一种一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统及方法

技术领域

本发明涉及真三轴试验系统领域，具体涉及一种一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统及方法。

背景技术

地下工程建设过程中，处在稳定状态下的围岩在开挖状态下发生失稳破坏，引发工程风险和灾害。岩土工程赋存地质条件复杂多样，而不同工况下岩土体的多场耦合环境的真实模拟较为困难。采用真三轴试验可以真实还原深部岩体所处的三向不等高地应力的环境，常用于真三向高地应力引发的岩爆、塌方、大变形等工程灾害的研究。

注浆加固能够对破碎岩体环境进行加固，随着岩土工程向深部发展，注浆加固面临着高地应力、高地热的环境，现有技术中的注浆试验方法多考虑地应力影响下的模拟，对于深部地层的三向高地应力、高地热的赋存环境及动力扰动的工况无法实现模拟，并且，在模拟试验过程中，数据采集、过程监测模块功能单一，难以并行监测、滞后于试验过程，导致所采集的试验数据难以满足分析需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统及方法，采用加载组件和加热组件协同工作，对试样进行加压和加热，模拟深部地层高地热高地压的赋存环境，进行各种工况下的真三轴岩体注浆模拟试验，配合监测组件，采集模拟试验时各处的实时参数及变化，满足试验分析需求。

本发明的第一目的是提供一种一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统，采用以下方案：

包括：

反力框架，呈立方体形，其中一个顶点对应的三个侧面配合有封堵板；

加载组件，包括加载板，反力框架未安装封堵板的其他三个侧面分别安装加载板；

监测组件，监测组件对应的监测元件阵列式布置在封堵板上；

注浆组件，其注浆管安装于封堵板并延伸至反力框架内；

其中，封堵板和加载板朝向反力框架内部的一侧均设有加热组件。

进一步的，所述封堵板和加载板上均设有热流道，加热组件的发热部嵌入热流道内。

进一步的，所述加热组件还包括加热线路，加热线路一端连接发热部，另一端穿过加载板或封堵板后引出至反力框架外。

进一步的，所述加载组件还包括液压油缸，液压油缸连接加载板以驱动加载板相对于反力框架移动，液压油缸的活塞杆为中空杆，加载板对应加热组件的加热线路穿过中空杆。

进一步的，所述封堵板上阵列式布置有观测孔位，监测元件对应安装在观测孔位上。

进一步的，所述监测元件为声发射采集装置、位移传感器、压力传感器和流量传感器中的一种或多种，其中，声发射采集装置包括传感器底座和声发射探针，声发射探针一端对接传感器底座，另一端穿过与观测孔位配合的声发射密封盖后，探入反力框架内，声发射探针与声发射密封盖的连接位置配合弹簧。

进一步的，所述加载组件沿反力框架的三轴方向布置，加载板所连接的液压油缸通过电磁阀和油管分别接入液压源，油管上布置有压力传感器。

进一步的，所述注浆组件接入注浆机和注浆控制柜，注浆控制柜连接注浆机，注浆机的输出端通过浆液管接入封堵板上的注浆管，注浆机上安装有流量计和压力传感器。

本发明的第二目的是提供一种如第一目的所述的一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统的试验方法，包括：

制作试件并置入反力框架内，安装加载组件、监测组件和注浆组件；

加热组件从外表面对试件进行加热并保温，加载组件运行，模拟深部地层高温高压赋存环境；

注浆组件将浆液注入试件内，监测组件测取试验过程中的试件及各组件数据。

进一步的，所述试件可以使用原岩或相似材料，注浆试验可以选用预制裂缝试件或使用压裂注浆。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前试验系统不便模拟高地应力、高地热的赋存环境及采集试验数据准确度差的问题，采用加载组件和加热组件协同工作，对试样进行加压和加热，模拟深部地层高地热高地压的赋存环境，进行各种工况下的真三轴岩体注浆模拟试验，配合监测组件，采集模拟试验时各处的实时参数及变化，满足试验分析需求。

