一种浆脉‑岩土交界面强度测试仪器及测试方法与流程

本发明涉及一种用于测试浆脉-岩土交界面强度的测试仪器，具体涉及一种可真实再现实际工程中的地应力条件，获得浆脉-岩土交界面全时空强度变化曲线的测试装置与测试方法。

背景技术：

近年来，伴随着我国高速铁路、高速公路等水利水电工程的快速发展，大量地下工程展开建设，但是建设过程中突水涌泥现象频发，造成了大量人员伤亡，财产损失。据统计，突水涌泥灾害的发生频率在地下工程事故中排在第二位，造成的经济损失和人员伤亡排名第一位。

经过大量工程实践证明，地下工程中的注浆技术能够有效的对突水突泥灾害进行治理，通过专用注浆管路，浆液通过一定压力以渗透、充填、劈裂、压密等形式进入软弱破碎岩土体，从而达到改善岩土体物理力学参数及性能，从而保证地下工程的顺利开挖。

其中劈裂注浆由于注浆压力较大，对软弱岩土体的改良效果较好，所以在工程注浆中广泛应用。浆脉在高压作用下将岩土体劈裂，形成浆脉骨架和浆液-岩土体交界面。其中浆脉-岩土体界面强度是衡量劈裂注浆效果的重要参数，是进行注浆方案设计的重要参考指标。建立一种可以再现真实工程地应力条件的浆液-岩土体交界面强度的测试仪器与测试方法是亟待解决的问题，能够有效地填补此领域的技术空白。

目前的测试方法主要存在以下问题：

1、无法加载真实的地应力条件，界面强度主要在初步实验的基础上进行理论推导，误差大，参考价值不强。

2、不能获得浆脉-岩土体界面的全空间强度变化曲线，无法获取必要的关键参数。

3、测试过程中，无法测得浆-岩界面的残余强度，影响注浆方案设计。

4、无法定量的描述浆-岩界面的全破坏过程。

5、试验过程中，主要采用人工加载，人工记录的试验手段，加载过程不稳定，不均匀，对实验结果扰动较大。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种可加载不同地应力条件的浆脉-岩土交界面强度测试仪器及测试方法

为实现上述目的，本发明提供了一种可加载不同地应力条件的浆脉-岩土交界面强度测试仪器，采用如下技术方案：

可加载不同地应力条件的浆脉-岩土交界面强度测试仪器，包括支架，在所述的支架内设有试样的上部装载盒和下部装载盒，在所述的上部装载盒的顶部设有一个地应力加载模块，且上部装载盒的一侧连接一个传动轴，所述的传动轴的端部通过一个后部持力顶头支撑；在下部装载盒的一侧设有推动其相对上部装载盒横向移动的推进模块；在上部装载盒保持不动时，下部装载盒移动产生对所述浆脉-岩土试样的剪切；在所述的传动轴上设有用于检测横向位移的位移传感器I；在所述的推进模块上设有用于检测横向剪切力的力传感器I；在所述的地应力加载模块上设有用于检测地应力大小的力传感器II和用于检测竖向位移的位移传感器II，所述的位移传感器I、力传感器I、力传感器II、位移传感器II、地应力加载模块、推进模块均与参数采集控制仪相连。

具体试验如下：所述下部装载盒在所述推进模块的推动下产生横向位移，所述上部装载盒保持不动状态，从而产生对所述浆脉-岩土试样的剪切，测试其强度。所述参数采集控制模块通过数据传输线与所述推进模块，所述地应力加载模块，所述浆脉-岩土体试样装载模块相互连接。通过所述推进模块进行横向顶进，地应力加载模块产生地应力加载，参数采集控制模块进行数据采集与参数控制，实现不同地应力条件下的浆脉-岩土体交界面强度测试。

进一步的，所上部装载盒和下部装载盒上下对其设置，所述的下部装载盒的底部底板在升降装置的驱动下，可以升降；在所述的上部转载盒的顶部卡装有试样盖板，试样盖板在地应力加载模块的驱动下上下运动。

所述高度调节装置可进行自动高度调节，通过高度调节可将浆脉-岩土体交界面调整至所述上部装载盒与下部装载盒交界面处，从而能够实现在浆脉-岩土体交界面上的剪切位移，测试其强度。

