CN115596027B - 高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，包括三维裂隙岩层模型试验系统、注浆封堵与加固模拟系统、加固地层高地压‑水压‑渗流‑侵蚀失稳模拟试验系统。所述三维裂隙岩层模型试验系统模拟海水压、渗流及侵蚀作用，并模拟上覆岩层压力及周围岩体围压；所述注浆封堵与加固模拟系统模拟注浆封堵与加固过程；所述加固地层高地压‑水压‑渗流‑侵蚀失稳模拟试验系统模拟加固岩层长期力学性质及失稳。本发明能实现高地压‑海水压‑渗流‑侵蚀耦合作用下三维裂隙网络岩层注浆封堵加固、加固岩层长期力学性质与加固地层失稳的试验模拟，对实际海底隧道三维裂隙网络岩层注浆封堵、加固岩层长期稳定性具有积极参考作用。
Description
技术领域
本发明涉及海底隧道及海洋岩土灾害防控领域，尤其涉及一种高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置。
背景技术
在海底隧道建设过程中，高地应力、高海水压、饱海水渗流-侵蚀条件下复杂裂隙网络岩层突水突泥、塌方是常见不良地质灾害，海水通过裂隙网络渗流至岩体内部，存在高地压-海水压-海水渗流-海水侵蚀的长期复杂耦合作用，岩体节理将会发生剧烈扩展演化，加剧岩体破碎程度，严重降低围岩稳定性，极易导致突水突泥、塌方等重大地质灾害。由于海水条件下裂隙岩体承载力弱，裂隙本身为地下水的良好通道，渗水量大，抗渗性差，且裂隙生长往往杂乱无序，容易形成复杂的裂隙网络，极易导致涌水失稳，导致散体冒落、大面积塌方等事故频发。目前，常采用注浆加固方法来提高裂隙岩体力学性能，使其满足工程需求。注浆加固法是将胶结注浆材料通过导管或其他装置注入岩土体的裂隙、孔隙、空洞以及承压含水层中，浆液经扩散、硬化、凝固等过程，充分填充岩土体空隙，以减小岩土体渗透性，形成一定厚度的胶结体，此时岩土体强度和稳定性大大增强，进而达到岩土体堵水、加固、防渗等目的。
现阶段海底地下工程三维裂隙网络岩层的注浆封堵与加固存在的技术难题有：(1)注浆位置隐蔽性强，水域勘查困难，建设风险高。(2)海底隧道上赋海水无限补给，突水突泥现象一旦发生难以自行终止，危害巨大。(3)隧道开挖与长期渗透压综合作用下的富水三维裂隙岩层失稳破坏机理复杂，灾变难以预警与防控。(4)风险性高，富水裂隙岩层长期处于地下水渗流以及地下水离子侵蚀作用下，岩体性质劣化严重，在施工扰动作用下灾变风险更高。针对富水裂隙岩层注浆加固这一技术难题所做的模型试验中，也存在不能同时准确模拟海水、地应力、注浆状态的困难。
同时，现阶段海底地下工程三维裂隙网络岩层的注浆封堵加固模型试验装置中存在的不足之处有：(1)一般模型试验大多是单一平板裂隙模型，只能模拟局部的平面裂隙注浆情况，与真实的三维裂隙网络形状、节理构造相差较大。(2)三维裂隙网络经过常年的海水作用、地壳运动影响，产生了不同粗糙度、起伏度以及吸附泥沙等介质构造的表面，但一般裂隙选用光滑平板作为裂隙上下表面，未考虑裂隙粗糙度、起伏度、含泥质构造等因素的影响。(3)海底地下工程经常受到海水作用和高地压影响，一般模型装置无法做到高地压或统筹高地压和海水压的整体作用。(4)注浆后，加固体一直暴露在海水之中，受到高地压、海水的侵蚀和渗流作用，还存在失稳的风险；以往装置未将注浆封堵与加固、加固岩层长期高地应力-海水压-海水渗流-海水侵蚀耦合作用下岩层失稳融合在一个装置，因此目前亟需研发高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与加固、失稳一体化的模型试验装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题提供一种高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，能够有效模拟高地应力、海水压、海水渗流-侵蚀耦合复杂工况下裂隙围岩注浆封堵加固过程及长期复杂荷载工况下失稳过程，能够有效定量研究高地压饱海水三维裂隙网络岩层注浆封堵与加固效果与失稳临界力学等条件。本发明的有益之处在于：
1.以往单一平板裂隙模型只能模拟局部的平面裂隙注浆情况，未考虑真实的三维裂隙网络形状、节理构造，与实际状况相差很大。本发明构建了饱海水真实三维裂隙网络岩体地层，根据实际三维岩层裂隙产状，能模拟各种平行、交叉、衍生互联的三维裂隙网络岩体，并能确保三维裂隙岩层处于真实饱海水环境。
