肖家平，彭秋凡

（1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南232001；2.上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032）

注漿是對(duì)軟弱巖層巷道圍巖治理的1個(gè)常用手段，通過(guò)注漿，能夠使巷道圍巖淺部巖層的內(nèi)摩擦角和黏聚力等力學(xué)參數(shù)提高，增加圍巖的承載能力。在軟弱巖層巷道中注漿之后，圍巖穩(wěn)定性就與巖石漿體的力學(xué)性能密切相關(guān)。巷道圍巖受鄰近煤層或巖層的采動(dòng)影響，其巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境處在1個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，從巷道掘進(jìn)之后，圍巖應(yīng)力一直處在平衡-重新分布-平衡的過(guò)程，這一過(guò)程可視為圍巖處在1個(gè)循環(huán)加卸載的過(guò)程，因此，研究循環(huán)加卸載下巖石漿體力學(xué)對(duì)軟弱巖層巷道注漿之后支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于不同巖石循環(huán)加卸載力學(xué)特性開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，成果頗豐。主要包括循環(huán)加卸載下巖石的強(qiáng)度、變形和疲勞特性[1-10]，研究對(duì)象主要集中在大理巖、花崗巖和紅砂巖等致密堅(jiān)硬巖石在循環(huán)加卸載下的力學(xué)特性，文獻(xiàn)[11-12]還對(duì)含有原生裂隙的煤巖進(jìn)行了循環(huán)加卸載試驗(yàn)，文獻(xiàn)[13-15]針對(duì)巖鹽在循環(huán)加卸載下的變形、強(qiáng)度和疲勞損傷進(jìn)行了研究。已有研究成果中，對(duì)于巖石漿體在循環(huán)加卸載下的力學(xué)特性研究較少[16]，雖然巖石漿體的力學(xué)特性與巖石的力學(xué)特性具有一定的共同點(diǎn)，但是巖石漿體受水灰比、巖石顆粒粒徑等的影響，與天然形成的巖石必然存在一定的差異。通過(guò)制作水灰比為0.5∶1，不同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)巖石漿體試件，利用RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，對(duì)其強(qiáng)度和變形特征進(jìn)行了探究?；谘芯拷Y(jié)果，提出了在軟巖巷道進(jìn)行注漿加固時(shí)應(yīng)提高錨桿預(yù)應(yīng)力和增強(qiáng)注漿效果的關(guān)鍵技術(shù)。研究結(jié)果對(duì)于軟巖注漿支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試件制作

巖石漿體組成成分是巖石顆粒、水和水泥。試驗(yàn)制作巖石漿體的巖石顆粒來(lái)源于皖北礦區(qū)祁南煤礦34下采區(qū)巷道鉆孔取心，然后通過(guò)加工篩選得到不同的巖石粒徑。水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

制作的巖石漿體試件水灰比為0.5∶1，巖石顆粒分為 2.5～<5 mm、5～<10 mm、10～<20 mm 3種。在制作時(shí)，將鉆取的巖心砸碎，然后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)巖石篩網(wǎng)進(jìn)行篩取。按照水灰比，將水泥漿和不同直徑的巖石顆粒攪拌均勻，然后將其倒入標(biāo)準(zhǔn)模具中進(jìn)行固結(jié)。1周后拆除模具進(jìn)行晾干，在此過(guò)程中適當(dāng)灑水養(yǎng)護(hù)。為將其加工成標(biāo)準(zhǔn)件，在30 d后對(duì)其進(jìn)行切割、打磨加工成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。制作的部分巖石漿體如圖1。

圖1 巖石漿體照片

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

巷道兩幫的垂直應(yīng)力處在1個(gè)平衡-重新分布-平衡的過(guò)程，將垂直應(yīng)力看作是軸壓，水平應(yīng)力視為圍壓，巷幫就是1個(gè)圍壓不變，軸壓循環(huán)加卸載的過(guò)程。試驗(yàn)儀器采用RMT-150B，主要采用應(yīng)力控制方式中的增加（σ1-σ3）差值的試驗(yàn)方法（σ1為軸向應(yīng)力，σ3為圍壓），通過(guò)固定圍壓進(jìn)行循環(huán)加卸載軸壓。試驗(yàn)采用手動(dòng)控制進(jìn)行操作。試驗(yàn)的具體過(guò)程如下。

