裂隙形式对盾构端部加固体强度及破坏模式影响*

2021-11-29王军祥崔宁坤甘秀兰唐亚新李金宇

沈阳工业大学学报 2021年6期

王军祥，崔宁坤，甘秀兰，唐亚新，李金宇

(1. 沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870； 2. 中铁十一局集团第一工程有限公司杭绍台项目部，湖北襄阳 441104)

盾构机穿过岩溶或松散土层时，容易发生盾构机下沉、地表塌陷及局部液化等不良工程现象[1].当盾构施工地区的工程地质条件不良时，其端部破坏较易发生，在工程上为了改善不良的工程地质条件，保证工程安全，通常会事先采用回填、压力注浆、高压旋喷法等方法预处理不良地质体.盾构施工对松散土体的加固处理常常采用高压旋喷法进行加固，由于地下加固过程不可视，难免会出现加固不良现象，加固体中出现各种裂隙.裂隙的存在对加固体的力学特性及强度都具有不良影响，故此对存在裂隙的加固体破坏特性进行研究具有实际的工程意义.国内外许多学者对岩体及类岩体材料的破坏特性进行了研究.肖桃李等[2]采用MTS常规三轴压缩试验方法，对预制裂隙的类岩体材料进行试验，研究了裂隙试样的破坏特性；张波等[3-4]考虑了多种裂隙形式，用类岩体材料模拟岩体，进行单轴压缩试验，研究了岩体中存在交叉裂隙情况的力学性能及破坏机制；Haeri等[5]用含1～2条预置裂隙类岩石圆盘试件进行压缩试验，观测到翼裂纹首先出现并向最大压应力的方向扩展；刘学伟等[6]利用单轴压缩试验，研究了类岩石材料中裂隙形式对试样强度特征及失稳模式的影响；刘欣宇等[7]研究了交叉充填节理对类岩石强度特征和变形特性的影响；樊成等[8]对岩体Ⅱ型裂纹扩展进行了数值模拟方法研究；张科等[9]对岩体中反倾角裂隙的压剪破坏进行了研究.

本文主要以某市地下综合管廊盾构施工为现实工程背景，利用施工现场端部加固体材料制作试验试件，进行单轴压缩试验，分析高压旋喷法对盾构施工端部加固时，加固体中裂隙的存在对加固体强度的影响及其破坏模式.通过试验可知，工程上应该从两个方面来减小裂隙对加固体的影响：1)通过改善水泥浆与施工地区砂土的配比，提高加固体的整体强度；2)改善施工工艺，使水泥浆与砂土混合得更加充分均匀，减小加固体中裂隙存在的可能性[10].

1 岩体破坏力学分析

在岩体破坏中，常见的破坏有岩石自身强度的破坏和岩体中软弱结构的破坏两种形式.假设试件材料满足各向同性且材料强度与裂隙强度均符合摩尔-库伦准则时，由摩尔-库伦准则可知

(1)

(2)

由裂隙强度符合摩尔-库伦准则可知

τ=cw+σtanφw

(3)

式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；β为裂隙倾角；cw为裂隙面粘聚力；φw为裂隙面内摩擦角；τ和σ为裂隙面上的剪应力与正应力.

由式(1)～(3)可得裂隙强度摩尔-库伦准则为

(4)

岩块的摩尔-库伦强度准则为

(5)

式中，φ0和c0为岩块内摩擦角和粘聚力.

由式(4)可得裂隙强度曲线斜率及裂隙面的单轴抗压强度分别为

(6)

(7)

同理可得岩块强度曲线斜率及岩块单轴抗压强度分别为

(8)

(9)

由上述公式可知，岩块的强度由自身的内摩擦角及粘聚力控制；岩体内存在裂隙时，其整体强度则由裂隙的强度控制.由式(6)～(7)可知，岩体内裂隙的强度由裂隙倾角β、裂隙面粘聚力cw、裂隙面内摩擦角φw控制，而φw、cw仅与材料属性有关，故裂隙倾角β对于含有裂隙岩体强度有着至关重要的影响.