进一步的，所述的下部装载盒安装在一个底座内，所述底座的底部设有导向滑轨；导向滑轨由钢珠进行导向，减小横向剪应力的损失。

进一步的，传动轴的两侧设有导向滑轮。

进一步的，所述的位移传感器I、位移传感器II为光纤传感器。

进一步的，所述的推进模块通过推进连杆与试样装载盒横向连接，在推进模块上安装有力传感器I。

进一步的，所述上部装载盒和下部装载盒组装在一起后为外方内圆结构，其内部圆形直径可根据试样大小的不同进行更换调节。

进一步的，所述参数采集控制模块通过USB传输方式与所述推进模块，地应力加载模块，浆脉-岩土体试样装载模块相连接。

进一步的，所述参数采集控制模块能够自动控制所述推进模块的推进速率，所述地应力加载模块的固定应力值。

所述参数采集控制模块能够实时采集剪切过程竖向应力—竖向位移、剪切应力—剪切位移、竖向—剪切位移变化曲线，根据剪切变形间隔或时间间隔采集试验数据，最终以表格形式输出试验数据。

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明还公开了一种可加载不同地应力条件的浆脉-岩土交界面强度测试方法，具体如下：

现场收集注浆后浆脉-岩土体圆饼形试样，根据试样大小调节试样装载模块的圆内径大小，使其相互匹配；调节上部装载盒，下部装载盒，使其圆心位于同一竖直平面内，将圆饼形试样放入上部装载盒和下部装载盒中，调节高度调节装置，将浆脉-岩土体交界面与上下部装载盒交界面位于同一水平平面；加盖试样盖板，将推进模块、地应力加载模块与上部装载盒、下部装载盒和参数采集控制仪连接，接通电源，设置推进速率与地应力大小，开启监测软件，开始推进直至试样丧失强度，从而输出各项监测数据，测得浆脉-岩土体界面的全过程强度曲线。

具体如下：

通过预制环刀模具现场采集带有浆脉-岩土体交界面的圆饼形试样，根据所制备的试样的大小调节试样装载模具的圆内径大小，通过固定螺栓，将上部装载盒，下部装载盒的圆心位于同一竖直平面，将圆饼形试样放入装载模块(上部装载盒和下部装载盒)中，调节装载模具内的高度调节装置，将浆脉-岩土体交界面与上下部装载盒交界面位于同一水平平面，使得上下部分装载盒产生搓动条件下，浆脉-岩土体交界面同样产生水平搓动。

通过现场应力试验测得实际地应力条件，将推进装置与地应力加载装置与装载装置连接，接通电源，打开参数采集控制软件，输入地应力大小，预加地应力条件，设置横向推进装置速率，开启监测软件，监测地应力变化，竖向位移，横向剪切应力，横向位移四项基本参数，开始推进直至试样丧失强度，确定残余强度值，从而输出各项监测数据，测得浆脉-岩土体界面的全过程强度曲线。

本发明的有益效果为：

本发明的浆脉-岩土体界面强度实验装置与实验方法，可以加载真实地应力条件，从而来可以测量真实应力条件下的浆脉-岩土界面强度，为建立界面破坏数学模型和提出新的注浆设计方案提供依据，改变了现有浆脉-岩土界面强度只能靠理论推导的局面。

