本發(fā)明涉及一種可視化劈裂注漿模型試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)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(yàn)是研究漿液在地層中擴(kuò)散規(guī)律及加固機(jī)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(shí)施，地應(yīng)力對(duì)漿液的擴(kuò)散規(guī)律有著重要影響。因此，能夠真實(shí)的模擬存在的地應(yīng)力是模型試驗(yàn)中相當(dāng)重要的工作，對(duì)實(shí)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(shí)際存在的地應(yīng)力有很大差別，無(wú)法保證實(shí)際地應(yīng)力的存在狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致模型試驗(yàn)結(jié)果誤差很大，對(duì)實(shí)際工程意義不大。

另外，目前對(duì)于模擬地應(yīng)力的研究缺乏可視化的條件，無(wú)法真實(shí)的觀察到漿液在地層中實(shí)際的擴(kuò)散情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種可視化劈裂注漿模型試驗(yàn)裝置及方法，本發(fā)明可準(zhǔn)確地模擬真實(shí)地層中在地應(yīng)力影響下注漿過(guò)程。

為了實(shí)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(yàn)裝置，包括試驗(yàn)臺(tái)架、地應(yīng)力加載系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中：

所述試驗(yàn)臺(tái)架為由多塊反力架拼接構(gòu)成的容納試驗(yàn)箱的空間，所述反力架上均設(shè)置有透明層，以觀察內(nèi)部填充的漿液的擴(kuò)散狀態(tài)；所述地應(yīng)力加載系統(tǒng)包括設(shè)置于試驗(yàn)臺(tái)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(chǔ)漿桶及注漿管，所述注漿泵提供動(dòng)力將儲(chǔ)漿桶內(nèi)的注漿液通過(guò)注漿管注入試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)箱內(nèi)；所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括監(jiān)測(cè)被注介質(zhì)內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)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(cè)系統(tǒng)分為內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用應(yīng)力傳感器，監(jiān)測(cè)被注介質(zhì)內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)，在注漿前的地應(yīng)力加載過(guò)程中，通過(guò)各個(gè)關(guān)鍵位置的應(yīng)力反饋確定整個(gè)被注介質(zhì)是否達(dá)到預(yù)定的地應(yīng)力狀態(tài)；在注漿過(guò)程中監(jiān)測(cè)漿脈兩側(cè)及其他區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化狀態(tài)；在注漿結(jié)束后監(jiān)測(cè)地應(yīng)力消散情況；外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用注漿記錄儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注漿過(guò)程中的注漿壓力與注漿流量變化情況。

所述地應(yīng)力加載系統(tǒng)在試驗(yàn)臺(tái)架內(nèi)部被注介質(zhì)上側(cè)與左右兩側(cè)放置三個(gè)圓柱形氣囊，通過(guò)上側(cè)氣囊與兩側(cè)氣囊人為設(shè)定大小主應(yīng)力環(huán)境。

所述氣囊為透明的，且為彈性材質(zhì)。如橡膠等。

當(dāng)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(jìn)行更換，這些均屬于簡(jiǎn)單替換，理應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

所述試驗(yàn)臺(tái)架上預(yù)留有氣囊進(jìn)氣孔。

所述試驗(yàn)臺(tái)架上預(yù)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(yīng)力作用下，漿液劈裂過(guò)程。

所述氣囊通過(guò)進(jìn)氣管路與空壓機(jī)相連。

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

所述進(jìn)氣管路上設(shè)置有壓力表，以記錄進(jìn)氣壓力。

所述進(jìn)氣管路上設(shè)置有控制閥門(mén)。

所述透明層為透明有機(jī)玻璃。

基于上述裝置的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

(1)組裝模型試驗(yàn)裝置，預(yù)埋注漿管并進(jìn)行填料，填料過(guò)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(duì)三個(gè)氣囊進(jìn)行充氣，直至達(dá)到所需壓力，保證橫向應(yīng)力大于豎向應(yīng)力，使得漿脈沿水平方向劈裂；