(2)在封堵板和加载板上分别设置加热组件，试件位于反力框架内，加热组件从试件的六个侧面方向进行加热，模拟高地热环境下试样所处位置热力场环境，加热组件对应的发热部设置在热流道内，避免发热部承受加载压力导致的损坏，满足模拟高地热环境下的加热需求。

(3)反力框架的一个顶点对应的三个相邻侧面布置封堵板，封堵板可以直接与反力框架一体铸造，提高反力框架的强度和刚度，满足加载力提供反力的需求，时间高应力下的刚性加载。

(4)在封堵板上设置观测孔位，监测组件采用多种监测元件，依据需求选择对应的监测元件布置于观测孔位，自由组合模块化监测，实现多点信息多样化采集。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1和2中一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统的示意图。

图2为本发明实施例1和2中真三轴注浆试验平台的示意图。

图3为本发明实施例1和2中反力框架的示意图。

图4为本发明实施例1和2中加载组件的示意图。

图5为本发明实施例1和2中加载组件的液压油缸连接加载板的示意图。

图6为本发明实施例1和2中传感器底座、声发射探针的结构示意图。

图7为本发明实施例1和2中传感器引线头的示意图。

图8为本发明实施例1和2中堵头的示意图。

图9为本发明实施例1和2中声发射探针安装于声发射密封盖的示意图。

图10为本发明实施例1和2中信号管线安装在观测孔位的示意图。

图11为本发明实施例1和2中注浆管的示意图。

图12为本发明实施例1和2中三轴加载装置的示意图。

图13为本发明实施例1和2中加载组件的示意图。

图14为本发明实施例1和2中注浆装置的示意图。

其中，1-注浆试验平台，2-三轴加载装置，3-注浆装置，1.1-液压油缸；1.2-磁致伸缩位移传感器；1.3-堵头；1.4-注浆管；1.5-螺栓；1.6-防护网；1.7-富马轮；1.8-声发射接头；1.9-传感器引线头；1.10-底座；1.11-把手；1.12-引线面；1.13-反力框架；1.14-观测孔位，1.15-热流道，1.16-加载板，1.17-中空杆，1.18-传感器底座，1.19-声发射密封盖，1.20-声发射探针，1.21-弹簧，1.22-信号管线，1.23-密封胶，1.24-注浆法兰，2.1-触摸式显示屏；2.2-新型单缸泵；2.3-电磁阀组；2.4-油箱；2.5-钣金外壳；2.6-拉线传感器；2.7-脚轮；2.8-压力传感器；2.9-油缸进油连接管；2.10-油缸回油连接管；2.11-回油孔；2.12-抽油孔；2.13-油泵连接孔；3.1-注浆控制柜；3.2-注浆机；3.3-底座。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图14所示，给出一种一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统。

注浆加固能够对破碎岩体环境进行加固，随着岩土工程向深部发展，注浆加固面临着高地应力、高地热的环境，现有技术中的注浆试验方法多考虑地应力影响下的模拟，对于深部地层的三向高地应力、高地热的赋存环境及动力扰动的工况无法实现模拟，难以表征在高地应力、高地热的赋存环境下对注浆试验的影响，并且，在模拟试验过程中，数据采集、过程监测模块功能单一，导致所采集的试验数据误差较大。

基于此，本实施例提供一种一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统，采用安装有加载组件和加热组件的反力框架1.13，对反力框架1.13内处于所需温度状态下的试件进行加载，模拟深部地层高地热、高地压的赋存环境，结合注浆组件和监测组件，采集模拟注浆过程中的实时参数，以满足试验分析需求。

下面，结合附图对一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统进行详细说明。

参见图1，一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统包括注浆试验平台1、三轴加载装置2和注浆装置3。注浆试验平台1为整个试验系统中地层充填及浆液扩散的发生场所，三轴加载装置2能够为注浆试验平台1提供三路液压驱动，注浆装置3能能够为注浆试验平台1提供带有一定压力的注浆浆液。

注浆试验平台1包括反力框架1.13、加载组件、监测组件和注浆组件，其中，反力框架1.13安装在底座1.10上，底座1.10底部安装有富马轮1.7，以满足移动和固定的需求，底座1.10四周布设防护网1.6，减少底座1.10内部结构与外界的干涉。

