CN111638171A - 三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种三向应力加载裂隙岩体劈裂‑渗透注浆试验装置及方法，适用于岩土工程方面物理模拟实验研究。包括三维加载框，侧压隔离伸缩板、第一主应力加压装置、第二主应力加压装置、第三主应力加压装置、注浆装置、应力监测系统组成。对组合裂隙岩体施加第一主应力、第二主应力及第三主应力，采用侧压隔离伸缩板将两个侧压施压的加压液囊隔开，将加压液囊的可伸缩性与铁质隔离板刚度小的特性相结合，完美地消除了加载裂隙岩体的边角效应；采用加压液囊施加侧压对于提高裂隙岩体的密封性具有很大帮助，解决了三向应力加载岩体实验中边角效应及密封性的问题，并以拼接小岩石试样组成大裂隙岩体在有无裂隙填充体进行试验具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种注浆试验装置及方法，尤其适用于岩土工程方面物理模拟实验研究的三向应力加载 裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置及方法。
背景技术
注浆理论是多学科交叉之下的基本理论，其主要涉及有水力学、裂隙岩体力学、流体力学和固结力 学等学科，其主要研究注浆浆液在岩体内的流动扩散形式以及注浆固结方式，进而从理论上建立浆液扩散 半径、注浆压力、浆液流量和注浆浆液凝胶时间等相关注浆参数之间的关系。现阶段针对复杂高应力状态 下深部裂隙岩体注浆浆液渗流理论模型方面的研究尚不完善和深入，较少考虑注浆过程中裂隙岩体三向应 力-浆液渗流耦合特征、裂隙的启裂-扩展-缝宽维持机制。因此，急需开展考虑三向应力下的深部裂隙岩体 劈裂-渗透注浆机理研究。
浆液在高泵压的作用下，将一些较大的裂隙充填满，其端部应力集中大大削弱甚至消失，改变原来的 裂隙扩展破坏机制，还可将一些充填不到的封闭裂隙和小裂隙压缩，甚至使其闭合，提高围岩的弹性模量 和强度，甚至将一些闭合或是有弱胶结的裂隙劈裂，形成新的裂隙注浆通道，最终在距离巷道一定深度的 围岩形成裂隙浆液固结体骨架形成结构效应。这其中，浆-岩耦合作用是研究劈裂注浆的关键，而劈裂注浆 的过程及效果也需要进行有效的评价。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种能够在三向应力条件下、拼接组合而成且可进行有无裂隙填充体 的裂隙岩体劈裂-渗透注浆实验的实验装置，模拟分析不同倾角裂隙岩体在三向应力条件下劈裂注浆起劈诱 发因素的影响及其诱发因素对于起劈的影响程度、闭合裂隙劈裂的方向性及分布规律、闭合裂隙劈裂后裂 隙张开度与其周围裂隙闭合程度、闭合裂隙劈裂及浆液运移扩散的机理的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透 注浆试验装置及方法。
为实现上述目的，本发明的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置，包括三维加载框，第一主 应力加压装置、第二主应力加压装置、第三主应力加压装置、注浆装置和应力监测系统；
所述第一主应力加压装置包括第一主应力加压液囊和液囊加压装置，第二主应力加压装置包括第二主 应力加压液囊和液囊加压装置，第三主应力加压装置包括第三主应力加压液囊和液囊加压装置，三维加载 框为矩形钢板组成的金属箱体结构，三维加载框的前面、右面、上面钢板上开有进水孔，后面钢板开有注 浆孔；三维加载框内设有裂隙岩体，第一主应力加压液囊、第二主应力加压液囊和第三主应力加压液囊分 别设置在裂隙岩体与三维加载框之间，其中第一主应力加压液囊设置在裂隙岩体的顶面，第二主应力加压 液囊设置在裂隙岩体的右面，第三主应力加压液囊设置在裂隙岩体的前面；其中第一主应力加压液囊与裂 隙岩体的顶面之间设有第一主应力加载板，第一主应力加载板边缘设有密封圈，第二主应力加压液囊与裂 隙岩体的右面之间设有侧压隔离伸缩板；
所述的液囊加压装置包括法兰顶板，阀门，手动加压泵，减压阀，注水管道和注水管，三维加载框的 前面、右面、上面钢板上的进水口外侧上均通过法兰顶板设有注水管道，注水管道通过进水口与三维加载 框内的加压液囊内连接，法兰顶板与三维加载框之间设有胶皮垫片，注水管(利用注水管道依次与减压阀、 阀门和手动加压泵连接；
