本發(fā)明涉及一種可視化劈裂注漿模型試驗裝置及其試驗方法。

背景技術(shù)：

注漿是一種在地下工程中加固軟弱破碎圍巖及封堵地下水的有效手段，模型試驗是研究漿液在地層中擴散規(guī)律及加固機理的一種重要方法，如今大多數(shù)注漿工程都是在一定厚度的上覆巖層的圍巖中實施，地應力對漿液的擴散規(guī)律有著重要影響。因此，能夠真實的模擬存在的地應力是模型試驗中相當重要的工作，對實際工程具有重大意義。

但目前在這方面的研究比較匱乏，大多數(shù)研究者采用固定模型邊界或剛性加載的方式，這與實際存在的地應力有很大差別，無法保證實際地應力的存在狀態(tài)，進而導致模型試驗結(jié)果誤差很大，對實際工程意義不大。

另外，目前對于模擬地應力的研究缺乏可視化的條件，無法真實的觀察到漿液在地層中實際的擴散情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種可視化劈裂注漿模型試驗裝置及方法，本發(fā)明可準確地模擬真實地層中在地應力影響下注漿過程。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種可視化劈裂注漿模型試驗裝置，包括試驗臺架、地應力加載系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，其中：

所述試驗臺架為由多塊反力架拼接構(gòu)成的容納試驗箱的空間，所述反力架上均設置有透明層，以觀察內(nèi)部填充的漿液的擴散狀態(tài)；所述地應力加載系統(tǒng)包括設置于試驗臺架的上側(cè)與左右兩側(cè)的氣囊和向氣囊填充氣體的壓力裝置，將漿液劈裂方向控制為水平劈裂；

所述注漿系統(tǒng)包括注漿泵、儲漿桶及注漿管，所述注漿泵提供動力將儲漿桶內(nèi)的注漿液通過注漿管注入試驗臺架的試驗箱內(nèi)；所述監(jiān)測系統(tǒng)，包括監(jiān)測被注介質(zhì)內(nèi)部的應力場的應力傳感器以及注漿壓力與注漿流量變化情況的注漿記錄儀。

所述監(jiān)測系統(tǒng)分為內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)與外部監(jiān)測系統(tǒng)，內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)采用應力傳感器，監(jiān)測被注介質(zhì)內(nèi)部的應力場，在注漿前的地應力加載過程中，通過各個關(guān)鍵位置的應力反饋確定整個被注介質(zhì)是否達到預定的地應力狀態(tài)；在注漿過程中監(jiān)測漿脈兩側(cè)及其他區(qū)域應力場變化狀態(tài)；在注漿結(jié)束后監(jiān)測地應力消散情況；外部監(jiān)測系統(tǒng)采用注漿記錄儀，實時監(jiān)測注漿過程中的注漿壓力與注漿流量變化情況。

所述地應力加載系統(tǒng)在試驗臺架內(nèi)部被注介質(zhì)上側(cè)與左右兩側(cè)放置三個圓柱形氣囊，通過上側(cè)氣囊與兩側(cè)氣囊人為設定大小主應力環(huán)境。

所述氣囊為透明的，且為彈性材質(zhì)。如橡膠等。

當然，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在本發(fā)明的工作原料的啟示下，將氣囊的形狀、材質(zhì)等進行更換，這些均屬于簡單替換，理應屬于本發(fā)明的保護范圍。

所述試驗臺架上預留有氣囊進氣孔。

所述試驗臺架上預留有注漿孔，所述注漿孔與注漿管相連。

所述裝置還包括圖像采集模塊，以采集應力作用下，漿液劈裂過程。

所述氣囊通過進氣管路與空壓機相連。

優(yōu)選的，所述進氣管路口通過四通分成四條支路，分別向各個氣囊填充氣體。

所述進氣管路上設置有壓力表，以記錄進氣壓力。

所述進氣管路上設置有控制閥門。

所述透明層為透明有機玻璃。

基于上述裝置的試驗方法，包括以下步驟：

(1)組裝模型試驗裝置，預埋注漿管并進行填料，填料過程需要埋置傳感器，填料結(jié)束后，放置氣囊，并依次連接反力架；

(2)對三個氣囊進行充氣，直至達到所需壓力，保證橫向應力大于豎向應力，使得漿脈沿水平方向劈裂；

(3)組裝連接相關(guān)管路，將預先配置好的漿液倒入儲漿筒中并將注漿泵的進漿管路放置于儲漿桶中漿液液面以下，使用注漿泵按一定頻率將儲漿筒中的漿液注入到所填介質(zhì)中；

