泥质页岩注浆结石体的蠕变特性试验研究
张乃烊，黄明，王少杰
（1．福州大学 土木工程学院,福建 福州 350108；2.福建省交通规划设计院,福建 福州 350108）
摘要：在分析已有软岩蠕变机制成果的基础上，为了研究软岩注浆结石体的蠕变特性，分析了不同荷载水平以及不同含水条件对泥质页岩注浆结石体蠕变特性的影响。试验结果表明：1）在相同含水率状态下，蠕变变形随着荷载水平的增加而增大；软岩注浆结石体不同蠕变特性曲线间的转换存在一个荷载阈值，当荷载小于该阈值时，蠕变为稳定蠕变，大于该阈值时试样进入加速蠕变且短时间内直接破坏。2）在相同荷载水平下，随着含水率的增加，蠕变变形逐渐增大且变形增长速率较快。低应力等级下含水率对注浆结石体的蠕变特性影响较大，而高应力下的影响相对较小。3）Burgers模型可以较好地描述注浆结石体的蠕变特性。
关键词：泥质页岩；蠕变试验；注浆结石体； Burgers模型 中图分类号：TU 45
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文献标志码：A
Experimental Study on the Creep Property of Grouting Concretion Stone of Argillaceous Shale
ZHANG Naiyang,1 HUANG Ming1 , WANG Shaojie2
(1.College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China; 2.Fujian Communications Planning and Design Institute,
Fuzhou 350108, China)
Abstract: In order to study the creep characteristics of soft rock grouting concretion stone, the influence of the different load levels and the different moisture conditions on the grouting concretion stone of argillaceous shale on the grouting creep characteristics on the basis of analyzing the existing research results of soft rock creep mechanism. The results show that, 1) Under the same moisture condition, the creep deformation increases with load level increase. There is a load threshold which switches the different creep characteristics curve shapes of grouting concretion stone, When the load is smaller than the threshold, the creep is under the stable state, otherwise the grouting concretion stone will turn into the accelerated creep stage and be directly damaged in a short time. 2) Under the same load condition, the creep deformation and the growth rate gradually increases with the increase of moisture content. Moisture content make a greater influence on the creep properties of grouting concretion stone under low level stress, but it makes little influence under high level stress. 3) Burgers model can describe the creep characteristics of grouting concretion stone preferably. Key words: argillaceous shale; creep test; grouting concretion stone; Burgers model
引言
在上世纪50年代初期，我国开始了注浆技术的应用，国内外目前对岩体注浆效果的检测、注浆技术等方面已取得不少的研究成果[1-3]。然而，现今针对软岩注浆效果的研究，基本集中在考虑软岩注浆加固后强
收稿日期：