1）軸向應(yīng)力以0.1 kN/s的速率進(jìn)行加載，圍壓以0.05 MPa/s速率進(jìn)行加載，軸向應(yīng)力和圍壓同步進(jìn)行，按預(yù)定值加載至靜水壓力狀態(tài)。

2）保持圍壓不變，以0.2 kN/s的速率逐步將軸向應(yīng)力加載至試件破壞前的應(yīng)力狀態(tài)，這一應(yīng)力狀態(tài)設(shè)置為常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)平均強(qiáng)度的80%。

3）保持圍壓不變，以0.2 kN/s的速率卸除軸向應(yīng)力，當(dāng)軸壓卸載至設(shè)定值后，以相同速率立即設(shè)定下一級(jí)載荷，載荷加至設(shè)定值后，觀察試驗(yàn)曲線的應(yīng)變速率，當(dāng)應(yīng)變速率明顯加快時(shí)，結(jié)束加載。開(kāi)始設(shè)定下一級(jí)載荷，直至試件破壞。下一級(jí)載荷的設(shè)定在上一級(jí)載荷的基礎(chǔ)上提高10%。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 巖石漿體強(qiáng)度特征

巖石漿體的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2。不同巖石粒徑下的曲線所顯示的基本規(guī)律相同；試件在加卸載過(guò)程中，加卸載路徑不重合，產(chǎn)生一定的塑性變形，加卸載曲線之間會(huì)形成塑性滯回環(huán)，加卸載曲線近似直線狀，斜率相近。由于后一級(jí)加載載荷比前一級(jí)提高10%，塑性滯回環(huán)的面積隨加卸載次數(shù)增加有增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)加載至最高強(qiáng)度時(shí)，塑性變形明顯增加，進(jìn)入應(yīng)變軟化階段，當(dāng)巖石漿體的塑性變形積累到一定程度時(shí)，試件將發(fā)生宏觀破壞。

圖2 循環(huán)卸軸壓應(yīng)力應(yīng)變曲線

巖石漿體在循環(huán)加卸載過(guò)程中，損傷逐漸累加，巖石漿體中的裂隙處在壓密閉實(shí)-張開(kāi)-壓密閉實(shí)的循環(huán)中，巖石漿體的強(qiáng)度與常規(guī)三軸的強(qiáng)度有所差異，并且，循環(huán)加卸載下的巖石漿體與巖石粒徑也密切相關(guān)。

不同巖石粒徑、不同圍巖下的循環(huán)加卸載和常規(guī)三軸破壞強(qiáng)度見(jiàn)表1。試件編號(hào)的命名進(jìn)行如下說(shuō)明：前2位數(shù)字為巖石粒徑，單位為mm，最后1位數(shù)字為圍壓，單位是MPa。本次試驗(yàn)中，圍壓分為3 MPa和 5 MPa。

表1 循環(huán)加卸載和常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)破壞強(qiáng)度

從上表1可看出，在循環(huán)加卸載條件下，巖石漿體的破壞強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)出粒徑增加，破壞強(qiáng)度降低的趨勢(shì)。粗粒徑巖石漿體中粒徑接觸相對(duì)于細(xì)粒徑巖石漿體會(huì)存在更多的空間，粒徑間耦合效果不好，更易發(fā)生破壞。當(dāng)巖石粒徑相同時(shí)，圍壓對(duì)巖石漿體的破壞強(qiáng)度影響明顯，表現(xiàn)為圍壓增加，破壞強(qiáng)度顯著增加的趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)比循環(huán)加卸載和常規(guī)三軸壓縮條件下的巖石漿體破壞強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)加卸載下巖石漿體破壞強(qiáng)度高于常規(guī)三軸壓縮。巖石漿體在循環(huán)加卸載條件下，軸向載荷卸載前，巖石漿體內(nèi)部孔隙在閉實(shí)之后擴(kuò)展，并產(chǎn)生張拉裂隙，隨著軸向載荷的逐漸降低，在圍壓的作用下，微小的張拉裂隙會(huì)在一定程度上壓密、閉實(shí)。當(dāng)軸向載荷再次增加時(shí)，會(huì)再次產(chǎn)生微小張拉裂隙，軸向載荷降低后，產(chǎn)生的部分張拉裂隙會(huì)再次壓密、閉實(shí)，這種低應(yīng)力水平下的循環(huán)不僅不會(huì)使巖石漿體強(qiáng)度降低，還會(huì)使巖石漿體內(nèi)部更加致密，強(qiáng)度增加，依此過(guò)程循環(huán)下去，直到加載載荷超過(guò)巖石漿體的破壞強(qiáng)度時(shí)整個(gè)試件才會(huì)破壞。

