冻融循环作用下注浆固结体物理力学特性试验研究

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“十四五”规划建设的西藏拉洛水库、川藏铁路及沿边铁路等重点项目需留驻或穿越季冻区。在冻融循环作用下季冻区岩体内富含的节理、裂隙和孔隙等宏微观缺陷的损伤劣化将削弱岩体结构稳定性,甚至导致岩体工程冻害发生。注浆是有效加固节理裂隙提高岩体稳定性的关键技术。因此,研究冻融循环作用下注浆固结体物理力学特性对完善岩体注浆加固理论、保障季冻区岩体工程安全高效运行具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以注浆固结体为研究对象,采用冻融循环试验模拟其所处季冻区环境,应用核磁共振分析微观孔隙结构变化特征,通过室内试验测定其物理力学特性,从宏微观多尺度研究冻融循环作用下注浆固结体破坏机制,为评价季冻区裂隙岩体注浆效果、提高岩体工程稳定性提供理论依据。取得如下研究成果:(1)分别配制普通水泥浆液(P型)、超细水泥浆液(C型)及环氧树脂浆液(H型),注入黄砂岩裂隙面制成注浆固结体试样。进行了 0次、5次、10次、15次及20次冻融循环试验,观察冻融循环作用下注浆固结体表观特征并测定其含水率。研究发现随冻融循环次数增加,注浆固结体表面出现不同程度的颗粒剥落、脱落及开裂现象,且P型和C型试样浆-岩界面分别在冻融15次和20次后出现宏观裂纹,H型试样则未见宏观裂纹;试样含水率随冻融循环次数增加可分为缓慢增加、快速增加2个阶段,且含水率增长情况与表观冻融劣化程度呈正相关。(2)利用核磁共振分层测试技术,分析了3类试样在不同冻融循环次数下浆-岩界面微观孔隙结构演化规律。研究发现浆-岩界面微观孔隙分布呈双峰分布,峰内孔隙孔径主要为微孔及大孔,随冻融次数增加,微孔增加并向介孔过渡,大孔逐渐增加,双峰呈右移趋势;随冻融循环次数增加,3类试样T2谱曲线演化趋势相似,但在累计核磁共振(NMR)信号强度和T2谱谱面积定量指标上有所差异,相同冻融循环次数下,2个微观定量指标均表现为P型试样最大,C型试样次之,H型试样最小。(3)开展不同冻融循环次数、不同浆液类型下注浆固结体剪切力学试验,得到注浆固结体宏观剪切力学参数变化规律及剪切破坏形态。结果表明注浆固结体浆-岩界面的剪切强度(τp)及剪切刚度(KS)的变化受到冻融循环次数和浆液类型影响;τp与冻融循环次数呈负相关,KS则呈正相关;相同冻融循环次数下,3类试样浆-岩界面的τp和KS均表现为H型试样最大,其次为C型试样,最小为P型试样;P型、C型及H型试样冻融循环后的剪切破坏形态分别为滑移型破坏、剪断滑移型破坏及剪断劈裂型破坏。(4)为探索冻融循环作用下注浆固结体浆-岩界面宏微观参数间联系,采用灰色关联法计算注浆固结体微观孔隙结构指标(累积NMR信号强度及T2谱谱面积)与宏观剪切参数(剪切强度及剪切刚度)间的关联度,发现试样浆-岩界面剪切强度与T2谱谱面积间关联度均大于0.6,即二者具备关联性;以浆-岩界面宏微观参数关联度为基础,结合浆-岩界面冻融劣化情况和宏观破坏形态得到浆-岩界面剪切破坏机制:剪应力作用下,浆-岩界面内部孔隙在尖端起裂并与相邻孔隙连接成微裂隙面,微裂隙面沿浆-岩界面扩展形成宏观裂纹,最终导致注浆固结体沿浆-岩界面的剪切破坏。
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