CN112014228A - Ct扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置及方法 - Google Patents

Ct扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置及方法，适用于岩土工程模拟实验研究使用。包括第一主应力加载系统、第二主应力加载系统、第三主应力柔性加载系统、刚性垫板组合系统、底座部分、注浆系统、出浆系统、数据收集系统组成。此试验装置扫描横截面区域内均为碳纤维材料，防止扫描图像出现伪影。其能够放入医用CT进行实时扫描；采用两向刚性加载一向柔性加载的复合形式进行加载，消除三向应力加载出现的边角应力集中问题；能够进行试样压裂真三轴注浆渗流试验，能够在CT扫描图像中获得注浆渗流试验中某一阶段的裂隙分形维数、渗透系数、浆液扩散与充填情况的变化规律，研究浆液渗流过程中浆‑岩耦合机理。

Description

CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种真三轴注浆渗流耦合试验装置及方法，尤其是适用于岩土工程方面物理模拟实验研究使用的CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置及方法。
背景技术
由于井下采掘工程的扰动，煤层所处的原岩应力状态经常被打破，反映为多种形式的应力加卸载的加载方式，因此，开展真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率的影响规律研究，可更真实地反映煤岩体的实际情况。对于以上研究中不少研究设备局限于常规三轴实验机模拟煤岩体开采扰动问题，无法真实的反映煤岩体三向主应力的变化规律。
而采用真三轴实验机进行模拟煤岩体开采扰动问题时，很少进行真三轴应力路径下裂隙注浆的研究，注浆过程中的密闭性及三向应力加载中出现的边角应力集中问题始终成为科研界两大难题。注浆过程中对于裂隙的影响始终没能真正的进行系统性的研究，注浆时浆液在泵压的作用下，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。根据实验得知，降低岩体的孔隙率，可大幅度提高岩体的强度，注浆固化后起到提高围岩强度和转变岩体破坏机制的作用，使围岩在较大变形后仍然具有一定的承载能力，防范围岩突发性爆裂发生安全事故。
在真三轴应力路径下产生的裂隙具有一定的分散性、随机性，很难进行统一的归纳。为了克服这一难题，引进CT扫描技术与真三轴应力路径下裂隙注浆实验相结合，将注浆前后裂隙试样在维持最终加载应力环境下分别进行CT扫描，一方面研究真三轴不同应力路径下试样裂隙的渗透率、分形维数等参数的变化规律，另一方面研究裂隙注浆的扩散规律，进一步研究浆液对相对较大裂隙的充填扩张及对小裂隙的压密作用。实现了对试样在消除边角应力集中三向主应力环境下裂隙的分布规律、注浆后浆液的扩散规律及其裂隙-浆液耦合机理的全面、系统的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够综合评价试样在消除边角应力集中真三轴应力路径下产生的裂隙产状，进一步可研究对此裂隙试样进行注浆后浆液在裂隙内扩散规律及与浆-岩耦合机理的CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置及方法。
技术方案如下：本发明的CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置，包括真三轴实验盒、注浆系统、出浆系统和数据收集系统，真三轴实验盒包括紧贴岩石试样上下左右四个面形成加载结构的刚性垫板组合系统，刚性垫板组合系统包括四块错位设置的刚性垫板，刚性垫板与刚性垫板接触处设置有胶皮垫并通过螺栓施力将其压紧，刚性垫板组合系统外侧设有刚性加载框体，刚性加载框体与刚性垫板组合系统之间分别设有纵向施力装置和横向施力装置；岩石试样的前面和后面设有紧贴岩石试样的柔性施力装置，柔性施力装置与刚性垫板组合系统相互匹配从而将岩石试样包裹住，柔性施力装置始终保持与刚性垫板组合系统无死角贴合岩石试样的外表面，从而最大程度的保证岩石试样的前面和后面受力均匀。
具体的，包括第一主应力加载系统、第二主应力加载系统、第三主应力柔性加载系统，还包括底座部分、注浆系统、出浆系统和数据收集系统；底座部分包括底座，底座中心设有底座出浆口；第一主应力加载系统、第二主应力加载系统、第三主应力柔性加载系统、刚性垫板组合系统和底座部分组装构成真三轴实验盒；
刚性垫板组合系统包括第一主应力上垫板、第一主应力下垫板、第二主应力左侧垫板、第二主应力右侧垫板、由上向下垫板紧固螺栓、由下向上垫板紧固螺栓、由左向右垫板紧固螺栓、由右向左垫板紧固螺栓、上透水板和下透水板；其中第一主应力上垫板设置在岩石试样的上面，第一主应力下垫板设置在岩石试样的下面，上透水板设在第一主应力上垫板与岩石试样之间，下透水板设在第一主应力下垫板与岩石试样之间，第二主应力左侧垫板和第二主应力右侧垫板分别设置在岩石试样的左侧和右侧；