通过本发明的试验装置与实验方法能够对不同形状的原位试样进行大小、深度等自适应调整从而满足浆脉-岩土界面测试的普适性要求。

通过本实验装置通过横向伺服液压推进装置，可以无极调节横向加载速度，从而克服了因人工操作的不稳定性对强度测试产生的较大的误差，使得测试结果更接近与真实情况。

本实验装置能够对粗砂岩、黏土、粉土、碎石土等多种条件下的浆脉—岩土界面进行强度测试，推广适用性较广。

本实验配置的竖向地应力加载装置，可以实现高地应力的加载，从而保证了真实地测试环境。

试验装置配备的应力，位移等传感器均为光纤传感，高精度保证数据采集的准确性，并且能够控制终端实时输出所需数据，能够很好满足方案设计、劈裂注浆的科研等需求。

试验装置体积小，重量轻，操作简便，可循环使用，进行交叉因素下多序次试验，提高了试验效率，降低了试验成本，并且可在施工现场直接装备，方便可靠。

利用本实验装置和实验方法能够实现真实地应力条件下的浆脉—岩土界面强度及其真实破坏过程的试验，研究其破坏过程中浆脉—岩土体强度、破坏模式、残余强度、全过程破坏曲线等关键特征，并能实时采集横向剪切应力、竖向地应力变化、剪切速率等对浆脉—岩土体强度的影响规律，解决了浆脉—岩土体界面强度难以真实测量的难题，在此基础上对揭示劈裂注浆的强度影响机制，对解决现有试验装置与实验方法无法加载真实的地应力条件，界面强度主要在初步实验的基础上进行理论推导，误差大，参考价值不强的难题，具备较大的理论指导和工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明结构正视图；

图2是本发明结构俯视图；

图3是本发明试样地应力加载模块细部图

其中，1是高强结构支架，2是伺服液压推进模块，3是地应力加载装置，4是上部装载盒，5是试样盖板，6下部装载盒，7是导向滑轨，8是导向滑轮，9是横向位移光纤传感器，10是后部持力顶头，11参数采集控制仪，12试样高度调节装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面通过具体实例对本发明进行进一步的阐述，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

如图1、图2、图3所示，一种可加载不同地应力条件的浆脉-岩土交界面强度测试仪器，由高强结构支架1，伺服液压推进模块2，地应力加载装置3，上部装载盒4，试样盖板5，下部装载盒6，导向滑轨7，导向滑轮8，横向位移光纤传感器9，后部持力顶头10，参数采集控制仪11，试样高度调节装置12所组成。

如图1所示，一种可加载不同地应力条件的浆脉-岩土交界面强度测试仪器，包括推进模块2，地应力加载装置3，浆脉-岩土体试样装载模块(上部装载盒4，试样盖板5，下部装载盒6，试样高度调节装置12)，参数采集控制模块(横向位移光纤传感器9，参数采集控制仪11)以及部分导向装置(导向滑轨7，导向滑轮8，后部持力顶头10)所组成。

推进模块2为伺服液压推进器，通过推进连杆与所述浆脉-岩土体试样装载模块中的下部装载盒6横向连接，伺服液压推进模块2通过螺丝固定在高强结构支架1上；地应力加载装置3通过应力加载连杆可以将地应力直接加载在试样盖板上5，从而实现了地应力对试样的加载。下部装载盒6与导向滑轨7采用刚性连接，在移动过程中相对位置保持不变。上部装载盒4通过横向连杆与横向位移光纤传感器9连接，后部持力顶头10通过横向连杆与横向位移光纤传感器9连接，限制其向右方移动。

如图1所示，高强结构支架1为钢材，具备承载大地应力的条件，其通过螺栓对部分模块进行固定，限制其位移。浆脉-岩土体试样装载模块由高强度钢材制成。

如图1所示，伺服液压推进模块2能够满足无级变速要求，推进速率在0.02-2.4mm/min定量可调；所述推进装置可产生0-30mm的横向位移。

如图1、2所示，地应力加载装置3内部包含地应力加载液压仪、地应力传感器、竖向位移传感器，可以产生固定大小的地应力条件，通过导线与参数采集控制仪11的连接，能够实时采集记录竖向位移及竖向应力的变化情况。

地应力加载装置为计算机自动控制，可提供0-10Mpa的固定竖向应力。

地应力传感器、竖向位移传感器高度集成一体，采用光纤技术，实现高精度实时记录。

如图1、3所示，试样盖板5直径等于上部装载盒4，下部装载盒6的内径，所以能够在装载模具内上下移动，直接将地应力加载装置3所产生的地应力直接加载到试样上，减小了应力损失。

如图1、2所示，上部装载盒4、下部装载盒6位外方内圆结构，下装载盒6在横向推进装置2的作用下能够向右移动，上部装载盒4保持不动，从而将横向剪切应力施加到浆—岩表面上。

