考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统及试验方法与制作流程

图片简介:
本技术介绍了一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统及试验方法，系统包括供压装置、恒压出浆装置、裂隙岩体应力模拟装置、裂隙岩体试验装置、尾水收集装置和数据监测装置，裂隙岩体应力模拟装置包括反力架和千斤顶，利用不同方向的千斤顶可以给裂隙岩体试验装置内的裂隙岩体试样施加压力，从而模拟自重力和构造应力。

本技术可以模拟在自重和构造应力共同作用下浆液在裂隙岩体中流动状态，观测浆液的迁移扩散过程以及不同位置处浆液流速和压力的变化，克服了现有技术中不能考虑初始地应力作用和浆液运动过程可视化的缺点，同时可以模拟复杂岩体在不同注浆压力、浆液特性裂隙倾角等多种参数影响下裂隙岩体中浆液流动过程。

技术要求
1.一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，其特征在于：包括浆料供应装置、裂隙岩体应力模拟装置、裂隙岩体试验装置、尾水收集装置和数据监测装置，所述裂隙岩体应力模拟装置包括反力架、千斤顶和给千斤顶提供动力的供油系统，所述反力架为竖直放置的方形反力架，所述方形反力架的每个边内侧至少设有一个千斤顶，所述裂隙岩体试验装置安装于方形反力架内的多个千斤顶之间，通过反力架内上下方向的千斤顶为裂隙岩体试验装置模拟自重应力，通过左右方向的千斤顶模拟构造应力，所述裂隙岩体试验装置用于夹持安装裂隙岩体试样，所述浆料供应装置用于为裂隙岩体试样提供恒压的浆料，所述尾水收集装置用于收集从裂隙岩体试样流出的浆料，所述数据监测装置用于监控采集裂隙岩体注浆模拟试验中的参数数据；所述方形反力架由上下左右四个钢架和三角支撑焊接组成，每个钢架内侧设有两个承压板，每个承压板上设有一个千斤顶。

2.如权利要求1所述考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，其特征在于：所述供油系统包括油泵和液压同步加载分流阀，所述液压同步加载分流阀的入口连接油泵的出口，液压同步加载分流阀的出口分别连接到每个千斤顶。

3.如权利要求1所述考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，其特征在于：所述裂隙岩体试验装置由前后、上下四块有机玻璃板以及左右侧板将裂隙岩体试样密封在内组成，其中上有机玻璃板设有延伸到裂隙岩体试样内的注浆管，下有机玻璃板上设有与裂隙岩体试样内相连的出浆管，所述注浆管与浆料供应装置相连，所述出浆管与尾水收集装置。

4.如权利要求3所述考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，其特征在于：所述裂隙岩体试验装置的前有机玻璃板和后有机玻璃板之间通过螺栓相连，前有机玻璃板或后有机玻璃板均布多个用于放置压力传感器的测压孔，所述压力传感器采集数据通过压力数据采集显示仪进行采集和显示。

5.如权利要求4所述考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，其特征在于：所述浆料供应装置包括储料罐、供压装置和设于储料罐内的搅拌装置，所述储料罐顶部设有与供压装置相连的进气口，所述供压装置通过进气口为储料罐提供恒定的气压，所述储料罐底部设有与注浆管相连通的出料口。

6.如权利要求5所述考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，其特征在于：所述搅拌装置为安装于储料罐内底部的多个涡轮旋浆。

7.如权利要求5所述考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，其特征在于：所述数据监测装置包括高速摄像机、电脑终端和轮辐传感器，所述高速摄像机和轮辐传感器采集数据通过数据线传输到电脑终端进行处理，所述高速摄像机用于对裂隙岩体试验装置内的裂隙岩体试样进行拍照，所述轮辐传感器安装于千斤顶与裂隙岩体试验装置之间，用于校正千斤顶所施加的压力。

