富水软弱围岩劈裂型注浆加固体流变特征与长期强度研究

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隧道与地下工程常常遭遇结构松散、遇水软化、强度低、自稳性差的富水软弱围岩,其在地应力和工程扰动作用下极易诱发突水、塌方等重大地质灾害。为了保障施工安全,目前常采用注浆法对富水软弱围岩进行加固处理。劈裂注浆可在围岩内形成浆脉网络,具有骨架支撑和土体挤密双重作用,加固效果显著,因此在富水软弱围岩加固中受到广泛应用。注浆加固效果具有明显的时效性特征。劈裂型注浆加固体在地应力的长期作用下持续发生变形,强度不断降低,进而影响隧道的长期运营安全。以往研究多集中于劈裂注浆对富水软弱围岩的加固作用,而较少关注注浆加固体的长期力学行为和加固区围岩的长期稳定性。本文采用室内试验、数值模拟和理论分析等方法,对富水软弱围岩劈裂型注浆加固体的流变特征和长期强度开展了一系列研究,分析了浆脉分布与形态特征对加固体力学性能的影响规律,调查了长期应力作用下加固体的变形破坏模式,获得了加固体的长期强度及影响因素。相关成果可为富水软弱围岩加固区长期性能预测和隧道运营安全评价提供理论依据。主要研究内容和结论如下:(1)研究了劈裂型注浆加固体中浆脉的空间分布和形态变化特征。通过开展室内注浆模拟试验获得劈裂浆脉,对浆脉的空间分布规律和表面形态特征进行了分析,提取出浆脉倾角、厚度、数量及表面粗糙度等特征参数,作为影响加固体力学性能的关键指标开展研究。(2)研究了不同因素(浆脉倾角、厚度、数量和表面粗糙度)对加固体三轴抗压强度的影响规律和作用机制。对包含不同类型浆脉的加固体进行三轴压缩试验,分析发现浆脉倾角对加固体力学性能的影响最为明显,浆脉与最大主应力平行时加固体强度最高。(3)基于三轴流变试验研究了劈裂型加固体的流变特征和长期强度,获得了加固体流变曲线,分析了加固体的流变特征及影响因素。研究表明,浆脉倾角变化会对加固体的流变特征产生较大影响,当浆脉与最大主应力平行时加固体适用于伯格斯模型。对于其他类型的注浆加固体,其流变特征符合改进的西原模型。(4)研究了浆脉对加固体长期强度的影响规律。利用过渡蠕变法获得了加固体的长期强度范围,注浆加固体发生流变后强度明显下降,长期强度约为瞬时强度的76.5%~89.5%。同时浆脉可有效提升加固体的长期强度,浆脉倾角为90°时加固体强度损失最小,长期强度最高。(5)基于离散元软件PFC3D研究了浆脉不均匀分布和对称浆脉夹角等复杂因素对加固体流变特征和长期强度的影响规律,分析了数值模型的流变特征并获取了长期强度。研究表明,浆脉分布均匀度越高,对称浆脉夹角越大,加固体的长期强度越高。
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