CN108445193A - 一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统及使用方法，该系统以水力压裂技术为基础，考虑实际采场中开挖所产生的采动应力场，将由岩块制作成完整的大尺度岩体试样预制成开挖应力下的含裂纹岩体，然后进行注浆试验。通过在顶端部实施水压致裂、岩石左右两侧和底部布置分级伺服控制加载器，实现对岩体不同方向施加不同载荷的目的，利用水压与侧向加载应力间的关系，改变岩样所承受的最大主应力方向，从而在岩体内部随机生成裂纹。同时沿压裂钻孔钻打注浆孔，向含裂纹岩体注浆完成试验，为分析浆液扩散规律、浆‑岩体稳定性提供试验基础。本发明结构简单，试验设计合理，使用方便，含裂纹岩体制作高效可行，注浆试验方便易实施。

Description

一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统及使用方法

技术领域

本发明涉及一种由完整岩体预制裂隙岩体及其注浆的式试验系统，尤其涉及一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统及使用方法。

背景技术

在采矿工程、水库修筑工程、地下放射性废料储存库建设工程中，由于节理、裂隙、软弱夹层等非连续面的存在，岩体的连续性、密闭性受到极大影响，具有不均匀性和各向异性的特点，裂隙的广泛发育严重影响岩体的稳定性，不利于工程的实施。注浆加固技术已经广泛应用于岩土工程的各个领域，来解决岩体因裂隙等非连续面存在所导致的工程问题，能够显著改善裂隙岩体的结构及力学性能，提高裂隙岩体的强度和稳定性，降低岩体的渗透性，利于堵水加固，储存水、废料等，是目前应用最为广泛的技术之一。

因此研究分析注浆作用对岩体裂隙力学特性的影响是非常必要的，但是由于地下岩体注浆是一种隐蔽的、复杂的、不可直观的工程技术，所以当前研究分析多集中于试验研究。注浆试验研究是一种以理论基础为背景，以解决工程实际为目的，寻求总结浆液影响规律的重要手段。

但当前地下岩体取裂隙岩体试样困难，地下开挖也会进一步影响岩体的裂隙扩展路径，裂隙分布呈现随机性，而对注浆技术总结隐蔽的浆液扩散规律，因此迫切需要一种能够考虑实际地下开挖应力作用的，既能预制含裂纹岩体又能实现注浆试验的试验系统及使用方法。

发明内容

本发明的目的是，提供一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统及其使用方法，该系统能够实现考虑开挖应力在内的裂隙岩体注浆试验，具备预制裂纹的扩展随机性，浆液扩散应力效应，实现了预制含裂纹岩体与注浆同时进行。

本发明的目的之一是解决上述技术问题，提出的一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统，包括：

水力压裂系统，为由完整岩石制作含裂纹岩体提供致裂压力；采用水力压裂技术对岩体进行预制裂纹处理，水力压裂能更好的反映裂隙分布，裂隙成型好，且能够真实反映裂隙岩体在地下所存在的渗流冲刷条件。

注浆系统，用于实现在水压致裂完成后向裂隙岩体内部实施注浆操作；将水压致裂注水孔作为注浆的注浆孔，可以缩短试验时间，减少试验成本。

外腔，作为内腔的承载结构，布置于底座之上，并由加紧封盖封顶；外腔的底端空间、侧壁空间用于安装分级伺服控制加载器，底端的每两个分级伺服控制加载器的中间布置导液孔通过导液管与内腔连接；在内腔底端设有导液管，及时排出内腔内预制裂纹时的残余液体，防止对伺服控制器产生影响。

内腔，用于承载岩石试样以进行试验，安置于外腔的阶梯外壁之上，并由螺栓固定，且在内腔的侧壁和底部留有安装分级伺服控制加载系统的安装孔；

分级伺服控制加载系统，包括分级伺服控制加载器和PC控制端；多个分级伺服控制加载器的底端分别安置于外腔的内侧壁和底部，其头部端穿过内腔与岩样接触；对岩石提供不同的加载应力，模拟地层开挖应力，同时在加载器端部安设应力传感器以监测试验过程的应力变化。

进一步地，上述的分级伺服控制加载器，其利用计算机调控多级伺服控制器，进而实现对液压缸的调节，从而实现分级伺服控制，反应开挖应力效应。

上述的外腔与中段留有导水空间的底座采用无缝焊接。

上述的内腔壁厚度为20mm，采用钢材质。

上述的一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统的使用方法，包括以下步骤：

第一步，取样，根据工程实际在现场采集提取满足试验要求的岩块，将岩块分割、精细化处理，形成尺寸满足系统内腔尺寸的完整岩石试样；对完整岩石试样进行预处理后在顶端部开设注水孔及其射孔。

