CN109342275A - 模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种注浆试验装置及使用方法，属于岩土工程和矿业工程领域，具体是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，包括一个由上盖层和下底板构成的带有密封空间的裂隙注浆装置，所述上盖层和下底板相对的一面分别设置有人工原岩贴膜，所述上盖层和/或下底板上设置有传感器、注浆孔；注浆系统，与所述液体注入孔相连，用于向所述密封空间内注入浆体；本发明可以模拟在不同静水压力或无水条件下、裂隙无介质或介质充填条件下钻孔中浆液在平板裂缝中的流动规律，研究粘时变注浆浆液扩散半径与注浆压力、裂隙开度、裂隙倾角、裂隙粗糙度、浆液比重、水压力环境之间的量化关系。

Description

模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种注浆试验装置及使用方法，属于岩土工程和矿业工程领域，具体是模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置及方法。

背景技术

在岩土体注浆工程中，常常会遇到节理、裂缝、断层、溶洞、岩溶管道等不良地质构造，这些构造控制着岩土的渗透性和强度，不仅影响工程的安全，也使得注浆工程变得复杂，使得注浆过程成为“黑箱”问题，给注浆参数设计、注浆材料选择、注浆效果检验等工作带来了严峻挑战，而室内可视化注浆模拟试验是最直观、有效的研究手段之一，可以通过调节影响注浆的主控因素：注浆介质、注浆材料、注浆参数、注浆环境、模型尺寸等，最大程度的还原现场注浆条件，获得不同条件下的浆液运移扩散规律，为注浆优化设计和现场施工提供有利支撑。

在注浆模拟试验研究方面，国内外学者已经做了大量的研究工作，如张霄等公开了一种倾角可变的模拟裂隙注浆模型试验平台的专利，用于模拟裂隙参数、浆液参数对动水条件下浆液扩散的影响；朱阳稳等公开了一种快速注浆单裂隙模拟实验装置的专利，用于快速模拟不同裂隙下注浆液的扩散规律；石银峰等公开了一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置，用于研究渗流条件下填充裂隙内注浆时的浆液扩散规律；苏培莉等公开了一种多功能裂隙注浆实验室模拟装置及方法的专利，用于模拟注浆压力、动水流速、裂隙倾角、裂隙结构表面粗糙度、浆液粘度时变性等对浆液扩散的影响；

目前，使用单一平板裂隙模拟破碎岩土体内部优势裂隙面浆液扩散规律的实验最多，但该模拟实验依然有许多不足：1)缺少原岩或者人工原岩裂隙中浆液扩散运移规律的研究；2)缺少对含水层水环境压力的有效控制，现有的静水压力普遍较低，常通过定水头装置获取静水压力，远小于注浆压力；3)还未有模拟实验同时考虑注浆压力、裂隙开度、裂隙倾角、裂隙粗糙度、浆液比重、水压力环境等多主控变量对浆液运移的影响。

因此，对现有技术中的裂隙注浆试验装置及方法进行改进，以满足不同应用场景的需求，是当前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的技术问题，提供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，本装置可以模拟在不同静水压力或无水条件下、裂隙无介质或介质充填条件下水平定向顺层钻孔中浆液在平板裂缝中的流动规律，能够模拟浆液在人工原岩裂隙中的扩散，且研究粘时变注浆浆液扩散半径与注浆压力、裂隙开度、裂隙倾角、裂隙粗糙度、浆液比重、水压力环境之间的量化关系。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置，包括：

可视化裂隙注浆平台，包括一个由上盖层和下底板构成的带有密封空间的裂隙注浆装置，所述上盖层和下底板相对的一面分别设置有人工原岩贴膜，所述上盖层和/或下底板上设置有传感器、注浆孔；