所述的注浆装置包括注浆管、出浆孔、胶皮防水小垫片、胶皮防水大垫片、注浆管加固螺母、螺纹、 压力变送器、无纸记录仪、流量计、手动注浆泵、阀门、注浆管道、注浆管堵头，注浆管从三维加载框后 面的钢板上设置的出浆孔深入裂隙岩体，注浆管穿过三维加载框的钢板内侧设有注浆管堵头并深入到裂隙 岩体中心，从裂隙岩体的裂隙间打孔深插入到裂隙岩体的一半，保证注浆孔在裂隙岩体中心，外侧设有注 浆管加固螺母，并使用注浆管堵头和注浆管加固螺母固定在三维加载框的钢板上并依次垫有胶皮防水小垫 片与胶皮防水大垫片，注浆管通过螺纹通过注浆管道与手动注浆泵连接，注浆管道的两端上设有多个阀门， 注浆管道中间设有压力变送器和流量计，压力变送器通过线路与无纸记录仪相连接；
所述应力监测系统包括多个压力盒、数据处理器和电脑，所述多个压力盒分别安装于在三维加载框下 面、左面、后面的钢板上及第一主应力加载板上面，压力盒检测面紧贴裂隙岩体。
所述裂隙岩体为尺寸与三维加载框内匹配的立方体结构，由多个小试样按照不同组合方式拼接而成的 立方体，小试样与小试样之间的裂隙内根据需要可以无填充、填充粘性砂土分别进行试验。
多块小式样尺寸相同，通过不同排列方式组合以模拟不同倾角下的天然裂隙，裂隙岩体根据不同排列 方式组合，至少存在六种切割方式，α＝0°β＝0°，α＝0°β＝30°，α＝0°β＝45°，α＝0°β＝60°，α＝30°β ＝30°，α＝45°β＝45°，α表示水平向裂隙与水平方向的倾角，β表示垂直向裂隙与垂直方向的倾角。
所述侧压隔离伸缩板包括伸缩硬胶皮垫板、隔离板顶板、隔离板中板、隔离板底板、支柱、支柱活动 空间、活动板、隔离板中板活动空间、活动空间内弹簧；所述隔离板顶板设置在上方，隔离板底板设置在 下方，多个隔离板中板设置在隔离板顶板和隔离板底板中间，其中隔离板顶板下方内部设有凹形结构，隔 离板中板顶部设有与隔离板顶板凹形结构匹配的活动板，隔离板中板底部设有与活动板匹配的凹形结构， 隔离板底板底部为平面的顶部为与隔离板顶板底部凹形结构匹配的活动板；隔离板底板顶部设有多根支 柱，支柱贯穿多个上下连接的隔离板中板，多根支柱的顶部从隔离板顶板底部插入，并在隔离板顶板内留 有作为余量的支柱活动空间，隔离板中板底的活动板前后分别设有等长的伸缩硬胶皮垫板，活动板顶部与 凹形结构内侧底部之间留有隔离板中板活动空间，隔离板中板活动空间内等间距设有活动空间内弹簧；
侧压隔离伸缩板可在第一主应力加压装置产生的第一主应力压缩下进行竖向压缩并且不发生侧向变 形，并且可以将第二主应力加压装置和第三主应力加压装置产生的第二主应力与第三主应力隔开，使其能 够形成应力差施加在裂隙岩体不同主应力方向的面上。
一种三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置的试验方法，其步骤如下：
1)首先把准备好的裂隙岩体根据排列组合方式进行切割，之后在试件表面涂抹凡士林，并按设计的 组合方式排列叠放成大型正方体并放在三维加载框内；
2)依次将应力监测系统、侧压隔离伸缩板、第一主应力加压装置、第二主应力加压装置、第三主应 力加压装置、注浆装置全部安装到位；
3)利用手动加压泵通过第一主应力加压液囊缓慢的向裂隙岩体施加第一主应力，同理，缓慢的施加 第二主应力及第三主应力实现三向主应力的记载；利用手动加压泵对三向主应力同时向裂隙岩体进行加 压，并保证第一主应力不小于第二主应力且第二主应力不小于第三主应力，待各个主应力压力达到设计值 时(参考值为σ1＝15MPa、σ2＝6MPa、σ3＝3MPa；此为一种应力水平，可变换)，分别依次停止加压；待 第三主应力达到预设值后，将第三主应力加压装置中的手动加压泵拆除并关闭管道上所有阀门，将减压阀 反装，即将原先减压阀的进水口安装到出水口的管道上，从而便于第三主应力以小的压力值卸压，继续加压第二主应力及第一主应力，此时第三主应力的应力值会有所增加，则可以调节减压阀出水口所邻的压力 值，打开阀门进行卸压，将第三主应力维持在设计值；待第二主应力达到压力设计值时，可按照上述方法 对第二主应力加压液囊卸压，将其维持在压力设计值；
4)利用手动注浆泵通过注浆管向裂隙岩体进行注浆，通过无纸记录仪记载注浆压力的变化，通过流 量计记录注浆量，直至注浆压力发生突然的骤降，则判断裂隙岩体发生了由闭合裂隙劈裂成为张开裂隙， 停止注浆，关闭注浆管道上的阀门；
5)关闭各处阀门，撤去液囊加压装置及注浆装置，留注浆管在裂隙岩体内并关闭注浆管相连的阀门， 保持裂隙岩体内存在承压的浆液，放置天左右，待浆液凝固后将装置拆卸，再养护组装的裂隙岩体十天左 右，观察裂隙岩体劈裂情况并可进一步利用CT扫描对裂隙岩体内部浆液的劈裂运移情况进行深入的研究。