2 单轴压缩试验

2.1 试验方案

在某市地下综合管廊项目中，端部加固体是使用42.5级普通硅酸盐水泥与水进行1∶0.7质量比配成水泥浆液，然后与地下砂土混合而成.本次试验试件的制作将采用相同规格的水泥与水，按照质量比为1∶0.7配制水泥浆液，然后与现场砂土进行不同配比，制作试验试件进行单轴压缩试验，具体配比如表1所示.

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

本试验取用与工程现场相同的砂土和水泥浆液，按照一定比例进行混合，以此来模拟现场高压旋喷法端部加固体，同时利用预制PVC薄片来模拟加固体中出现的单裂隙、平行双裂隙，以此研究不同配比、不同裂隙角度的试件在单轴压缩条件下的力学性能和裂隙的破坏特性，对使用高压旋喷法进行端部加固的工程提供一定的帮助和建议.

2.2 试件制作

选用A×B×H=50 mm×50 mm×100 mm的方形模具制备试件，如图1所示.其中，A为试件宽度，B为试件厚度，H为试件高度.预制裂缝所使用的PVC薄片是使用透明文件拉杆夹制作而成，厚度为0.2 mm，宽度为15 mm.将预制的PVC薄片贯穿试件来代替贯穿裂隙，近似模拟闭合裂隙，沿着厚度B的方向进行放置，单裂隙的放置角度分别为0°、30°、60°、90°，平行双裂隙的放置角度分别为30°和60°，裂隙角度示意图如图2所示，具体各工况如表2所示.本试验中，为保证试验数据的准确性，排除偶然误差的影响，每种工况制作5个相同试件，共制作21种工况105个试验试件.

图1 试件模具制备Fig.1 Preparation of specimen mould

图2 预制裂隙试件示意图Fig.2 Schematic diagram of prefabricated crack specimens

表2 试验工况Tab.2 Operating conditions of tests

3 试验现象及数据分析

单轴压缩试验是在沈阳工业大学建筑与土木工程学院建筑材料结构试验中心的万能试验仪上完成的.该设备具有轴向加载刚度大，可以独立伺服加载，具有高精度宽频电液伺服阀，对于材料可以快速响应，测得的数据比较精准可靠，可以进行多种不同物理参数的测量，且可以进行电子计算机的全程自动控制.在本试验中采用位移加载的方式进行加载，加载速率为0.5 mm/min.

3.1 裂隙对加固体力学性能的影响

对试验试件逐个进行单轴压缩试验，对试验数据进行统计整理和计算得到具体详细数据，如表3所示.单轴压缩试验中各工况的应力-应变曲线如图3～5所示.

当水泥浆液与砂进行1∶1配比混合时，由1～7工况的应力-应变曲线可知：工况1无裂隙试件的峰值强度最大；工况7含有60°平行双裂隙的峰值强度最小；工况3含有30°单列隙的峰值强度大于工况6含有30°平行双裂隙的峰值强度；工况4含有60°单列隙的峰值强度大于工况7含有60°平行双裂隙的峰值强度.由此可知，裂隙的存在会一定程度地降低试件的强度.

表3 试验数据Tab.3 Test data

图3 工况1～7应力-应变图Fig.3 Stress-strain curves at operating conditions 1 to 7

图4 工况8～14应力-应变图Fig.4 Stress-strain curves at operating conditions 8 to 14

图5 工况15～21应力-应变图Fig.5 Stress-strain curves at operating conditions 15 to 21

当水泥浆液与砂进行2∶3配比混合时，由工况8～14的应力-应变曲线可知：工况8无裂隙试件的峰值强度最大；工况14含有60°平行双裂隙的峰值强度最小；工况10含有30°单列隙的峰值强度大于工况13含有30°平行双裂隙的峰值强度；工况11含有60°单列隙的峰值强度大于工况14含有60°平行双裂隙的峰值强度，与工况1～7的结论大致相同.

当水泥浆液与砂进行1∶2配比混合时，由工况15～21的应力-应变曲线可知：工况15无裂隙试件的峰值强度最大；工况21含有60°平行双裂隙的峰值强度最小；工况17含有30°单列隙的峰值强度大于工况20含有30°平行双裂隙的峰值强度；工况18含有60°单列隙的峰值强度大于工况21含有60°平行双裂隙的峰值强度.