2.2 循環(huán)加卸載巖石漿體宏觀破壞特征

部分巖石漿體宏觀破壞照片如圖3。由圖3可知，巖石漿體在循環(huán)加卸載條件下的破壞以剪切破壞形式為主，沒(méi)有縱向裂紋出現(xiàn)，劈裂破壞特征不明顯。粒徑較小的巖石漿體在破壞時(shí)的剪切面破壞較小，沿破壞面產(chǎn)生剪切滑移，產(chǎn)生明顯的滑動(dòng)痕跡；隨巖石粒徑增大，試件局部出現(xiàn)破碎，產(chǎn)生較大的剪切帶，破壞形式仍為剪切破壞。巖石粒徑的增加不會(huì)改變巖石漿體的破壞形式，巖石漿體在發(fā)生剪切破壞難以將剪切面的巖石顆粒剪斷，巖石顆粒在切應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)剪切面周圍的破壞，形成剪切帶。巖石顆粒的粒徑越大，剪切帶范圍越大。

圖3 破裂后巖石漿體照片

3 軟巖注漿加固關(guān)鍵技術(shù)

1）提高錨桿預(yù)應(yīng)力。研究結(jié)果表明，在循環(huán)加卸載下，巖石漿體以剪切破壞為主，低圍壓和粗粒徑更易形成明顯的剪切帶。在注漿之后進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，通過(guò)增加錨桿預(yù)應(yīng)力來(lái)增加圍巖的圍壓，這樣可有效提高圍巖的支承強(qiáng)度。

2）增強(qiáng)注漿效果。注漿是通過(guò)增加破碎巖石塊體之間的黏聚力進(jìn)而增加整個(gè)圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角，因此應(yīng)該在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)注意漿液的選擇，選擇黏聚力更強(qiáng)、黏聚時(shí)間短的材料進(jìn)行注漿加固。如果使用水泥漿進(jìn)行注漿加固，水占比過(guò)多的話，反而會(huì)降低巷道圍的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

1）巖石漿體隨著下一級(jí)加載軸壓載荷的提高，塑性滯回環(huán)面積增加。巖石漿體在加卸載下的強(qiáng)度高于常規(guī)三軸，主要是由于在低應(yīng)力狀態(tài)下的循環(huán)會(huì)使試件更加致密。

2）在循環(huán)加卸載條件下，巖石漿體的破壞強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)出粒徑增加，破壞強(qiáng)度降低的趨勢(shì)。粗粒徑巖石漿體中粒徑接觸相對(duì)于細(xì)粒徑巖石漿體會(huì)存在更多的空間，粒徑間耦合效果不好，更易發(fā)生破壞。

3）巖石漿體在循環(huán)加卸載條件下的破壞以剪切破壞形式為主。巖石粒徑的增加不會(huì)改變巖石漿體的破壞形式，巖石漿體在發(fā)生剪切破壞難以將剪切面的巖石顆粒剪斷，巖石顆粒在切應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)剪切面周圍的破壞，形成剪切帶。巖石顆粒的粒徑越大，剪切帶范圍越大。

4）基于研究成果，在對(duì)軟巖進(jìn)行注漿加固時(shí)，提出了提高錨桿預(yù)應(yīng)力和增加注漿效果的關(guān)鍵技術(shù)。