在三向主应力加载过程中，保持第三主应力不大于第二主应力，使得侧压隔离伸缩板此时只能沿着第 二主应力加载方向进行平移挤压裂隙岩体，第三主应力受侧压隔离伸缩板局部压缩后造成的应力增大可以 通过卸压达到指定应力值，侧压隔离伸缩板将第二主应力加压液囊与第三主应力加压液囊隔离使得第二主 应力和第三主应力大小不受彼此间影响；保持第二主应力不大于第一主应力且第三主应力不大于第二主应 力，从而使得侧压隔离伸缩板、第二主应力加压液囊和第三主应力加压液囊受第一主应力加载板压力而只 能沿着第一主应力的竖向加载方向进行压缩，第一主应力加载板压缩第二主应力加压液囊与第三主应力加 压液囊而引起的应力增大以可通过卸压进行调整，而此时侧压隔离伸缩板可进行一定位移下的压缩而不发 生侧向变形不会对第二主应力、第三主应力的应力值造成影响，在此第一主应力对第二主应力、第三主应 力的应力大小没有造成实质的影响而可以对裂隙岩体加载不同的应力；利用液囊-钢板组合对裂隙岩体加 载，裂隙岩体在加载过程中没有任何一处不受应力作用，从而消除了边角效应。
对侧压隔离伸缩板只会受竖向应力而发生压缩不会发生侧向变形：当侧压隔离伸缩板受到第一主应力 加载板的压力作用后，隔离板顶板会向下移动，此时隔离板顶板下部会压缩伸缩硬胶皮垫板，伸缩硬胶皮 垫板是胶皮材质具有弹性并在收到压缩后会发生变形，隔离板中板活动空间内的活动空间内弹簧也会受到 隔离板顶板发生压缩变形，此时，最上方的隔离板中板受到伸缩硬胶皮垫板及活动空间内弹簧传递的压力 则会对下面一块隔离板中板及活动空间内弹簧进行压缩，从而将压力传递到再下一块隔离板中板，直至传递到隔离板底板；在此过程中隔离板顶板、隔离板中板及隔离板底板未发生变形，伸缩硬胶皮垫板及活动 空间内弹簧发生了压缩变形，第一主应力加载板向下压缩的位移在3mm左右，将此小位移分布到四个伸 缩硬胶皮垫板上引起的伸缩硬胶皮垫板侧向变形较小，故对所加压的主应力影响较小可以忽略不计；隔离 板顶板、隔离板中板在裂隙岩体及第二主应力加压液囊之间，由于第二主应力加压液囊的压力作用，隔离 板顶板、隔离板中板只会沿着所设计的隔离板中板活动空间上下滑动并未发生侧向位移，此时支柱顶端在 支柱活动空间内滑动，对所加压的主应力没有影响。
所述侧压隔离伸缩板可以将第二主应力与第三主应力隔开，使第二主应力与第三主应力形成应力差施 加在裂隙岩体不同主应力方向的面上：侧压隔离伸缩板只会发生压缩变形而不发生侧向变形，当第二主应 力永远大于第三主应力时，侧压隔离伸缩板只会沿着第二主应力方向移动并施力于裂隙岩体，而此时第三 主应力加压液囊比第二主应力加压液囊的压力值低，此时侧压隔离伸缩板与第三主应力加压液囊接触的那 部分承受第三主应力加压液囊与第二主应力加压液囊的应力值之差的压力，此压力不足以对侧压隔离伸缩 板的结构性造成影响，从而就实现了第三主应力加压液囊与第二主应力加压液囊的应力差。
有益效果：
1)可实现不同侧向应力系数下三向应力条件下劈裂注浆实验，研究侧向应力系数、第二主应力、第 三主应力等因素对于劈裂-渗透注浆的起劈压力阀值、劈裂方向性及分布规律、劈裂后浆液运移规律的影响， 探究在三向主应力复杂应力路径下原闭合裂隙张开与闭合效应的分区性及方向性，进一步研究三向主应力 环境下浆岩的耦合效应。
2)采用的组合裂隙岩体正方体三维结构由小尺寸试样通过不同组合方式拼接而成，调节拼接方法可 实现裂隙倾角的变化，可研究在一定侧向应力系数应力条件下不同裂隙倾角的裂隙的剪切效应对于劈裂注 浆的影响，可研究有无裂隙填充体下不同裂隙倾角的裂隙的剪切效应对于劈裂注浆的影响。
3)利用液囊+隔离钢板相结合的加载方式，很好的消除了三向应力加载实验中难以克服的边角效应问 题，开创了一种简便易实现且经济的三向应力加载方法，对于消除真三轴实验中三向主应力加载中解决试 样边角不受应力的难题本发明的方法同样也适用。
4)极大地还原了深部复杂三向应力环境下不同裂隙倾角情况下裂隙岩体注浆实验领域的研究。
附图说明
图1为本发明三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置的结构示意图；
图2为本发明注浆装置的注浆管布置示意图；
图3为本发明的第二主应力加压装置结构示意图；
图4为本发明的侧压隔离伸缩板结构示意图；
图5（a）为本发明的侧压隔离伸缩板内隔离板中板剖面图；
图5（b）为本发明的侧压隔离伸缩板内隔离板中板正视图；
图6为本发明裂隙岩体试样的多种组合方式示意图。
图中，1-三维加载框，2-侧压隔离伸缩板，3-第二主应力加压装置，4-第三主应力加压装置，5-第一主 应力加载板，6-液囊加压装置，7-胶皮垫片，8-法兰顶板，9-阀门，10-手动加压泵，11-减压阀，12-注水管 道，13-注水管，14-注浆管，15-出浆孔，16-胶皮防水小垫片，17-胶皮防水大垫片，18-注浆管加固螺母， 19-螺纹，20-压力变送器，21-无纸记录仪，22-流量计，23-手动注浆泵，24-伸缩硬胶皮垫板，25-隔离板顶 板，26-隔离板底板，27-支柱，28-支柱活动空间，29-活动板，30-活动空间内弹簧，31-隔离板中板，32- 第二主应力加压液囊，33-第三主应力加压液囊，34-注浆管道，35-隔离板中板活动空间，36-裂隙岩体，37- 注浆管堵头，38-密封圈，39-注浆孔，40-压力盒，41-应力监测系统，42-计算机，43-数据处理器，44-第一 主应力加压液囊，45-第一主应力加压装置，46-注浆装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施示例对本发明做进一步的详细描述。
