[发明专利]一种可视化劈裂注浆模型试验装置及其试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可视化劈裂注浆模型试验装置及其试验方法。

背景技术

注浆是一种在地下工程中加固软弱破碎围岩及封堵地下水的有效手段，模型试验是研究浆液在地层中扩散规律及加固机理的一种重要方法，如今大多数注浆工程都是在一定厚度的上覆岩层的围岩中实施，地应力对浆液的扩散规律有着重要影响。因此，能够真实的模拟存在的地应力是模型试验中相当重要的工作，对实际工程具有重大意义。

但目前在这方面的研究比较匮乏，大多数研究者采用固定模型边界或刚性加载的方式，这与实际存在的地应力有很大差别，无法保证实际地应力的存在状态，进而导致模型试验结果误差很大，对实际工程意义不大。

另外，目前对于模拟地应力的研究缺乏可视化的条件，无法真实的观察到浆液在地层中实际的扩散情况。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可视化劈裂注浆模型试验装置及方法，本发明可准确地模拟真实地层中在地应力影响下注浆过程。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可视化劈裂注浆模型试验装置，包括试验台架、地应力加载系统、注浆系统和监测系统，其中：

所述试验台架为由多块反力架拼接构成的容纳试验箱的空间，所述反力架上均设置有透明层，以观察内部填充的浆液的扩散状态；所述地应力加载系统包括设置于试验台架的上侧与左右两侧的气囊和向气囊填充气体的压力装置，将浆液劈裂方向控制为水平劈裂；

所述注浆系统包括注浆泵、储浆桶及注浆管，所述注浆泵提供动力将储浆桶内的注浆液通过注浆管注入试验台架的试验箱内；所述监测系统，包括监测被注介质内部的应力场的应力传感器以及注浆压力与注浆流量变化情况的注浆记录仪。

所述监测系统分为内部监测系统与外部监测系统，内部监测系统采用应力传感器，监测被注介质内部的应力场，在注浆前的地应力加载过程中，通过各个关键位置的应力反馈确定整个被注介质是否达到预定的地应力状态；在注浆过程中监测浆脉两侧及其他区域应力场变化状态；在注浆结束后监测地应力消散情况；外部监测系统采用注浆记录仪，实时监测注浆过程中的注浆压力与注浆流量变化情况。

所述地应力加载系统在试验台架内部被注介质上侧与左右两侧放置三个圆柱形气囊，通过上侧气囊与两侧气囊人为设定大小主应力环境。

所述气囊为透明的，且为弹性材质。如橡胶等。

当然，本领域技术人员能够在本发明的工作原料的启示下，将气囊的形状、材质等进行更换，这些均属于简单替换，理应属于本发明的保护范围。

所述试验台架上预留有气囊进气孔。

所述试验台架上预留有注浆孔，所述注浆孔与注浆管相连。

所述装置还包括图像采集模块，以采集应力作用下，浆液劈裂过程。

所述气囊通过进气管路与空压机相连。

优选的，所述进气管路口通过四通分成四条支路，分别向各个气囊填充气体。

所述进气管路上设置有压力表，以记录进气压力。

所述进气管路上设置有控制阀门。

所述透明层为透明有机玻璃。

基于上述装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)组装模型试验装置，预埋注浆管并进行填料，填料过程需要埋置传感器，填料结束后，放置气囊，并依次连接反力架；

(2)对三个气囊进行充气，直至达到所需压力，保证横向应力大于竖向应力，使得浆脉沿水平方向劈裂；

(3)组装连接相关管路，将预先配置好的浆液倒入储浆筒中并将注浆泵的进浆管路放置于储浆桶中浆液液面以下，使用注浆泵按一定频率将储浆筒中的浆液注入到所填介质中；

(4)开始注浆，注浆过程中透过透明层观察浆液扩散过程及被注介质劈裂过程；

(5)对注浆过程进行实时监测，监测注浆整个过程中地应力、注浆压力及注浆流量变化情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明实现了可视条件下地层应力作用下的注浆模拟。与前人的研究相比，该系统成功实现了可视条件下较为真实的地应力作用下的注浆模拟，得出的相关结论更符合工程实际；

(2)本发明实现了被注介质中的浆液扩散过程(包括劈裂、渗透)的可视化模拟。

(3)气囊属于柔性承压系统，气囊内部的压力基本维持不变，实现气囊与被注介质协同变形并维持恒定的加载应力不变。使得模拟所得地应力更加符合实际地层情况，使试验结果更加真实可信。