第一主应力加载系统包括第一主应力反力板、第一主应力施力千斤顶、第一主应力反力柱、第一主应力顶板、第一主应力施力柱；第一主应力反力板通过四支第一主应力反力柱设置在第一主应力顶板上，第一主应力顶板的中心处设有通孔，所述第一主应力反力板与第一主应力顶板之间垂直设有第一主应力施力千斤顶，第一主应力施力千斤顶上设有第一主应力施力柱，第一主应力施力柱的端面穿过第一主应力顶板的通孔与第一主应力上垫板的上表面接触；第一主应力施力千斤顶尾端通过管路连接有第一主应力施力加压泵；
第二主应力加载系统包括第二主应力顶板、第二主应力施力挡板、第二主应力施力垫板、第二主应力施力柱、第二主应力施力千斤顶、第二主应力施力柱固定螺栓、第二主应力施力加压泵和第二主应力施力反力架；第二主应力顶板和第二主应力施力挡板分别设置在刚性垫板组合系统的两侧，第二主应力顶板和第二主应力施力挡板的顶端通过螺栓分别与与第一主应力顶板连接、底端通过螺栓分别与底座连接，第二主应力施力垫板设置于第二主应力施力挡板左侧、位于第二主应力施力挡板与第二主应力右侧垫板之间，第二主应力施力柱包括贯穿第二主应力顶板的方形柱，方形柱的一端与第二主应力左侧垫板接触，另一端设有厚板，厚板上通过四个第二主应力施力柱固定螺栓固定于第二主应力顶板，厚板上设有第二主应力施力千斤顶，第二主应力施力千斤顶通过管路连接有第二主应力施力加压泵，第二主应力施力反力架套在真三轴实验盒外侧与第二主应力施力千斤顶相接触；
所述由上向下垫板紧固螺栓固定于第一主应力顶板，并按由上向下方向施力于第二主应力左侧垫板，所述由下向上垫板紧固螺栓固定于底座，并按由下向上方向施力于第二主应力右侧垫板；所述由左向右垫板紧固螺栓固定于第二主应力顶板，并按由左向右方向施力于第一主应力下垫板；所述由右向左垫板紧固螺栓固定于第二主应力施力挡板，并按由右向左方向施力于第一主应力上垫板；
第三主应力柔性加载系统包括第三主应力施力液囊、第三主应力施力液囊挡板和第三主应力施力液囊挡板固定螺栓；第三主应力施力液囊共有两个，分别设置在岩石试样的前面和后面，并与刚性垫板组合系统配合将岩石试样包裹起来，两个第三主应力施力液囊外侧分别设有两个第三主应力施力液囊挡板，第三主应力施力液囊挡板上下两端分别通过第三主应力施力液囊挡板固定螺栓与第一主应力顶板和底座固定，第三主应力施力液囊上设有进水颈口，进水颈口依次贯穿第一主应力下垫板和底座，进水颈口通过法兰连接有第三主应力注水管路，第三主应力注水管路顺序连接有阀门、第三主应力注水减水阀、第三主应力注水压力变送器和第三主应力手动注水泵；
注浆系统包括注浆管、阀门、注浆隔膜流量表、注浆压力变送器、注浆储浆罐、注浆减压阀和注浆氮气供气罐；注浆管一端穿过第二主应力施力挡板、第一主应力上垫板直至上透水板，注浆管的另一端通过管路与注浆储浆罐上的阀门连接，管路上顺序设有两个阀门、注浆隔膜流量表和注浆压力变送器，注浆储浆罐通过管路与注浆氮气供气罐连接，管路上设有注浆减压阀；
出浆系统包括出浆管、阀门、出浆流量表、出浆容纳桶、出浆浆液称重器和出浆管路，出浆管一端穿过底座出浆口、第一主应力下垫板与下透水板接触，另一端通过出浆管路连接出浆容纳桶，出浆容纳桶设置在出浆浆液称重器上，出浆管路上设有阀门和出浆流量表；
数据收集系统包括无纸记录仪和笔记本电脑，无纸记录仪分别连接注浆压力变送器、注浆隔膜流量表、出浆流量表，笔记本电脑连接出浆浆液称重器和无纸记录仪。
刚性垫板组合系统的第一主应力上垫板、第二主应力右侧垫板、第一主应力下垫板、第二主应力左侧垫板围绕岩石试样依次顺时针错位互扣拼接设置，第一主应力上垫板、第二主应力右侧垫板、第一主应力下垫板、第二主应力左侧垫板顺时针错位互扣拼接接触处设有垫板胶皮垫，并利用由上向下垫板紧固螺栓、由下向上垫板紧固螺栓、由左向右垫板紧固螺栓和由右向左垫板紧固螺栓尽力将第一主应力上垫板、第一主应力下垫板、第二主应力左侧垫板、第二主应力右侧垫板相互接触处压紧，以防止浆液的溢出。
所述第二主应力施力柱固定螺栓能够限制第二主应力施力柱相对于第二主应力顶板向左产生位移，将第二主应力加载系统的应力值保持于最终加载时的应力值。
所述数据收集系统能够将注浆压力、注浆流量实时记录，通过计算可得到浆液渗流系数的实时变化规律。
第一主应力上垫板下开设有凹槽，上透水板设置在第一主应力上垫板的凹槽内，第一主应力下垫板上开设有凹槽，下透水板设置在第一主应力下垫板的凹槽内，实际使用时使用热缩管将岩石试样包裹设置并利用上下密封带固定于刚性垫板组合系统的上透水板与下透水板之间，有效提高注浆的密封性。
所述第三主应力柔性加载系统具有两个第三主应力施力液囊，能够实现第三主应力方向应力施加不相等的加载方式，从而实现单面卸载。
一种CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验方法，其步骤如下：
a首先准备好岩石试样，之后在岩石试样表面涂抹硅胶，待硅胶晾干之后用热缩管将岩石试样包裹牢固并利用上下密封带固定于刚性垫板组合系统的上透水板与下透水板之间；