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

(4)開(kāi)始注漿，注漿過(guò)程中透過(guò)透明層觀察漿液擴(kuò)散過(guò)程及被注介質(zhì)劈裂過(guò)程；

(5)對(duì)注漿過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)注漿整個(gè)過(guò)程中地應(yīng)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(shí)現(xiàn)了可視條件下地層應(yīng)力作用下的注漿模擬。與前人的研究相比，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了可視條件下較為真實(shí)的地應(yīng)力作用下的注漿模擬，得出的相關(guān)結(jié)論更符合工程實(shí)際；

(2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了被注介質(zhì)中的漿液擴(kuò)散過(guò)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(shí)現(xiàn)氣囊與被注介質(zhì)協(xié)同變形并維持恒定的加載應(yīng)力不變。使得模擬所得地應(yīng)力更加符合實(shí)際地層情況，使試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可信。

(4)可以實(shí)現(xiàn)劈裂注漿擴(kuò)散過(guò)程的追蹤，準(zhǔn)確獲得劈裂通道擴(kuò)展過(guò)程中注漿壓力與被注介質(zhì)內(nèi)部壓力場(chǎng)、位移場(chǎng)演化規(guī)律；并且可獲得劈裂過(guò)程中漿脈厚度時(shí)空演化規(guī)律及劈裂縫尖端幾何形態(tài)及其運(yùn)動(dòng)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(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1為模型試驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為模型試驗(yàn)裝置鋼架正面連接圖；

圖3為模型試驗(yàn)裝置鋼架背面連接圖；

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

圖5(a)、圖5(b)為模型試驗(yàn)裝置鋼架頂部連接圖及試驗(yàn)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(jī)玻璃；13——被注介質(zhì)；14——注漿管；15——注漿管路閥門(mén)；16——注漿管路閥門(mén)；17——注漿管路；18——鋼架連接螺栓；19——空壓機(jī)；20——進(jìn)氣管路閥門(mén)；21——進(jìn)氣管路；22——進(jìn)氣管路四通；23——左側(cè)氣囊進(jìn)氣管路壓力表；24——左側(cè)氣囊進(jìn)氣管路閥門(mén)；25——上側(cè)氣囊進(jìn)氣管路壓力表；26——上側(cè)氣囊進(jìn)氣管路閥門(mén)；27——右側(cè)氣囊進(jìn)氣管路壓力表；28——右側(cè)氣囊進(jìn)氣管路閥門(mén)；29——注漿記錄儀；30——電纜；31——手動(dòng)注漿泵；32——手動(dòng)注漿泵壓力表；33——手動(dòng)注漿泵進(jìn)漿管路；34——儲(chǔ)漿桶；35——漿液；36——預(yù)留接線孔；37——預(yù)留氣囊進(jìn)氣孔。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)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(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)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(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，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(shí)施例，一種可視化劈裂注漿模型試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)臺(tái)架、地應(yīng)力加載系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

試驗(yàn)臺(tái)架由八塊鋼制反力架構(gòu)成，試驗(yàn)臺(tái)架緊貼前側(cè)反力鋼架放置透明有機(jī)玻璃，透過(guò)透明有機(jī)玻璃可動(dòng)態(tài)觀察漿液的擴(kuò)散狀態(tài)。后側(cè)反力鋼架已經(jīng)預(yù)留出注漿孔及接線孔。

地應(yīng)力加載系統(tǒng)在試驗(yàn)臺(tái)架內(nèi)部被注介質(zhì)上側(cè)與左右兩側(cè)放置三個(gè)圓柱形氣囊，通過(guò)上側(cè)氣囊與兩側(cè)氣囊人為設(shè)定大小主應(yīng)力環(huán)境，控制漿液劈裂方向?yàn)樗脚选?/p>

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

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用應(yīng)力傳感器，監(jiān)測(cè)被注介質(zhì)內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)，在注漿前的地應(yīng)力加載過(guò)程中，通過(guò)各個(gè)關(guān)鍵位置的應(yīng)力反饋確定整個(gè)被注介質(zhì)是否達(dá)到預(yù)定的地應(yīng)力狀態(tài)；在注漿過(guò)程中監(jiān)測(cè)漿脈兩側(cè)及其他區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化狀態(tài)；在注漿結(jié)束后監(jiān)測(cè)地應(yīng)力消散情況。外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用注漿記錄儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注漿過(guò)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(yàn)方法，包括以下步驟：

