一种可视化裂隙注浆模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石工程注浆加固领域，具体地说是涉及一种可视化Y型裂隙注浆模拟试验装置及方法。

背景技术

注浆加固技术作为封堵围岩裂隙的常用方法，可以降低围岩的渗透性，增强破碎围岩的承载能力，控制软弱围岩的变形，从而提高岩土工程的整体稳定性，保证巷道、隧道、硐室等地下工程的安全，降低工程维护成本。

掌握浆液在裂隙网络中的流动规律对于进一步优化注浆加固参数、提升注浆加固效果具有重要的意义。目前注浆支护理论的发展远滞后于注浆支护实践，特别是在注浆浆液流动规律及其随注浆时间、注浆压力的变化等研究方面比较落后。可视化注浆试验装置及方法在研究浆液流动规律方面具有突出的优势，引起了众多学者的关注。

水泥浆液属于悬浊液，因此在流动过程中会发生渗滤现象，即水泥浆液在流动过程中，受惯性力、吸附力等因素影响，水泥颗粒的迹线与浆液流线之间逐渐偏移，从而使水泥颗粒从浆液中滤出到流动通道的壁面上，导致流动通道发生堵塞，宏观上体现为渗透性的降低。当水泥颗粒淤积量累积到一定量时，通道完全阻塞，浆液终止流动。因此研究水泥浆液的渗滤效应对浆液流动规律的研究十分重要。

目前常见的单裂隙可视化注浆试验系统，虽然可以观测到浆液在裂隙中的流动方式和渗滤效应的形成，揭示注浆浆液在单裂隙中的流动规律，但是注浆浆液在裂隙网络中的流动规律还包括浆液在裂隙交叉处的渗滤现象和流动规律，且大多裂隙模型并非真实岩石试样，无法模拟浆液在真实岩体裂隙中的流动扩散规律，试验结果与实际相差较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种可视化裂隙注浆模拟试验装置及方法。本发明一方面可以用来研究浆液在Y型交叉裂隙中的渗滤现象和流动规律，进而研究注浆浆液在裂隙网络中的流动规律，另一方面还可以研究浆液在真实的岩石裂隙中的流动规律。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种可视化裂隙注浆模拟试验装置，包括试验平台、透明封堵侧板和裂隙模型；所述试验平台包括上模块和下模块，在上模块的底部设置有第一凹槽和第二凹槽，在下模块的顶部设置有第三凹槽和第四凹槽；

当上模块和下模块对接后，第一凹槽处于第三凹槽的正上方，第二凹槽处于第四凹槽的正上方；

所述透明封堵侧板共设置两块，当上模块和下模块对接后，封堵在上模块和下模块的两侧；上述第一凹槽和第三凹槽对接，再配合透明封堵侧板形成储浆室，第二凹槽和第四凹槽对接，再配合透明封堵侧板形成模型室；

在上模块和/或下模块上设置有注浆孔，注浆孔与储浆室相连通；在储浆室和模型室之间形成有连通裂隙；

所述裂隙模型置于模型室中，在裂隙模型上形成有水平裂隙段、第一分叉裂隙段和第二分叉裂隙段，水平裂隙段的一端与连通裂隙相连接，水平裂隙段的另一端分别连接第一分叉裂隙段和第二分叉裂隙段，水平裂隙段、第一分叉裂隙段和第二分叉裂隙段共同形成Y型裂隙；

在上模块设置有第一分叉溢浆孔，第一分叉溢浆孔与第一分叉裂隙段的末端相连接；在下模块设置有第二分叉溢浆孔，第二分叉溢浆孔与第二分叉裂隙段的末端相连接。

优选的，所述注浆孔通过注浆管与储浆罐相连通，第一分叉溢浆孔通过第一浆液收集管与第一浆液收集储罐相连通，第二分叉溢浆孔通过第二浆液收集管与第二浆液收集储罐相连通；在第一浆液收集储罐和第二浆液收集储罐的底部设置有电子秤。

优选的，在试验平台的一侧还设置有用于观测记录的高速摄像机，高速摄像机与计算机相连接。

优选的，所述试验平台上还设置有水平溢浆孔，水平溢浆孔形成在上模块和下模块之间，且水平溢浆孔与模型室相连通。

优选的，在试验平台上还设置有第一测压孔和第二测压孔，第一测压孔与连通裂隙相连通，第二测压孔与水平溢浆孔相连通，在第一测压孔和第二测压孔处均设置有压力变送器，压力变送器与计算机相连接。

