CN110687253B - 岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法 - Google Patents

岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法，包括：步骤1.在完整岩样一端打小直径的注浆孔；步骤2.利用超声波检测仪测量岩样波速Vintact；步骤3.通过传递板将压缩荷载转化为与加载方向垂直的拉伸荷载，对岩样进行间接拉伸，在岩样内部形成与表面非联通的圆形裂纹带；步骤4.利用超声波检测仪测量含裂纹岩样的波速Vfracture；步骤5.通过注浆孔将浆液注入岩样内部裂纹；步骤6.待浆液凝固后，利用超声波检测仪测量注浆岩样的波速Vgrouting；步骤7.对注浆岩样进行直接拉伸试验，记录注浆岩样峰值应力σgrouting、峰值应变εgrouting；步骤8.计算裂纹参数及注浆效果定量评价。

Description

岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法
技术领域
本发明属于岩石力学与工程领域，具体涉及岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法。
技术背景
注浆，是巷道/隧道、边坡等岩石工程中常见的加固手段。简单说，注浆就是通过注浆设备，向岩石工程中的原生裂纹(层理、节理、断层等)+次生裂纹(开挖扰动裂纹)注入水泥基、化学基等浆液，起到修复加固围岩作用。
注浆效果，主要由裂纹参数、浆液2个指标控制。考虑到岩石工程中的裂纹参数随时间、空间改变而变化，所以如何定量评价(比较) 不同种类浆液的注浆效果？
在岩石工程现场，几乎不可能找到两个裂纹参数相同的施工场地，所以为了合理控制变量，不得不在室内利用岩样进行试验。这牵涉到2个问题：岩样内部裂纹制作；注浆效果定量评价。
岩样内部裂纹制作方法，主要有3种：①利用石膏、混凝土等类岩石材料浇筑，在模具中插入铁片，待岩样初步成型后拔出铁片，形成裂纹；②利用石膏、混凝土等类岩石材料浇筑，在彻底成型前利用铁丝“拉”(切割)出一条裂纹；③首先将天然岩样从中间锯/劈开，然后将其粘到一起，形成裂纹。
上述3种方法，均存在致命缺陷：前2种方法，仅适用于类岩石材料，无法适用天然岩石；3种方法，都无法制作与表面非联通的内部裂纹。内部裂纹如果与表面联通(半联通)，注浆时浆液极易从岩样表面窜出，存在一系列问题。为此，亟需发明与表面非联通的岩样内部裂纹制作方法。
由于岩石的不透明性(内部像一个灰箱，看不见摸不着)，评价注浆效果异常困难，定量评价更是难上加难。目前，主流的注浆效果评价方法，主要有2种：①直接把浆液加工成试样，进而获取浆液强度参数(黏结力、内摩擦角)、变形参数(弹性模量、泊松比)，以间接反映注浆效果；②把浆液注入与表面联通的岩样内部裂纹，待浆液凝固后对注浆岩样进行剪切、压缩等力学试验。
上述2种方法，均存在致命缺陷：①前者，没有注浆，仅是间接推测；②后者，由于浆液极易从岩样表面窜出，一方面不能进行高压力注浆，另一方面试验不易控制、离散性大。截至目前，注浆效果定量评价仍是世界性难题，业界仍未找到简单可靠的注浆效果定量评价方法。
因此，有必要发明一种简单可靠、重复度高的与表面非联通的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种简单可靠、重复度高的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供一种岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.在完整岩样一端中心处打一个小直径的注浆孔，注浆孔沿着岩样轴向延伸且不贯穿岩样；
步骤2.对经步骤1打孔后的岩样，利用超声波检测仪测量其波速 Vintact；
步骤3.通过传递板将压缩荷载转化为与加载方向垂直的拉伸荷载，对岩样进行间接拉伸，在岩样内部形成与表面非联通的圆形裂纹带(内部裂纹)；在本步骤中，之所以能制作岩样内部裂纹，原因在于一方面岩石“抗压不抗拉”(通常，岩样拉伸强度＝1/15岩样压缩强度)，另一方面间接拉伸时岩样中心内部受力最大而促使岩样从内部开裂；
步骤4.利用超声波检测仪测量含裂纹岩样的波速Vfracture；
步骤5.通过注浆孔，将浆液注入岩样内部裂纹；
步骤6.待浆液凝固后，利用超声波检测仪测量注浆岩样的波速 Vgrouting；
步骤7.对注浆岩样进行直接拉伸试验，并记录注浆岩样峰值应力σgrouting、峰值应变εgrouting；
步骤8.计算裂纹参数及注浆效果定量评价：
裂纹参数D：
Figure GDA0002545283800000031
注浆效果定量评价指标的波速指数g1：
Figure GDA0002545283800000041
式中，a与b分别为权重系数，a+b＝1；当a＝1且b＝0时，为不考虑完整岩样波速的特例；当a＝0且b＝1时，为完全考虑完整岩样波速的特例；通常情况下，可以取a＝b＝0.5；