2.实际三维裂隙岩层经过多年地应力、海水渗流-侵蚀作用、地壳运动等影响，产生了不同粗糙度、起伏度以及吸附泥沙等介质构造的表面，传统的裂模拟装置选用光滑平板作为裂隙上下表面，未考虑裂隙粗糙度、起伏度、含泥质构造等因素的影响。本发明综合考虑了裂隙表面、构造等性质的影响，利用3D打印技术，能制作不同的粗糙度、起伏度、充填泥种类、充填泥含量等的裂隙面。
3.海底隧道等海底地下工程经常受到高地应力、海水压、海水渗流-侵蚀等复杂耦合作用，一般模型装置不能有效模拟高地压、饱海水压及海水渗流-侵蚀整体耦合工况下的真实三维裂隙网络岩体的注浆封堵与加固模拟效果。本发明统筹高地压、海水压、海水渗流、海水侵蚀的整体耦合作用，有效实现了以上整体耦合作用下三维裂隙网络岩体的动态注浆封堵与加固效果模拟。
4.以往模型试验装置一般只侧重注浆封堵或加固过程，或只侧重海水长期渗透-侵蚀过程破坏过程，未将施工期模拟与运营期模拟有机地结合在一起，且未重点针对高地压饱海水裂隙网络岩体地层。本发明重点针对高地压饱海水裂隙网络岩层，将注浆封堵与加固、加固岩层长期高地应力-海水压-海水渗流-海水侵蚀耦合作用下地层失稳等有机地、整体地融合在一个模型试验装置，因此本发明既能够有效模拟高地压饱海水裂隙网络岩层在施工期注浆封堵与加固效果，又能够有效模拟运营期加固裂隙岩层失稳破坏规律等，起到了方便、高效、一体化等有益作用。
5.本发明同时提供了高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验方法，包括长期高地应力、饱海水渗流循环荷载模拟方法等，能为海底隧道等重大工程饱海水三维裂隙网络岩层提供有效的施工期注浆封堵与加固模型试验方法、运营期加固裂隙岩层失稳破坏模型试验方法，对于实际工程优化改进具有积极有益作用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，包括三维裂隙岩层模型框架系统、注浆封堵与加固系统、加固地层高地压-海水压-渗流-侵蚀失稳模拟试验系统。其中三维裂隙网络岩层模型框架系统包括三维裂隙网络岩层、海水模拟系统、地应力模拟系统和注浆模型框架系统。
进一步的，所述三维裂隙岩层以真实岩体为原材料，根据实际岩层形貌，对其进行切割、打磨等操作，制备成带有三维裂隙网络的岩体地层。根据实际情况使用绘图或建模软件，绘制出不同粗糙度和起伏度的裂隙表面，使用3D打印技术将绘制的裂隙表面打印到预制的三维裂隙网络岩层上。根据实际岩层的裂隙中介质种类、介质含量、含泥量等情况，在裂隙中预设泥质充填介质。
进一步的，所述海水模拟系统由海水供给设备、水压动力设备、注水导管组成，通过海水模拟系统可实现对三维裂隙网络岩层注浆封堵前后饱和海水压、海水侵蚀、海水渗流作用的模拟。海水可在实际施工现场就地选取，也可根据海水的组成成分与配比合成人造海水；海水供给设备中含有数据监测元件，可以监测注入海水总量、当前注水速率、当前注水压力等相关参数；通过水压动力设备中的空气压缩机和气压调节阀将海水持续、稳定地注入注浆模型框架系统的三维裂隙网络岩层。
进一步的，所述地应力模拟系统由油泵、液压油缸、顶部加压板、侧向加压板组成；顶部加压板为圆形状钢板，其直径略小于注浆模型框架系统的内径，侧向加压板包裹在三维裂隙网络岩层周围，其圆周长度略大于岩层的圆周长度，略小于注浆模型框架系统的大小，其高度可按实际需求决定，侧向加压板上打孔位置与注浆模型框架系统上打孔位置一致；通过油泵为液压油缸提供动力，顶部的液压油缸将力作用于顶部加压板，侧面的液压油缸将力作用于侧向加压板，顶部加压板对岩体施加的力用于模拟上覆地层的重力、局部高地应力等，侧向加压板对岩层施加的力用于模拟周围地层造成的围压。