基金项目：国家自然科学基金（41202195）
第一作者：张乃烊(1991-),男，硕士研究生，工学硕士，岩土工程专业，主要研究方向为岩土与地下工程。E-mail: zhangnyang@foxmail.com 通讯作者：黄明(1983-)，男，副教授，工学博士，岩土工程专业，主要研究方向为岩土与地下工程。E-mail: huangming05@163.com
度的提高，而针对注浆对软岩变形特性的影响研究方面研究较少。但从另一方面来看，恰恰是注浆软岩变形特性的改变直接影响了围岩变形特性曲线的变化，从而导致支护结构承担荷载的改变，最终决定了支护结构的刚度和强度。
针对软岩注浆加固后的力学特性，特别是流变特性的研究，目前尚未见较为系统的研究。刘全林等[4]
根据锚注支护的机理，建立其力学模型，针对锚注支护分析了锚注支护对具有流变特性围岩在维护其稳定性方面的作用，得出锚注支护对维护破碎围岩的稳定具有显著效果；许宏发等 [5]在已有的基于BQ的岩体内聚力和内摩擦角的经验公式的基础上，提出了描述注浆后破碎岩体内聚力增长率和内摩擦系数增长率随岩体质量指标增长量（ΔBQ）变化的表达式；王襄禹等 [6]采用弹粘塑性力学模型分析了软岩隧道变形特点和影响因素，证明了相同支护强度下采用高水速凝材料加固后能够达到控制围岩稳定的目的；王连国等
[7]
用弹塑性方法对锚注前软岩巷道围岩进行分析，对关于软岩巷道的锚注支护结构应力及位移的蠕变公式
进行了推导；郭卫卫等[8]提出改性注浆加固技术，可成功解决软岩动压巷道的支护难题；许宏发等[9] 通过非线性拟合分析方法，根据对已有纯水泥浆结石体强度试验的分析，提出了经验公式是与破碎岩体注浆加固体强度增长率相关的。余永强等[10]针对某圆形隧道工程用数值进行分析后得出用超前小导管注浆预加固围岩对控制隧道围岩变形有较好的效果。
本文采用多功能GDS流变仪设备，对软岩注浆结石体进行不同含水率情况下的单轴分级增量加载方式的流变试验。分析含水率变化以及荷载水平对软岩注浆结石体流变特性的影响。在此基础上，采用四元件的Burgers模型反演得到了软岩注浆结石体的模型参数。研究结果可为类似的工程问题打下理论基础，具有重要的现实意义。
1 试验岩样和方案
1.1试验岩样
试验注浆结石体主要以软岩碎块为主，母岩取自某工程现场的泥质页岩。模拟注浆岩样过程按表1所示的配合比拌合，制备棱长为150 mm的立方体2个后使用钻孔取芯机在完整的岩块上钻取直径50 mm的圆柱体，配合切石机及磨平机得到直径50 mm、高度100 mm的标准岩样圆柱体8个，选取其中4个整体性较好的进行流变试验，如图1所示，加工好的岩样保持原有的天然含水状态进行密封保存。
表1注浆结石体配合比
Table1 The mix proportion of grouting concretion stone sample
材料 质量（kg）
石
>40 mm 0.51
>20 mm 7.5
>10 mm 6.2
>5 mm 3.6
砂 >2.36 mm 1.95
水泥灰 42.5 4
1.2 试验设备
试验设备由英国GDS仪器设备有限公司生产的多功能三轴试验仪，如图2所示。该仪器可以对圆柱体标准岩样进行单轴或三轴条件下的循环加卸载、等速应变、蠕变和应力松弛等试验，并配置有一套带自动
活塞平衡的多阶段静载蠕变试验系统。加压系统在10 s内可将轴向荷载提高至目标值，可提供40 kN的最大轴向荷载及3.0 MPa的最大围压，适合用于强度不高的软岩注浆结石体试样。
图1 注浆结石体试样
Fig1 The sample of grouting concretion stone
图1 GDS流变仪 Fig2 The GDS rheometer
1.3 试验方案
为了分别研究荷载水平和含水率对注浆结石体流变特性的影响，首先对试样含水率进行控制，将标准试样分为4组：编号1-1试样为经过烘箱烘干24小时后干燥状态的含水率；编号1-2试样为自然状态下的含水率；编号1-3试样为在大气压力和室温条件下在水中浸泡24 h后吸水状态的含水率；编号1-4为试样放入真空饱和仪中饱和24 h后饱和状态的含水率。含水率的取值为两次测试结果的平均值，测试完毕后迅速进行蠕变试验。试样的参数汇总于表2。分级增量加载方式可以较好地避免试样离散性对蠕变试验结果的影响，因此本文试验采取单轴分级增量加载的方式进行蠕变试验。注浆结石体的破坏形式如图3所示。
表2 各岩样参数汇总表
Table2 The parameters of grouting concretion stone sample
岩样成分
编号 1-1
注浆结石体
1-2 1-3 1-4
直径 （mm） 48.37 48.48 48.64 48.63
高度 （mm） 100.25 101.07 101.30 101.29
质量 （kg） 0.347 0.369 0.391 0.402
含水率（%）
0 5.88 9.09 10.74
图2注浆结石体破坏形式
Fig3 The failure mode of grouting concretion stone sample