b将刚性垫板组合系统至于底座部分上并在刚性垫板组合系统上安装第一主应力加载系统和第二主应力加载系统安装好；
c将制备完善的试件放置在装配好的试验装置内，安装好刚性垫板组合系统，利用由上向下垫板紧固螺栓、由左向右垫板紧固螺栓、由下向上垫板紧固螺栓和由右向左垫板紧固螺栓对第一主应力上垫板、第一主应力下垫板、第二主应力左侧垫板、第二主应力右侧垫板的接触处施加压力，压力大小视具体情况而定，保证垫板与垫板之间接触处达到最大限度的接触为准；此过程保持岩石试样位置不变，然后缓慢施加第二主应力至1.0MPa，随后再缓慢施加第一主应力至1.0MPa；
d安装第三主应力柔性加载系统，之后将第一主应力和第二主应力缓慢加压至第一工作压力，在此期间第三主应力亦缓慢加压至第一工作压力，
e然后将第一主应力第二主应力缓慢加压至第二工作应力，然后继续加载第一主应力直至岩石试样破坏，此时轴向应力应变曲线会出现应力残余现象，将第二主应力施力柱固定螺栓螺紧，拆下第二主应力施力反力架
f 关闭安装有岩石试样的真三轴实验盒的所有阀门，保证岩石试样的压力不变的情况下拆除所有连接的管路，然后将真三轴实验盒放入医用CT进行扫描，收集扫描图片，然后从医用CT机上取下真三轴实验盒；
g在空旷的试验区域，安装好真三轴实验盒与注浆系统、出浆系统、数据收集系统的管路，打开注浆管及出浆管上各处的阀门，打开注浆氮气供气罐，随即调整注浆减压阀至预设注浆压力P1，开始进行注浆；待注浆隔膜流量表、注浆压力变送器、出浆流量表数值稳定，此时出浆浆液称重器数值增长速率稳定后，完成一次注浆压力的稳定注浆试验；
h关闭注浆氮气供气罐，关闭各处阀门，将注浆管、出浆管处的连接断开，将注浆系统、出浆系统、数据收集系统拆下，将安装有岩石试样的真三轴实验盒放在医用CT进行扫描，收集扫描图片，扫描结束后从医用CT机上取下；
i回到原试验区域，安装真三轴实验盒与注浆系统、出浆系统、数据收集系统的管路，打开注浆管及出浆管的各处阀门，打开注浆氮气供气罐，调节随即调整注浆减压阀至设计注浆压力P2，继续进行注浆；待注浆隔膜流量表、注浆压力变送器、出浆流量表及出浆浆液称重器数值稳定后完成第二次注浆压力的稳定注浆，然后调高注浆压力值，，即可完成不同注浆压力的注浆渗流试验。
j重复步骤h进行CT扫描试验，之后重复步骤i进行下一注浆压力的注浆实验，直至将设计的注浆压力值试验做完为止，以测定不同注浆终压下破裂岩体试样的浆液渗透系数，以及研究不同注浆压力下岩体裂隙的扩展、增大裂隙宽度及压密未渗流区域的裂隙的效应及机理，拆卸实验装置，进行及时的清洗、整理；如果想进行不同的三向应力、不同的加载路线下压裂试样的注浆渗流耦合实验，则需重复步骤d~h。
有益效果：
本发明实现了真三轴复杂应力环境下进行破裂岩体注浆试验，能够在不同注浆压力下，获得不同破裂程度岩体的浆液渗透系数；
通过液囊加载-两向刚性加载的方式，消除边角应力集中效应，充分还原真实地应力下复杂三向主应力环境；
能够直接与医用CT结合，可以扫描在应力施加下较大尺寸试样，克服了工业CT扫描区域小的缺点，并节约了试验成本；对不同三向应力环境下岩体的破裂程度进行量化；在注浆之后，对浆液扩散充填情况进行统计，研究不同注浆压力下，不同破碎程度岩体注浆扩散情况；注浆后对于裂隙宽度、扩展及压密的情况进行检测，以研究浆-岩耦合作用机理。
附图说明
图1为本发明CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置结构示意图；
图2 为本发明的第一主应力加载系统、第二主应力加载系统和刚性垫板组合系统的三维结构示意图；
图3为本发明的第三主应力柔性加载系统结构示意图；
图4为本发明的第一主应力加载系统、第二主应力加载系统和刚性垫板组合系统的的分解图；
图5为本发明的第二主应力施力反力架的结构示意图；
图6为本发明的第一主应力上垫板和下垫板的示意图；
图7为本发明的第三主应力施力液囊结构示意图。
其中，1—第一主应力加载系统，2—第二主应力加载系统，3—第三主应力柔性加载系统，4—刚性垫板组合系统，5—底座部分，6—注浆系统，7—出浆系统，8—数据收集系统，9—第一主应力反力板，10—第一主应力施力千斤顶，11—第一主应力反力柱，12—第一主应力顶板，13—由上向下垫板紧固螺栓，14—上透水板，15—螺栓，16—岩石试样，17—第二主应力施力挡板，18—第二主应力施力垫板，19—第二主应力施力柱，20—第二主应力施力千斤顶，21—第二主应力施力柱固定螺栓，22—由左向右垫板紧固螺栓，23—第二主应力左侧垫板，24—垫板胶皮垫，25—第一主应力下垫板，26—底座，27—底座出浆口，28—出浆管，29—由下向上垫板紧固螺栓，30—下透水板，31—第三主应力施力液囊，32—第二主应力顶板32，33—第三主应力施力液囊挡板，34—第三主应力施力液囊挡板固定螺栓，35—第三主应力注水压力变送器，36—第三主应力注水减水阀，37—第三主应力手动注水泵，38—第三主应力注水管路，39—注浆隔膜流量表，40—注浆储浆罐，41—注浆减压阀，42—注浆氮气供气罐，43—出浆流量表，44—出浆管路，45—出浆容纳桶，46—出浆浆液称重器，47—无纸记录仪，48—笔记本电脑，49—由右向左垫板紧固螺栓，50—第二主应力施力反力架，51—第二主应力施力加压泵，52—第一主应力施力加压泵，53—第二主应力右侧垫板，54—第一主应力上垫板，55—阀门，56—注浆管，57—第一主应力施力柱，58—注浆压力变送器。