注浆系统，与所述液体注入孔相连，用于向所述密封空间内注入浆体；

其中，所述上盖层和下底板之间设置有密封条，并且分别包括一有机玻璃层，所述人工原岩贴膜分别贴覆于有机玻璃层上。

其中，所述可视化裂隙注浆平台还包括：

裂隙装置安放平台，包括一底座以及设置于底座上的角度控制器；所述角度控制器可360度调节，所述裂隙注浆装置设置于该角度控制器的轴承上。

其中，所述注浆系统包括：

储浆压力桶，包括一密闭的腔体，所述腔体与空气压缩机相连，其内设置有液浆液，其底部通过注浆管与所述裂隙注浆装置上的液体注入孔相连。

其中，所述上盖层和/或下底板上设置有注水孔，所述注水孔连接有水压恒定系统，所述水压恒定系统包括储水压力通，其上部与空气压缩机相连，其下部通过控水阀门连接所述注水孔。

其中，还包括数据采集分析系统，包括：数据采集装置，与所述传感器相连，用于测量所述裂隙注浆装置的压力参数。

一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验方法，包括：

将上盖层和下底板构成一个带有密封空间的裂隙注浆装置，在所述上盖层和下底板相对的一面分别设置有人工原岩贴膜，在所述上盖层和/或下底板上设置有传感器、注浆孔；

通过注浆系统向所述注浆孔内注入浆体，观察和测量监控数据。

其中，包括：所述人工原岩贴膜的制作包括：

通过岩石磨样机研磨原岩样本，不同粒径的原岩颗粒，经过试验筛分选出不同等级，再将分选原岩颗粒均匀的撒在涂胶后的薄片上，烘干后，将人工原岩贴膜粘贴在上盖层、下底板上。

其中，通过注浆系统向所述注浆孔内注入浆体包括：

按设计的水固比、固相比、浆液比重制作并拌制水泥浆液，倒入储浆压力桶；

紧固注浆桶装置，检查各仪表的正常性和管路的密闭性；打开空气压缩机，通过高精密减压阀向储浆桶内注气；开启气动搅拌机，防止浆液沉积，保持浆液的稳定性；待压力表读数达到设定值后，开启控浆阀门对平板裂隙进行注浆，注浆过程中，记录传感器数据，全程开启间隔相机和高速相机，记录浆液扩散范围、形态；当浆液将平板裂隙注满后，停止注浆，关闭控浆阀门和控水阀门；压力消除后，拆开平板裂隙装置，并清洗设备。

其中，还包括注水操作，具体为：

向静水压力桶中加水，紧固静水压力桶装置，检查仪表的正常性和管路的密闭性；打开空气压缩机，通过高精密减压阀向储水压力桶内注气；待压力表读数达到设定值后，开启控水阀门对裂隙注浆装置进行注水。

通过以上描述可知，本发明的有益效果是：

1.水压恒定系统提供的稳定静水压力，可以实现0-0.6Mpa任意调节，可实现模拟平板裂隙内不同静水压力环境对浆液扩散的影响；

2.可视化裂隙注浆平台由抗高压(20MPa)有机玻璃制作而成，可实现0.2MPa以下注浆的模拟实验，浆液运移过程可视化监控，同时裂隙底部安装多种传感器(温度、压力)，可实现参数动态监测，为研究浆液扩散、沉积机理提供了有利条件；