进一步的，所述注浆模型框架系统为圆柱体状，由顶部钢板、底部钢板和侧面带肋钢板组成，其顶部钢板和底部钢板为尺寸相同的圆形钢板，顶部钢板上开设有可以插入液压油缸大小的油缸孔，底部钢板开设有注浆孔；侧面带肋钢板为四分之一圆弧形钢板，且带有横向和纵向肋，四块侧面带肋钢板可以拼接为一个整圆柱体侧面，拼接后的横向肋板为一圆环状，其外圈圆的直径与顶部钢板和底部钢板的直径大小相等；其侧面带肋钢板上的横向肋板和纵向肋板上都开设螺丝孔，每块横向肋板上开设有两个螺丝孔，纵向肋板上开设有一个螺丝孔；纵向肋板上的螺丝孔主要用于将同一横向的四个侧面带肋钢板拼接起来，使其成为一个完整的圆柱体侧面，之后再通过横向肋板上螺丝孔将拼接好的圆柱体侧面按照实际需求的大小纵向组合起来，再在其顶部和底部通过螺丝孔与顶部钢板和底部钢板拼接起来，并在各钢板接触的位置使用密封带和密封胶，保证其密封性，使其成为完整的注浆模型框架系统；在根据实际三维裂隙网络岩层尺寸搭建好注浆模型框架系统之后，在注浆模型框架系统的靠上方位置的侧壁、高度略高于三维裂隙网络岩层的位置处，开设一个后期用于模拟海水侵蚀渗流作用的海水注入孔，在注水阶段和注浆阶段，此孔处于关闭状态，在注浆阶段完成后，对注浆加固岩层进行长期稳定性测试时开启。所述注浆模型框架系统的侧面带肋钢板上可以根据实际需求在相应的位置开设相应大小的孔，例如，在与裂隙接触的位置开设注(出)水孔、在需要施加围压的位置开设油缸孔等。
通过所述三维裂隙岩层模型试验系统可模拟注浆过程中的高地压-海水压-侵蚀的耦合条件，通过水压动力设备模拟真实工况中三维裂隙网络岩层所受到的海水压力，液压油缸通过包裹在三维裂隙网络岩层顶部和四周的加压板施加压力来模拟真实工况中三维裂隙网络岩层所受到的地压，在整个过程中，海水在整个注浆模型框架系统中充分流动，可以很好的模拟真实工况中海水对加固后三维裂隙网络岩层的侵蚀作用。海水模拟系统与地应力模拟系统独立施工，互不干扰，其作用效果又相互耦合，确保了模拟系统的稳定，使其更贴近真实工况。
进一步的，所述注浆封堵与封堵加固系统由储浆桶、注浆泵、浆液混合器、注浆管组成；浆液为单液浆时，无需使用浆液混合器，且储浆桶和注浆泵各需一个；浆液为双液浆时，需准备两个储浆桶分别存放A、B液，分别使用注浆泵将储浆桶内的浆液泵入浆液混合器中，待A、B液混合均匀后，再通过注浆管将其注入三维裂隙网络岩层裂隙中，进行对三维裂隙网络的封堵和加固。
进一步的，所述加固地层高地压-渗流-侵蚀失稳模拟试验系统用于注浆后加固岩层长期稳定性和渗透失稳的试验研究。根据当地海水流速和地壳运动变化与周期性规律，对加固地层施加长期循环荷载以及海水的周期性渗流。在长期渗透失稳后，将加固岩层取出，进行相应的研究。
进一步的，本专利提供了使用此装置进行和三维裂隙网络岩层注浆封堵加固，以及注浆完成后加固地层在渗流-地应力-海水侵蚀耦合下失稳情况的模型试验方法，其具体方法为：
(1)组装注浆模型框架系统：准备好底部钢板和四块侧向钢板，对齐一块侧向钢板上横向肋板上的螺丝孔和底部钢板上的螺丝孔的位置，先在两者接触位置涂抹密封胶，再通过精钢螺丝将两者固定在一起，其余三块侧向钢板同理，并在侧向钢板两两接触的位置涂抹密封胶，此时侧向钢板纵向肋板上的螺丝孔对齐，同样通过精钢螺丝将其固定；将上述搭好的结构放置在指定试验位置，在三维裂隙网络岩层的裂隙处放置渗压、渗流等传感器；使用侧向加压板将岩层包裹，侧向加压板高度与岩层持平或略低于三维裂隙网络岩层的高度，并在侧向加压板和三维裂隙网络岩层的裂隙重合处钻孔，将包裹好的两者底部放置在装置里面。
(2)准备其余的侧向钢板，自(1)所述的结构自下而上的组建好注浆模型框架系统的侧面结构，在与裂隙的重合处钻孔，使其能与注水导管相连，并在不会影响注浆和注水效果的位置开设油缸孔；最后一层的侧向钢板安装完成后，注浆模型框架系统的高度略高于三维裂隙网络岩层高度，在岩层的上部放置顶部加压板，其直径略小于注浆模型框架系统，以便忽略顶部加压板与注浆模型框架系统之间摩擦力的影响；安置顶部钢板，组成完整的注浆模型框架系统。
(3)将液压油缸放置在开设好的油缸孔里，并于油泵相连接，以此模拟地应力的作用；将其他各部分系统按照图示组装完成。
(4)准备海水模拟系统，将所述海水模拟系统通过注水导管连通岩层裂隙，往注浆模型框架系统内注入海水，开启水压动力设备以调整注水的速度和压力，待裂隙另一侧的出水孔中有海水流出时，保持此状态24h以上，以满足海水的侵蚀与渗流模拟条件。
(5)准备地应力模拟系统，使地应力模拟系统对三维裂隙网络岩层施加顶部压力和围压，以模拟注浆部位上侧和周围的地层应力；在海水模拟系统和地应力模拟系统的作用下，创造水压-地压-海水渗流耦合条件。
