CN104965060A - 评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，通过用磨碎的不同粒径岩粒的组合来模拟地下工程的破碎围岩，通过对影响注浆加固效果的各因素设计不同水平的正交实验，对各因素进行全面的研究，得到对破碎围岩加固效果较显著的因素及其参数范围和显著性影响因素与评价指标的关系式。本发明公布的方法科学、严谨，能对影响破碎围岩注浆加固效果各因素做全面的研究，对地下工程现场破碎围岩注浆加固的方案设计和实施具有指导意义。

Description

评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法

技术领域

本发明属于地下工程中安全技术领域，特别涉及地下工程注浆方案中各因素对破碎围岩注浆加固效果的研究和注浆方案的设计。

背景技术

由于地下工程开挖造成的硐室四周围岩的破碎，以及地下工程所经过的天然的围岩破碎带，会对地下工程的安全造成极大的威胁。不仅破碎围岩可能脱落伤到工作人员，而且围岩自身强度作为维持地下工程稳定性的重要组成部分，围岩破碎导致的强度不足，致使地下工程变形过大、支护结构失效，对工程安全产生重大隐患。经实践证明，通过对地下工程破碎围岩进行注浆加固,对改变围岩强度、发挥围岩自身承载力、保障地下硐室安全具有良好的效果，实现了增加围岩强度的目的。

与快速发展的注浆加固实践相比，注浆加固理论发展缓慢，极有必要对注浆效果相关因素进行全面的研究，来指导注浆实践的进行。

目前还没有全面研究注浆加固各影响因素的实验方法，无法对注浆加固的各影响因素进行全面的认识和评价。

发明内容

鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供一种评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，通过用磨碎的不同粒径岩粒的组合来模拟地下工程的破碎围岩，通过对影响注浆加固效果的各因素设计不同水平的正交实验，对各因素进行全面的研究，得到对破碎围岩加固效果较显著的因素和使破碎围岩注浆加固效果较好时各相关因素的参数范围。

为了实现该目的，本发明采用如下技术方案：

评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤1：从地下工程破碎围岩中取样、磨碎并按粒径归类，确定影响注浆加固的各因素，根据所述各因素的经验水平，设计初步的正交实验方案；

步骤2：按照所述正交实验方案，实施注浆加固试验，并进行试验材料加固后的岩石力学参数测试；

步骤3：利用所得测试数据绘制趋势图以对各因素进行直观分析，用非标准组与标准组相应岩石力学参数对比的提高率作为评价指标并进行正交实验数据分析及评价，得到影响破碎围岩加固效果的显著性影响因素，和使破碎围岩注浆加固效果良好时各相关因素的参数范围，

步骤4：获取各所述显著性影响因素不同水平与某一注浆加固效果的评价指标的对应关系，利用上述分析结果，指导地下工程注浆加固方案的设计和实施。

其中，步骤1中，所述从地下工程破碎围岩中取样、磨碎并按粒径归类为，在地下工程中选取破碎围岩岩体，将其磨碎，使用筛分笼屉将不同粒径范围的颗粒归类。

步骤1中，影响注浆加固的所述各因素为：岩体岩性、粒径、注浆材料类型、浆液水灰比、注浆压力；各因素的所述经验水平的大致范围，根据工程经验和已发表的相关成果确定，并进而从中确定所述正交实验方案中各因素的水平；所述正交实验方案为，将所述各因素及选用的相应水平数进行正交组合，以此确定各具体的试验方案。

步骤2中，所述注浆加固试验为，按照所述正交实验方案中各具体试验方案的要求，将选用的相应粒径范围的岩石试验材料，加入到注浆加固试验装置中，用相应水灰比的相应注浆材料和注浆压力对所述试验材料实施注浆，待试件凝固养护后，取出注浆后岩体，以此制造一定数量的岩石力学试件。

步骤2中，所述岩石力学参数，包括单轴抗压强度、抗剪强度、内摩擦角、粘聚力和残余强度；将所述各岩石力学参数进行数据统计处理后作为注浆后的岩石力学指标。

步骤3中，所述趋势图为所述各因素不同水平与评价指标的关系图，包括正趋势图和反趋势图：所述正趋势图的横坐标表示所研究因素的不同水平，纵坐标表示所述评价指标；所述反趋势图横坐标表示评价指标，纵坐标表示因素的不同水平。