如图1和图3所示，本发明的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置，包括三维加载框1，第 一主应力加压装置45、第二主应力加压装置2、第三主应力加压装置3、注浆装置46和应力监测系统41；
所述第一主应力加压装置45包括第一主应力加压液囊44和液囊加压装置6，第二主应力加压装置2 包括第二主应力加压液囊32和液囊加压装置6，第三主应力加压装置3包括第三主应力加压液囊33和液 囊加压装置6，三维加载框1为矩形钢板组成的金属箱体结构，三维加载框1的前面、右面、上面钢板上 开有进水孔，后面钢板开有注浆孔39；三维加载框1内设有裂隙岩体36，第一主应力加压液囊44、第二 主应力加压液囊32和第三主应力加压液囊33分别设置在裂隙岩体36与三维加载框1之间，其中第一主 应力加压液囊44设置在裂隙岩体36的顶面，第二主应力加压液囊32设置在裂隙岩体36的右面，第三主 应力加压液囊33设置在裂隙岩体36的前面；其中第一主应力加压液囊44与裂隙岩体36的顶面之间设有第一主应力加载板5，第一主应力加载板5边缘设有密封圈38，第二主应力加压液囊32与裂隙岩体36的 右面之间设有侧压隔离伸缩板2；：所述裂隙岩体36为尺寸与三维加载框1内匹配的立方体结构，由多个 小试样按照不同组合方式拼接而成的立方体，小试样与小试样之间的裂隙内根据需要可以无填充、填充粘 性砂土分别进行试验。
所述的液囊加压装置6包括法兰顶板8，阀门9，手动加压泵10，减压阀11，注水管道12和注水管 13，三维加载框1的前面、右面、上面钢板上的进水口外侧上均通过法兰顶板8设有注水管道12，注水管 道12通过进水口与三维加载框1内的加压液囊内连接，法兰顶板8与三维加载框1之间设有胶皮垫片7， 注水管13利用注水管道12依次与减压阀11、阀门9和手动加压泵10连接；
如图2所示，所述的注浆装置46包括注浆管14、出浆孔39、胶皮防水小垫片16、胶皮防水大垫片 17、注浆管加固螺母18、螺纹19、压力变送器20、无纸记录仪21、流量计22、手动注浆泵23、阀门9、 注浆管道34、注浆管堵头37，注浆管14从三维加载框1后面的钢板上设置的出浆孔39深入裂隙岩体36， 注浆管14穿过三维加载框1的钢板内侧设有注浆管堵头37并深入到裂隙岩体36中心，从裂隙岩体36的 裂隙间打孔深插入到裂隙岩体36的一半，保证注浆孔在裂隙岩体中心，外侧设有注浆管加固螺母18，并 使用注浆管堵头37和注浆管加固螺母18固定在三维加载框的钢板上并依次垫有胶皮防水小垫片16与胶 皮防水大垫片17，注浆管14通过螺纹19通过注浆管道34与手动注浆泵23连接，注浆管道34的两端上 设有多个阀门9，注浆管道34中间设有压力变送器20和流量计22，压力变送器20通过线路与无纸记录仪21相连接；
所述应力监测系统41包括多个压力盒40、数据处理器43和电脑42，所述多个压力盒40分别安装于 在三维加载框下面、左面、后面的钢板上及第一主应力加载板上面，压力盒40检测面紧贴裂隙岩体36。
如图4、图5(a)和图5(b)所示，所述侧压隔离伸缩板2包括伸缩硬胶皮垫板24、隔离板顶板25、 隔离板中板31、隔离板底板26、支柱27、支柱活动空间28、活动板29、隔离板中板活动空间35、活动 空间内弹簧30；所述隔离板顶板25设置在上方，隔离板底板26设置在下方，多个隔离板中板31设置在 隔离板顶板25和隔离板底板26中间，其中隔离板顶板25下方内部设有凹形结构，隔离板中板31顶部设 有与隔离板顶板25凹形结构匹配的活动板29，隔离板中板31底部设有与活动板29匹配的凹形结构，隔 离板底板26底部为平面的顶部为与隔离板顶板25底部凹形结构匹配的活动板29；隔离板底板26顶部设 有多根支柱27，支柱27贯穿多个上下连接的隔离板中板31，多根支柱27的顶部从隔离板顶板25底部插 入，并在隔离板顶板25内留有作为余量的支柱活动空间28，隔离板中板底24的活动板29前后分别设有等长的伸缩硬胶皮垫板24，活动板29顶部与凹形结构内侧底部之间留有隔离板中板活动空间35，隔离板 中板活动空间35内等间距设有活动空间内弹簧30。侧压隔离伸缩板2可在第一主应力加压装置45产生的 第一主应力压缩下进行竖向压缩并且不发生侧向变形，并且可以将第二主应力加压装置2和第三主应力加 压装置3产生的第二主应力与第三主应力隔开，使其能够形成应力差施加在裂隙岩体36不同主应力方向 的面上。
