岩石结构面注浆加固抗剪特性试验研究

韩立军，宗义江，韩贵雷，张后全

（中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008）

1 引 言

岩体结构包括两个基本要素，即结构面和结构体。结构面为岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面[1]。结构面在岩土工程中广泛存在，破坏了岩体的连续性和完整性，使之具有不均一性和各向异性，并控制着岩体的稳定性[2]。因此，进行结构面的力学特性研究具有十分重大的理论及工程应用价值。近年来，许多学者通过物理试验或数值模拟研究了不同起伏程度、角度、剪切速率下的结构面的强度、变形等力学特性[3－7]。这些研究主要针对原始状态的结构面，未进行加固处理，但由于破裂岩体中结构面等弱面的存在严重影响了岩体的稳定，通常要对破裂的岩体采取各种措施进行支护加固，主要途径包括两个：锚固与注浆加固。针对结构面加锚后力学特性的研究取得了大量成果[8－10]，但对注浆加固后结构面的力学特性的研究还较少。

因此，本文通过自然状态、注浆加固结构面及模型化结构面的剪切试验，对破裂岩体结构面注浆加固前后抗剪特性进行了研究。该研究对揭示其加固实质和作用机制具有十分重要的意义，并能促进注浆加固技术的推广和应用。

2 试验材料与试验方案

2.1 试验设备

剪切试验设备选用中国科学院武汉岩土力学研究所生产的JQ-200型岩石剪切流变仪（见图1）。该剪切流变仪可用于研究岩石在剪切应力状态下的长期变形与强度指标，也可用于岩石快剪力学性质的测定。该仪器加载能力大（垂直加载400 kN，水平加载1 000 kN），可做大尺寸试件和各种不同强度类型的试样的力学试验；在高荷载作用下可保持加载力长期稳定，并能较好地测定岩石在变形破坏过程中的全过程曲线。

2.2 试件制作

本次试验通过对加载后破裂岩样结构面的测量研究发现，同种岩体在人工致裂工程中形成的破裂面JRC相接近，结构面粗糙度系数主要影响因素为岩石结构。这说明结构面粗糙度具有可复制性，即可以通过精确测量破裂岩样结构面粗糙度后，根据其数值加工具有相同JRC的结构面试件，用于剪切试验。经过测量与对比研究，在本次试验中石灰岩粗糙度系数JRC约为8～10，与相关研究结果相近[1]。

钻取石灰岩φ100 mm×100 mm岩芯，将其沿直径剖开，依据《工程岩体试验方法标准》[11]进行制作。①自然状态及注浆加固剪切试件：根据加载破裂岩样横向（剪切方向）结构面的JRC数值，将试件打磨到粗糙度与破裂岩样JRC相近。②模型化结构面剪切试件：沿直径剖开时，根据模型化要求采用线切割机将试件切割成含 45°规则锯齿的试件。然后将切割、打磨好的试件放于 150 mm×150 mm×150 mm的浇注盒中，与C30混凝土浇注成150 mm×150 mm×150 mm立方体试件。

试件分为两类，第1类：浇注时在浇注盒中间部位放置塑料薄膜，以保证上下两个试件为分开状态，同时保证试件在立方体混凝土块的中间部位，此类试件结构面为自然状态，用“JZ”、“MJZ”表示，用于模拟自然状态下结构面的剪切试验；第2类：浇注时浇注盒中间部位不放置塑料薄膜，上下两块试件浇注成整体，并且将试件接触面位置标定好（接触面为剪切时的固定剪切面），此类试件结构面为水泥胶结状态，用“JS”和“MJS”表示，用于注浆加固后的结构面剪切试验。将上述浇注好的4种试件放置在实验室中，按水泥固结的标准条件养护28 d。

自然状态及注浆加固剪切试件：采用5个垂直荷载水平：0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 MPa，每个水平取5个试件，共50个试件。模型化结构面剪切试件：采用3个垂直荷载水平（1.0、2.0、3.0 MPa ）进行1条锯齿、2条锯齿、3条锯齿的模型化结构面剪切试验，共36个试件。

2.3 剪切过程

（1）将试件置于剪切试验仪上。保证试件受剪方向与打磨粗糙条带方向垂直，首先，安装法向液压千斤顶，然后，安装剪切方向的液压千斤顶，确保法向荷载和切向荷载通过结构面的几何中心，最后，安装位移计，要求法向和切向位移计不应少于2个，并对称布置。

（2）法向力的施加

自然状态及注浆加固剪切试验：法向荷载分5个水平等级，分别为5、10、20、30、40 kN，相应地作用在结构面的法向应力分别为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 MPa。模型化结构面剪切试验：法向荷载分3个水平等级，分别为10、20、30 kN，相应地作用于结构面的法向应力分别为1.0、2.0、3.0 MPa。每级法向荷载再按5等份施加，立即测读法向位移，5 min后再测读一次，即可施加剪切荷载。