步骤3中，所述正趋势图和反趋势图设置为双纵坐标，来直观比较所述各因素不同水平对同一评价指标的影响程度大小。

步骤3中，所述破碎围岩加固效果的显著性影响因素是在利用正交实验方法设计的初步注浆加固试验完成后，得到所述试验材料各岩石力学指标的提高率，再进行正交实验数据处理，根据数据处理结果找到对破碎围岩加固效果较显著的因素。

步骤3中，所述提高率是将某试验方案作为标准组后，非标准组岩石力学指标与标准组岩石力学指标对比的提高值与标准组岩石力学指标的比值，将该提高率作为正交实验数据分析的评价指标，利用正交实验数据处理方法进行数据处理。

步骤3中，所述正交实验数据处理包括以下几个小步骤：

计算各因素对注浆加固效果各评价指标的极值R；

b.计算各因素对注浆加固效果各评价指标的方差并进行F检验；

c.计算各因素对注浆加固效果指标的贡献率M；

d.根据极值R分析、方差分析和贡献率M分析的计算结果，综合分析判断，确定对破碎围岩加固效果较显著的因素和其最优水平组合。

步骤3中，所述破碎围岩注浆加固效果良好时各相关因素的参数范围，是根据初步的正交实验数据处理结果，找到显著性影响因素，并重新设计正交实验方案，增加显著性影响因素的水平数，对显著性影响因素进行深入分析，逐渐找出对破碎围岩注浆加固效果最显著的若干因素的范围。

步骤4中，所述对应关系包括关系曲线和关系式；所述关系曲线是利用对少数显著性影响因素进行深入研究的试验数据，回归出的某一显著性影响因素不同水平与某一评价指标的关系曲线；所述关系式是根据某一关系曲线的数据，利用数据分析软件，拟合出某一显著性影响因素与某评价指标的关系式。

本发明的有益效果为：

本发明利用磨碎的不同粒径岩粒的组合来模拟地下工程的破碎围岩，具有良好的相似性，可实现对地下工程破碎围岩的可靠模拟。

岩体岩性、粒径、注浆材料类型、浆液水灰比、注浆压力为影响注浆加固的相关因素，对这些因素进行正交分析，针对性极强。根据工程经验和已发表的相关成果确定经验水平的大致范围，使参数的取值更加科学，可以有效的提高分析效率。

利用注浆加固试验结果来做分析，能更好的反应各影响因素对注浆效果的真实关系，使研究结果的可靠度更高。

正趋势图可以直观反映某一因素不同水平对评价指标的影响程度，反趋势图可以直观反映不同因素对某一评价指标的影响程度。

本发明利用不同程度的正交实验方法设计试验方案，不仅可以通过实验数据绘制的趋势图直观明显地看出各因素不同水平对破碎围岩的加固效果，而且通过初步的正交实验方案，精确确定对破碎围岩加固效果较显著的因素，且具有正交实验代表性、全面性、节约性的特点，通过深化的正交实验方案设计，逐渐精确确定对破碎围岩注浆加固效果最显著各因素的范围，并通过影响注浆效果显著性影响因素与某一注浆效果评价指标的关系曲线和关系式，得出显著性影响因素对某一注浆评价指标的定量关系，以实现对影响注浆加固各因素全面经济定量的试验研究、认识和评价。对地下工程现场破碎围岩注浆加固的方案设计和实施具有指导意义。

附图说明

图1是本发明的操作及数据处理流程图。

图2是注浆压力-水灰比与单轴抗压强度的反趋势图。

图3是单轴抗压强度-内摩擦角与注浆压力的正趋势图。

图4是水灰比M与单轴抗压强度σ关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提供一种评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，通过对影响注浆加固效果各因素设计不同水平的正交实验，对各因素进行全面的研究，得到对破碎围岩加固效果较显著的因素和使破碎围岩注浆加固效果较好时各相关因素的参数范围，实现对影响注浆加固各因素的全面试验研究。