3.可视化裂隙注浆平台可以比较方便地更换密封条的厚度(0-10mm)，可实现模拟不同裂缝宽度对浆液扩散的影响；

4.平板裂隙倾角可以实现0-360゜旋转，可实现模拟不同裂隙倾角对浆液扩散的影响；

5.平板裂隙可以通过控制内部充填物，可实现模拟不同填充物裂隙或者无填充物裂隙浆液扩散；

6.平板裂隙表面可以通过更换不同粗糙度的人工原岩板，可实现模拟不同原岩裂隙粗糙度对浆液扩散的影响；

7.注浆系统提供的稳定注浆压力，可以实现0-0.6Mpa任意调节，可实现模拟不同注浆压力对浆液扩散的影响；

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1例示了本发实施例中的明实验装置整体示意图；

图2例示了本发明实施例中的裂隙装置俯视图和剖面图；

图3例示了本发明实施例中的裂隙装置安放平台示意图；

图4例示了本发明实施例中的角度控制器的示意图；

图5例示了本发明实施例中的注浆系统示意图。

图6例示了本发明实施例中的水压恒定系统示意图。

图7例示了本发明实施例中的分水器俯视示意图。

将参照附图描述本发明的实施例。

图中，1.储水压力桶，2.控水阀门，3.高精密减压阀，4.安全阀，5.压力表，6.紧固螺丝，7.滑轮，8.水流量计，9.分水器，10.传感器，11.安放底座，12.角度调节器，13.平板注浆装置，14.注水软管，15.数据线，16.数据采集仪，17.计算机，18.间隔拍照相机，19.高速相机，20.空气压缩机，21.气动搅拌器，22.储浆压力桶，23.控浆阀门，24.电磁流量计，25.注浆管，26.控气阀门，27.紧固螺丝，28注浆口，29压力传感器孔，30温度传感器孔，31注水孔，32安全排压孔，33上盖1层，34上盖2层，35底层第1层，36底层第2层，37.紧固螺栓，38.轴承，39.刻度盘，40角度卡孔，41平板裂缝平放卡孔。

具体实施方式

实施例

图1例示了本发实施例中的明实验装置整体示意图。

请参照图1，本实施的一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置，包括四大系统：A水压恒定系统、B可视化裂隙注浆平台、C数据采集分析系统、D注浆系统。

下面结合附图分别对四个系统进行描述。

如图2-4所示，可视化裂隙注浆平台包括：上盖层、下底板、密封条、螺丝紧固件、平板裂隙安放底座、角度调节器。其中，上盖层有两层，上盖第1层由有机玻璃板制成，长宽高分别为：1300×700×20mm，上盖第2层为人工原岩贴膜，长宽高分别为：1200×600×0.1mm，粘贴在上盖第1层上；下底板包括四周围护结构和下底板，其中，四周维护结构：长边两块，尺寸为1380×55×20mm，短边两块，尺寸为700×55×20mm；下底板有2层，下底板第1层，尺寸为1300×700×20mm，下底板第2层为人工原岩贴膜，尺寸为1200×600×0.1mm，粘贴在下底板第1层；整个下底板用于温度和压力传感器安装；密封条安装在上盖层、下底板之间，密封条承受的最大静水压力为0.6Mpa；上盖层、下底板、密封条四周开孔，通过螺丝紧固件连接；下底板开设传感器孔、注水孔、注浆孔、安全排压孔，其中，注浆孔，共计1个，压力传观器，共计10个孔；温度传感器30，共计6个，注水孔，共计16个，安全排压孔，共计2个，用于及时排除多余的压力；制作裂隙平台用的有机玻璃板抗压强度为20Mpa；实验中，裂隙平台根据需求进行重新组装，包括密封条更换、填充物更换、人工原岩贴膜更换，实现模拟不同裂隙宽度、注浆介质、裂隙粗糙度条件下的注浆；平板裂隙安放底座起放置平板裂隙的作用；角度调节器能使平板裂隙0-360゜旋转。

如图5所示，注浆系统包括：空气压缩机、高精密减压阀、气动搅拌机、储浆压力桶、气压安全阀、控气阀门、控浆阀门、压力表、电磁流量计、进气管路和出浆管路组成。其中，空气压缩机，功率为950w，最大容量为35L，最大压力为0.7Mpa，空气压缩机通过气管与高精密减压阀连接，高精密减压阀通过气管与储浆压力桶连接，气管为耐高压软管，最大承受压力为3Mpa，高精密减压阀为灵敏度较高的气压稳定阀门，量程为0-1Mpa，能使储浆压力桶压力维持在一个较为稳定的值，储浆压力桶安全承受压力为0.6MPa；气压安全阀门安装在储浆压力桶桶盖上，当压力超过0.8MPa时，自动开启；控气阀门安装在空气压缩机上，控制气体进入储浆压力桶；控浆阀门安装在储浆压力桶底部,控制浆液流出储浆压力桶；电磁流量计通过注浆管与控浆阀门连接，用于监控流出浆液的体积和流速；空气压缩机和储浆压力桶均安装有压力表；气动搅拌机通过气管与空气压缩机连接，安装在注浆桶盖，能够对注浆浆液进行搅拌，防止浆液发生沉淀，使得浆液保持均匀状态。