如图6所示，多块小式样尺寸相同，通过不同排列方式组合以模拟不同倾角下的天然裂隙，裂隙岩体 36根据不同排列方式组合，至少存在六种切割方式，α＝0°β＝0°，α＝0°β＝30°，α＝0°β＝45°，α＝0°β ＝60°，α＝30°β＝30°，α＝45°β＝45°，α表示水平向裂隙与水平方向的倾角，β表示垂直向裂隙与垂直 方向的倾角。
一种三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置方法，其步骤如下：
1)首先把准备好的裂隙岩体36根据排列组合方式进行切割，之后在试件表面涂抹凡士林，并按设计 的组合方式排列叠放成大型正方体并放在三维加载框1内；
2)依次将应力监测系统41、侧压隔离伸缩板2、第一主应力加压装置45、第二主应力加压装置3、 第三主应力加压装置4、注浆装置46全部安装到位；
3)利用手动加压泵10通过第一主应力加压液囊44缓慢的向裂隙岩体36施加第一主应力，同理，缓 慢的施加第二主应力及第三主应力实现三向主应力的记载；利用手动加压泵10对三向主应力同时向裂隙 岩体36进行加压，并保证第一主应力不小于第二主应力且第二主应力不小于第三主应力，待各个主应力 压力达到设计值时参考值为σ1＝15MPa、σ2＝6MPa、σ3＝3MPa；此为一种应力水平，可变换，分别依次停 止加压；待第三主应力达到预设值后，将第三主应力加压装置4中的手动加压泵10拆除并关闭管道上所 有阀门9，将减压阀11反装，即将原先减压阀11的进水口安装到出水口的管道上，从而便于第三主应力 以小的压力值卸压，继续加压第二主应力及第一主应力，此时第三主应力的应力值会有所增加，则可以调 节减压阀11出水口所邻的压力值，打开阀门9进行卸压，将第三主应力维持在设计值；待第二主应力达 到压力设计值时，可按照上述方法对第二主应力加压液囊32卸压，将其维持在压力设计值；
4)利用手动注浆泵10通过注浆管14向裂隙岩体36进行注浆，通过无纸记录仪21记载注浆压力的 变化，通过流量计22记录注浆量，直至注浆压力发生突然的骤降，则判断裂隙岩体36发生了由闭合裂隙 劈裂成为张开裂隙，停止注浆，关闭注浆管道34上的阀门9
5)关闭各处阀门9，撤去液囊加压装置6及注浆装置46，留注浆管14在裂隙岩体36内并关闭注浆 管14相连的阀门9，保持裂隙岩体36内存在承压的浆液，放置20天左右，待浆液凝固后将装置拆卸，再 养护组装的裂隙岩体36十天左右，观察裂隙岩体劈裂情况并可进一步利用CT扫描对裂隙岩体36内部浆 液的劈裂运移情况进行深入的研究。
在三向主应力加载过程中，保持第三主应力不大于第二主应力，使得侧压隔离伸缩板2此时只能沿着 第二主应力加载方向进行平移挤压裂隙岩体36，第三主应力受侧压隔离伸缩板2局部压缩后造成的应力增 大可以通过卸压达到指定应力值，侧压隔离伸缩板2将第二主应力加压液囊32与第三主应力加压液囊33 隔离使得第二主应力和第三主应力大小不受彼此间影响；保持第二主应力不大于第一主应力且第三主应力 不大于第二主应力，从而使得侧压隔离伸缩板2、第二主应力加压液囊32和第三主应力加压液囊33受第 一主应力加载板5压力而只能沿着第一主应力的竖向加载方向进行压缩，第一主应力加载板5压缩第二主 应力加压液囊32与第三主应力加压液囊33而引起的应力增大以可通过卸压进行调整，而此时侧压隔离伸 缩板2可进行一定位移下的压缩而不发生侧向变形不会对第二主应力、第三主应力的应力值造成影响，在 此第一主应力对第二主应力、第三主应力的应力大小没有造成实质的影响而可以对裂隙岩体加载不同的应 力；利用液囊-钢板组合对裂隙岩体36加载，裂隙岩体36在加载过程中没有任何一处不受应力作用，从而 消除了边角效应。
对侧压隔离伸缩板2只会受竖向应力而发生压缩不会发生侧向变形：当侧压隔离伸缩板2受到第一主 应力加载板的压力作用后，隔离板顶板会向下移动，此时隔离板顶板下部会压缩伸缩硬胶皮垫板24，伸缩 硬胶皮垫板24是胶皮材质具有弹性并在收到压缩后会发生变形，隔离板中板活动空间35内的活动空间内 弹簧30也会受到隔离板顶板25发生压缩变形，此时，最上方的隔离板中板31受到伸缩硬胶皮垫板24及 活动空间内弹簧30传递的压力则会对下面一块隔离板中板31及活动空间内弹簧30进行压缩，从而将压 力传递到再下一块隔离板中板31，直至传递到隔离板底板26；在此过程中隔离板顶板25、隔离板中板31 及隔离板底板26未发生变形，伸缩硬胶皮垫板24及活动空间内弹簧30发生了压缩变形，第一主应力加 载板5向下压缩的位移在3mm左右，将此小位移分布到四个伸缩硬胶皮垫板24上引起的伸缩硬胶皮垫板 24侧向变形较小，故对所加压的主应力影响较小可以忽略不计；隔离板顶板25、隔离板中板31在裂隙岩 体36及第二主应力加压液囊32之间，由于第二主应力加压液囊32的压力作用，隔离板顶板25、隔离板 中板31只会沿着所设计的隔离板中板活动空间35上下滑动并未发生侧向位移，此时支柱顶端在支柱活动 空间28内滑动，对所加压的主应力没有影响。