注浆效果定量评价指标的拉伸指数g2：
Figure GDA0002545283800000042
式中，σfracture与εfracture分别为同一种类未注浆的含裂纹岩样通过直接拉伸试验获得的含裂纹岩样峰值应力与峰值应变；c与d分别为权重系数，c+d＝1；当c＝1且d＝0时，为仅考虑峰值应力的特例；当c＝0且d＝1 时，为仅考虑峰值应变的特例；通常情况下，可以取c＝d＝0.5。
优选地，本发明提供的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法还可以具有以下特征：在步骤1中，注浆孔的孔深为岩样高度的3/4。
优选地，本发明提供的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法还可以具有以下特征：在步骤1中，岩样为圆柱体状，注浆孔的直径不得超过岩样直径的1/20，并且直径越小越好。
优选地，本发明提供的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法还可以具有以下特征：在步骤2、4和6中，超声波检测仪的两个探头分别放置在岩样的两个端部。
优选地，本发明提供的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法还可以具有以下特征：在步骤3中，可通过控制压缩荷载参数(例如，压缩荷载大小、加载时间、加载速率等)，来调控压缩荷载，从而间接控制拉伸荷载，以获取同种岩样的不同裂纹参数D。例如，可考虑将岩样压缩荷载/破坏时对应的最大压缩荷载达到40％、60％、 80％，分别定义为小裂纹参数、中裂纹参数、大裂纹参数；同时，应控制好加载速率，以防岩样内部裂纹与岩样表面联通。
优选地，本发明提供的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法还可以具有以下特征：在步骤5中，注浆管与注浆孔之间粘接紧密，以防浆液外窜，进行高压力注浆。
优选地，本发明提供的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法还可以具有以下特征：在步骤7中，将注浆岩样与拉伸试验装置的拉伸套头通过胶水进行粘结，由于存在弱面(内部裂纹)，注浆岩样在直接拉伸试验中会从弱面处断开。
优选地，本发明提供的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法还可以具有以下特征：在步骤8中，通过改变裂纹参数D、浆液种类，即可获取不同种类浆液的g1、g2，进而定量评价不同裂纹参数、不同种类浆液的注浆效果。
优选地，本发明提供的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法还可以具有以下特征：岩样为花岗岩、砂岩、大理岩、页岩、石灰岩、泥岩、白云岩、凝灰岩、板岩、玄武岩、煤等天然岩石中的任意一种。
发明的作用与效果
与现有技术相比，本发明提供的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法具有如下优点：①适用天然岩石，可制作与表面非联通的岩样内部裂纹；②可定量控制裂纹参数这个变量；③规避了注浆时浆液外窜问题，可实现高压力注浆；④可对注浆效果实现定量评价，且给出了基于波速指数、拉伸指数的注浆效果定量评价公式；⑤简单可靠、重复度高。
附图说明
图1为本发明实施例中涉及的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法的流程图；
图2为本发明实施例中涉及的测量波速的操作示意图；
图3为本发明实施例中涉及的间接拉伸制作裂纹的操作示意图；
图4为本发明实施例中涉及的注浆过程的操作示意图；
图5为本发明实施例中涉及的直接拉伸试验的操作示意图。
图中：1-岩样；2-注浆孔；3-超声波检测仪；4-探头；5-传递板； 6-内部裂纹；7-注浆设备；8-注浆管；9-直接拉伸套头。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
如图1至5所示，本实施例所提供的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法具体包括如下步骤：
步骤1.在完整岩样1上端(径向方向上)的中心处打一个直径较小的注浆孔2，注浆孔2为非贯通孔，并且孔深为岩样1高度的3/4。
步骤2.如图2所示，将超声波检测仪3的两个探头4分别放置在岩样1的两个端部，利用超声波检测仪3测量打孔后岩样1的波速Vintact。
步骤3.如图3所示，将传递板5设置在岩样1中部径向上的上下两侧，然后施加压缩荷载，基于间接拉伸原理，借助传递板5将压缩荷载转化为拉伸荷载，对完整岩样1进行间接拉伸，在其中心内部形成一条与表面非联通的圆形裂纹带(内部裂纹6)。