8.一种利用权利要求7所述裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统的裂隙岩体注浆模拟可视化试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、裂隙岩体试样制备，根据现场岩体工程裂隙参数调查数据，获得结构面几何参数随机分布函数，在此基础上，利用蒙特卡洛方法随机生成正方体裂隙网络模型，再通过3D打印设备打印出裂隙岩体试样，同时根据现场地应力测量数据，确定模拟真实注浆过程岩体所处深度的自重应力和构造应力水平；
步骤2、组装裂隙岩体试样，首先将压力传感器放置在后有机玻璃板的压力孔内，然后前后有机玻璃板在预制螺栓孔位置利用螺栓紧密固定在裂隙岩体试样上，再插入注浆管，最后将上下有机玻璃板及左右侧板安装到裂隙岩体试样上，用密封胶将各个接缝处密封好，防止漏浆液，完成裂隙岩体试验装置组装；将组装好裂隙岩体试样的裂隙岩体试验装置放置于裂隙岩体应力模拟装置上；注浆管连接于浆料供应装置上，出浆管连接于尾水收集装置；
步骤3、设置模拟地应力，首先安装上下左右多个千斤顶，千斤顶后座置于承压板上，每个千斤顶前端放上轮辐传感器，并与组装好裂隙岩体试样的裂隙岩体试验装置夹紧；千斤顶通过油管与液压同步加载分流阀相连，然后打开油泵，设置液压同步加载分流阀以分配好上下左右油压，通过上下的千斤顶模拟自重应力，左右的千斤顶模拟构造应力，最后用每个千斤顶上轮辐传感器进行应力校准，以保证施加的模拟地应力大小；
步骤4、安装监测装置，高速摄像机架设于裂隙岩体试样正前方；将储料罐连接于供压装置上，压力传感器接到压力数据采集显示仪上，轮辐传感器接到电脑终端上；
步骤5、开始注浆试验，将配置好注浆浆液注入储料罐中备用，开启涡轮旋浆保证浆液的和易性，开启供压装置，将注浆压力调整为预定值，进行注浆扩散与封堵试验，打开高速摄像机，记录注浆过程；
步骤6：待浆液流出稳定后，停止注浆，关闭数据监测装置、供压装置和裂隙岩体应力模拟装置，清洗裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统；
步骤7：改变不同试验条件，重复上述步骤1-6，可以得到不同地应力条件、注浆压力、浆液黏度、浆液凝胶时间等参数对浆液扩散规律和封堵的影响。

技术说明书
一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统及试验方法
技术领域
本技术属于岩土工程领域，涉及一种岩土工程中注浆模拟试验装置，尤其是一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统及试验方法。

背景技术
地下岩体开挖卸荷过程中，工程岩体内部产生大量节理、裂隙，严重时易发生失稳破坏，影响围岩稳定与工程安全。

注浆是修复裂隙岩体、提高围岩强度的重要手段之一。

浆液在裂隙岩体内的扩散路径和范围是判定注浆效果的重要参考。

目前，国内外学者对单一裂隙浆液流动扩散规律做了大量理论推导。

但是，理论研究与数值仿真均需对工程地质条件及注浆方式做出简化，其研究结果与现场实际存在一定的误差；而现场原位试验则难以直观观测浆液在裂隙的流动和分布情况。

相对而言，室内模拟试验可较好的弥补以上研究手段的不足，可以获取注浆过程的相关参数。

胡巍等(2013年)通过注浆模型试验，发现注浆前后岩体剪切强度未发生明显变化，甚至少部分岩样剪切强度降低；相似的试验结果也被张伟杰等(2015年)发现，这明显与现场情况是不符的。

分析主要原因在于传统的注浆模拟试验研究未考虑地应力的影响。

因此开展地应力下裂隙岩样注浆模型试验是正确认识注浆加固机理的关键。

目前已开发的岩体注浆模拟仪器有：
CN 201910361886.5公布了一种水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验装置，包括受灌体、围压荷载控制系统、渗流水压加载控制系统、注浆控制系统、数据采集系统和废液回收箱。

CN201811491070.6公布了一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置及方法，包括可视化裂隙注浆平台，注浆孔和注浆系统。

CN201811628638.4公布了一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置及试验方法，包括注浆池，试验箱体和注浆泵。

CN201910022454.1公布了可模拟实际工况的砂层三维注浆试验装置及其试验方法，其可根据实际注浆需求模拟不同的地应力条件和不同孔隙水压，包括底座、压力罩和试样室。

CN201710988965.X公布了一种多功能室内土体注浆模拟试验装置及其试验方法，包括依次连接的注浆机构、试验腔室以及控压机构。

CN201711190560.8公布了一种气压驱动松散体注浆模拟试验装置及试验方法，包括顶部密封盖、中部筒形注浆平台主体和底座。

CN201310351203.0介绍了一种可视化交叉裂隙动水注浆试验装置，包括浆液收集装置和交叉裂隙平台。

虽然这些装置在一定程度上能够模拟岩体或者土体浆液扩散过程，但无法模拟自重和构造应力作用下裂隙岩体注浆可视化观测过程，以及测量裂隙各个位置处压力和流速变化。

技术内容
有鉴于此，本技术目的在于提供一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统及试验方法，可以实现在自重和构造应力作用下裂隙岩体注浆模拟试验与分析。