由应力-应变曲线及单轴抗压强度平均值可知，无裂隙工况1、8、15的水泥浆液与砂的配比分别为1∶1、2∶3、1∶2，配比为2∶3(工况8)的峰值强度最大，配比为1∶2(工况15)具有最小峰值强度.本试验认为水泥浆液主要起到胶结作用，其对力的承载主要由砂颗粒来承担，配比为2∶3较配比为1∶1的试件具有更多的砂颗粒来承担压力；配比为1∶2虽有较多的砂颗粒来承担压力，但其浆液较少，砂颗粒间的粘结力较弱.故本次试验认为，水泥浆液与砂土进行2∶3配比混合时，加固体具有较高强度；在加固体强度未达到一定值时，裂隙的数量较裂隙角度对加固体强度影响占主导地位；强度达到一定值时，裂隙的角度对加固体强度的影响较为突出.

3.2 试验现象

3.2.1 无裂缝试件

工况1、8、15为三种不同配比无裂缝试件，在其受到轴向压力时，会产生大致沿45°方向的对角线裂缝，属于典型剪切破坏，其强度特征符合经典摩尔-库伦准则，如图6所示.故此认为，在没有裂隙存在的加固体中，其破坏为典型剪切破坏.

图6 无裂缝试件破坏后侧面图Fig.6 Side view of crack-free specimens after failure

3.2.2 0°裂隙试件

工况2、9、16为0°单裂隙试件，当轴向受压时三个工况均在近似平行轴向(即近似垂直于0°裂缝的方向)方向上出现裂缝，即拉破坏，如图7所示.

图7 0°裂隙试件正面破坏图Fig.7 Front view of 0° crack specimens after failure

3.2.3 30°裂隙试件

工况3、10、17为30°单裂隙试件，在受到轴向加载时，不同配比试件出现不同的裂隙，1∶1配比的整组试件在正面几乎没有明显的裂纹，而两个侧面出现与无裂缝组相同的大跨度对角线裂缝的剪切破坏，其余两组试件前后两面出现少量沿着预制裂缝的竖直延展裂缝，即拉破坏，如图8所示.

图8 30°裂隙试件正面破坏图Fig.8 Front view of 30° crack specimens after failure

3.2.4 60°裂隙试件

工况4、11、18为60°单裂隙试件，在轴向加载时，出现了沿着裂隙方向的扩展裂隙，其扩展裂隙与模拟的裂隙共面，如图9所示，试件的四个面均有剪切破坏裂隙出现.

图9 60°裂隙试件正面破坏图Fig.9 Front view of 60° crack specimens after failure

3.2.5 90°裂隙试件

工况5、12、19为90°单裂隙试件，在轴向加载时，出现了与0°单裂缝相同的破坏，大多在前后两面出现一道或几道竖向裂缝，即拉破坏；侧面出现剪切破坏的长斜裂缝，即剪破坏，如图10所示.

图10 90°裂隙试件正面破坏图Fig.10 Front view of 90° crack specimens after failure

3.2.6 30°平行双裂隙试件

工况6、13、20为30°平行双裂隙试件，在轴向加载时，试件背面出现了一定程度上的对顶锥破坏，即共轭剪切破坏，如图11所示.

3.2.7 60°平行双裂隙试件

工况7、14、21为60°平行双裂隙试件，当轴向加载时，大部分试件均出现共轭剪节理，即发生对顶锥式剪切破坏，如图12所示.

4 结论

本试验基于某市地下综合管廊实际工程，研究了裂隙形式对盾构施工端部加固体破坏的影响，试验结果能够为盾构施工提供一定的参考价值.本试验得出以下结论：水泥浆液与砂的配比为2∶3时，加固体具有较高的强度；水泥浆液与砂的配比为1∶2时，加固体的强度最低；试件轴向加载时，裂隙的存在都将使试件的强度有所降低，其破坏形式与裂隙的角度及数量有关；对于单裂缝来说，多为拉-压破坏和剪切破坏；对于双裂缝来说，多为共轭剪切破坏，并伴随有明显的共轭剪节理出现.