第二步，组装试验装置，首先制作内腔，在内腔壁上预留加载器安置孔，并将加载器与内腔进行组装；待组装完成后，利用固定螺栓将内腔固定在外腔的底座，将加载器安装在装置的外腔壁上，并连接外部伺服控制器，组成分级伺服控制加载器，并将外腔底端安置于留有导液空间的底座上；周向、轴向底部布置多个加载器，而每个加载器对于试验都是一个独立的应力加载点，对试样提供不等的非均布荷载。继而在岩石试样的周向、轴向施加仿真可控的开挖地应力系统，对试样做开挖应力预处理。

第三步，固定试样，将完整岩石试样置于内腔内，并利用加载器进行初步定位、固定；将夹紧封盖上预留的注液管与岩石的初钻注水孔对齐，并利用紧固螺栓固定加紧；加紧后卸载加载器的应力，除去加载器的固定作用。

第四步，预制裂纹，将注液管深入岩石的注水孔，利用水力压裂系统向岩石内部高压注液，同时根据注液压力、开挖应力分别对分级伺服控制加载器进行调节而施加于岩石，改变岩石的受力状态；

第五步，注浆，形成的裂纹在岩石内贯通后，沿导液孔排出内腔液体，撤除水力压裂系统，待岩石冷却后，利用注浆系统以注液管为注浆管、以注水孔为导向钻打注浆孔向岩石内进行注浆。

第六步，拆模清洗，注浆完成待浆液胶凝稳定后，及时进行拆模清洗处理，并可对注浆后的岩体进行分析。

本发明的有益效果为，在预制裂纹时，能够在水压作用的同时改变岩石的受力方向，进而影响裂纹的扩展方向；在进行注浆时，能够在浆液扩散的同时施加不同应力，反应现场岩体注浆浆液扩散特性。可高效易行地实现预制裂纹的随机性特点，实现考虑开挖应力作用下的裂纹扩展、浆液扩散。相对于现有预制裂纹岩体、注浆试验系统，具有准确性高、工作效率高、试验省时省力、综合性强等特点。

附图说明

图1为本发明的开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统预制裂纹结构示意图；

图2为本发明的开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统注浆结构示意图。

图3为本发明的开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统俯视主结构示意图。

图中：1注水孔；2夹紧封盖；3紧固螺栓；4外腔；5分级伺服控制加载器；6导液孔；7内腔；8完整岩样；9底座；10固定螺栓；11注液管；12水力压裂系统；13注浆系统；14注浆孔。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统及其使用方法，了解其如何实现的，下面结合附图，对本发明进行详细说明。

参见附图1、2，本发明的一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统，其特征在于，其利用水压致裂技术，综合考虑地下开挖过程地应力场应力的变化规律，以注浆系统进行注浆，实现岩石试样在装置内的试验操作。

本发明的一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统，其特征在于，包括：

内腔7，内腔7主要是用来承载岩石试样以进行试验；

外腔4，外腔4是作为内腔7的承载结构；

水力压裂系统12，水力压裂系统12为由完整岩石制作含裂纹岩体提供致裂压力；

注浆系统13，在水压致裂完成后可向裂隙岩体内部实施注浆操作；

分级伺服控制加载系统，包括分级伺服控制加载器5、PC控制端，对岩石提供不同的加载应力，模拟地层开挖应力，同时在加载器端部安设应力传感器以监测试验过程的应力变化。

上述的水力压裂系统12可实现对完整岩石的预制裂隙岩体，采用水力压裂技术对岩体进行预制裂纹处理，水力压裂能更好的反映裂隙分布，裂隙成型好，且能够真实反映裂隙岩体在地下所存在的渗流冲刷条件。

上述的伺服加载系统可在岩石试样的周向、轴向施加仿真可控的开挖地应力系统，对试样做开挖应力预处理。

上述的岩石上布置的每个加载器5都是一个独立的应力加载点。

上述的每个加载器上均设置有应力传感器，实时反应岩石所受到的荷载大小。

上述的试验装置内腔的底端设有导液管6，及时排出内腔内预制裂纹时的残余液体，防止对伺服控制器产生影响。

本发明的一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统的使用方法，特征在于，包括以下试验操作步骤：

第一步，取样，根据工程实际在现场采集提取满足试验要求的岩块，将岩块分割、精细化处理，形成尺寸满足500mm*300mm*500mm的完整岩石试样3；

对完整岩石试样3进行预处理后在顶端部设计注水孔2及其射孔。

第二步，组装试验装置，首先制作内腔7，在内腔壁上预留加载器安置孔，并将加载器5与内腔7进行组装；

待组装完成后，利用固定螺栓10将内腔7固定在外腔4的底座，将加载器5安装在装置的外腔壁上，并连接外部伺服控制器，组成分级伺服控制加载器5，并将外腔4底端安置于留有导液空间的底座9；