该装置考虑了初始地应力条件对裂隙注浆扩散及凝胶封堵的影响，并全程实现可视化，采用高速摄像机和压力传感器对注浆不同位置的速度和压力进行实时采集，并通过与计算机终端连接实现了试验过程的自动化量测。

为达到上述目的，本技术提供如下技术方案：
一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，其特征在于：包括浆料供应装置、裂隙岩体应力模拟装置、裂隙岩体试验装置、尾水收集装置和数据监测装置，所述裂隙岩体应力模拟装置包括反力架、千斤顶和给千斤顶提供动力的供油系统，所述反力架为竖直放置的方形反力架，所述方形反力架的每个边内侧至少设有一个千斤顶，所述裂隙岩体试验装置安装于方形反力架内的多个千斤顶之间，通过反力架内上下方向的千斤顶为裂隙岩体试验装置模拟自重应力，通过左右方向的千斤顶模拟构造应力，所述裂隙岩体试验装置用于夹持安装裂隙岩体试样，所述浆料供应装置用于为裂隙岩体试样提供恒压的浆料，所述尾水收集装置用于收集从裂隙岩体试样流出的浆料，所述数据监测装置用于监控采集裂隙岩体注浆模拟试验中的参数数据；所述方形反力架由上下左右四个钢架和三角支撑焊接组成，每个钢架内侧设有两个承压板，每个承压板上设有一个千斤顶。

进一步地，所述供油系统包括油泵和液压同步加载分流阀，所述液压同步加载分流阀的入口连接油泵的出口，液压同步加载分流阀的出口分别连接到每个千斤顶。

进一步地，所述裂隙岩体试验装置由前后、上下四块有机玻璃板以及左右侧板将裂隙岩体试样密封在内组成，其中上有机玻璃板设有延伸到裂隙岩体试样内的注浆管，下有机玻璃板上设有与裂隙岩体试样内相连的出浆管，所述注浆管与浆料供应装置相连，所述出浆管与尾水收集装置。

进一步地，所述裂隙岩体试验装置的前有机玻璃板和后有机玻璃板之间通过螺栓相连，前有机玻璃板或后有机玻璃板均布多个用于放置压力传感器的测压孔，所述压力传感器采集数据通过压力数据采集显示仪进行采集和显示。

进一步地，所述浆料供应装置包括储料罐、供压装置和设于储料罐内的搅拌装置，所述储料罐顶部设有与供压装置相连的进气口，所述供压装置通过进气口为储料罐提供恒定的气压，所述储料罐底部设有与注浆管相连通的出料口。

进一步地，所述搅拌装置为安装于储料罐内底部的多个涡轮旋浆。

进一步地，所述数据监测装置包括高速摄像机、电脑终端和轮辐传感器，所述高速摄像机和轮辐传感器采集数据通过数据线传输到电脑终端进行处理，所述高速摄像机用于对裂隙岩体试验装置内的裂隙岩体试样进行拍照，所述轮辐传感器安装于千斤顶与裂隙岩体试验装置之间，用于校正千斤顶所施加的压力。

一种利用上述裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统的裂隙岩体注浆模拟可视化试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、裂隙岩体试样制备，根据现场岩体工程裂隙参数调查数据，获得结构面几何参数随机分布函数，在此基础上，利用蒙特卡洛方法随机生成正方体裂隙网络模型，再通过3D打印设备打印出裂隙岩体试样，同时根据现场地应力测量数据，确定模拟真实注浆过程岩体所处深度的自重应力和构造应力水平；
步骤2、组装裂隙岩体试样，首先将压力传感器放置在后有机玻璃板的压力孔内，然后前后有机玻璃板在预制螺栓孔位置利用螺栓紧密固定在裂隙岩体试样上，再插入注浆管，最后将上下有机玻璃板及左右侧板安装到裂隙岩体试样上，用密封胶将各个接缝处密封好，防止漏浆液，完成裂隙岩体试验装置组装；将组装好裂隙岩体试样的裂隙岩体试验装置放置于裂隙岩体应力模拟装置上；注浆管连接于浆料供应装置上，出浆管连接于尾水收集装置；
步骤3、设置模拟地应力，首先安装上下左右多个千斤顶，千斤顶后座置于承压板上，每个千斤顶前端放上轮辐传感器，并与组装好裂隙岩体试样的裂隙岩体试验装置夹紧；千斤顶通过油管与液压同步加载分流阀相连，然后打开油泵，设置液压同步加载分流阀以分配好上下左右油压，通过上下的千斤顶模拟自重应力，左右的千斤顶模拟构造应力，最后用每个千斤顶上轮辐传感器进行应力校准，以保证施加的模拟地应力大小；
步骤4、安装监测装置，高速摄像机架设于裂隙岩体试样正前方；将储料罐连接于供压装置上，压力传感器接到压力数据采集显示仪上，轮辐传感器接到电脑终端上；
步骤5、开始注浆试验，将配置好注浆浆液注入储料罐中备用，开启涡轮旋浆保证浆液的和易性，开启供压装置，将注浆压力调整为预定值，进行注浆扩散与封堵试验，打开高速摄像机，记录注浆过程；
步骤6：待浆液流出稳定后，停止注浆，关闭数据监测装置、供压装置和裂隙岩体应力模拟装置，清洗裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统；
步骤7：改变不同试验条件，重复上述步骤1-6，可以得到不同地应力条件、注浆压力、浆液黏度、浆液凝胶时间等参数对浆液扩散规律和封堵的影响。