优选的，在上模块和下模块之间设置有用于调整连通裂隙开度的第一垫片。

优选的，所述上模块和下模块的对应位置处设置有螺孔，在螺孔中穿过有连接螺栓；在上模块和下模块之间还设置有第一密封垫；

在上模块、下模块和透明封堵侧板之间还设置有第二密封垫，透明封堵侧板通过夹持件与试验平台连接。

优选的，所述裂隙模型包括第一裂隙块和第二裂隙块，第一裂隙块处于第二裂隙块的正上方，在第一裂隙块和第二裂隙块之间设置有用于调整水平裂隙段开度的第二垫片；所述第一分叉裂隙段设置在第一裂隙块上，第二分叉裂隙段设置在第二裂隙块上。

优选的，所述上模块和下模块采用钢材料加工制成；所述裂隙模型采用钢材料加工制成，或裂隙模型采用真实岩石试样；所述透明封堵侧板采用钢化玻璃。

一种可视化裂隙注浆模拟试验方法，采用如上所述的模拟试验装置，包括以下步骤：

(1)采用钢材料或真实岩石试样制作裂隙模型，根据需要设置第一分叉裂隙段和第二分叉裂隙段之间的分叉角度；

(2)将裂隙模型置入试验平台中下模块的第四凹槽中，然后将上模块与下模块对接，确保第一分叉裂隙段的出口与第一分叉溢浆孔连接，第二分叉裂隙段的出口与第二分叉溢浆孔连接；

(3)将第一垫片布置在上模块和下模块之间，且处于储浆室和模型室之间的位置处，通过第一垫片调整连通裂隙的开度；在上模块和下模块之间且靠近螺孔的位置处放置第一密封垫，将连接螺栓插入螺孔中，连接上模块和下模块，安装好试验平台；

(4)在试验平台两侧放置第二密封垫后，将透明封堵侧板放置在试验平台两侧，通过多个夹持件将透明封堵侧板与试验平台夹持在一起，确保在试验要求的注浆压力下，装置侧向不漏浆；

(5)将注浆孔通过注浆管与储浆罐连通，在第一测压孔和第二测压孔处均安装压力变送器，第一分叉溢浆孔通过第一浆液收集管与第一浆液收集储罐相连通，第二分叉溢浆孔通过第二浆液收集管与第二浆液收集储罐相连通；

(6)在试验平台的侧面布置有用于观测记录的高速摄像机，高速摄像机与计算机相连接，并将压力变送器与计算机连接；

(7)试验进行，观测并记录试验数据。

本发明的有益技术效果是：

本发明提出一种Y型可视化裂隙注浆模拟试验装置及方法，一方面可以用来研究浆液在Y型交叉裂隙中的渗滤现象和流动规律，进而研究注浆浆液在裂隙网络中的流动规律，另一方面还可以研究浆液在真实的岩石裂隙中的流动规律。

实验过程中，浆液流线会在装置流出储浆室和Y型分叉点两个位置产生剧烈变化，模拟浆液产生渗滤的条件，通过进行不同裂隙开度和不同压力的注浆实验，一方面可以直观的观察到渗滤形成的过程，另一方面可以得到在水泥粒径分布一定的情况下，裂隙开度、注浆压力、流动时间与是否发生渗滤之间的关系。

实验结束后，打开装置还可以利用渗滤后形成滤饼的形状与尺寸分析并揭示渗滤效应对浆液扩散以及注浆加固的影响机制，通过对实验数据的研究，还可以对现有浆液流动模型进行验证与修正。

浆液在裂隙网络中的流动规律包括浆液在裂隙网络中的流动路径、各分支路径中的流动状态(线性或非线性)、压力分布、流速分布等。由于树状裂隙网络可以看作是由单裂隙和分叉点组成，因此通过对浆液在Y型裂隙中流动规律的研究，可以获得浆液在分叉点处流动时，浆液压力改变、流量分配与分叉裂隙倾角和开度的关系，结合浆液在单裂隙中的流动规律，进而建立浆液在树状裂隙网络中的流动规律。

本发明裂隙通道设置灵活，不仅能满足单裂隙和Y型裂隙，通过改变裂隙模型的设计，在一定条件下还可以满足其他的裂隙类型。

本发明通过改变裂隙模型中裂隙的粗糙度，可以研究浆液在不同粗糙度裂隙中的流动规律。

本发明还可将真三轴试验和直剪试验后破坏的标准长方体岩石作为裂隙模型，可以模拟浆液在真实岩石裂隙中的流动，研究浆液在真实岩石裂隙中的流动规律。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明可视化裂隙注浆模拟试验装置中试验平台的主视剖面结构原理示意图；