(6)准备注浆封堵与加固系统，注浆封堵与加固系统通过注浆管能连通注浆口，将调配好的A液与B液分别倒入两个储浆桶内，再由注浆泵泵入浆液混合器中，使A液与B液在浆液混合器内混匀，并与注浆管连接往注浆模型框架系统内注入；待裂隙口有浆液流出时，说明裂隙封堵完成；观测注浆管和裂隙口上流量计指示，当注浆管和裂隙口的浆液流速和浓度相近时，停止注浆。
(7)注浆完成后，开始进行高地压-海水压-渗流-侵蚀耦合对裂岩层注浆加固体的影响测试。模拟海水周期性循环作用下的侵蚀与渗流作用：开启海水模拟系统，打开注浆模型框架系统靠上方位置的侧壁处的海水注入孔，使用水压动力设备将海水通过海水注入孔的注入到注浆模型框架系统中，并根据海水周期性流动的特征，控制各海水注入孔的流速、注入方向，以保证海水对岩层加固体周期性的渗流；模拟高地应力对加固地层的循环往复作用：开启地应力模拟系统，通过设定参数实现液压油泵对岩层加固体施加循环荷载；在试验过程中，定期打开注浆模型框架系统，检查岩层注浆加固体状态，若未出现因侵蚀、渗流和地应力作用产生的裂痕、破碎等现象，则继续保持长期的地应力和海水侵蚀渗流状态，直至裂隙注浆加固体在渗流-地应力-海水压-海水侵蚀耦合下出现失稳情况。
(8)打开注浆模型框架系统，取出失稳的岩层加固体，放入养护室中养护，养护完成后，研究岩层注浆加固体整体的失稳情况和开展相应的试验研究。
(9)对整体的失稳情况研究结束后，可对岩层注浆加固体进行取芯：使用手动切割机在破坏位置和关键裂隙位置附近切出不小于100mm(长)×100mm(宽)×120mm(高)的试样；再使用取芯机对此试样进行取芯，去除的岩芯应满足直径大于50mm，高度大于110mm；最后使用磨平机对岩芯断面或粗糙面进行磨平处理，磨平后的岩芯试样直径为50mm，高度为100mm，双端面平整，将做好的岩芯进行密封保存，以便之后开展渗透性和力学性能的相关研究。
附图说明
所附图构成本发明专利申请的一部分内容，目的为更好的解释与说明本发明专利的相关信息，应当理解的，本发明专利申请的附图并不对发明专利内容进行一些不当限定。
图1为模拟饱海水和高地压条件下三维裂隙网络岩层注浆的试验装置的正面剖视图；
图2为此装置中注浆模拟系统和各部分钢板的结构示意图；
图3为此装置中地应力加载系统施加荷载示意图；
图4为岩体不同三维裂隙网络情况下的传感器和液压油缸分布图；
图5为三维裂隙网络岩层的裂隙表面的起伏度示意图；
图6为三维裂隙网络岩层的断层表面不同裂隙示意图；
图7为不同三维裂隙网络情况时传感器分布图；
图8为充填介质的及其注浆时浆液扩散图；
图9为加固岩层高地压-渗流-侵蚀失稳模拟试验系统结构示意图；
图10为在图9标注位置加工后岩芯的结构示意图。
图中，1—储浆桶，2—注浆泵，3—带肋钢板，4—精钢螺丝，5—侧向加压板，6—液压油缸，7—顶部加压板，8—三维裂隙网络岩层，9—传感器，10—顶部钢板，11—底部钢板，12—注浆管，13—流量计，14—浆液混合器，15—压力-流速监测装置，16—水压动力设备，17—海水供给设备，18—数据采集中心，19—注水导管，20—注(出)水孔，21—油缸孔，22—螺丝孔，23—横向肋板，24—纵向肋板。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，用于高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，包括三维裂隙岩层模型试验系统、注浆封堵与加固系统、加固地层高地压海水压-渗流-侵蚀失稳模拟试验系统。其中三维裂隙网络岩层模型框架系统包括三维裂隙岩层、海水模拟系统、地应力模拟系统和注浆模型框架系统。
其三维裂隙岩层8以真实岩体为原材料，根据实际岩层形貌，对其进行切割、打磨等操作，制备成带有三维裂隙网络的岩体地层。根据实际情况使用绘图或建模软件，绘制出不同粗糙度和起伏度的三维裂隙表面，使用3D打印技术，将绘制的三维裂隙表面打印到预制的三维裂隙网络岩层上。根据实际岩层裂隙中介质种类、介质含量、含泥量等情况，在裂隙中预设泥质充填介质。
其海水模拟系统由海水供给设备17、水压动力设备16、注水导管19组成，通过海水模拟系统可实现对三维裂隙网络岩层注浆封堵前后饱和海水压、海水侵蚀、海水渗流作用的模拟。海水可在实际施工现场就地选取，也可根据海水的组成成分与配比合成人造海水；海水供给设备17中含有数据监测元件15，可以监测注入海水总量、当前注水速率、当前注水压力等相关参数；通过水压动力设备16中的空气压缩机和气压调节阀将海水持续、稳定得注入注浆模型框架系统中的三维裂隙网络岩层。