所述侧压隔离伸缩板2可以将第二主应力与第三主应力隔开，使第二主应力与第三主应力形成应力差 施加在裂隙岩体36不同主应力方向的面上：侧压隔离伸缩板2只会发生压缩变形而不发生侧向变形，当 第二主应力永远大于第三主应力时，侧压隔离伸缩板2只会沿着第二主应力方向移动并施力于裂隙岩体3 6，而此时第三主应力加压液囊33比第二主应力加压液囊32的压力值低，此时侧压隔离伸缩板2与第三 主应力加压液囊33接触的那部分承受第三主应力加压液囊33与第二主应力加压液囊32的应力值之差的 压力，此压力不足以对侧压隔离伸缩板2的结构性造成影响，从而就实现了第三主应力加压液囊33与第 二主应力加压液囊32的应力差。
Claims (9)
1.一种三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置，其特征在于：包括三维加载框(1)，第一主应力加压装置(45)、第二主应力加压装置(2)、第三主应力加压装置(3)、注浆装置(46)和应力监测系统(41)；
所述第一主应力加压装置(45)包括第一主应力加压液囊(44)和液囊加压装置(6)，第二主应力加压装置(2)包括第二主应力加压液囊(32)和液囊加压装置(6)，第三主应力加压装置(3)包括第三主应力加压液囊(33)和液囊加压装置(6)，三维加载框(1)为矩形钢板组成的金属箱体结构，三维加载框(1)的前面、右面、上面钢板上开有进水孔，后面钢板开有注浆孔(39)；三维加载框(1)内设有裂隙岩体(36)，第一主应力加压液囊(44)、第二主应力加压液囊(32)和第三主应力加压液囊(33)分别设置在裂隙岩体(36)与三维加载框(1)之间，其中第一主应力加压液囊(44)设置在裂隙岩体(36)的顶面，第二主应力加压液囊(32)设置在裂隙岩体(36)的右面，第三主应力加压液囊(33)设置在裂隙岩体(36)的前面；其中第一主应力加压液囊(44)与裂隙岩体(36)的顶面之间设有第一主应力加载板(5)，第一主应力加载板(5)边缘设有密封圈(38)，第二主应力加压液囊(32)与裂隙岩体(36)的右面之间设有侧压隔离伸缩板(2)；
所述的液囊加压装置(6)包括法兰顶板(8)，阀门(9)，手动加压泵(10)，减压阀(11)，注水管道(12)和注水管(13)，三维加载框(1)的前面、右面、上面钢板上的进水口外侧上均通过法兰顶板(8)设有注水管道(12)，注水管道(12)通过进水口与三维加载框(1)内的加压液囊内连接，法兰顶板(8)与三维加载框(1)之间设有胶皮垫片(7)，注水管(13利用注水管道(12)依次与减压阀(11)、阀门(9)和手动加压泵(10)连接；
所述的注浆装置(46)包括注浆管(14)、出浆孔(39)、胶皮防水小垫片(16)、胶皮防水大垫片(17)、注浆管加固螺母(18)、螺纹(19)、压力变送器(20)、无纸记录仪(21)、流量计(22)、手动注浆泵(23)、阀门(9)、注浆管道(34)、注浆管堵头(37)，注浆管(14)从三维加载框(1)后面的钢板上设置的出浆孔(39)深入裂隙岩体(36)，注浆管(14)穿过三维加载框(1)的钢板内侧设有注浆管堵头(37)并深入到裂隙岩体(36)中心，从裂隙岩体(36)的裂隙间打孔深插入到裂隙岩体(36)的一半，保证注浆孔在裂隙岩体中心，外侧设有注浆管加固螺母(18)，并使用注浆管堵头(37)和注浆管加固螺母(18)固定在三维加载框的钢板上并依次垫有胶皮防水小垫片(16)与胶皮防水大垫片(17)，注浆管(14)通过螺纹(19)通过注浆管道(34)与手动注浆泵(23)连接，注浆管道(34)的两端上设有多个阀门(9)，注浆管道(34)中间设有压力变送器(20)和流量计(22)，压力变送器(20)通过线路与无纸记录仪(21)相连接；
所述应力监测系统(41)包括多个压力盒(40)、数据处理器(43)和电脑(42)，所述多个压力盒(40)分别安装于在三维加载框下面、左面、后面的钢板上及第一主应力加载板上面，压力盒(40)检测面紧贴裂隙岩体(36)。