反力框架1.13呈立方体形，其中一个顶点对应的三个侧面配合有封堵板。本实施例中，如图3所示，反力框架1.13三面镂空，其中非镂空面作为封堵板，可以采用一体式铸造加工获取，通过螺栓1.5固定在底座1.10及防护网1.6上。反力框架1.13及其上布置的封堵板整体为刚性结构，强度刚度较大，适用于高压加载，满足真实模拟高地应力赋存环境的需求。

封堵板上阵列式布置有观测孔位1.14，监测元件对应安装在观测孔位1.14上，实现多点信息多样化采集。

同时，封堵板朝向反力框架1.13内部的一侧设有加热组件，对应的，封堵板朝向反力框架1.13内部的一侧设有热流道1.15，加热组件的发热部嵌入热流道1.15内，能够对反力框架1.13内的试件进行加热，模拟深部地层高温环境。

加热组件还包括加热线路，加热线路一端连接发热部，另一端穿过加载板1.16或封堵板后引出至反力框架1.13外。

加载组件包括加载板1.16和液压油缸1.1，加载组件的框架部分连接于反力框架1.13，加载板1.16位于反力框架1.13的镂空面，并将镂空面封堵，液压油缸1.1通过框架部分连接加载板1.16以驱动加载板1.16相对于反力框架1.13移动。

本实施例中，液压油缸1.1通过螺栓1.5连接于反力框架1.13，液压油缸1.1驱动加载板1.16向反力框架1.13内的试件施加荷载。

加载组件沿反力框架1.13的三轴方向布置，加载组件包括三组液压油缸1.1和三块加载板1.16，三块加载板1.16布置在反力框架1.13的三个镂空面，液压油缸1.1和加载板1.16一一对应连接，三组液压油缸1.1由三路液压驱动独立控制，实现真三轴加载，正是还原深部地层三向高地应力的赋存环境。

需要指出的是，采用加载组件和加热组件协同工作，对试样进行加压和加热，模拟深部地层高地热、高地压的赋存环境，进行各种工况下的真三轴岩体注浆模拟试验，配合监测组件，采集模拟试验时各处的实时参数及变化，满足试验分析需求。

加载板1.16所连接的液压油缸1.1通过电磁阀和油管分别接入液压源，油管上布置有压力传感器2.8。液压油缸1.1的活塞杆为中空杆1.17，加载板1.16对应加热组件的加热线路穿过中空杆1.17，对于可以通过密封胶1.23将中空杆1.17内部密封。

本实施例中，液压油缸1.1外部安装磁致伸缩位移传感器1.2，磁致伸缩位移传感器1.2配合加载组件能够通过位移进行加载，并实时监测液压油缸1.1内油缸活塞的位置。

液压油缸1.1的活塞杆内部端头通过螺栓1.5连接加载板1.16，加载板1.16与反力框架1.13内部试样直接接触，对试样进行加载、加热，从而真实模拟深部地层高地压、高地热赋存环境。

本实施例中，在反力框架1.13顶部引线面1.12上还安装有把手1.11，便于顶部拆卸与安装。

监测元件为声发射采集装置、位移传感器、压力传感器2.8和流量传感器中的一种或多种，其中，声发射采集装置包括传感器底座1.18和声发射探针1.20，声发射探针1.20一端对接传感器底座1.18，另一端穿过与观测孔位1.14配合的声发射密封盖1.19后，探入反力框架1.13内，声发射探针1.20与声发射密封盖1.19的连接位置配合弹簧1.21。

本实施例中，声发射密封盖1.19安置在观测孔位1.14之上，声发射探针1.20底部探入模型内部，通过连杆穿过声发射密封盖1.19，连杆设有凹槽，用于放置密封圈，连杆的轴肩与声发射器密封盖之间设置弹簧1.21，用于缓冲，使声发射传感器更好的接收信号。声发射探针1.20通过声发射接头1.8连接引线1.22，以接入外部数据采集设备。