其地应力模拟系统由液压油缸6、顶部加压板7、侧向加压板组成5；顶部加压板7为圆形状钢板，其直径略小于注浆模型框架系统的内径，侧向加压板5包裹在三维裂隙网络岩层8周围，其圆周长度略大于岩层的圆周长度，略小于注浆模型框架系统的大小，其高度可按实际需求决定，打孔的位置与注浆模型框架系统上打孔位置一致；通过油泵为液压油缸6提供动力，顶部的液压油缸6将力作用于顶部加压板7，侧面的液压油缸6将力作用于侧向加压板5，顶部加压板7对岩层8施加的力用于模拟上覆地层的重力、高地应力等，侧向加压板5对岩层8施加的力用于模拟周围地层造成的围压。
如图2.3.4所示，其注浆模型框架系统为圆柱体状，由顶部钢板10、底部钢板11和侧面带肋钢板3组成，其顶部钢板10和底部钢板11为尺寸相同的圆形钢板，顶部钢板10上开设有可以插入液压油缸6大小的油缸孔21，底部钢板11开设有注浆孔；侧面带肋钢板3为四分之一圆弧形钢板，且带有横向肋板23和纵向肋板24，四块侧面带肋钢板可以拼接为一个整圆柱体侧面，拼接后的横向肋板23为一圆环状，其外圈圆的直径与顶部钢板10和底部钢板11的直径大小相等；其侧面带肋钢板3上的横向肋板23和纵向肋板24上都开设螺丝孔22，每块横向肋板23上开设有两个螺丝孔22，纵向肋板24上开设有一个螺丝孔22；纵向肋板24上的螺丝孔22主要用于将同一横向的四个侧面带肋钢板拼接起来，使其成为一个完整的圆柱体侧面，之后再通过横向肋板23上螺丝孔22将拼接好的圆柱体侧面按照实际需求的大小纵向组合起来，再在其顶部和底部通过螺丝孔22与顶部钢板10和底部钢板11拼接起来，并在各钢板接触的位置使用密封带和密封胶，保证其密封性，使其成为完整的注浆模型框架系统；在根据实际三维裂隙网络岩层尺寸搭建好注浆模型框架系统之后，在注浆模型框架系统的靠上方位置的侧壁、高度略高于三维裂隙网络岩层8的位置处，开设一个后期用于模拟海水侵蚀渗流作用的海水注入孔，在注水阶段和注浆阶段，此孔处于关闭状态，在注浆阶段完成后，对注浆加固岩层进行长期稳定性测试时开启。所述注浆模型框架系统的侧面带肋钢板3上可以根据实际需求在相应的位置开设相应大小的孔，例如，在与裂隙接触的位置开设注(出)水孔20、在需要施加围压的位置开设油缸孔21等。
通过所述三维裂隙岩层模型试验系统可模拟直径过程中高地压-海水压-侵蚀的耦合条件，通过水压动力设备模拟真实工况中三维裂隙网络岩层所受到的海水压力，液压油缸通过包裹在三维裂隙网络岩层顶部和四周的加压板施加压力来模拟真实工况中三维裂隙网络岩层所受到的地压，在整个过程中，海水在整个注浆模型框架系统中充分流动，可以很好的模拟真实工况中海水对加固后三维裂隙网络岩层的侵蚀作用。海水模拟系统与地应力模拟系统独立施工，互不干扰，其作用效果又相互耦合，确保了模拟系统的稳定，使其更贴近真实工况。
进一步的，所述注浆封堵与加固系统由储浆桶1、注浆泵2、浆液混合器14、注浆管12组成；浆液为单液浆时，无需使用浆液混合器14，且储浆桶1和注浆泵2各需一个；浆液为双液浆时，需准备两个储浆桶1分别存放A、B液，分别使用注浆泵2将储浆桶1内的浆液泵入浆液混合器14中，待A、B液混合均匀后，再通过注浆管12将其注入到三维裂隙网络岩层8的裂隙中，进行对裂隙的封堵和加固。
进一步的，所述加固地层高地压-海水压-渗流-侵蚀失稳模拟试验系统用于注浆后加固岩层长期稳定性和渗透失稳的试验研究。根据当地海水流速和地壳运动的变化与规律对加固地层施加长期循环荷载以及海水的周期性渗流。在长期渗透失稳后，将加固岩层取出，进行相应的研究。
进一步的，本专利提供了使用此装置进行和三维裂隙网络岩层注浆封堵加固，以及注浆完成后加固地层在渗流-地应力-海水侵蚀耦合下失稳情况的模型试验方法，其具体方法为：
(1)组装注浆模型框架系统：准备好底部钢板11和四块侧向钢板，对齐一块侧向钢板上横向肋板23上的螺丝孔33和底部钢板上11的螺丝孔33的位置，先在两者接触位置涂抹密封胶，再通过精钢螺丝4将两者固定在一起，其余三块侧向钢板同理，并在侧向钢板两两接触的位置涂抹密封胶，此时侧向钢板纵向肋板24上的螺丝孔22对齐，同样通过精钢螺丝4将其固定；将上述搭好的结构放置在指定试验位置，在三维裂隙网络岩层8的裂隙处放置渗压、渗流等传感器9；使用侧向加压板5将岩层包裹，侧向加压板5高度与岩层持平或略低于三维裂隙网络岩层8的高度，并在侧向加压板5和三维裂隙网络岩层8的裂隙重合处钻孔，将包裹好的两者底部放入装置。
