张庆 王博 赵钰洲

（吉林建筑大学土木工程学院，吉林长春 130000）

地下工程建设数量不断增多，建设规模不断提升，地下工程岩体失稳事故频发，岩体加固技术研究是现阶段重要研究方向。注浆加固技术是工程中普遍采用的加固技术之一，应用于矿山、隧道等地下工程项目[1]。寒冷地区低温时间长，导致大量的岩体缺陷，增大岩体事故发生的几率与风险，所以注浆加固技术在寒区的应用研究是加固技术重要的研究方向。

近年来，岩石加固技术研究主要集中在不同荷载条件下、不同含水率情况下，注浆加固岩石的破坏特点与力学特性。王志等[2]研究学者针对于不同荷载作用下注浆岩石开展了大量的试验研究工作，分析岩石破坏形态及力学特性，探索符合注浆岩石的本构关系模型。张嘉凡等[3]研究不同循环次数对于注浆岩石力学性能的影响，分析其力学性能变化规律。

现阶段对于单裂隙与双裂隙注浆加固岩石的试验研究较多，对多裂隙类注浆加固岩石材料研究尚没有可靠的试验及理论研究基础。本文从冻融循环对不同裂隙排布注浆试件的影响，比较不同裂隙排布注浆岩石破坏特征。

1 试件制作与试验

1.1 试件制作

本试验采用水、水泥、细砂等材料制作类岩石试件，材料配合比采用体积比，比例为2:1:1，试件的长度为150 mm、高度为75 mm、厚度为30 mm；试件制作完成后，采用铝合金薄片预制裂隙，裂隙的宽度为0.8mm，长度为10mm。试件养护过程中检查裂隙预制质量。

本试件采用45°倾角的裂隙，裂隙布置共分为5 种，包括1排、2 排、3 排、4 排、5 排，每排设置3 个等距离裂隙，每种裂隙排布类岩石试件制作3 块。5 种裂隙布置位置如图1 所示。

图1 试件中裂隙布置方式（单位：mm）

本次注浆材料采用工程中常用的水泥基材料，水泥基材料选用快硬高强的水泥作为原材料，符合工程快速施工要求。注浆材料的配合比为质量比，水泥与水的比例为2:1。试件的裂隙宽度较小，注浆液采用自由流动填充裂隙的方式。通过破坏状态试件分析，最终注浆的填充量占裂隙尺寸的80%以上，符合工程岩体修复材料实际填充量。注浆后试件养护7 天，采用自由饱水方法放入水中静置48 小时，饱和水试件放入HN-MD-E型建材冻融试验台中，本次试验按照冻融循环试验规范，一次冻融循环设置为8 小时。

1.2 试验仪器与加载条件

岩石冻融试验装置为HN-MD-E 型建材冻融试验台，冻融过程的控制温度设置为20℃和-20℃，循环次数为40 次。单轴压缩试验装置采用500kN 微机控制电液伺服结构试验系统，压力试验机采用POP-M 型控制器，本次试验采用力控加载，力控加载的速度为0.2kN/S，本试验利用三维数字图像相关技术（DIC-3D）观测系统观测注浆试件破坏的全过程，形成多裂隙注浆试件三维应变云图。

2 试验结果分析及讨论

试件采用持续加载的方式，直至荷载达到材料的极限荷载，发生瞬时的脆性断裂。针对该变形特征，选取极限荷载的应变场云图进行分析，极限荷载三维应变场的计算结果如图2 所示。不同裂隙应变场云图表明，3 条裂隙、6 条裂隙试件的试件上部出现了应变突变，试件的完整性较好，裂隙处未出现应变突变现象；9 条裂隙试件上部裂隙与下部裂隙出现明显的应变突变情况，上部裂隙出现了应变最大值，最大值为-1.76mm；12 条、15 条裂隙试件的应变场云图显示裂隙位置均出现应变突变情况，12 条裂隙试件的应变突值最大值在上部裂隙，最大值为-2.56mm，15 条裂隙试件的全部裂隙出均出现应力突变现象，应变突变值也出现在上部裂隙处，由于裂隙数量较多，裂隙距离较近，应变突变值出现在上部裂隙处试件边缘附近。随着试件裂隙数量增多，试件中部裂隙的应变突变现象越加明显，应变突变数量逐渐增加。