图2为图1的仰视结构原理示意图；

图3为本发明试验平台中连通裂隙部分的局部结构原理示意图；

图4为本发明中裂隙模型一种实施方式的结构示意图；

图5为本发明中裂隙模型另一种实施方式的结构示意图；

图6为本发明可视化裂隙注浆模拟试验装置的结构原理示意图。

图中：1-试验平台，2-透明封堵侧板，3-裂隙模型，4-储浆室，5-模型室，6-注浆孔，7-连通裂隙，8-第一分叉溢浆孔，9-第二分叉溢浆孔，10-注浆管，11-储浆罐，12-第一浆液收集管，13-第一浆液收集储罐，14-第二浆液收集管，15-第二浆液收集储罐，16-电子秤，17-高速摄像机，18-计算机，19-水平溢浆孔，20-第一测压孔，21-第二测压孔，22-压力变送器，23-第一垫片，24-螺孔，25-第一密封垫；

101-上模块，102-下模块；301-水平裂隙段，302-第一分叉裂隙段，303-第二分叉裂隙段，304-第一裂隙块，305-第二裂隙块。

具体实施方式

结合附图，一种可视化裂隙注浆模拟试验装置，包括试验平台1、透明封堵侧板2和裂隙模型3。所述试验平台1包括上模块101和下模块102，在上模块101的底部设置有第一凹槽和第二凹槽，在下模块的顶部设置有第三凹槽和第四凹槽。当上模块101和下模块102对接后，第一凹槽处于第三凹槽的正上方，第二凹槽处于第四凹槽的正上方。所述透明封堵侧板2共设置两块，当上模块101和下模块102对接后，封堵在上模块和下模块也即试验平台1的两侧。上述第一凹槽和第三凹槽对接，再配合透明封堵侧板围拢形成储浆室4，第二凹槽和第四凹槽对接，再配合透明封堵侧板围拢形成模型室5。储浆室4为浆液注入后的临时储存空间，模型室5可以用来放置裂隙模型3。在下模块102上设置有注浆孔6，注浆孔6与储浆室4相连通；在储浆室4和模型室5之间形成有连通裂隙7。所述裂隙模型3置于模型室5中，在裂隙模型3上形成有水平裂隙段301、第一分叉裂隙段302和第二分叉裂隙段303，水平裂隙段301的一端与连通裂隙7相连接，并且开度保持一致，水平裂隙段301的另一端分别连接第一分叉裂隙段302和第二分叉裂隙段303，水平裂隙段301、第一分叉裂隙段302和第二分叉裂隙段303共同形成Y型裂隙。第一分叉裂隙段302和第二分叉裂隙段303之间的角度由裂隙分叉点的水平位置决定，如图4-图5所示。在上模块101设置有第一分叉溢浆孔8，第一分叉溢浆孔8与第一分叉裂隙段302的末端相连接；在下模块102设置有第二分叉溢浆孔9，第二分叉溢浆孔9与第二分叉裂隙段303的末端相连接。

作为对本发明的进一步设计，如图6所示，所述注浆孔6通过注浆管10与储浆罐11相连通。第一分叉溢浆孔8通过第一浆液收集管12与第一浆液收集储罐13相连通，第二分叉溢浆孔9通过第二浆液收集管14与第二浆液收集储罐15相连通。在第一浆液收集储罐13和第二浆液收集储罐15的底部设置有电子秤16。

更进一步的，在试验平台1的一侧还设置有用于观测记录的高速摄像机17，高速摄像机17与计算机18相连接。

进一步的，所述试验平台1上还设置有水平溢浆孔19，水平溢浆孔19形成在上模块101和下模块102之间，且水平溢浆孔19与模型室5相连通，水平溢浆孔19也可进一步通过管道与浆液收集储罐连接。

上述第一分叉溢浆孔8、第二分叉溢浆孔9和水平溢浆孔19是浆液流出的通道。所述水平溢浆孔19在模型室安装其他裂隙模型时使用，安装的其他裂隙模型出口需与水平溢浆孔对齐(如单裂隙)。

更进一步的，在试验平台1上还设置有第一测压孔20和第二测压孔21，第一测压孔20与连通裂隙7相连通，第二测压孔21与水平溢浆孔19相连通，在第一测压孔20和第二测压孔21处均设置有压力变送器22，压力变送器22与计算机18相连接。通过压力变送器22可实时检测相应位置处的浆液压力。

进一步的，在上模块101和下模块102之间设置有两个第一垫片23，该两个第一垫片23布置在储浆室4和模型室5之间，所述连通裂隙7即水平单裂隙形成在两个第一垫片23之间。第一垫片23的主要目的是调整连通裂隙7的开度，第一垫片23的宽度远小于储浆室4和模型室5之间的距离，因此其不会对高速摄像机从侧向记录连通裂隙7的情况造成影响。连通裂隙7的开度大小由第一垫片23的厚度决定，第一垫片23采用不锈钢垫片。