(2)准备其余的侧向钢板，自(1)所述的结构自下而上的组建好注浆模型框架系统的侧面结构，在与裂隙的重合处钻孔，使其能与注水导管19相连，并在不会影响注浆和注水效果的位置开设油缸孔21；最后一层的侧向钢板安装完成后，注浆模型框架系统的高度略高于三维裂隙网络岩层高度，在岩层的上部放置顶部加压板7，其直径略小于注浆模型框架系统，以便忽略顶部加压板7与注浆模型框架系统之间摩擦力的影响；安置顶部钢板10，组成完整的注浆模型框架系统。
(3)将液压油缸6放置在开设好的油缸孔21里，并于油泵相连接，以此模拟地应力的作用；将其他各部分系统按照图示组装完成。
(4)准备海水模拟系统，将所述海水模拟系统通过注水导管19连通岩层裂隙，往注浆模型框架系统内注入海水，开启水压动力设备16以调整注水的速度和压力，待裂隙另一侧的出水孔中有海水流出时，保持此状态24h以上，以满足海水的侵蚀与渗流模拟条件。
(5)准备地应力模拟系统，使地应力模拟系统对三维裂隙网络岩层施加顶部压力和围压，以模拟注浆部位上侧和周围的地层应力；在海水模拟系统和地应力模拟系统的作用下，创造水压-地压-海水渗流耦合条件。
(6)准备注浆封堵与加固系统，注浆封堵系统通过注浆管12能连通注浆口，将调配好的A液与B液分别倒入两个储浆桶内，再由注浆泵泵入浆液混合器14中，使A液与B液在浆液混合器14内混匀，与注浆管12连接，注入注浆模型框架系统；裂隙口有浆液流出时，说明裂隙封堵完成；观测注浆管12和裂隙口上流量计13指示，注浆管12和裂隙口浆液流速和浓度相近时，停止注浆。
(7)注浆完成后，开始进行高地压-海水压-渗流-侵蚀耦合对裂岩层注浆加固体的影响测试。模拟海水周期性循环作用下的侵蚀与渗流作用：开启海水模拟系统，打开注浆模型框架系统的靠上方位置的侧壁处的海水注入孔，使用水压动力设备16将海水通过海水注入孔注入到注浆模型框架系统中，并根据海水周期性流动的特征，控制各海水注入孔的流速、注入方向，以保证海水对岩层加固体周期性的渗流；模拟高地应力对加固地层的循环往复作用：开启地应力模拟系统，通过设定参数实现液压油泵对岩层加固体施加循环荷载；在试验过程中，定期打开注浆模型框架系统，检查岩层注浆加固体状态，若未出现因侵蚀、渗流和地应力作用产生的裂痕、破碎等现象，则继续保持长期的地应力和海水侵蚀渗流状态，直至裂隙注浆加固体在渗流-地应力-海水压-海水侵蚀耦合下出现失稳情况。
(8)打开注浆模型框架系统，取出失稳的岩层加固体，放入养护室中养护，养护完成后，研究岩层注浆加固体整体的失稳情况和开展相应的试验研究。
(9)对整体的失稳情况研究结束后，可对岩层注浆加固体进行取芯：使用手动切割机在破坏位置和关键裂隙位置附近切出不小于100mm(长)×100mm(宽)×120mm(高)的试样；再使用取芯机对此试样进行取芯，去除的岩芯应满足直径大于50mm，高度大于110mm；最后使用磨平机对岩芯存在的断面或粗糙面进行磨平处理，磨平后的岩芯试样直径为50mm，高度为100mm，双端面平整，将岩芯进行密封保存，以便之后开展渗透性和力学性能相关研究。
Claims (7)
1.一种高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，包括三维裂隙岩层模型框架系统、注浆封堵与加固系统、加固地层高地压-海水压-渗流-侵蚀失稳模拟试验系统；其中三维裂隙岩层模型框架系统包括三维裂隙网络岩层、海水模拟系统、地应力模拟系统和注浆模型框架系统；
所述地应力模拟系统由油泵、液压油缸、顶部加压板、侧向加压板组成；顶部加压板为圆形钢板，其直径略小于注浆模型框架系统的内径，侧向加压板包裹在三维裂隙网络岩层周围，其圆周长度略大于岩层的圆周长度，略小于注浆模型框架系统的大小，其高度按实际需求决定，侧向加压板上打孔位置与注浆模型框架系统上打孔位置一致；通过油泵为液压油缸提供动力，顶部的液压油缸将力作用于顶部加压板，侧面的液压油缸将力作用于侧向加压板，顶部加压板对岩体施加的力用于模拟上覆岩层重力、局部高地应力，侧向加压板对岩层施加的力用于模拟周围地层造成的围压；