一种裂隙岩体应力模拟装置，其特征在于：包括反力架、千斤顶和给千斤顶提供动力的供油系统，所述反力架为竖直放置的方形反力架，所述方形反力架的每个边内侧至少设有一个千斤顶，方形反力架内的多个千斤顶之间组成用于安装所述裂隙岩体试验装置的空间，通过反力架内上下方向的千斤顶为裂隙岩体试验装置模拟自重应力，通过左右方向的千斤顶模拟构造应力，所述裂隙岩体试验装置用于夹持安装裂隙岩体试样。

因此，本技术具有如下优点：
1)本技术可以模拟在自重和构造应力作用下浆液在裂隙岩体中流动状态，并观测浆液的迁移扩散过程。

2)试验装置可测量浆液扩散过程中不同位置处的流速以及压力变化，克服传统装置只能测量进出口流速和压力。

3)试验装置可模拟实际复杂裂隙网络注浆过程，研究不同注浆压力、浆液特性、裂隙倾角等多种参数对注浆浆液扩散与凝胶封堵的影响。

附图说明
为了使本技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本技术提供如下附图进行说明：
图1为考虑自重和构造应力作用下裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统结构示意图。

图2为图1不锈钢罐的放大三维示意图。

图3为图1裂隙岩体试验装置前后有机玻璃板的放大三维示意图。

图4为图1裂隙岩体试验装置上下玻璃板的放大三维示意图。

附图标记：1-供压装置，2-恒压出浆装置，3-裂隙岩体应力模拟装置，4-裂隙岩体试验装置，5-尾水收集装置，6-数据监测装置，7-空压机，8-限压阀，9-不锈钢罐，10-支架，11-涡轮旋浆，12-电
机，13-压力表，14-阀门，15-电动油泵，16-液压同步加载分流阀，17-出油口，18-反力架，19-注浆管，20-裂隙岩体试样，21-承压板，22-千斤顶，23-左右侧板，24-压力传感器，25-轮辐传感器，26-出浆管，27-三角支撑，28-上有机玻璃板，29-下有机玻璃板，30-钢架，31-竖板，32-横向支撑
板，33-前有机玻璃板，34-电脑终端，35-高速摄像机，36压力数据采集显示仪，37-聚氨酯软管，38-接水槽，39-天平，40-进气口，41-出料口，42-涡轮旋浆孔，43-螺栓孔，44-测压孔，45-注浆孔，46-出浆孔，47-后有机玻璃板。

具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对双轴应力作用下裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：
一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，包括供压装置1、恒压出浆装置2、裂隙岩体应力模拟装置3、裂隙岩体试验装置4、尾水收集装置5和数据监测装置6。

在上述的一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，所述的裂隙岩体应力模拟装置3为裂隙岩体试样20提供加压模拟地应力环境，包括反力架18、液压同步加载分流阀16、电动油泵15和千斤顶22。

其中，液压同步加载分流阀16和电动油泵15构成供油系统，当然供油系统还应该包括储油罐，这为公知常识，附图1中未画出，也不再详细描述。

反力架18由上下左右四个钢架30和三角支撑27焊接组成。

每个钢架30由两个竖板31和多个横向支撑板32焊接而成，为自重应力和构造应力施加提供后坐力。

整个反力架18长高为1.0m，宽为0.2m。

反力架18内部上、下、左、右位置分别放置两个薄形的千斤顶22，所有千斤顶22与液压同步加载分流阀16的出油口17连接，液压同步加载分流阀16的进油口与电动油泵15的出口相连。