（3）切向荷载的施加：在法向应力加载稳定以后，按估计的最大剪切荷载分8～12级，每级荷载施加后，立即测读剪切位移和法向位移，5 min后再测读一次，即可施加下一级剪切荷载，当剪切位移明显增大时，可适当减小级差。但峰值前施加剪切荷载不宜少于10级。

（4）一次剪切完成的标准：当剪切位移明显变大，在剪切应力τ与剪切位移us关系曲线上出现明显的突变段时可以认为一次剪切过程已经完成。但由于结构面的剪切性质的复杂性，剪切应力τ与剪切位移us关系曲线很可能不会出现明显的峰值，这时可以认为总剪切位移达到了试件边长的10%时完成一次剪切。

3 结构面注浆加固抗剪特性分析

3.1 强度特性分析

岩样结构面剪切前后对比图如图2所示。

通过试件剪切前后对比可知，混凝土试模部分较完好，试件受剪面积达到试件的面积的80%以上，说明试件承担了大部分的剪切应力，因此，测得的剪切应力基本为试件剪切应力。试件剪切后结构面凸起部分明显剪断，并且部分被剪断的凸起在法向应力和剪切应力共同作用被摩擦剪碎，剪切现象明显。自然结构面和注浆结构面剪切应力-位移（τ-s）曲线如图3、4所示。

通过对图3、4中τ-s曲线变化规律的分析可以发现：

（1）上升段斜率

上升段斜率能够反映结构面在一定荷载作用下的滑动位移情况，斜率大说明在一定荷载作用下产生的位移较小，反之较大。同时，结构面上升段斜率也反映了结构面刚度。在巷道（硐室）支护中，不仅要保证巷道的安全，同时还要保证巷道的设计断面，即巷道围岩产生的位移必须控制在一定范围内。因此，研究结构面位移情况具有实际的意义。

由图3、4可知：注浆后上升段斜率具有明显的提高，这说明注浆使得结构面粘结紧密，限制了结构面在受外力作用下变形。另外，自然结构面剪切峰值大致出现在水平位移13～15 mm之间，注浆后峰值强度出现在8～10 mm之间，这也同样说明了注浆对结构面位移具有明显的控制效果。

图3 自然结构面τ -s曲线Fig.3 τ -s curves of natural structural plane

图4 注浆结构面τ -s曲线Fig.4 τ -s curves of grouting structural plane

（2）峰值强度

注浆后试件剪切峰值强度有一定的增长，但并不是随着垂直应力的增长无限增长的，这是由于C30的混凝土剪切强度远低于岩石剪切强度，所以垂直应力较大时的最终剪切强度仍表现为岩石的剪切强度。

（3）残余强度

结构面注浆后残余强度有一定程度的提高（见图5），提高程度在10%左右。

3.2 结构面刚度分析

岩石结构面剪切试验刚度参数见表 1。根据试验结果可获得注浆前后的Ks0-σ双对数曲线（见图6）以及τm-σ曲线（见图7）。

图5 结构面残余强度Fig.5 Residual strengths of structural plane

表1 结构面剪切试验刚度参数Table 1 Stiffness parameters of structural plane in shear test

通过对Ks0-σ双对数曲线的拟合可以获得结构面的初始切向刚度[12－13]

注浆前

注浆后

图6 注浆后Ks0 -σ 曲线Fig.6 Ks0 -σ curve after grouting

通过对τm-σ曲线的拟合可得到结构面的抗剪强度参数

注浆前

注浆后

式中：f为摩擦系数；c为黏聚力。

图7 注浆后τ m -σ 曲线Fig.7 τ m -σ curves after grouting

而剪切刚度可表示为

将Ks0、f和c值代入式（5），则可得到切线刚度为

注浆前

注浆后

注浆后，岩体中裂隙面的刚度及抗剪强度参数都有所改善，而刚度的改善更为明显，其抗变形能力和承载性能得到了相应提高。对于破裂岩体注浆而言，其中大裂隙的充填固结，将起到约束其中、细、小裂隙变形，提高围岩体变形刚度的作用。