2.根据权利要求1所述的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置，其特征在于：所述裂隙岩体(36)为尺寸与三维加载框(1)内匹配的立方体结构，由多个小试样按照不同组合方式拼接而成的立方体，小试样与小试样之间的裂隙内根据需要可以无填充、填充粘性砂土分别进行试验。
3.根据权利要求2所述的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置，其特征在于：多块小式样尺寸相同，通过不同排列方式组合以模拟不同倾角下的天然裂隙，裂隙岩体(36)根据不同排列方式组合，至少存在六种切割方式，α＝0°β＝0°，α＝0°β＝30°，α＝0°β＝45°，α＝0°β＝60°，α＝30°β＝30°，α＝45°β＝45°，α表示水平向裂隙与水平方向的倾角，β表示垂直向裂隙与垂直方向的倾角。
4.根据权利要求1所述的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置，其特征在于：所述侧压隔离伸缩板(2)包括伸缩硬胶皮垫板(24)、隔离板顶板(25)、隔离板中板(31)、隔离板底板(26)、支柱(27)、支柱活动空间(28)、活动板(29)、隔离板中板活动空间(35)、活动空间内弹簧(30)；所述隔离板顶板(25)设置在上方，隔离板底板(26)设置在下方，多个隔离板中板(31)设置在隔离板顶板(25)和隔离板底板(26)中间，其中隔离板顶板(25)下方内部设有凹形结构，隔离板中板(31)顶部设有与隔离板顶板(25)凹形结构匹配的活动板(29)，隔离板中板(31)底部设有与活动板(29)匹配的凹形结构，隔离板底板(26)底部为平面的顶部为与隔离板顶板(25)底部凹形结构匹配的活动板(29)；隔离板底板(26)顶部设有多根支柱(27)，支柱(27)贯穿多个上下连接的隔离板中板(31)，多根支柱(27)的顶部从隔离板顶板(25)底部插入，并在隔离板顶板(25)内留有作为余量的支柱活动空间(28)，隔离板中板底(24)的活动板(29)前后分别设有等长的伸缩硬胶皮垫板(24)，活动板(29)顶部与凹形结构内侧底部之间留有隔离板中板活动空间(35)，隔离板中板活动空间(35)内等间距设有活动空间内弹簧(30)。
5.根据权利要求4所述的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置，其特征在于：侧压隔离伸缩板(2)可在第一主应力加压装置(45)产生的第一主应力压缩下进行竖向压缩并且不发生侧向变形，并且可以将第二主应力加压装置(2)和第三主应力加压装置(3)产生的第二主应力与第三主应力隔开，使其能够形成应力差施加在裂隙岩体(36)不同主应力方向的面上。
6.一种使用上述权利要求三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置的试验方法，其特征在于步骤如下：
1)首先把准备好的裂隙岩体(36)根据排列组合方式进行切割，之后在试件表面涂抹凡士林，并按设计的组合方式排列叠放成大型正方体并放在三维加载框(1)内；
2)依次将应力监测系统(41)、侧压隔离伸缩板(2)、第一主应力加压装置(45)、第二主应力加压装置(3)、第三主应力加压装置(4)、注浆装置(46)全部安装到位；
3)利用手动加压泵(10)通过第一主应力加压液囊(44)缓慢的向裂隙岩体(36)施加第一主应力，同理，缓慢的施加第二主应力及第三主应力实现三向主应力的记载；利用手动加压泵(10)对三向主应力同时向裂隙岩体(36)进行加压，并保证第一主应力不小于第二主应力且第二主应力不小于第三主应力，待各个主应力压力达到设计值时(参考值为σ1＝15MPa、σ2＝6MPa、σ3＝3MPa；此为一种应力水平，可变换)，分别依次停止加压；待第三主应力达到预设值后，将第三主应力加压装置(4)中的手动加压泵(10)拆除并关闭管道上所有阀门(9)，将减压阀(11)反装，即将原先减压阀(11)的进水口安装到出水口的管道上，从而便于第三主应力以小的压力值卸压，继续加压第二主应力及第一主应力，此时第三主应力的应力值会有所增加，则可以调节减压阀(11)出水口所邻的压力值，打开阀门(9)进行卸压，将第三主应力维持在设计值；待第二主应力达到压力设计值时，可按照上述方法对第二主应力加压液囊(32)卸压，将其维持在压力设计值；
4)利用手动注浆泵(10)通过注浆管(14)向裂隙岩体(36)进行注浆，通过无纸记录仪(21)记载注浆压力的变化，通过流量计(22)记录注浆量，直至注浆压力发生突然的骤降，则判断裂隙岩体(36)发生了由闭合裂隙劈裂成为张开裂隙，停止注浆，关闭注浆管道(34)上的阀门(9)