更进一步的，所述上模块101和下模块102的对应位置处设置有螺孔24，在螺孔24中穿过有连接螺栓。在上模块101和下模块102之间还设置有第一密封垫25。在上模块101、下模块102和透明封堵侧板2之间还设置有第二密封垫，透明封堵侧板2通过夹持件与试验平台1连接，以保持夹紧密封效果。所述第一密封垫25和第二密封垫均采用硅胶垫片。上述夹持件可采用G型夹，当然也可采用其他结构形式的夹持件。

上述裂隙模型安装在模型室中上下也均加装有硅胶垫片。

进一步的，所述裂隙模型3包括第一裂隙块304和第二裂隙块305，第一裂隙块304处于第二裂隙块305的正上方，在第一裂隙块304和第二裂隙块305之间设置有两个第二垫片，所述水平裂隙段形成在两个第二垫片之间。相应地，第二垫片的主要目的是调整水平裂隙段的开度，且其也呈块状，长度远小于水平裂隙段的长度。所述第一分叉裂隙段302设置在第一裂隙块304上，第二分叉裂隙段303设置在第二裂隙块305上。

更进一步的，所述上模块101和下模块102采用钢材料加工制成。所述裂隙模型3采用钢材料加工制成，或裂隙模型3采用真实岩石试样。所述透明封堵侧板2采用高透钢化玻璃。

本发明还提供一种可视化裂隙注浆模拟试验方法，采用如上所述的模拟试验装置，包括以下步骤：

(1)采用钢材料或真实岩石试样制作裂隙模型3，根据需要设置第一分叉裂隙段302和第二分叉裂隙段303之间的分叉角度。以及通过调整第一垫片23的厚度来调节连通裂隙7的开度。

(2)将裂隙模型3置入试验平台1中下模块的第四凹槽中，然后将上模块101与下模块102对接，确保第一分叉裂隙段302的出口与第一分叉溢浆孔8连接，第二分叉裂隙段303的出口与第二分叉溢浆孔9连接。

(3)将两个第一垫片23布置在上模块101和下模块102之间，且处于储浆室4和模型室5之间的位置处，两个第一垫片之间形成连通裂隙7。在上模块和下模块之间且靠近螺孔24的位置处放置第一密封垫25，将连接螺栓插入螺孔中，连接上模块101和下模块102，安装好试验平台。

(4)在试验平台两侧放置第二密封垫后，将透明封堵侧板2放置在试验平台1两侧，通过多个夹持件将透明封堵侧板2与试验平台1夹持在一起，确保在试验要求的注浆压力下，装置侧向不漏浆。

(5)将注浆孔6通过注浆管10与储浆罐11连通，在第一测压孔20和第二测压孔21处均安装压力变送器22。第一分叉溢浆孔8通过第一浆液收集管12与第一浆液收集储罐13相连通，第二分叉溢浆孔9通过第二浆液收集管14与第二浆液收集储罐15相连通。

(6)在试验平台的侧面布置有用于观测记录的高速摄像机17，高速摄像机17与计算机18相连接，并将压力变送器22与计算机18连接。

(7)试验进行，观测并记录试验数据。

实验过程中，浆液流线会在装置流出储浆室和Y型分叉点两个位置产生剧烈变化，模拟浆液产生渗滤的条件，通过进行不同裂隙开度和不同压力的注浆实验，一方面可以直观的观察到渗滤形成的过程，另一方面可以得到在水泥粒径分布一定的情况下，裂隙开度、注浆压力、流动时间与是否发生渗滤之间的关系。

实验结束后，打开装置还可以利用渗滤后形成滤饼的形状与尺寸分析并揭示渗滤效应对浆液扩散以及注浆加固的影响机制，通过对实验数据的研究，还可以对现有浆液流动模型进行验证与修正。

浆液在裂隙网络中的流动规律包括浆液在裂隙网络中的流动路径、各分支路径中的流动状态(线性或非线性)、压力分布、流速分布等。由于树状裂隙网络可以看作是由单裂隙和分叉点组成，因此通过对浆液在Y型裂隙中流动规律的研究，可以获得浆液在分叉点处流动时，浆液压力改变、流量分配与分叉裂隙倾角和开度的关系，结合浆液在单裂隙中的流动规律，进而建立浆液在树状裂隙网络中的流动规律。

本发明裂隙通道设置灵活，不仅能满足单裂隙和Y型裂隙，通过改变裂隙模型的设计，在一定条件下还可以满足其他的裂隙类型。

本发明通过改变裂隙模型中裂隙的粗糙度，可以研究浆液在不同粗糙度裂隙中的流动规律。

本发明还可将真三轴试验和直剪试验后破坏的标准长方体岩石作为裂隙模型，可以模拟浆液在真实岩石裂隙中的流动，研究浆液在真实岩石裂隙中的流动规律。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。