(4)開始注漿，注漿過程中透過透明層觀察漿液擴散過程及被注介質(zhì)劈裂過程；

(5)對注漿過程進行實時監(jiān)測，監(jiān)測注漿整個過程中地應力、注漿壓力及注漿流量變化情況。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明實現(xiàn)了可視條件下地層應力作用下的注漿模擬。與前人的研究相比，該系統(tǒng)成功實現(xiàn)了可視條件下較為真實的地應力作用下的注漿模擬，得出的相關(guān)結(jié)論更符合工程實際；

(2)本發(fā)明實現(xiàn)了被注介質(zhì)中的漿液擴散過程(包括劈裂、滲透)的可視化模擬。

(3)氣囊屬于柔性承壓系統(tǒng)，氣囊內(nèi)部的壓力基本維持不變，實現(xiàn)氣囊與被注介質(zhì)協(xié)同變形并維持恒定的加載應力不變。使得模擬所得地應力更加符合實際地層情況，使試驗結(jié)果更加真實可信。

(4)可以實現(xiàn)劈裂注漿擴散過程的追蹤，準確獲得劈裂通道擴展過程中注漿壓力與被注介質(zhì)內(nèi)部壓力場、位移場演化規(guī)律；并且可獲得劈裂過程中漿脈厚度時空演化規(guī)律及劈裂縫尖端幾何形態(tài)及其運動特征。

(5)注漿模型采用模塊化的組裝方式，方便安裝與拆卸。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當限定。

圖1為模型試驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為模型試驗裝置鋼架正面連接圖；

圖3為模型試驗裝置鋼架背面連接圖；

圖4(a)、圖4(b)為模型試驗裝置鋼架側(cè)面連接圖及試驗裝置A-A剖面圖；

圖5(a)、圖5(b)為模型試驗裝置鋼架頂部連接圖及試驗裝置B-B剖面圖；

1——上側(cè)鋼架；2——下側(cè)鋼架；3——左側(cè)鋼架；4——右側(cè)鋼架；5——左側(cè)三角鋼架；6——右側(cè)三角鋼架；7——前側(cè)鋼架；8——后側(cè)鋼架；9——上側(cè)氣囊；10——左側(cè)氣囊；11——右側(cè)氣囊；12——透明有機玻璃；13——被注介質(zhì)；14——注漿管；15——注漿管路閥門；16——注漿管路閥門；17——注漿管路；18——鋼架連接螺栓；19——空壓機；20——進氣管路閥門；21——進氣管路；22——進氣管路四通；23——左側(cè)氣囊進氣管路壓力表；24——左側(cè)氣囊進氣管路閥門；25——上側(cè)氣囊進氣管路壓力表；26——上側(cè)氣囊進氣管路閥門；27——右側(cè)氣囊進氣管路壓力表；28——右側(cè)氣囊進氣管路閥門；29——注漿記錄儀；30——電纜；31——手動注漿泵；32——手動注漿泵壓力表；33——手動注漿泵進漿管路；34——儲漿桶；35——漿液；36——預留接線孔；37——預留氣囊進氣孔。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復數(shù)形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

作為一種典型實施例，一種可視化劈裂注漿模型試驗裝置，包括試驗臺架、地應力加載系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)。

試驗臺架由八塊鋼制反力架構(gòu)成，試驗臺架緊貼前側(cè)反力鋼架放置透明有機玻璃，透過透明有機玻璃可動態(tài)觀察漿液的擴散狀態(tài)。后側(cè)反力鋼架已經(jīng)預留出注漿孔及接線孔。

地應力加載系統(tǒng)在試驗臺架內(nèi)部被注介質(zhì)上側(cè)與左右兩側(cè)放置三個圓柱形氣囊，通過上側(cè)氣囊與兩側(cè)氣囊人為設定大小主應力環(huán)境，控制漿液劈裂方向為水平劈裂。

注漿系統(tǒng)由手動注漿泵、儲漿桶及注漿管構(gòu)成，儲漿桶可為一端開口的普通水桶，利用手動注漿泵提供穩(wěn)定注漿壓力。

監(jiān)測系統(tǒng)分為內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)與外部監(jiān)測系統(tǒng)，內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)采用應力傳感器，監(jiān)測被注介質(zhì)內(nèi)部的應力場，在注漿前的地應力加載過程中，通過各個關(guān)鍵位置的應力反饋確定整個被注介質(zhì)是否達到預定的地應力狀態(tài)；在注漿過程中監(jiān)測漿脈兩側(cè)及其他區(qū)域應力場變化狀態(tài)；在注漿結(jié)束后監(jiān)測地應力消散情況。外部監(jiān)測系統(tǒng)采用注漿記錄儀，實時監(jiān)測注漿過程中的注漿壓力與注漿流量變化情況。