5)关闭各处阀门(9)，撤去液囊加压装置(6)及注浆装置(46)，留注浆管(14)在裂隙岩体(36)内并关闭注浆管(14)相连的阀门(9)，保持裂隙岩体(36)内存在承压的浆液，放置20天左右，待浆液凝固后将装置拆卸，再养护组装的裂隙岩体(36)十天左右，观察裂隙岩体劈裂情况并可进一步利用CT扫描对裂隙岩体(36)内部浆液的劈裂运移情况进行深入的研究。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：在三向主应力加载过程中，保持第三主应力不大于第二主应力，使得侧压隔离伸缩板(2)此时只能沿着第二主应力加载方向进行平移挤压裂隙岩体(36)，第三主应力受侧压隔离伸缩板(2)局部压缩后造成的应力增大可以通过卸压达到指定应力值，侧压隔离伸缩板(2)将第二主应力加压液囊(32)与第三主应力加压液囊(33)隔离使得第二主应力和第三主应力大小不受彼此间影响；保持第二主应力不大于第一主应力且第三主应力不大于第二主应力，从而使得侧压隔离伸缩板(2)、第二主应力加压液囊(32)和第三主应力加压液囊(33)受第一主应力加载板(5)压力而只能沿着第一主应力的竖向加载方向进行压缩，第一主应力加载板(5)压缩第二主应力加压液囊(32)与第三主应力加压液囊(33)而引起的应力增大以可通过卸压进行调整，而此时侧压隔离伸缩板(2)可进行一定位移下的压缩而不发生侧向变形不会对第二主应力、第三主应力的应力值造成影响，在此第一主应力对第二主应力、第三主应力的应力大小没有造成实质的影响而可以对裂隙岩体加载不同的应力；利用液囊-钢板组合对裂隙岩体(36)加载，裂隙岩体(36)在加载过程中没有任何一处不受应力作用，从而消除了边角效应。
8.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：对侧压隔离伸缩板(2)只会受竖向应力而发生压缩不会发生侧向变形：当侧压隔离伸缩板(2)受到第一主应力加载板的压力作用后，隔离板顶板会向下移动，此时隔离板顶板下部会压缩伸缩硬胶皮垫板(24)，伸缩硬胶皮垫板(24)是胶皮材质具有弹性并在收到压缩后会发生变形，隔离板中板活动空间(35)内的活动空间内弹簧(30)也会受到隔离板顶板(25)发生压缩变形，此时，最上方的隔离板中板(31)受到伸缩硬胶皮垫板(24)及活动空间内弹簧(30)传递的压力则会对下面一块隔离板中板(31)及活动空间内弹簧(30)进行压缩，从而将压力传递到再下一块隔离板中板(31)，直至传递到隔离板底板(26)；在此过程中隔离板顶板(25)、隔离板中板(31)及隔离板底板(26)未发生变形，伸缩硬胶皮垫板(24)及活动空间内弹簧(30)发生了压缩变形，第一主应力加载板(5)向下压缩的位移在3mm左右，将此小位移分布到四个伸缩硬胶皮垫板(24)上引起的伸缩硬胶皮垫板(24)侧向变形较小，故对所加压的主应力影响较小可以忽略不计；隔离板顶板(25)、隔离板中板(31)在裂隙岩体(36)及第二主应力加压液囊(32)之间，由于第二主应力加压液囊(32)的压力作用，隔离板顶板(25)、隔离板中板(31)只会沿着所设计的隔离板中板活动空间(35)上下滑动并未发生侧向位移，此时支柱顶端在支柱活动空间(28)内滑动，对所加压的主应力没有影响。
9.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：所述侧压隔离伸缩板(2)可以将第二主应力与第三主应力隔开，使第二主应力与第三主应力形成应力差施加在裂隙岩体(36)不同主应力方向的面上：侧压隔离伸缩板(2)只会发生压缩变形而不发生侧向变形，当第二主应力永远大于第三主应力时，侧压隔离伸缩板(2)只会沿着第二主应力方向移动并施力于裂隙岩体(36)，而此时第三主应力加压液囊(33)比第二主应力加压液囊(32)的压力值低，此时侧压隔离伸缩板(2)与第三主应力加压液囊(33)接触的那部分承受第三主应力加压液囊(33)与第二主应力加压液囊(32)的应力值之差的压力，此压力不足以对侧压隔离伸缩板(2)的结构性造成影响，从而就实现了第三主应力加压液囊(33)与第二主应力加压液囊(32)的应力差。
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| CN202010532874.7A CN111638171B (zh) | 2020-06-12 | 2020-06-12 | 三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置及方法 |
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