具体实施例
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
如图1所示，本发明的CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置，包括真三轴实验盒、注浆系统6、出浆系统7和数据收集系统8，真三轴实验盒包括紧贴岩石试样16上下左右四个面形成加载结构的刚性垫板组合系统4，刚性垫板组合系统4包括四块错位设置的刚性垫板，刚性垫板与刚性垫板接触处设置有胶皮垫并通过螺栓施力将其压紧，刚性垫板组合系统4外侧设有刚性加载框体，刚性加载框体与刚性垫板组合系统4之间分别设有纵向施力装置和横向施力装置；岩石试样16的前面和后面设有紧贴岩石试样16的柔性施力装置，柔性施力装置与刚性垫板组合系统4相互匹配从而将岩石试样16包裹住，柔性施力装置始终保持与刚性垫板组合系统4无死角贴合岩石试样16的外表面，从而最大程度的保证岩石试样16的前面和后面受力均匀。
具体来说，包括第一主应力加载系统1、第二主应力加载系统2、第三主应力柔性加载系统3，还包括底座部分5、注浆系统6、出浆系统7和数据收集系统8；底座部分5包括底座26，底座26中心设有底座出浆口27；第一主应力加载系统1、第二主应力加载系统2、第三主应力柔性加载系统3、刚性垫板组合系统4和底座部分5组装构成真三轴实验盒；真三轴实验盒的扫描横截面区域内均为碳纤维材料，防止扫描图像出现伪影。
如图2和图4所示，刚性垫板组合系统4包括第一主应力上垫板54、第一主应力下垫板25、第二主应力左侧垫板23、第二主应力右侧垫板53、由上向下垫板紧固螺栓13、由下向上垫板紧固螺栓29、由左向右垫板紧固螺栓22、由右向左垫板紧固螺栓49、上透水板14和下透水板30，结构如图6所示；其中第一主应力上垫板54设置在岩石试样16的上面，第一主应力下垫板25设置在岩石试样16的下面，上透水板14设在第一主应力上垫板54与岩石试样16之间，下透水板30设在第一主应力下垫板25与岩石试样16之间，第二主应力左侧垫板23和第二主应力右侧垫板53分别设置在岩石试样16的左侧和右侧；第一主应力上垫板54下开设有凹槽，上透水板14设置在第一主应力上垫板54的凹槽内，第一主应力下垫板25上开设有凹槽，下透水板30设置在第一主应力下垫板25的凹槽内，实际使用时使用热缩管将岩石试样16包裹设置并利用上下密封带固定于刚性垫板组合系统4的上透水板14与下透水板30之间，有效提高注浆的密封性；
刚性垫板组合系统4的第一主应力上垫板54、第二主应力右侧垫板53、第一主应力下垫板25、第二主应力左侧垫板23围绕岩石试样16依次顺时针错位互扣拼接设置，第一主应力上垫板54、第二主应力右侧垫板53、第一主应力下垫板25、第二主应力左侧垫板23顺时针错位互扣拼接接触处设有垫板胶皮垫24，并利用由上向下垫板紧固螺栓13、由下向上垫板紧固螺栓29、由左向右垫板紧固螺栓22和由右向左垫板紧固螺栓49尽力将第一主应力上垫板54、第一主应力下垫板25、第二主应力左侧垫板23、第二主应力右侧垫板53相互接触处压紧，以防止浆液的溢出。
第一主应力加载系统1包括第一主应力反力板9、第一主应力施力千斤顶10、第一主应力反力柱11、第一主应力顶板12、第一主应力施力柱57；第一主应力反力板9通过四支第一主应力反力柱11设置在第一主应力顶板12上，第一主应力顶板12的中心处设有通孔，所述第一主应力反力板9与第一主应力顶板12之间垂直设有第一主应力施力千斤顶10，第一主应力施力千斤顶10上设有第一主应力施力柱57，第一主应力施力柱57的端面穿过第一主应力顶板12的通孔与第一主应力上垫板54的上表面接触，第一主应力施力柱57受第一主应力施力千斤顶10带动；第一主应力施力千斤顶10尾端通过管路连接有第一主应力施力加压泵52；
第二主应力加载系统2包括第二主应力顶板32、第二主应力施力挡板17、第二主应力施力垫板18、第二主应力施力柱19、第二主应力施力千斤顶20、第二主应力施力柱固定螺栓21、第二主应力施力加压泵20和第二主应力施力反力架50；第二主应力顶板32和第二主应力施力挡板17分别设置在刚性垫板组合系统4的两侧，第二主应力顶板32和第二主应力施力挡板17的顶端通过螺栓15分别与与第一主应力顶板12连接、底端通过螺栓15分别与底座26连接，第二主应力施力垫板18设置于第二主应力施力挡板17左侧、位于第二主应力施力挡板17与第二主应力右侧垫板53之间，第二主应力施力柱19包括贯穿第二主应力顶板32的方形柱，方形柱的一端与第二主应力左侧垫板23接触，另一端设有厚板，厚板上通过四个第二主应力施力柱固定螺栓21固定于第二主应力顶板32，厚板上设有第二主应力施力千斤顶20，第二主应力施力千斤顶20作用于厚板上，如图5所示，第二主应力施力千斤顶20通过管路连接有第二主应力施力加压泵51，第二主应力施力反力架50套在真三轴实验盒外侧与第二主应力施力千斤顶20相接触；所述第二主应力施力柱固定螺栓21能够限制第二主应力施力柱19相对于第二主应力顶板32向左产生位移，将第二主应力加载系统2的应力值保持于最终加载时的应力值；