评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤1：从地下工程破碎围岩中取样、磨碎并按粒径归类；

步骤2：根据影响注浆加固各因素的经验水平，设计初步的正交实验方案；

步骤3：实施注浆加固试验，并进行加固后岩石力学参数测试；

步骤4：利用所得测试数据绘制趋势图以对各因素进行直观分析；

步骤5：正交实验数据处理并找到对注浆加固效果影响显著的因素；

步骤6：对少数显著性影响因素进行深入研究；

步骤7：利用步骤6中所得数据回归出某显著性影响因素不同水平与某一注浆加固效果评价指标的关系曲线，并拟合出关系式；

步骤8：指导地下工程注浆加固方案的设计和实施。

步骤1中所述从地下工程破碎围岩中取样、磨碎并按粒径归类为，在地下工程中选取破碎围岩岩体，将其磨碎，使用筛分笼屉将不同粒径范围的颗粒归类。

步骤2中所述根据影响注浆加固各因素的大致水平，设计初步的正交实验方案，其过程为，将岩体岩性A、粒径B、注浆材料类型C、浆液水灰比D、注浆压力E等作为影响破碎岩体注浆质量的相关因素，根据工程经验和已发表的相关成果，确定各因素水平的大致范围，并从中确定试验方案中所采用的各因素水平，将相应因素各水平组合来设计试验方案，例如A_iB_jC_kD_lE_m代表A因素第i水平、B因素第j水平、C因素第k水平、D因素第l水平和E因素第m水平组合的试验方案。

步骤3中实施注浆加固试验为按照各正交实验方案中某一个具体试验方案要求，将选用的某范围粒径加入到注浆加固试验装置中，用相应水灰比的注浆材料、注浆压力对实验材料实施注浆，待试件凝固养护后，取出注浆后岩体，制造一定数量的岩石力学试件。

步骤3中所述加固后岩石力学参数测试为在实施注浆加固后的各组岩体中取出并加工一定数量的岩石试验试件，对各试件进行岩石力学试验，测定其单轴抗压强度σ_c、抗剪强度τ、内摩擦角粘聚力c和残余强度σ_p等参数，将该组所测得的某岩石力学参数例如单轴抗压强度σ_c进行数据统计处理后作为注浆后的岩石力学指标。

步骤4所述趋势图为各因素不同水平与评价指标的关系图，包括正趋势图和反趋势图,正趋势图横坐标表示所研究因素不同水平，其纵坐标表示评价指标，反趋势图横坐标表示评价指标，纵坐标表示因素的不同水平，两种趋势图都可以设置成双纵坐标或者更多，来直观比较各因素不同水平对同一评价指标的影响程度大小。

步骤5中所述正交实验数据处理并找到对注浆加固效果影响显著的因素为，将某试验方案作为标准组，将其他组所测得的注浆后岩石力学参数与该标准组相应参数进行对比，得出与标准组对比后岩石力学参数提高率，将该提高率作为正交实验数据分析的评价标准，利用正交实验数据处理方法进行数据处理，依据数据处理结果综合分析判断，确定影响破碎围岩加固效果较显著的因素及最优水平组合。

所述岩石力学参数提高率，为非标准组岩石力学指标与标准组岩石力学指标对比的提高值与标准组岩石力学指标的比值。

所述正交实验处理方法包括极差R分析、方差分析以及贡献率M分析。

所述极差R分析需考虑误差(空白列)的影响，空白列的极值R’若大于因素极值Ri，则可能该因素对破碎围岩注浆加固指标影响不显著。

所述方差分析包括以下步骤：

求某分析指标的离差平方总和S、K因素离差平方和S_k和随机误差平方和Se，其中：

$S=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x_{ij}}^2-\frac{T^2}{mn}$

$S_K=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{T_i}^2}{n}-\frac{T^2}{mn}$

S_e＝S-ΣS_K

式中K代表不同因素，即A因素、B因素……；j代表K因素同一种水平的试验参与次数，其最大值为m；i代表K因素水平数，其最大值为n；

b.求离差平方和总变动自由度f_总，因素K的自由度f_k，误差自由度f_e，其中f_总＝nm-1，f_k＝k因素水平数-1，f_e＝f_总-Σf_k；

F值计算和F检验，K因素F值为再与F检验临界值进行比较，来显示K因素对注浆加固效果的影响程度。

所述贡献率M分析为K因素平方和与总平方和之比，即M＝S_k/S，贡献率的大小则可对因素的重要程度进行量化，某一因素的平方和对总平方和的贡献率愈大，则表示该项因素对该评价指标的影响能力愈强。