周向、轴向底部布置多个加载器5，而每个加载器5对于试验都是一个独立的应力加载点，对试样提供不等的非均布荷载。

第三步，固定试样，将完整岩石试样置于内腔7内，并利用加载器5进行初步定位、固定；

将夹紧封盖2上预留的注液管11与岩石的初钻注水孔1对齐，并利用紧固螺栓3固定加紧；

加紧后卸载加载器5的应力，除去加载器5的固定作用。

第四步，预制裂纹，将注液管11深入岩石的注水孔1，利用水力压裂系统12向岩石内部高压注液，同时根据注液压力、开挖应力分别对分级伺服控制加载器5进行调节而施加于岩石，改变岩石的受力状态；

第五步，注浆，形成的裂纹在岩石内贯通后，沿导液孔6排出内腔液体，撤除水力压裂系统12，待岩石冷却后，利用注浆系统13以注液管11为注浆管、以注水孔1为导向钻打注浆孔14向岩石内进行注浆。

第六步，拆模清洗，注浆完成待浆液胶凝稳定后，及时进行拆模清洗处理，并可对注浆后的岩体进行分析。

本发明的一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统及其使用方法，除上述的主要步骤外，还包含了水力压裂系统的使用、注浆系统的使用，在本领域的技术人员均可实施，在此不做赘述。

Claims (5)

1.一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统，其特征在于，包括：

水力压裂系统，为由完整岩石制作含裂纹岩体提供致裂压力；

注浆系统，用于实现在水压致裂完成后向裂隙岩体内部实施注浆操作；

外腔，作为内腔的承载结构，布置于底座之上，并由加紧封盖封顶；外腔的底端空间、侧壁空间用于安装分级伺服控制加载器，底端的每两个分级伺服控制加载器的中间布置导液孔通过导液管与内腔连接；

内腔，用于承载岩石试样以进行试验，安置于外腔的阶梯外壁之上，并由螺栓固定，且在内腔的侧壁和底部留有安装分级伺服控制加载系统的安装孔；

分级伺服控制加载系统，包括分级伺服控制加载器和PC控制端；多个分级伺服控制加载器的底端分别安置于外腔的内侧壁和底部，其头部端穿过内腔与岩样接触；对岩石提供不同的加载应力，模拟地层开挖应力，同时在加载器端部安设应力传感器以监测试验过程的应力变化。

2.根据权利要求1所述的一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统，其特征在于，所述的分级伺服控制加载器，其利用计算机调控多级伺服控制器，进而实现对液压缸的调节，从而实现分级伺服控制，反应开挖应力效应。

3.根据权利要求1或2所述的一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统，其特征在于，所述的外腔与中段留有导水空间的底座采用无缝焊接。

4.根据权利要求1或2所述的一种开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统，其特征在于，所述的内腔壁厚度为20mm，采用钢材质。

5.权利要求1-4所述的任一开挖应力下预制含裂纹岩体注浆试验系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，取样，根据工程实际在现场采集提取满足试验要求的岩块，将岩块分割、精细化处理，形成尺寸满足系统内腔尺寸的完整岩石试样；对完整岩石试样进行预处理后在顶端部开设注水孔及其射孔；

第二步，组装试验装置，首先制作内腔，在内腔壁上预留加载器安置孔，并将加载器与内腔进行组装；组装完成后，利用固定螺栓将内腔固定在外腔的底座，将加载器安装在装置的外腔壁上，并连接外部伺服控制器，组成分级伺服控制加载器，并将外腔底端安置于留有导液空间的底座上；周向、轴向底部布置多个加载器，每个加载器对于试验都是一个独立的应力加载点，对试样提供不等的非均布荷载；

第三步，固定试样，将完整岩石试样置于内腔内，并利用加载器进行初步定位、固定；将夹紧封盖上预留的注液管与岩石的初钻注水孔对齐，并利用紧固螺栓固定加紧；加紧后卸载加载器的应力，除去加载器的固定作用；

第四步，预制裂纹，将注液管深入岩石的注水孔，利用水力压裂系统向岩石内部高压注液，同时根据注液压力、开挖应力分别对分级伺服控制加载器进行调节而施加于岩石，改变岩石的受力状态；

第五步，注浆，形成的裂纹在岩石内贯通后，沿导液孔排出内腔液体，撤除水力压裂系统，待岩石冷却后，利用注浆系统以注液管为注浆管、以注水孔为导向钻打注浆孔向岩石内进行注浆；

第六步，拆模清洗，注浆完成待浆液胶凝稳定后，及时进行拆模清洗处理，并对注浆后的岩体进行分析。