所述由上向下垫板紧固螺栓13固定于第一主应力顶板12，并按由上向下方向施力于第二主应力左侧垫板23，所述由下向上垫板紧固螺栓29固定于底座26，并按由下向上方向施力于第二主应力右侧垫板53；所述由左向右垫板紧固螺栓22固定于第二主应力顶板32，并按由左向右方向施力于第一主应力下垫板25；所述由右向左垫板紧固螺栓49固定于第二主应力施力挡板17，并按由右向左方向施力于第一主应力上垫板54；
如图3所示，第三主应力柔性加载系统3包括第三主应力施力液囊31、第三主应力施力液囊挡板33和第三主应力施力液囊挡板固定螺栓34；第三主应力施力液囊31共有两个，分别设置在岩石试样16的前面和后面，并与刚性垫板组合系统4配合将岩石试样16包裹起来，两个第三主应力施力液囊31外侧分别设有两个第三主应力施力液囊挡板33，第三主应力施力液囊挡板33上下两端分别通过第三主应力施力液囊挡板固定螺栓34与第一主应力顶板12和底座26固定，第三主应力施力液囊挡板33上的第三主应力施力液囊挡板固定螺栓34的位置与跟螺栓15错位设置，如图7所示，第三主应力施力液囊31上设有进水颈口，进水颈口依次贯穿第一主应力下垫板25和底座26，进水颈口通过法兰连接有第三主应力注水管路38，第三主应力注水管路38顺序连接有阀门55、第三主应力注水减水阀36、第三主应力注水压力变送器35和第三主应力手动注水泵37；所述第三主应力柔性加载系统3具有两个第三主应力施力液囊31，能够实现第三主应力方向应力施加不相等的加载方式，从而实现单面卸载；
注浆系统6包括注浆管56、阀门55、注浆隔膜流量表39、注浆压力变送器58、注浆储浆罐40、注浆减压阀41和注浆氮气供气罐42；注浆管56一端穿过第二主应力施力挡板17、第一主应力上垫板54直至上透水板14，注浆管56的另一端通过管路与注浆储浆罐40上的阀门55连接，管路上顺序设有两个阀门55、注浆隔膜流量表39和注浆压力变送器58，注浆储浆罐40通过管路与注浆氮气供气罐42连接，管路上设有注浆减压阀41；
出浆系统7包括出浆管28、阀门55、出浆流量表43、出浆容纳桶45、出浆浆液称重器46和出浆管路44，出浆管28一端穿过底座出浆口27、第一主应力下垫板25与下透水板30接触，另一端通过出浆管路44连接出浆容纳桶45，出浆容纳桶45设置在出浆浆液称重器46上，出浆管路44上设有阀门55和出浆流量表43；
数据收集系统8包括无纸记录仪47和笔记本电脑48，无纸记录仪47分别连接注浆压力变送器58、注浆隔膜流量表39、出浆流量表43，笔记本电脑48连接出浆浆液称重器46和无纸记录仪47。所述数据收集系统8能够将注浆压力、注浆流量实时记录，通过计算可得到浆液渗流系数的实时变化规律。
一种CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验方法，其步骤如下：
a首先准备好岩石试样16，尺寸为50×50×100 mm，之后在岩石试样16表面涂抹硅胶，待硅胶晾干之后用热缩管将岩石试样16包裹牢固并利用上下密封带固定于刚性垫板组合系统4的上透水板14与下透水板30之间；
b将刚性垫板组合系统4至于底座部分5上并在刚性垫板组合系统4上安装第一主应力加载系统1和第二主应力加载系统2安装好；
c将制备完善的试件放置在装配好的试验装置内，安装好刚性垫板组合系统，利用由上向下垫板紧固螺栓13、由左向右垫板紧固螺栓22、由下向上垫板紧固螺栓29和由右向左垫板紧固螺栓49对第一主应力上垫板54、第一主应力下垫板25、第二主应力左侧垫板23、第二主应力右侧垫板53的接触处施加压力，压力大小视具体情况而定，保证垫板与垫板之间接触处达到最大限度的接触为准；由上向下垫板紧固螺栓29由第一主应力顶板54处开有螺纹的孔螺进，直到顶住第二主应力左侧垫板23，使第二主应力左侧垫板23与第一主应力下垫板25接触处达到最大限度的接触；由下向上垫板紧固螺栓29由底座部分26处开有螺纹的孔螺进，直到顶住第二主应力右侧垫板53，使第二主应力右侧垫板53与第一主应力上垫板54接触处达到最大限度的接触；由左向右垫板紧固螺栓22由第二主应力顶板32处开有螺纹的孔螺进，直到顶住第一主应力下垫板25，使第一主应力下垫板25与第二主应力右侧垫板53接触处达到最大限度的接触；由右向左垫板紧固螺栓49在第二主应力施力挡板17孔螺进，直到顶住第一主应力上垫板54，使第一主应力上垫板54与第二主应力左侧垫板23接触处达到最大限度的接触；此过程保持岩石试样16位置不变，然后缓慢施加第二主应力至1.0MPa，随后再缓慢施加第一主应力至1.0MPa；