(1)組裝模型試驗(yàn)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(guò)螺栓連接；其次將透明有機(jī)玻璃放入并用玻璃膠使有機(jī)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(yù)埋注漿管并進(jìn)行填料，填料過(guò)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(guò)螺栓連接完畢。

(3)利用空壓機(jī)對(duì)三個(gè)氣囊進(jìn)行充氣，直至達(dá)到所需壓力。本試驗(yàn)方法中，豎向應(yīng)力為小主應(yīng)力，橫向應(yīng)力為大主應(yīng)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(yàn)臺(tái)架、儲(chǔ)漿筒、傳感器、注漿記錄儀、手動(dòng)注漿泵、電腦等各種設(shè)備管線連接完畢。

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

(6)打開(kāi)進(jìn)漿閥門(mén)，開(kāi)始注漿，注漿過(guò)程中透過(guò)透明有機(jī)玻璃觀察漿液擴(kuò)散過(guò)程及被注介質(zhì)劈裂過(guò)程。

(7)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)注漿過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)注漿整個(gè)過(guò)程中地應(yīng)力、注漿壓力及注漿流量變化情況。同時(shí)采用高清數(shù)碼攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集漿液擴(kuò)散圖像，便于后續(xù)注漿動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程的分析。

(8)模型試驗(yàn)結(jié)束，進(jìn)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(jī)、手動(dòng)注漿泵、儲(chǔ)漿桶、注漿記錄儀及應(yīng)力傳感器為現(xiàn)有設(shè)備，在此不再贅述。

如圖1所示，本附圖1是為了把整個(gè)試驗(yàn)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(lái)，其中試驗(yàn)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(yàn)使用手動(dòng)注漿泵在含粘性土砂層中實(shí)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(xué)漿液等的注入)。

(1)組裝模型試驗(yàn)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(guò)螺栓(18)連接；其次將透明有機(jī)玻璃(12)放入并用玻璃膠使有機(jī)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(yù)埋注漿管(14)并進(jìn)行填料，填料過(guò)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(guò)螺栓連接完畢。

(3)同時(shí)打開(kāi)空壓機(jī)管路閥門(mén)(20)、左側(cè)氣囊管路閥門(mén)(24)、上側(cè)氣囊管路閥門(mén)(26)及右側(cè)氣囊管路閥門(mén)(28)，利用空壓機(jī)(19)對(duì)三個(gè)氣囊進(jìn)行充氣，觀察壓力表讀數(shù)，直至達(dá)到所需壓力，即可關(guān)閉閥門(mén)(20)、(24)、(26)、(28)。

(4)將預(yù)先配置好的漿液(35)，本實(shí)施例為水灰比1:1的水泥漿單液，倒入過(guò)儲(chǔ)漿筒(34)中，并組裝連接進(jìn)漿管路(33)、注漿記錄儀(29)及注漿管路(17)，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置、儲(chǔ)漿筒、傳感器、注漿記錄儀電纜、手動(dòng)注漿泵、電腦等相關(guān)管線連接完畢。

(5)打開(kāi)注漿管路閥門(mén)(16)，使用手動(dòng)注漿泵(31)將儲(chǔ)漿筒中的漿液吸入，待漿液到達(dá)，關(guān)閉注漿管路閥門(mén)(16)，打開(kāi)注漿管路閥門(mén)(17)進(jìn)行注漿并開(kāi)始計(jì)時(shí)。

(6)注漿過(guò)程中透過(guò)透明有機(jī)玻璃(12)觀察漿液擴(kuò)散過(guò)程及被注介質(zhì)劈裂過(guò)程。

(7)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)注漿過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)注漿整個(gè)過(guò)程中地應(yīng)力、注漿壓力及注漿流量變化情況。同時(shí)采用高清數(shù)碼攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集漿液擴(kuò)散圖像，便于后續(xù)注漿動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程的分析。

(8)模型試驗(yàn)結(jié)束，進(jìn)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(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)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(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。