如图6到图7所示，水压恒定系统包括：空气压缩机、高精密减压阀、储水压力桶、气压安全阀、控气阀门、控水阀门、压力表、水流流量计、进气管路、出水管路和多路分水器。空气压缩机通过气管与高精密减压阀连接，高精密减压阀通过气管与储水压力桶连接，储水压力桶安全承受压力为0.6MPa；空气压缩机、气管、高精密减压阀与注浆系统相同气压安全阀门安装在储水压力桶桶盖上，控气阀门安装在空气压缩机上，控水阀门安装在储水压力桶底部，空气压缩机和储水压力桶均安装有压力表，水流流量计安装在储水压力桶底部，通过注水软管与控水阀门连接，多路分水器通过注水软管与水流流量计连接，分水器路数为16路。

数据采集分析系统包括：数据采集装置、数据处理软件、计算机。其中，数据采集装置包括温度、压力传感器、高速相机、间隔拍照相机、多线路数据采集仪，数据采集仪具有32路数据采集功能，温度、压力传感器安装在平板裂隙下底板，传感器通过数据线与多线路数据采集仪连接，数据采集仪通过数据线与动态监测监控软件连接，高速相机通过数据线与高速相机监控软件连接；数据处理软件均安装在计算机上。

利用该注浆模拟装置模拟浆液运移扩散时，具体步骤为：

1)安装注浆实验装置

(1)制作人工原岩裂隙，首先，通过岩石磨样机研磨原岩样本，不同粒径的原岩颗粒，经过试验筛分选出不同等级，然后，在尺寸为1200×600×0.1mm透明薄膜上涂一层胶，再将分选原岩颗粒(根据粗糙度的不同选择)均匀的撒在薄片上，烘干后，将人工原岩贴膜粘贴在上盖层、下底板上，最后，做成不同粗糙度的人工原岩裂隙；

(2)充填裂缝，若模拟的是介质充填裂缝注浆，则根据研究需要，充填相应粒径的砂土；若模拟的是无介质充填裂隙注浆，此步骤省略；

(3)更换密封条，根据注浆实验要求，选择合适厚度(1-10mm)的隔水密封胶条，重新组装平板裂隙装置，拧紧盖层与底板结构架的螺栓；

(4)连接管线，按照设计原理图，通过气管将空气压缩机与储水压力桶和储浆压力桶连接，通过注水软管将储水压力桶与可视化裂隙注浆平台连接，通过注浆软管将注浆压力桶与可视化裂隙注浆平台连接，检查装置气密性；通过数据线连接传感器、数据采集仪、计算机。

2)注水操作

向静水压力桶中加水，紧固静水压力桶装置，检查仪表的正常性和管路的密闭性；打开空气压缩机，通过高精密减压阀向储水压力桶内注气；待压力表读数达到设定值后，开启控水阀门对平板裂隙进行注水；若模拟静水注浆环境时，平板裂隙达到设定压力后，进行注浆操作；若模拟无水注浆环境时，此步骤省略。

3)注浆操作

(1)制浆，按设计的水固比、固相比、浆液比重制作并拌制水泥浆液，倒入储浆压力桶；

(2)注浆，紧固注浆桶装置，检查各仪表的正常性和管路的密闭性；打开空气压缩机，通过高精密减压阀向储浆桶内注气；开启气动搅拌机，防止浆液沉积，保持浆液的稳定性；待压力表读数达到设定值后，开启控浆阀门对平板裂隙进行注浆，注浆过程中，记录传感器数据，全程开启间隔相机和高速相机，记录浆液扩散范围、形态；当浆液将平板裂隙注满后，停止注浆，关闭控浆阀门和控水阀门；压力消除后，拆开平板裂隙装置，并清洗设备。