d安装第三主应力柔性加载系统，之后将第一主应力和第二主应力缓慢加压至第一工作压力4.264MPa，在此期间第三主应力亦缓慢加压至第一工作压力4.264MPa，
e然后将第一主应力第二主应力缓慢加压至第二工作应力6.694 MPa，然后继续加载第一主应力直至岩石试样16破坏，此时轴向应力应变曲线会出现应力残余现象，将第二主应力施力柱固定螺栓21螺紧，拆下第二主应力施力反力架50
f 关闭安装有岩石试样16的真三轴实验盒的所有阀门，保证岩石试样16的压力不变的情况下拆除所有连接的管路，然后将真三轴实验盒放入医用CT进行扫描，收集扫描图片，然后从医用CT机上取下真三轴实验盒；
g在空旷的试验区域，安装好真三轴实验盒与注浆系统6、出浆系统7、数据收集系统8的管路，打开注浆管56及出浆管28上各处的阀门55，打开注浆氮气供气罐42，随即调整注浆减压阀41至预设注浆压力P1，开始进行注浆；待注浆隔膜流量表39、注浆压力变送器58、出浆流量表43数值稳定，此时出浆浆液称重器46数值增长速率稳定后，完成一次注浆压力的稳定注浆试验；
h关闭注浆氮气供气罐42，关闭各处阀门55，将注浆管56、出浆管28处的连接断开，将注浆系统6、出浆系统7、数据收集系统8拆下，将安装有岩石试样16的真三轴实验盒放在医用CT进行扫描，收集扫描图片，扫描结束后从医用CT机上取下；
i回到原试验区域，安装真三轴实验盒与注浆系统6、出浆系统7、数据收集系统8的管路，打开注浆管56及出浆管28的各处阀门55，打开注浆氮气供气罐42，调节随即调整注浆减压阀41至设计注浆压力P2，继续进行注浆；待注浆隔膜流量表39、注浆压力变送器58、出浆流量表43及出浆浆液称重器46数值稳定后完成第二次注浆压力的稳定注浆，然后调高注浆压力值，，即可完成不同注浆压力的注浆渗流试验。
j重复步骤h进行CT扫描试验，之后重复步骤i进行下一注浆压力的注浆实验，直至将设计的注浆压力值试验做完为止，以测定不同注浆终压下破裂岩体试样16的浆液渗透系数，以及研究不同注浆压力下岩体裂隙的扩展、增大裂隙宽度及压密未渗流区域的裂隙的效应及机理，拆卸实验装置，进行及时的清洗、整理；如果想进行不同的三向应力、不同的加载路线下压裂试样的注浆渗流耦合实验，则需重复步骤d~h。

Claims (8)

1.一种CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置，其特征在于：它包括真三轴实验盒、注浆系统（6）、出浆系统（7）和数据收集系统（8），真三轴实验盒包括紧贴岩石试样（16）上下左右四个面形成加载结构的刚性垫板组合系统（4），刚性垫板组合系统（4）包括四块错位设置的刚性垫板，刚性垫板与刚性垫板接触处设置有胶皮垫并通过螺栓施力将其压紧，刚性垫板组合系统（4）外侧设有刚性加载框体，刚性加载框体与刚性垫板组合系统（4）之间分别设有纵向施力装置和横向施力装置；岩石试样（16）的前面和后面设有紧贴岩石试样（16）的柔性施力装置，柔性施力装置与刚性垫板组合系统（4）相互匹配从而将岩石试样（16）包裹住，柔性施力装置始终保持与刚性垫板组合系统（4）无死角贴合岩石试样（16）的外表面，从而最大程度的保证岩石试样（16）的前面和后面受力均匀。
2.根据权利要求1所述的CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置，其特征在于：具体包括第一主应力加载系统（1）、第二主应力加载系统（2）、第三主应力柔性加载系统（3），还包括底座部分（5）、注浆系统（6）、出浆系统（7）和数据收集系统（8）；底座部分（5）包括底座（26），底座（26）中心设有底座出浆口（27）；第一主应力加载系统（1）、第二主应力加载系统（2）、第三主应力柔性加载系统（3）、刚性垫板组合系统（4）和底座部分（5）组装构成真三轴实验盒；
刚性垫板组合系统（4）包括第一主应力上垫板（54）、第一主应力下垫板（25）、第二主应力左侧垫板（23）、第二主应力右侧垫板（53）、由上向下垫板紧固螺栓（13）、由下向上垫板紧固螺栓（29）、由左向右垫板紧固螺栓（22）、由右向左垫板紧固螺栓（49）、上透水板（14）和下透水板（30）；其中第一主应力上垫板（54）设置在岩石试样（16）的上面，第一主应力下垫板（25）设置在岩石试样（16）的下面，上透水板（14）设在第一主应力上垫板（54）与岩石试样（16）之间，下透水板（30）设在第一主应力下垫板（25）与岩石试样（16）之间，第二主应力左侧垫板（23）和第二主应力右侧垫板（53）分别设置在岩石试样（16）的左侧和右侧；
第一主应力加载系统（1）包括第一主应力反力板（9）、第一主应力施力千斤顶（10）、第一主应力反力柱（11）、第一主应力顶板（12）、第一主应力施力柱（57）；第一主应力反力板（9）通过四支第一主应力反力柱（11）设置在第一主应力顶板（12）上，第一主应力顶板（12）的中心处设有通孔，所述第一主应力反力板（9）与第一主应力顶板（12）之间垂直设有第一主应力施力千斤顶（10），第一主应力施力千斤顶（10）上设有第一主应力施力柱（57），第一主应力施力柱（57）的端面穿过第一主应力顶板（12）的通孔与第一主应力上垫板（54）的上表面接触；第一主应力施力千斤顶（10）尾端通过管路连接有第一主应力施力加压泵（52）；