所述注浆模型框架系统为圆柱体状，由顶部钢板、底部钢板和侧面带肋钢板组成，其顶部钢板和底部钢板为尺寸相同的圆形钢板，顶部钢板上开设有可以插入液压油缸大小的油缸孔，底部钢板开设有注浆孔；
所述侧面带肋钢板为四分之一圆弧形钢板，且带有横向和纵向肋，四块侧面带肋钢板可以拼接为一个整圆柱体侧面，拼接后的横向肋板为一圆环状，其外圈圆的直径与顶部钢板和底部钢板的直径相等；
所述侧面带肋钢板上的横向肋板和纵向肋板上都开设螺丝孔，每块横向肋板上开设有两个螺丝孔，纵向肋板上开设有一个螺丝孔；纵向肋板上的螺丝孔用于将同一横向的四个侧面带肋钢板拼接起来，使其成为一个完整的圆柱体侧面，之后再通过横向肋板上螺丝孔将拼接好的圆柱体侧面按照实际需求的大小纵向组合起来，再在其顶部和底部通过螺丝孔与顶部钢板和底部钢板拼接起来，并在各钢板接触的位置使用密封带和密封胶，保证其密封性，使其成为完整的注浆模型框架系统；
所述注浆模型框架系统搭建完成之后，在注浆模型框架系统的靠上方位置的侧壁、高度略高于岩层的位置处，开设一个后期用于模拟海水侵蚀渗流作用的海水注入孔，在注海水阶段和注浆阶段，此孔处于关闭状态，在注浆阶段完成后，对注浆加固岩层进行长期稳定性测试时开启；
所述注浆模型框架系统的侧面带肋钢板上根据实际需求在相应的位置开设相应大小的孔，在与裂隙接触的位置开设注水孔或出水孔、在需要施加围压的位置开设油缸孔。
2.根据权利要求1所述的高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，其特征在于，所述三维裂隙岩层以真实岩体为原材料，根据实际岩层形貌，对其进行切割、打磨操作，制备成带有三维裂隙网络的岩体地层；根据实际情况，使用绘图或建模软件，绘制出不同粗糙度和起伏度的三维裂隙表面，使用3D打印技术，将绘制的三维裂隙表面打印到预制的三维裂隙网络岩层上；根据实际岩层裂隙中介质种类、介质含量、含泥量情况，在裂隙中预设泥质充填介质。
3.根据权利要求2所述的高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，其特征在于，所述海水模拟系统由海水供给设备、水压动力设备、注水导管组成，通过海水模拟系统可实现对三维裂隙网络岩层注浆封堵前后饱和海水压、海水侵蚀、海水渗流作用的模拟；海水在实际施工现场就地选取或根据海水的组成成分与配比合成人造海水；海水供给设备中含有数据监测元件，可以监测注入海水总量、当前注水速率、当前注水压力相关参数；通过水压动力设备中的空气压缩机和气压调节阀将海水持续、稳定地注入注浆模型框架系统中的三维裂隙网络岩层。
4.根据权利要求3所述的高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，其特征在于：通过所述三维裂隙岩层模型框架系统可模拟注浆过程中的高地压-海水压-侵蚀的耦合条件，通过水压动力设备模拟真实工况中三维裂隙网络岩层所受到的海水压力，液压油缸通过包裹在三维裂隙网络岩层顶部和四周的加压板施加压力来模拟真实工况中所受到的地压，在整个过程中，海水在整个注浆模型框架系统中充分流动，可以很好的模拟真实工况中海水对加固后三维裂隙网络加固岩层的侵蚀作用；海水模拟系统与地应力模拟系统独立施工，互不干扰，其作用效果又相互耦合，确保了模拟系统的稳定，使其更贴近真实工况。
5.根据权利要求4所述的高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，其特征在于，所述注浆封堵与加固系统由储浆桶、注浆泵、浆液混合器、注浆管组成；浆液为单液浆时，无需使用浆液混合器，且储浆桶和注浆泵各需一个；浆液为双液浆时，需准备两个储浆桶分别存放A、B液，分别使用注浆泵将储浆桶内的浆液泵入浆液混合器中，待A、B液混合均匀后，再通过注浆管将其注入三维裂隙网络岩层裂隙中，进行对三维裂隙网络的封堵和加固。
6.根据权利要求5所述的高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，其特征在于，所述加固地层高地压-海水压-渗流-侵蚀失稳模拟试验系统用于注浆后加固地层长期稳定性和渗透失稳的试验研究；根据当地海水流速和地壳运动的变化与周期性规律，对加固地层施加长期循环荷载以及海水的周期性渗流；在长期渗透失稳后，将加固地层取出，进行相应的研究。