步骤6中所述对少数显著性影响因素进行深入研究为找到显著性影响因素后，重新设计正交实验方案，增加显著性影响因素的水平数，对少数显著性影响因素进行深入研究，逐渐找出对破碎围岩注浆加固效果最显著若干因素的范围。

步骤7所述关系曲线为某一显著性影响因素不同水平与某一评价指标的关系曲线，例如水灰比M与单轴抗压强度σ_c关系曲线、水灰比M与内摩擦角关系曲线……。

步骤7所述关系式是根据某一关系曲线的数据，利用数据分析软件，拟合出某一显著性影响因素与某评价指标的关系式，例如水灰比M与单轴抗压强度σ_c关系式σ_c＝f(M)等等。

步骤8中所述指导地下工程注浆加固方案的设计和实施为利用本方法所做室内试验得出的对破碎围岩加固效果较显著的因素及参数范围和拟合出的关系式成果，为现场破碎围岩加固工程的注浆加固方案设计提供依据和指导。

具体步骤如下：

(1)从地下工程破碎围岩中取样、磨碎并按粒径归类，在地下工程中选取破碎围岩岩体，将其磨碎，使用筛分笼屉将不同粒径范围的颗粒归类。

(2)将岩体岩性A、粒径B、注浆材料类型C、浆液水灰比D、注浆压力E等作为影响破碎岩体注浆质量的相关因素，根据工程经验和已取得的相关成果，确定各因素水平的大致范围，并从中确定试验方案中所采用的各因素水平，将相应因素各水平组合来设计试验方案，例如A_iB_jC_kD_lE_m代表A因素第i水平、B因素第j水平、C因素第k水平、D因素第l水平和E因素第m水平组合的试验方案。

(3)按照各正交实验方案中某一个具体试验方案要求，将选用的某范围粒径加入到注浆加固试验装置中，用相应水灰比的注浆材料、注浆压力对实验材料实施注浆，待试件凝固养护后，取出注浆后岩体，制造一定数量的岩石试验试件，对各试件进行岩石力学试验。

(4)在实施注浆加固后的各组岩体中取出并加工一定数量的岩石试验试件，对各试件进行岩石力学试验，测定其单轴抗压强度σ_c、抗剪强度τ、内摩擦角粘聚力c和残余强度σ_p等参数，将该组所测得的某岩石力学参数例如单轴抗压强度σ_c进行数据统计处理后作为注浆后的岩石力学指标。

(5)利用所得测试数据绘制趋势图以对各因素进行直观分析。

(6)将某试验方案作为标准组，将其他组所测得的注浆后岩石力学参数与该标准组相应参数进行对比，得出与标准组对比后岩石力学参数提高率，将该提高率作为正交实验数据分析的评价标准，利用正交实验数据处理方法进行数据处理，依据数据处理结果综合分析得出影响破碎围岩加固效果较显著的因素及其最优水平的组合；

在进行此步骤时，需包括以下几个小步骤：

a.计算各因素对注浆加固效果各评价指标的极值R；

b.计算各因素对注浆加固效果各评价指标的方差并进行F检验；

c.计算各因素对注浆加固效果指标的贡献率M；

d.根据极值R分析、方差分析和贡献率M分析的计算结果，综合分析判断，确定对破碎围岩加固效果较显著的因素和其最优水平组合。

(7)找到显著性影响因素后，重新设计正交实验方案，增加显著性影响因素的水平数，对少数显著性影响因素进行深入研究，逐渐找出对破碎围岩注浆加固效果最显著的各因素的范围。

(8)利用(7)中所得数据回归出某显著性影响因素不同水平与某一注浆加固效果评价指标的关系曲线，并拟合出关系式。

(9)利用本方法所做室内试验得出的对破碎围岩加固效果较显著的因素及参数范围和拟合出的关系式成果，为现场破碎围岩加固工程的注浆加固方案设计，提供依据和指导。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：从地下工程破碎围岩中取样、磨碎并按粒径归类，确定影响注浆加固的各因素，根据所述各因素的经验水平，设计初步的正交实验方案；