如图1、2所示，导向滑轨7分为两层，层间设有7个导向钢珠，在外力作用下，两层直接可以产生相对滑动，从而带动下部装载盒向右侧滑动。

如图1、2所示，导向滑轮8由上下两个滑轮组成，其能固定横向位移光纤传感器9，方便更换其他规格的横向位移光纤传感器9。导向滑轮8下部通过螺栓与高强支架1相互连接。

如图1、2所示，横向位移光纤传感器9具有高精度、实时传输的特点，其右侧与后部持力顶头10通过横向连杆连接。后部持力顶头10通过螺栓与高强结构支架1连接。

如图1、2所示，所述参数采集控制仪11通过最近新的USB传输方式与所述推进模块，地应力加载模块，浆脉-岩土体试样装载模块相连接；所述参数采集控制模块能够自动控制所述推进模块的推进速率，所述地应力加载模块的固定应力值。

如图1、2所示，参数采集控制仪11，能够实时采集剪切过程竖向应力—竖向位移、剪切应力—剪切位移、竖向—剪切位移变化曲线，根据剪切变形间隔或时间间隔采集试验数据，最终以表格形式输出试验数据。

如图1、2所示，所述浆脉-岩土体试样装载模块中的高度调节装置可进行自动高度调节，通过高度调节可将浆脉-岩土体交界面调整至所述上部装载盒与下部装载盒交界面处，从而能够实现在浆脉-岩土体交界面上的剪切位移，测试其强度。

利用上述装置进行可加载不同地应力条件的浆脉-岩土交界面强度测试方法，通过预制环刀模具现场采集带有浆脉-岩土体交界面的圆饼形试样，根据所制备的试样的大小调节试样装载模具的圆内径大小，通过固定螺栓，将上部装载盒4，下部装载盒6的圆心位于同一竖直平面，将圆饼形试样放入装载模块中，调节装载模具内的高度调节装置12，将浆脉-岩土体交界面与上下部装载盒交界面位于同一水平平面，使得上下部分装载盒产生搓动条件下，浆脉-岩土体交界面同样产生水平搓动。通过现场应力试验测得实际地应力条件，将推进装2与下部装载盒6连接，在试样上加盖试样盖板5，将地应力加载装置3与试样盖板5连接，接通电源，打开参数采集控制仪器11，输入地应力大小，预加地应力条件，设置横向推进装置速率，开启监测软件，监测地应力变化，竖向位移，横向剪切应力，横向位移四项基本参数，开始推进直至试样丧失强度，确定残余强度值，从而输出各项监测数据，测得浆脉-岩土体界面的全过程强度曲线。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明的浆脉-岩土体界面强度实验装置与实验方法，可以加载真实地应力条件，从而来可以测量真实应力条件下的浆脉-岩土界面强度，为建立界面破坏数学模型和提出新的注浆设计方案提供依据，改变了现有浆脉-岩土界面强度只能靠理论推导的局面。

通过本发明的试验装置与实验方法能够对不同形状的原位试样进行大小、深度等自适应调整从而满足浆脉-岩土界面测试的普适性要求。

通过本实验装置通过横向伺服液压推进装置，可以无极调节横向加载速度，从而克服了因人工操作的不稳定性对强度测试产生的较大的误差，使得测试结果更接近与真实情况。

本实验装置能够对粗砂岩、黏土、粉土、碎石土等多种条件下的浆脉—岩土界面进行强度测试，推广适用性较广。

本实验配置的竖向地应力加载装置，可以实现高地应力的加载，从而保证了真实地测试环境。

试验装置配备的应力，位移等传感器均为光纤传感，高精度保证数据采集的准确性，并且能够控制终端实时输出所需数据，能够很好满足方案设计、劈裂注浆的科研等需求。

试验装置体积小，重量轻，操作简便，可循环使用，进行交叉因素下多序次试验，提高了试验效率，降低了试验成本，并且可在施工现场直接装备，方便可靠。

利用本实验装置和实验方法能够实现真实地应力条件下的浆脉—岩土界面强度及其真实破坏过程的试验，研究其破坏过程中浆脉—岩土体强度、破坏模式、残余强度、全过程破坏曲线等关键特征，并能实时采集横向剪切应力、竖向地应力变化、剪切速率等对浆脉—岩土体强度的影响规律，解决了浆脉—岩土体界面强度难以真实测量的难题，在此基础上对揭示劈裂注浆的强度影响机制，对解决现有试验装置与实验方法无法加载真实的地应力条件，界面强度主要在初步实验的基础上进行理论推导，误差大，参考价值不强的难题，具备较大的理论指导和工程应用价值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。