图2 试件的三维应变云图（单位：mm）

通过试验应变云图分析，随着裂隙数量增多，受冻融影响的多裂隙注浆修复岩石上部与下部裂隙处均出现明显的应变突变现象，中部裂隙的突变值逐渐增大；距离试验加载装置越近的裂隙，应变突变值越大，12 条裂隙试件达到最大值；随着裂隙数量增多，应变突变值逐渐增大，裂隙数量增多到一定程度，应变突变值不再增大，应变突变位置数量增多，15 条的裂隙的应变突变位置数量最多，整个试件的应变突变现象最明显。

由于试件数量较多，本文篇幅有限，本文只列举出12 条裂隙试件的荷载水平为30%、45%、75%、90%下，试件垂直方向应变特点与破坏情况，12 条裂隙试件垂直荷载方向的全场应变云图如图3 所示。

图3 垂直荷载方向的全场应变云图（单位：mm）

通过不同荷载水平的应变云图分析，随着荷载不断增加，应变数值不断增大，应变突变位置不断增多，具体试验结果与破坏情况如下：

（1）在试验加载初期（初始压密阶段），试件上部出现明显的应力集中现象，裂隙注浆修复处未出现明显的变化。在荷载水平达到20%～30%时，经过修复后试件的完整性较好，试件上部与下部裂隙均未出现应变突变情况，试件上部裂隙应变值大于下部裂隙。

（2）荷载水平达到35%～45%时，试件裂隙位置无明显应变突变现象，由于试件裂隙处不断压密，试件整体的应变值小于荷载水平为30%时应变值，试件整体性较好，但是由于试件右上角的应力集中现象，导致试件右上部出现斜向开裂，裂纹高度达到试件的一半，裂纹未出现贯通情况。

（3）在荷载水平达到45%～60%时，试件右上角的裂纹达到扩展和贯通，试件右上角出现局部破坏情况，右下角也出现应变突变的现象。试件的应变值较荷载水平35%～45%时增大，试件上部裂隙的应变值较下部裂隙大。在荷载水平达到60%～90%期间，试件应变值持续增加，右上角裂纹破坏部位的应变值出现逐渐增大的现象。在荷载水平达到100%时，试件出现破坏，试件的下部被压碎。

3 结论

本文针对冻融循环下多裂隙注浆岩石破坏特性进行了试验研究，通过试验研究分析冻融循环对于不同裂隙排布试件的影响，通过试验数据分析，得到以下结论：

3.1 通过冻融循环下不同裂隙排布试件单轴压缩试验数据比较分析，试件裂隙较少时，单轴压缩试件的完整性较好，未出现明显的应变突变情况。随着裂隙数量增多，试件裂隙突变值逐渐增大，裂隙数量到达一定程度，应变突变值不再增大，应变突变位置逐渐增多。随着试件中部裂隙位置与上部、下部裂隙位置的应变突变值发展规律不同，相同排布试件的中部裂隙处应变突变值较上部与下部的应变突变值小，应变突变值较大位置出现在试件上部裂隙处。

3.2 通过12 条裂隙排布试件单轴压缩试验垂直荷载方向的应变云图分析，试件垂直荷载方向应变值的变化规律是初期应变值增大，中期应变值逐渐减少，后期应变值迅速增大的现象。试件破坏的规律是试件承受荷载水平达到35%时试件右上部出现斜向裂纹，随着荷载水平不断提升，裂纹不断扩展和贯通，荷载水平达到60%时试件右上部出现局部破坏。荷载水平再向上提升，应变快速增大直至试件下部被压碎破坏。