在封堵板的观测孔位1.14安装其他传感器时，可以设置引线密封盖，供传感器的引线1.22穿过，填充密封胶1.23保证引线1.22位置的密封性。引线密封盖通过螺栓1.5固定在观测孔位1.14上，可配合位移传感器、压力传感器2.8、流量传感器对试件进行多点位多样化监测。

引线密封盖内部留有管状贯通空间，用与使各种传感器的引线1.22穿过，保证数据的采集，可填充密封胶1.23保证仪器整体的密封性。堵头1.3通过螺栓1.5固定在对于未使用的观测孔位1.14之上，对未使用的观测孔位1.14进行密封，保证试验系统整体的密封性。

对试验后试件可配合核磁共振监测裂缝扩展和注浆扩散情况。

三轴加载装置2为加载组件提供液压驱动，由触摸式显示屏2.1、单缸泵2.2、电磁阀组2.3、油箱2.4、钣金外壳2.5、拉线传感器2.6、脚轮2.7等组成。

三轴加载装置2的主体部分为3个独立工作的新型单缸泵2.2，通过3个独立的PLC控制系统进行控制，通过电磁阀组2.3管路上连接液压油缸1.1内腔的压力传感器2.8、液压油缸1.1外侧的磁致伸位移传感器、单缸泵2.2上的拉线传感器2.6以及伺服电机，能够观测液压油缸1.1内腔的压力、液压油缸1.1活塞的位置、伺服位置及伺服速度的变化。

三轴加载装置2外部设有钣金外壳2.5，底部安装有脚轮2.7，通过脚轮2.7可以调节三轴加载装置2的位置。

单缸泵2.2的最高工作压力为60MPa，可分别为三个液压油缸1.1施加油压；通过3个触摸式显示屏2.1分别显示三个油缸内腔压力可调节加载参数，可选手动和自动模式进行加载和卸载，实现恒速恒压加载。

其中，三轴加载装置2中的电磁阀组2.3为3个独立的5位3通电磁阀，通过高压油管分别连接油缸外腔油孔、油缸内腔油孔、油箱2.4回油孔2.11、油箱2.4抽油孔2.12和油泵连接孔2.13。在油缸内腔油孔与电磁阀孔连接的管路中设置三通阀块，连接压力传感器2.8以监测油缸内腔压力变化。其中，电磁阀组2.3通过油缸进油连接管2.9和油缸回油连接管2.10接入液压油缸1.1。

注浆组件接入注浆装置3，注浆组件包括安装在封堵板上的注浆管1.4，注浆装置3包括注浆机3.2和注浆控制柜3.1，注浆控制柜3.1连接注浆机3.2，注浆机3.2的输出端通过浆液管接入封堵板上的注浆管1.4，注浆机3.2上安装有流量计和压力传感器2.8。

注浆管1.4通过注浆法兰1.24对接注浆机3.2和注浆管1.4，注浆法兰1.24具备良好的密封性，封堵板的中心钻孔放置注浆管1.4，用于向试样内注入高压浆体。

注浆装置3的注浆控制柜3.1和注浆机3.2安装在底座3.3上，注浆机3.2上安装流量计和压力传感器2.8，可以采集注浆过程中的参数，注浆控制柜3.1可以控制注浆机3.2进行恒流量和恒压注浆。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图14所示，给出一种一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统的试验方法。

利用如实施例1中一体化阵列式多元信息真三轴注浆试验系统，包括以下步骤：

制作试件并置入反力框架1.13内，安装加载组件、监测组件和注浆组件；

加热组件从外表面对试件进行加热并保温，加载组件运行，模拟深部地层高温高压赋存环境；

注浆组件将浆液注入试件内，监测组件测取试验过程中的试件及各组件数据。

结合图1-图14，上述试验方法包括：

步骤一：试件制作，可使用原岩或相似材料，注浆试验可选用预制裂缝试件或使用压裂注浆；

步骤二：试验方案的确定，选择并组合模块化监测配件，布置监测点位；

步骤三：对反力框架1.13内部进行预加热，直至设定温度，并保持；

步骤四：启动三轴加载装置2为液压油缸1.1注油，施加真三轴荷载，浆体注入，并对试验全过程进行监测，直至试验结束；

步骤五：按照需求进行试验后处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。