3.4 模型化结构面注浆加固抗剪特性分析

规则锯齿结构面理想化模型如图8所示。

图8 结构面力学模型Fig.8 Mechanical model of structural plane

σ较小时，结构面受剪胀作用如图9所示，其强度遵循Patton公式：

σ较大时，锯齿受啃断作用如图10所示，其强度接近岩块的强度，即

综合上式（9）、（10），结构面的抗剪强度包络线如图11所示，剪断凸起的条件为

图9 沿单个锯齿剪胀Fig.9 Shear expansion along the single sawtooth

图10 剪断锯齿Fig.10 Shear break of sawteeth

图11 结构面强度包络图Fig.11 Strength envelope of structural plane

将 Datataker采集的模型化剪切试验数据进行分析处理，得到如图12、13所示，注浆前后位移-剪切应力曲线。通过分析可知：

（1）峰值强度

通过对比注浆前后试件的试验结果，可以发现，注浆后试件剪切峰值强度都有不同程度的增长，增长幅度基本在4.7%～14.8%之间。注浆对提高结构面的峰值强度效果不大。

（2）剪切参数

结构面注浆对于剪切参数c、ϕ的影响不一致，注浆后c值具有明显的增长。同上述分析一样，c值表示注浆后提高了结构面的初始摩擦力，这点是比较明确的，对于锯齿结构面模型，注浆前，由于试件没有锯齿部位光滑，其初始摩擦力主是由锯齿间的咬合引起的，而对于注浆后的试件，由于水泥浆的粘合作用在提高了摩擦力的同时也扩大了上下结构面之间的接触面积，因而使得其c值具有明显的增加；而注浆对于ϕ值的改变没有明显的规律性。这是由于在水平荷载施加后，试件具有明显的滑动，结构面的控制因素为锯齿强度及其个数，相对于上述因水泥浆的强度影响就显得不明显了。

图12 注浆前水平位移-剪切应力曲线Fig.12 Horizontal displacement-shear stress curves before grouting

图13 注浆后水平位移-剪切应力曲线Fig.13 Horizontal displacement-shear stress curves after grouting

（3）上升段斜率

注浆后结构面上升段斜率具有明显地提高，而注浆后峰值强度处的水平位移有一定程度的降低，因此，注浆能够有效地限制结构面的剪切位移。

（4）残余强度

如果在实际工程中，把工程破裂岩体看作第1次破坏，把注浆后再次破坏看作第2次破坏的话，那么在本次试验研究中同样可以把注浆前锯齿结构面状态称为第1次破坏，同样注浆后剪切试验称为第2次破坏。结构面注浆后残余强度约有10%左右的提高。在工程实际中，注浆能够提高再次破坏的残余强度，这样能够给工程带来较大的安全系数，所以说，注浆对于改善围岩受力状态及承载特性具有显著的意义。

（5）齿数对结构面剪切特性的影响

在剪切过程中，锯齿结构面具有明显的剪胀现象[15－17]。在自由剪胀条件下，峰值抗剪强度为

残余抗剪强度为

在约束剪胀条件下，峰值抗剪强度为

残余抗剪强度为

式中：B为与锯齿特性相关的参数。

由上式可以看出，结构面剪胀效应受到约束，明显提高了峰值抗剪强度τp及残余抗剪强度τs，锯齿个数较多时，相互之间提供了剪胀效应的约束，因此，能够明显提高剪切峰值及残余强度。

同时，通过对试验结果的分析（见图12、13），可以发现：

①当σn较小时，锯齿个数对强度影响较大，σn较小时，允许试件在剪切过程中有较大的垂直位移，但较多的锯齿相对于锯齿较少的结构面，其垂直位移受到较大的约束。说明当σn较小时，较多锯齿的结构面受到较大的约束作用。因此，其剪切强度及残余强度有较大的提高。②当σn较大时，剪切峰值强度基本上为剪断岩石的强度，这个强度与试件材料关系较大，而受锯齿个数的影响较小，同时由于σn较大，锯齿被剪碎，其中锯齿较多时破碎岩块较多，这些破坏岩块约束了剪切过程中的水平位移及垂直位移，从而使得峰值强度有小幅度的增加。③强度参数c值随着锯齿条数的增加（见图14），均有一定程度的增加，这说明随着锯齿条数的增加，结构面的锯齿咬合的面积增大，增大了上下两个结构面初始摩擦力，因而带来了c值的增加，试验结果与采用多项式拟合结果比较相近。

注浆前

注浆后

式中：c为试件黏聚力；x为锯齿个数。

图14 锯齿个数与黏聚力的关系Fig.14 Relationships between sawteeth number and cohesion

4 结 论

（1）同种岩体，在人工致裂工程中形成的破裂面JRC相近，结构面粗糙度具有可复制性。因此，可加工具有与自然压坏岩样结构面粗糙度JRC相近的标准试件进行结构面剪切试验。

（2）注浆后的剪切峰值强度、残余强度、剪切参数及上升段斜率均有不同程度的提高，从而说明注浆对结构面能够起到加固的作用。

（3）注浆后，结构面的刚度及抗剪强度参数都有所改善，而刚度的改善更为明显。

（4）锯齿个数和注浆过程对剪切过程有很大的影响。结构面的剪切峰值强度及残余强度随着锯齿形齿数的增多明显提高，而注浆过程对锯齿模型结构的剪切过程的影响主要表现在对峰值强度、剪切参数、上升段斜率及残余强度的影响上。

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