第二主应力加载系统（2）包括第二主应力顶板（32）、第二主应力施力挡板（17）、第二主应力施力垫板（18）、第二主应力施力柱（19）、第二主应力施力千斤顶（20）、第二主应力施力柱固定螺栓（21）、第二主应力施力加压泵（20）和第二主应力施力反力架（50）；第二主应力顶板（32）和第二主应力施力挡板（17）分别设置在刚性垫板组合系统（4）的两侧，第二主应力顶板（32）和第二主应力施力挡板（17）的顶端通过螺栓（15）分别与第一主应力顶板（12）连接、底端通过螺栓（15）分别与底座（26）连接，第二主应力施力垫板（18）设置于第二主应力施力挡板（17）左侧、位于第二主应力施力挡板（17）与第二主应力右侧垫板（53）之间，第二主应力施力柱（19）包括贯穿第二主应力顶板（32）的方形柱，方形柱的一端与第二主应力左侧垫板（23）接触，另一端设有厚板，厚板上通过四个第二主应力施力柱固定螺栓（21）固定于第二主应力顶板（32），厚板上设有第二主应力施力千斤顶（20），第二主应力施力千斤顶（20）通过管路连接有第二主应力施力加压泵（51），第二主应力施力反力架（50）套在真三轴实验盒外侧与第二主应力施力千斤顶（20）相接触；
所述由上向下垫板紧固螺栓（13）固定于第一主应力顶板（12），并按由上向下方向施力于第二主应力左侧垫板（23），所述由下向上垫板紧固螺栓（29）固定于底座（26），并按由下向上方向施力于第二主应力右侧垫板（53）；所述由左向右垫板紧固螺栓（22）固定于第二主应力顶板（32），并按由左向右方向施力于第一主应力下垫板（25）；所述由右向左垫板紧固螺栓（49）固定于第二主应力施力挡板（17），并按由右向左方向施力于第一主应力上垫板（54）；
第三主应力柔性加载系统（3）包括第三主应力施力液囊（31）、第三主应力施力液囊挡板（33）和第三主应力施力液囊挡板固定螺栓（34）；第三主应力施力液囊（31）共有两个，分别设置在岩石试样（16）的前面和后面，并与刚性垫板组合系统（4）配合将岩石试样（16）包裹起来，两个第三主应力施力液囊（31）外侧分别设有两个第三主应力施力液囊挡板（33），第三主应力施力液囊挡板（33）上下两端分别通过第三主应力施力液囊挡板固定螺栓（34）与第一主应力顶板（12）和底座（26）固定，第三主应力施力液囊（31）上设有进水颈口，进水颈口依次贯穿第一主应力下垫板（25）和底座（26），进水颈口通过法兰连接有第三主应力注水管路（38），第三主应力注水管路（38）顺序连接有阀门（55）、第三主应力注水减水阀（36）、第三主应力注水压力变送器（35）和第三主应力手动注水泵（37）；
注浆系统（6）包括注浆管（56）、阀门（55）、注浆隔膜流量表（39）、注浆压力变送器（58）、注浆储浆罐（40）、注浆减压阀（41）和注浆氮气供气罐（42）；注浆管（56）一端穿过第二主应力施力挡板（17）、第一主应力上垫板（54）直至上透水板（14），注浆管（56）的另一端通过管路与注浆储浆罐（40）上的阀门（55）连接，管路上顺序设有两个阀门（55）、注浆隔膜流量表（39）和注浆压力变送器（58），注浆储浆罐（40）通过管路与注浆氮气供气罐（42）连接，管路上设有注浆减压阀（41）；
出浆系统（7）包括出浆管（28）、阀门（55）、出浆流量表（43）、出浆容纳桶（45）、出浆浆液称重器（46）和出浆管路（44），出浆管（28）一端穿过底座出浆口（27）、第一主应力下垫板（25）与下透水板（30）接触，另一端通过出浆管路（44）连接出浆容纳桶（45），出浆容纳桶（45）设置在出浆浆液称重器（46）上，出浆管路（44）上设有阀门（55）和出浆流量表（43）；
数据收集系统（8）包括无纸记录仪（47）和笔记本电脑（48），无纸记录仪（47）分别连接注浆压力变送器（58）、注浆隔膜流量表（39）、出浆流量表（43），笔记本电脑（48）连接出浆浆液称重器（46）和无纸记录仪（47）。
3.根据权利要求2所述的CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置，其特征在于：刚性垫板组合系统（4）的第一主应力上垫板（54）、第二主应力右侧垫板（53）、第一主应力下垫板（25）、第二主应力左侧垫板（23）围绕岩石试样（16）依次顺时针错位互扣拼接设置，第一主应力上垫板（54）、第二主应力右侧垫板（53）、第一主应力下垫板（25）、第二主应力左侧垫板（23）顺时针错位互扣拼接接触处设有垫板胶皮垫（24），并利用由上向下垫板紧固螺栓（13）、由下向上垫板紧固螺栓（29）、由左向右垫板紧固螺栓（22）和由右向左垫板紧固螺栓（49）尽力将第一主应力上垫板（54）、第一主应力下垫板（25）、第二主应力左侧垫板（23）、第二主应力右侧垫板（53）相互接触处压紧，以防止浆液的溢出。