4)重复实验

按照实验方案，改变注浆条件，重复以上操作；可模拟在不同静水压力或无水条件下、裂隙无介质或介质充填条件下钻孔中浆液在平板裂缝中的流动规律，研究粘时变注浆浆液扩散半径与注浆压力、裂隙开度、裂隙倾角、裂隙粗糙度、浆液比重、水压力环境之间的量化关系。

5)结果分析

注浆结束后，整理实验数据，统计分析监控数据和图像，分析浆液运移、扩散规律。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置，其特征在于，包括：

可视化裂隙注浆平台，包括一个由上盖层和下底板构成的带有密封空间的裂隙注浆装置，所述上盖层和下底板相对的一面分别设置有人工原岩贴膜，所述上盖层和/或下底板上设置有传感器、注浆孔；

注浆系统，与所述液体注入孔相连，用于向所述密封空间内注入浆体。

2.根据权利要求1所述的一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置，其特征在于，所述上盖层和下底板之间设置有密封条，并且分别包括一玻璃层，所述人工原岩贴膜分别贴覆于玻璃层上。

3.根据权利要求1所述的一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置，其特征在于，所述可视化裂隙注浆平台还包括：

裂隙装置安放平台，包括一底座以及设置于底座上的角度控制器；所述角度控制器可360度调节，所述裂隙注浆装置设置于该角度控制器的轴承上。

4.根据权利要求1所述的一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置，其特征在于，所述注浆系统包括：

储浆压力桶，包括一密闭的腔体，所述腔体与空气压缩机相连，其内设置有液浆液，其底部通过注浆管与所述裂隙注浆装置上的液体注入孔相连。

5.根据权利要求1所述的一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置，其特征在于，所述上盖层和/或下底板上设置有注水孔，所述注水孔连接有水压恒定系统，所述水压恒定系统包括储水压力桶，其上部与空气压缩机相连，其下部通过控水阀门连接所述注水孔。

6.根据权利要求1所述的一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置，其特征在于，还包括数据采集分析系统，包括：数据采集装置，与所述传感器相连，用于测量所述裂隙注浆装置的压力、温度参数。

7.一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验方法，其特征在于，包括：

将上盖层和下底板构成一个带有密封空间的裂隙注浆装置，在所述上盖层和下底板相对的一面分别设置有人工原岩贴膜，在所述上盖层和/或下底板上设置有传感器、注浆孔；

通过注浆系统向所述注浆孔内注入浆体，观察和测量监控数据。

8.根据权利要求7所述的一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验方法，其特征在于，包括：所述人工原岩贴膜的制作包括：

通过岩石磨样机研磨原岩样本，不同粒径的原岩颗粒，经过试验筛分选出不同等级，再将分选原岩颗粒均匀的撒在涂胶后的薄片上，烘干后，将人工原岩贴膜粘贴在上盖层、下底板上。

9.根据权利要求7所述的一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验方法，其特征在于，通过注浆系统向所述注浆孔内注入浆体包括：

按设计的水固比、固相比、浆液比重制作并拌制水泥浆液，倒入储浆压力桶；

紧固注浆桶装置，检查各仪表的正常性和管路的密闭性；打开空气压缩机，通过高精密减压阀向储浆桶内注气；开启气动搅拌机，防止浆液沉积，保持浆液的稳定性；待压力表读数达到设定值后，开启控浆阀门对平板裂隙进行注浆，注浆过程中，记录传感器数据，全程开启间隔相机和高速相机，记录浆液扩散范围、形态；当浆液将平板裂隙注满后，停止注浆，关闭控浆阀门和控水阀门；压力消除后，拆开平板裂隙装置，并清洗设备。

10.根据权利要求7所述的一种模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验方法，其特征在于，还包括注水操作，具体为：

向静水压力桶中加水，紧固静水压力桶装置，检查仪表的正常性和管路的密闭性；打开空气压缩机，通过高精密减压阀向储水压力桶内注气；待压力表读数达到设定值后，开启控水阀门对裂隙注浆装置进行注水。