一種可視化劈裂注漿模型試驗方法，包括以下步驟：

(1)組裝模型試驗裝置。首先依次將下側(cè)反力鋼架、左右側(cè)反力鋼架及前后側(cè)反力鋼架通過螺栓連接；其次將透明有機玻璃放入并用玻璃膠使有機玻璃與反力鋼架緊密貼合；然后將左右側(cè)氣囊放置于左右側(cè)反力鋼架內(nèi)。

(2)預埋注漿管并進行填料，填料過程需要埋置傳感器，填料結(jié)束后，放置上側(cè)氣囊并依次將上側(cè)反力鋼架、三角反力鋼架通過螺栓連接完畢。

(3)利用空壓機對三個氣囊進行充氣，直至達到所需壓力。本試驗方法中，豎向應力為小主應力，橫向應力為大主應力，保證漿脈沿水平方向劈裂。

(4)組裝連接相關(guān)管路，將試驗臺架、儲漿筒、傳感器、注漿記錄儀、手動注漿泵、電腦等各種設備管線連接完畢。

(5)將預先配置好的漿液倒入儲漿筒中并將手動注漿泵的進漿管路放置于儲漿桶中漿液液面以下，使用手動注漿泵按一定頻率將儲漿筒中的漿液注入到所填介質(zhì)中。

(6)打開進漿閥門，開始注漿，注漿過程中透過透明有機玻璃觀察漿液擴散過程及被注介質(zhì)劈裂過程。

(7)監(jiān)測系統(tǒng)對注漿過程進行實時監(jiān)測，監(jiān)測注漿整個過程中地應力、注漿壓力及注漿流量變化情況。同時采用高清數(shù)碼攝像機實時采集漿液擴散圖像，便于后續(xù)注漿動態(tài)擴散過程的分析。

(8)模型試驗結(jié)束，進行裝置的拆卸清理以及注漿管路的清洗等后續(xù)工作。

本發(fā)明中的空壓機、手動注漿泵、儲漿桶、注漿記錄儀及應力傳感器為現(xiàn)有設備，在此不再贅述。

如圖1所示，本附圖1是為了把整個試驗系統(tǒng)連接情況(裝置與電腦及傳感器連接情況并未表示)示意出來，其中試驗裝置觀察角度為后側(cè)，上述左右側(cè)鋼架及氣囊方位皆按此圖表示。

注漿模型試驗使用手動注漿泵在含粘性土砂層中實施注漿，注漿材料為單液水泥漿(本發(fā)明同樣適用于雙液漿及化學漿液等的注入)。

(1)組裝模型試驗裝置。首先依次將下側(cè)反力鋼架(2)、左側(cè)反力鋼架(3)、右側(cè)反力鋼架(4)及前后側(cè)反力鋼架(7)(8)通過螺栓(18)連接；其次將透明有機玻璃(12)放入并用玻璃膠使有機玻璃與反力鋼架緊密貼合；然后將左右側(cè)氣囊(10)(11)放置于左右側(cè)反力鋼架內(nèi)(3)(4)。

(2)預埋注漿管(14)并進行填料，填料過程需要埋置傳感器，填料結(jié)束后，放置上側(cè)氣囊(9)并依次將上側(cè)反力鋼架(1)、左右側(cè)三角反力鋼架(5)(6)通過螺栓連接完畢。

(3)同時打開空壓機管路閥門(20)、左側(cè)氣囊管路閥門(24)、上側(cè)氣囊管路閥門(26)及右側(cè)氣囊管路閥門(28)，利用空壓機(19)對三個氣囊進行充氣，觀察壓力表讀數(shù)，直至達到所需壓力，即可關(guān)閉閥門(20)、(24)、(26)、(28)。

(4)將預先配置好的漿液(35)，本實施例為水灰比1:1的水泥漿單液，倒入過儲漿筒(34)中，并組裝連接進漿管路(33)、注漿記錄儀(29)及注漿管路(17)，將試驗模型裝置、儲漿筒、傳感器、注漿記錄儀電纜、手動注漿泵、電腦等相關(guān)管線連接完畢。

(5)打開注漿管路閥門(16)，使用手動注漿泵(31)將儲漿筒中的漿液吸入，待漿液到達，關(guān)閉注漿管路閥門(16)，打開注漿管路閥門(17)進行注漿并開始計時。

(6)注漿過程中透過透明有機玻璃(12)觀察漿液擴散過程及被注介質(zhì)劈裂過程。

(7)監(jiān)測系統(tǒng)對注漿過程進行實時監(jiān)測，監(jiān)測注漿整個過程中地應力、注漿壓力及注漿流量變化情況。同時采用高清數(shù)碼攝像機實時采集漿液擴散圖像，便于后續(xù)注漿動態(tài)擴散過程的分析。

(8)模型試驗結(jié)束，進行裝置的拆卸清理及注漿管路的清洗等后續(xù)工作。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。