具体地，可通过控制压缩荷载，间接控制拉伸荷载，以获取同种岩样1的不同裂纹参数D(例如，可考虑将岩样1压缩荷载/破坏时对应的最大压缩荷载达到40％、60％、80％，分别定义为小裂纹参数、中裂纹参数、大裂纹参数)；同时，应控制好加载速率，以防岩样1内部裂纹6与岩样1表面联通。
步骤4.利用超声波检测仪3测量含裂纹岩样1的波速Vfracture。
步骤5.如图4所示，将注浆管8的一端与注浆设备7相连，另一端与注浆孔2粘接紧密，将高压浆液通过注浆孔2注入至岩样1内部裂纹6中。
步骤6.待浆液凝固后，利用超声波检测仪3测量注浆岩样1波速 Vgrouting。
步骤7.如图5所示，将注浆岩样1与拉伸套头9通过胶水粘结，对注浆岩样1进行直接拉伸试验(轴向上拉伸)，并记录注浆岩样1峰值应力σgrouting、峰值应变εgrouting。由于岩样1存在内部裂纹6(弱面)，因此注浆岩样1在直接拉伸试验中会从弱面处断开。
步骤8.计算裂纹参数及注浆效果定量评价
裂纹参数D：
Figure GDA0002545283800000081
注浆效果定量评价指标的波速指数g1：
Figure GDA0002545283800000082
式中，a与b分别为权重系数；当a＝1且b＝0时，为不考虑完整岩样 1波速的特例；当a＝0且b＝1时，为完全考虑完整岩样1波速的特例；通常情况下，可以取a＝b＝0.5。
注浆效果定量评价指标的拉伸指数g2
Figure GDA0002545283800000083
式中，c与d分别为权重系数；当c＝1且d＝0时，为仅考虑峰值应力的特例；当c＝0且d＝1时，为仅考虑峰值应变的特例；通常情况下，可以取c＝d＝0.5；σfracture与εfracture分别为同一种类未注浆的含裂纹岩样1通过直接拉伸试验获得的含裂纹岩样1峰值应力与峰值应变。
通过改变裂纹参数D、浆液种类，即可获取不同种类浆液的g1、 g2，进而定量评价不同裂纹参数、不同种类浆液的注浆效果。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.在完整岩样一端中心处打一个小直径的注浆孔，注浆孔沿着岩样轴向延伸且不贯穿岩样；
步骤2.对步骤1打孔后的岩样，利用超声波检测仪测量其波速Vintact；
步骤3.通过传递板将压缩荷载转化为与加载方向垂直的拉伸荷载，对岩样进行间接拉伸，在岩样内部形成与表面非联通的圆形裂纹带；
步骤4.利用超声波检测仪测量含裂纹岩样的波速Vfracture；
步骤5.通过注浆孔，将浆液注入岩样内部裂纹；
步骤6.待浆液凝固后，利用超声波检测仪测量注浆岩样的波速Vgrouting；
步骤7.对注浆岩样进行直接拉伸试验，并记录注浆岩样峰值应力σgrouting、峰值应变εgrouting；
步骤8.计算裂纹参数及注浆效果定量评价：
裂纹参数D：
Figure FDA0002545283790000011
注浆效果定量评价指标的波速指数g1：
Figure FDA0002545283790000021
式中，a与b分别为权重系数，a+b＝1；
注浆效果定量评价指标的拉伸指数g2：
Figure FDA0002545283790000022
式中，σfracture与εfracture分别为同一种类未注浆的含裂纹岩样通过直接拉伸试验获得的含裂纹岩样峰值应力与峰值应变；c与d分别为权重系数，c+d＝1。
2.根据权利要求1所述的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，注浆孔的孔深为岩样高度的3/4。
3.根据权利要求1所述的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，岩样为圆柱体状，注浆孔的直径不得超过岩样直径的1/20。
4.根据权利要求1所述的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法，其特征在于：
其中，在步骤2、4和6中，超声波检测仪的两个探头分别放置在岩样的两个端部。
5.根据权利要求1所述的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，通过调控压缩荷载，间接调控拉伸荷载，可以获取同种岩样的不同裂纹参数D。
6.根据权利要求1所述的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法，其特征在于：
其中，在步骤5中，注浆管与注浆孔之间粘接紧密，以实现高压力注浆。
7.根据权利要求1所述的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法，其特征在于：
其中，在步骤7中，将注浆岩样与拉伸试验装置的拉伸套头通过胶水进行粘结。
8.根据权利要求1所述的岩样内部裂纹制作及注浆效果定量评价方法，其特征在于：
其中，在步骤8中，通过改变裂纹参数D、浆液种类，即可获取不同种类浆液的g1、g2，进而定量评价不同裂纹参数、不同种类浆液的注浆效果。
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