如图1所示，上、下四个千斤顶22模拟自重应力，而左、右四个千斤顶22模拟构造应力。

千斤顶22与反力架18之间设置承压板21，承压板21为厚度10mm的钢板，具有一定抗压能力，抵抗千斤顶22的后坐力。

千斤顶22的前端与轮辐传感器25相连，再与裂隙岩体试验装置4的上有机玻璃板28、下有机玻璃板29以及左右侧板23紧贴，将千斤顶22上的压力传递到裂隙岩体试样20上。

轮辐传感器25监测了裂隙岩体试样20上模拟的自重应力和构造应力；左右侧板23为厚度5mm钢板，上有机玻璃板28和下有机玻璃板29厚度均为5mm，使得千斤顶22提供的压力能均匀释放在裂隙岩体试样20上。

如上所述的电动油泵15连接液压同步加载分流阀16，可按试验要求分配不同油压，提供不同大小的自重应力和构造应力。

在上述的一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，所述的裂隙岩体试验装置4由裂隙岩体试样20、上有机玻璃板28、下有机玻璃板29、前有机玻璃板33、后有机玻璃板47、左右侧板23、注浆管19和出浆管26组成，裂隙岩体试验装置4置于裂隙岩体应力模拟装置3中。

裂隙岩体试样20通过预先设置的裂隙几何信息，通过3D打印技术制作出来。

裂隙岩体试样20尺寸为
500mm*500mm*200mm。

3D打印过程要留有安装注浆管19的安装孔。

注浆管19直径为20mm，长度为400mm。

裂隙岩体试样20与前有机玻璃板33、后有机玻璃板47通过螺栓固定，与上有机玻璃板28、下有机玻璃板29及左右侧板23通过密封胶封装，防止漏浆。

如上所述的前有机玻璃板33和后有机玻璃板47采用PMMA透明有机玻璃，便于观测浆液的迁移扩散进程，且上面设置四个螺栓孔43。

后有机玻璃板47均匀布置多个测压孔44，方便放置压力传感器24，测压孔44的间距为50mm。

上有机玻璃板28和下有机玻璃板29中间位置留有直径20mm的孔，分别为安装注浆管19的注浆孔45和出浆管26的出浆孔46。

在上述的一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，所述的供压装置1由空压机7和限压阀8组成，空压机7通过限压阀8与聚氨酯软管37为恒压出浆装置2提供稳定可调的压力，聚氨酯软管37直径为10mm。

在上述的一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，如图1、2所示，所述的恒压出浆装置2包括储料罐、支架10、涡轮旋浆11和电机12，储料罐通过聚氨酯软管37与裂隙岩体试验装置4连接。

本实施例中，储料罐为不锈钢罐9，不锈钢罐9为方形，尺寸为500*500*500mm。

不锈钢罐9顶部中间开有圆形孔，孔直径为10mm，用作进气口40，与供压装置1的出口连接；不锈钢罐9底部中间开有圆形孔，孔直径为10mm，用作浆液流出的出料口41，出料口41通过管道与裂隙岩体试验装置4的入口连接，在不锈钢罐9底部两边距出料口41 100mm位置钻孔，孔径10mm，用于放置涡轮旋浆11的涡轮旋浆孔42，涡轮旋浆11旋叶长度为100mm，保证浆液在实验过程中始终具有相同的和易性。

电机12接于涡轮旋浆11，为其提供动力。

不锈钢罐9侧面与支架10焊接，保证不锈钢罐9的稳定性。

如图1所示，在上述的一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，所述的尾水收集装置5包括聚氨酯软管37、阀门14、接水槽38和天平39。

尾水收集装置5的接水槽38通过聚氨酯软管37与裂隙岩体试验装置4的出浆管26连接；接水槽38用来收集裂隙岩体试验装置4排出的浆液，天平39用来称量单位时间内流出的浆液质量。

在上述的一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统，所述的数据监测装置6包括电脑终端34、轮辐传感器25、高速摄像机35、压力传感器24和压力数据采集显示仪36。

轮辐传感器25与电脑终端34连接；高速摄像机35架于裂隙岩体试样20正前方；压力数据采集显示仪36连接于试样预先埋置的压力传感器24上。

一种考虑自重和构造应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验方法，包括以下步骤，
步骤1：裂隙岩体试样20制备。

根据现场岩体工程裂隙参数调查数据，获得结构面几何参数(如倾向、倾角、迹长等)随机分布函数。

在此基础上，利用蒙特卡洛方法随机生成正方体裂隙网络模型，裂隙岩体模型的标准尺寸为500mm*500mm*200mm，也可根据试验条件更改裂隙岩体模型尺寸。

再通过计算机和3D打印设备打印出裂隙岩体试样20。

同时，根据现场地应力测量数据，确定模拟真实注浆过程岩体所处深度的自重应力和构造应力水平；。