4.根据权利要求2所述的CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置，其特征在于：所述第二主应力施力柱固定螺栓（21）能够限制第二主应力施力柱（19）相对于第二主应力顶板（32）向左产生位移，将第二主应力加载系统（2）的应力值保持于最终加载时的应力值。
5.根据权利要求2所述的CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置，其特征在于：所述数据收集系统（8）能够将注浆压力、注浆流量实时记录，通过计算可得到浆液渗流系数的实时变化规律。
6.根据权利要求2所述的CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置，其特征在于：第一主应力上垫板（54）下开设有凹槽，上透水板（14）设置在第一主应力上垫板（54）的凹槽内，第一主应力下垫板（25）上开设有凹槽，下透水板（30）设置在第一主应力下垫板（25）的凹槽内，实际使用时使用热缩管将岩石试样（16）包裹设置并利用上下密封带固定于刚性垫板组合系统（4）的上透水板（14）与下透水板（30）之间，有效提高注浆的密封性。
7.根据权利要求2所述的CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验装置，其特征在于：所述第三主应力柔性加载系统（3）具有两个第三主应力施力液囊（31），能够实现第三主应力方向应力施加不相等的加载方式，从而实现单面卸载。
8.一种CT扫描用刚柔型真三轴注浆渗流耦合试验方法，其特征在于步骤如下：
a首先准备好岩石试样（16），之后在岩石试样（16）表面涂抹硅胶，待硅胶晾干之后用热缩管将岩石试样（16）包裹牢固并利用上下密封带固定于刚性垫板组合系统（4）的上透水板（14）与下透水板（30）之间；
b将刚性垫板组合系统（4）置于底座部分（5）上并在刚性垫板组合系统（4）上安装第一主应力加载系统（1）和第二主应力加载系统（2）安装好；
c将制备完善的试件放置在装配好的试验装置内，安装好刚性垫板组合系统，利用由上向下垫板紧固螺栓（13）、由左向右垫板紧固螺栓（22）、由下向上垫板紧固螺栓（29）和由右向左垫板紧固螺栓（49）对第一主应力上垫板（54）、第一主应力下垫板（25）、第二主应力左侧垫板（23）、第二主应力右侧垫板（53）的接触处施加压力，压力大小视具体情况而定，保证垫板与垫板之间接触处达到最大限度的接触为准；此过程保持岩石试样（16）位置不变，然后缓慢施加第二主应力至1.0MPa，随后再缓慢施加第一主应力至1.0MPa；
d安装第三主应力柔性加载系统，之后将第一主应力和第二主应力缓慢加压至第一工作压力，在此期间第三主应力亦缓慢加压至第一工作压力，
e然后将第一主应力第二主应力缓慢加压至第二工作应力，然后继续加载第一主应力直至岩石试样（16）破坏，此时轴向应力应变曲线会出现应力残余现象，将第二主应力施力柱固定螺栓（21）螺紧，拆下第二主应力施力反力架（50）
f 关闭安装有岩石试样（16）的真三轴实验盒的所有阀门，保证岩石试样（16）的压力不变的情况下拆除所有连接的管路，然后将真三轴实验盒放入医用CT进行扫描，收集扫描图片，然后从医用CT机上取下真三轴实验盒；
g在空旷的试验区域，安装好真三轴实验盒与注浆系统（6）、出浆系统（7）、数据收集系统（8）的管路，打开注浆管（56）及出浆管（28）上各处的阀门（55），打开注浆氮气供气罐（42），随即调整注浆减压阀（41）至预设注浆压力P1，开始进行注浆；待注浆隔膜流量表（39）、注浆压力变送器（58）、出浆流量表（43）数值稳定，此时出浆浆液称重器（46）数值增长速率稳定后，完成一次注浆压力的稳定注浆试验；
h关闭注浆氮气供气罐（42），关闭各处阀门（55），将注浆管（56）、出浆管（28）处的连接断开，将注浆系统（6）、出浆系统（7）、数据收集系统（8）拆下，将安装有岩石试样（16）的真三轴实验盒放在医用CT进行扫描，收集扫描图片，扫描结束后从医用CT机上取下；
i回到原试验区域，安装真三轴实验盒与注浆系统（6）、出浆系统（7）、数据收集系统（8）的管路，打开注浆管（56）及出浆管（28）的各处阀门（55），打开注浆氮气供气罐（42），调节随即调整注浆减压阀（41）至设计注浆压力P2，继续进行注浆；待注浆隔膜流量表（39）、注浆压力变送器（58）、出浆流量表（43）及出浆浆液称重器（46）数值稳定后完成第二次注浆压力的稳定注浆，然后调高注浆压力值，，即可完成不同注浆压力的注浆渗流试验；
j重复步骤h进行CT扫描试验，之后重复步骤i进行下一注浆压力的注浆实验，直至将设计的注浆压力值试验做完为止，以测定不同注浆终压下破裂岩体试样（16）的浆液渗透系数，以及研究不同注浆压力下岩体裂隙的扩展、增大裂隙宽度及压密未渗流区域的裂隙的效应及机理，拆卸实验装置，进行及时的清洗、整理；如果想进行不同的三向应力、不同的加载路线下压裂试样的注浆渗流耦合实验，则需重复步骤d~h。
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