7.根据权利要求6所述的高地压饱海水裂隙网络岩层注浆封堵与失稳模型试验装置，其特征在于，本专利提供了使用此装置进行三维裂隙网络岩层注浆封堵加固，以及注浆完成后加固地层在渗流-地应力-海水侵蚀耦合下失稳情况的模型试验方法，其具体方法为：
(1)组装注浆模型框架系统：准备好底部钢板和四块侧向钢板，对齐一块侧向钢板上横向肋板上的螺丝孔和底部钢板上的螺丝孔的位置，先在两者接触位置涂抹密封胶，再通过精钢螺丝将两者固定在一起，其余三块侧向钢板同理，并在侧向钢板两两接触的位置涂抹密封胶，此时将侧向钢板纵向肋板上的螺丝孔对齐，同样通过精钢螺丝将其固定；将上述搭好的结构放置在指定试验位置，在三维裂隙网络岩层的裂隙处放置渗压、渗流等传感器；使用侧向加压板将岩层包裹，侧向加压板高度与岩层持平或略低于三维裂隙网络岩层的高度，并在侧向加压板和岩层的裂隙重合处钻孔，将包裹好的两者底部放入装置；
(2)准备其余的侧向钢板，自步骤1的结构自下而上的组建好注浆模型框架系统的侧面结构，在与裂隙的重合处钻孔，使其能与注水导管相连，并在不会影响注浆和注水效果的位置开设油缸孔；最后一层的侧向钢板安装完成后，注浆模型框架系统的高度略高于三维裂隙网络岩层高度，在岩层的上部放置顶部加压板，其直径略小于注浆模型框架系统，以便忽略顶部加压板与注浆模型框架系统之间摩擦力的影响；安置顶部钢板，组成完整的注浆模型框架系统；
(3)将液压油缸放置在开设好的油缸孔里，并于油泵相连接，以此模拟地应力的作用；将其他各部分系统按照图示组装完成；
(4)准备海水模拟系统，将所述海水模拟系统通过注水导管连通岩层裂隙，往注浆模型框架系统内注入海水，开启水压动力设备以调整注水的速度和压力，待裂隙另一侧的出水孔中有海水流出时，保持此状态24h以上，以满足海水的侵蚀与渗流模拟条件；
(5)准备地应力模拟系统，使地应力模拟系统对三维裂隙网络岩层施加顶部压力和围压，以模拟注浆部位上侧和周围的地层应力；在海水模拟系统和地应力模拟系统的作用下，创造水压-地压-海水渗流耦合条件；
(6)准备注浆封堵与加固系统，注浆封堵系统通过注浆管能连通注浆口，将调配好的A液与B液分别倒入两个储浆桶内，再由注浆泵泵入浆液混合器中，使A液与B液在浆液混合器内混匀，并与注浆管连接往注浆模型框架系统内注入；待裂隙口有浆液流出时，说明裂隙封堵完成；观测注浆管和裂隙口上流量计指示，当注浆管和裂隙口的浆液流速和浓度相近时，停止注浆；
(7)注浆完成后，开始进行高地压-海水压-渗流-侵蚀耦合对裂岩层注浆加固体的影响测试；模拟海水周期性循环作用下的侵蚀与渗流作用：开启海水模拟系统，打开在注浆模型框架系统的靠上方位置的侧壁处的海水注入孔，使用水压动力设备将海水通过海水注入孔注入到注浆模型框架系统中，并根据海水周期性流动的特征，控制各海水注入孔的流速、注入方向，以保证海水对岩层加固体周期性的渗流；模拟高地应力对加固地层的循环往复作用：开启地应力模拟系统，通过设定参数实现液压油泵对岩层加固体施加循环荷载；在试验过程中，定期打开注浆模型框架系统，检查岩层注浆加固体状态，若未出现因侵蚀、渗流和地应力作用产生的裂痕、破碎现象，则继续保持长期的地应力和海水侵蚀渗流状态，直至裂隙注浆加固体在渗流-地应力-海水压-海水侵蚀耦合下出现失稳情况；
(8)打开注浆模型框架系统，取出失稳的岩层加固体，放入养护室中养护，
养护完成后，研究岩层注浆加固体整体的失稳情况和开展相应的试验研究；
(9)对整体的失稳情况研究结束后，对岩层注浆加固体进行取芯：使用手动切割机在破坏位置和关键裂隙位置附近切出长×宽×高为100mm×100mm×120mm的试样；再使用取芯机对此试样进行取芯，去除的岩芯应满足直径大于50mm，高度大于110mm；最后使用磨平机对岩芯存在的断面或粗糙面进行磨平处理，磨平后的岩芯试样直径为50mm，高度为100mm，双端面平整，将岩芯进行密封保存，以便之后开展渗透性和力学性能研究。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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