步骤2：按照所述正交实验方案，实施注浆加固试验，并进行试验材料加固后的岩石力学参数测试；

步骤3：利用所得测试数据绘制趋势图以对各因素进行直观分析，用非标准组与标准组相应岩石力学参数对比的提高率作为评价指标并进行正交实验数据分析及评价，得到影响破碎围岩加固效果的显著性影响因素，和使破碎围岩注浆加固效果良好时各相关因素的参数范围；

步骤4：获取各所述显著性影响因素不同水平与某一注浆加固效果的评价指标的对应关系，利用上述分析结果，指导地下工程注浆加固方案的设计和实施。

2.根据权利要求1所述的评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其特征在于：步骤1中，所述从地下工程破碎围岩中取样、磨碎并按粒径归类为，在地下工程中选取破碎围岩岩体，将其磨碎，使用筛分笼屉将不同粒径范围的颗粒归类。

3.根据权利要求1所述的评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其特征在于：步骤1中，影响注浆加固的所述各因素为：岩体岩性、粒径、注浆材料类型、浆液水灰比、注浆压力；各因素的所述经验水平的大致范围，根据工程经验和已发表的相关成果确定，并进而从中确定所述正交实验方案中各因素的水平；所述正交实验方案为，将所述各因素及选用的相应水平数进行正交组合，以此确定各具体的试验方案。

4.根据权利要求1所述的评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其特征在于：步骤2中，所述注浆加固试验为，按照所述正交实验方案中各具体试验方案的要求，将选用的相应粒径范围的岩石试验材料，加入到注浆加固试验装置中，用相应水灰比的相应注浆材料和注浆压力对所述试验材料实施注浆，待试件凝固养护后，取出注浆后岩体，以此制造一定数量的岩石力学试件；所述岩石力学参数，包括单轴抗压强度、抗剪强度、内摩擦角、粘聚力和残余强度；将所述各岩石力学参数进行数据统计处理后作为注浆后的岩石力学指标。

5.根据权利要求1所述的评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其特征在于：步骤3中，所述趋势图为所述各因素不同水平与评价指标的关系图，包括正趋势图和反趋势图：所述正趋势图的横坐标表示所研究因素的不同水平，纵坐标表示所述评价指标；所述反趋势图横坐标表示评价指标，纵坐标表示因素的不同水平；所述正趋势图和反趋势图设置为双纵坐标，来直观比较所述各因素不同水平对同一评价指标的影响程度大小。

6.根据权利要求1所述的评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其特征在于：步骤3中，所述破碎围岩加固效果的显著性影响因素是在利用正交实验方法设计的初步注浆加固试验完成后，得到所述试验材料各岩石力学指标的提高率，再进行正交实验数据处理，根据数据处理结果找到对破碎围岩加固效果较显著的因素。

7.根据权利要求1所述的评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其特征在于：步骤3中，所述提高率是将某试验方案作为标准组后，非标准组岩石力学指标与标准组岩石力学指标对比的提高值与标准组岩石力学指标的比值，将该提高率作为正交实验数据分析的评价指标，利用正交实验数据处理方法进行数据处理。

8.根据权利要求7所述的评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其特征在于：步骤3中，所述正交实验数据处理包括以下几个小步骤：

计算各因素对注浆加固效果各评价指标的极值R；

b.计算各因素对注浆加固效果各评价指标的方差并进行F检验；

c.计算各因素对注浆加固效果指标的贡献率M；

d.根据极值R分析、方差分析和贡献率M分析的计算结果，综合分析判断，确定对破碎围岩加固效果较显著的因素和其最优水平组合。

9.根据权利要求1所述的评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其特征在于：步骤3中，所述破碎围岩注浆加固效果良好时各相关因素的参数范围，是根据初步的正交实验数据处理结果，找到显著性影响因素，并重新设计正交实验方案，增加显著性影响因素的水平数，对显著性影响因素进行深入分析，逐渐找出对破碎围岩注浆加固效果最显著的若干因素的范围。

10.根据权利要求1所述的评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其特征在于：步骤4中，所述对应关系包括关系曲线和关系式；所述关系曲线是利用对少数显著性影响因素进行深入研究的试验数据，回归出的某一显著性影响因素不同水平与某一评价指标的关系曲线；所述关系式是根据某一关系曲线的数据，利用数据分析软件，拟合出某一显著性影响因素与某评价指标的关系式。