样破坏轨迹图
Fig. 4 Fracture trajectory of double cracks specimens
2.3 应变测试结果
对于如图5所示的直角应变花，可以建立如图5所示的坐标系，其最大主应变与最小主应变计算公式[18]为
图5 直角应变花
Fig. 5 Rectangular rosette
图6 单裂隙试样裂尖应变
Fig. 6 Strain at crack tip of single crack specimen
图6所示为单裂隙试样裂尖应变变化趋势，对于未注浆的单裂隙试样，在加载过程中，其裂尖最大主应变在荷载达到某一值时突然增大，超过其临界应变，出现第1条裂缝。对比图3(a)可知：最先出现的裂缝恰好位于裂尖1处，随着裂缝的出现，应力出现重新分布，最大主应变迅速下降，并伴随小范围波动，而最小主应变较小(见图6(b))，说明对于含裂隙试样，裂尖应力集中，在压缩荷载作用下，裂尖拉应力增长快于压应力增长，最终发生拉伸断裂破坏。注浆加固后，单裂隙试样的2个裂尖均出现较为均匀的主应变增长，曲线较为平缓，说明应力集中现象得到有效抑制。比较最大主应变和最小主应变可知：在注浆加固后，压应变约为拉应变的2倍左右，注浆加固后的破坏是由于裂隙充填物与类岩石材料之间的变形不平衡引起的拉伸应变以及压缩应变共同作用的破坏模式。
图7所示为双裂隙试样裂尖应变变化趋势。从图7可见：对于未注浆的双裂隙试样，开始加载时，4个裂尖附近的应变发展较为一致；当荷载增加到某一特定值时，裂尖3的最大主应变出现较大增长(裂尖位置见图3)，说明在4个裂尖的位置中，裂尖3附近的最为薄弱，裂缝从此处开始萌生，这与裂缝扩展轨迹规律一致(见图4(a)裂缝1)；随着荷载继续增加，裂尖4和裂尖5的最大主应变开始增加，应变重新分布，韧带间出现贯通裂缝(见图4(a)裂缝2)。对比最小主应变规律可知：最先出现裂缝的裂尖3其最大主应变远大于最小主应变，说明裂缝起裂原因是由于拉伸应力，断裂类型应为I型断裂，第1条裂缝出现后；随着应力重分布，韧带间的最小主应变也增加变为正值，说明韧带间的裂缝贯通也是由于拉伸应力的作用。
图7 未注浆双裂隙裂尖附近应变
Fig. 7 Strain at crack tip of double cracks specimen without grouting
图8所示为注浆加固后双裂隙试样裂尖附近应变变化趋势，注浆加固后的4个裂尖的最大主应变增长基本趋势一致，期间有小幅度波动，当荷载增加到峰值荷载的80%左右，裂尖3处的拉应变突然增加，裂缝由此处萌生(见图4(b))，并继续向下竖直扩展形成上下贯通裂缝，而其他部位应变增加均匀，说明局部开裂并未影响其他部位的受力，最终荷载达到峰值时，各个部位拉应变几乎同时达到最大值，试样破坏。对于最小主应变，整个试样各部均受压，且由于裂缝已经被封堵，应力集中与重分布被有效抑制，压应变可以均匀增长，直到荷载达到峰值荷载发生破坏，破坏时最小主应变绝对值是最大主应变的2倍左右。注浆加固最显著的作用是抑制裂尖的应力集中，避免由于不连续节理或裂缝形成应力重分布，使试样形成较为完整的整体。从而起到增加强度以及延性的目的。
图8 注浆后双裂隙裂尖附近应变
Fig. 8 Strain at crack tip of double cracks specimen after grouting
3 裂隙内不同胶结状况比较
本文同时采用单裂隙红砂岩试样进行注浆加固破坏试验，注浆材料分别选用普通的白色硅酸盐水泥浆液和环氧树脂，试验破坏轨迹如图9所示，对于水泥注浆试样，当荷载达到峰值荷载的80%时，水泥与红砂岩的接触面发生滑移，进而出现裂缝，最终原裂缝面达到其应力极值，发生开裂，在裂缝形成后，在荷载作用下，裂缝不断扩展发育，最终发生与未注浆试样相同的破坏形式(见图9(a))，但加固后的峰值荷载远比未注浆试样的大，起到了一定的加固效果。对于树脂注浆后的试样，整个加载过程与完整岩石试样基本一致，在加载过程中没有明显的起裂；当荷载达到峰值荷载时，试样突然从中间或靠近端部某个位置起裂，注浆体部分没有发生破坏，最终形成主裂缝(见图9(b)，树脂注浆后的试样其峰值荷载远比未注浆以及水泥注浆试样的大，并基本与完整试样的一致。可见影响注浆后强度以及裂纹扩展情况的主要因素是注浆材料的强度以及其与基体材料的黏结情况，树脂注浆后与基体的协调性较好，具有较好的加固效果。
图9 红砂岩试样破坏轨迹
Fig. 9 Fracture trajectory of red sandstone
4 结论
1) 注浆加固前后的裂纹萌生位置相同，未注浆试样的起裂角与原裂纹面垂直，注浆后的试样由起裂位置竖直向上下贯通整个试样，类似于完整试样的单轴压缩破坏。注浆后的破坏峰值荷载远比注浆前的大，注浆加固能够将裂尖的应力集中有效抑制，同时增强试样的完整性，具有较好的加固效果。
2) 未注浆的单裂隙试样，裂尖最大主应变在达到临界时出现首条裂缝，随后应力重分布，最大主应变迅速下降。注浆加固后，主应变增长均匀，应力集中得到有效抑制，压应变约为拉应变的2倍。注浆加固后的破坏模式是由于裂隙充填物与类岩石材料之间的变形不平衡引起的拉伸应变以及压缩应变共同作用的破坏模式。
3) 未注浆的双裂隙试样，裂纹首先出现在4个裂尖中的薄弱环节，随后韧带区裂尖附近最大主应变增加至临界值出现韧带间贯通裂缝，最大主应变远大于最小主应变，断裂类型应为I型断裂。注浆加固后双裂隙试样4个裂尖的主应变增长趋势一致，当荷载达到峰值时，各个部位拉应变几乎同时达到最大值，试样被破坏。注浆加固可避免由于不连续节理或裂缝形成应力重分布，使试样形成较为完整的整体。
4) 对于单裂隙红砂岩试样，影响注浆后强度以及裂纹扩展情况的主要因素是注浆材料的强度以及其与基体材料的黏结情况。水泥材料黏结性较弱，注浆后最先的破坏发生于水泥与砂岩胶结面，最终破坏与未注浆试样相同，但峰值荷载远比未注浆试样的大。树脂注浆试样加固后整体性较好，其破坏过程与完整岩石试样的破坏过程基本一致。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2017-04-06；修回日期：2017-07-21
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51404212)；河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目(2016GGJS-002)(Project(51404212) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016GGJS-002) supported by the Foundation for University Key Teacher by the Henan Educational Committee)
通信作者：王志，博士，副教授，从事岩石断裂与损伤力学研究；E-mail：wangzhi@zzu.edu.cn
