一种真三轴岩体水力劈裂及劈裂注浆模拟试验装置

本实用新型属于岩土工程技术领域，具体涉及到一种真三轴岩体水力劈裂及劈裂注浆模拟试验装置。

背景技术：

在深部地下工程以及高库大坝水电工程中，岩体往往处于高地应力、高渗透压力作用下。在高渗透压力和开挖卸荷的共同作用下，岩体可能会发生水力劈裂破坏。另一方面，高地应力条件下的地下洞室开挖时，工程中经常采用水力劈裂法卸压预防高地应力冲击事故。而在某些情况下，也需要对岩体进行高压劈裂注浆进行预加固处理，以提高围岩整体性和稳定性。

目前，在这种岩体水力劈裂以及劈裂注浆中，岩体起裂机制及扩散规律，以及劈裂注浆机理都需要通过模型试验进行研究分析。如何模拟岩体而非岩块、模拟岩体地应力条件，对机理机制研究十分关键。因此，急需一种真三轴岩体水力劈裂及劈裂注浆模拟试验装置。

技术实现要素：

针对上述不足，本实用新型提供一种真三轴岩体水力劈裂及劈裂注浆模拟试验装置，结构简单，使用方便，能够较好的模拟真三轴岩体水力劈裂及劈裂注浆模拟试验，便于相应机理机制的研究，为实际应用提供理论依据。

为实现上述目的，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种真三轴岩体水力劈裂及劈裂注浆模拟试验装置，包括刚性反力架和长方体试样，长方体试样密封设置在刚性反力架内，长方体试样和刚性反力架之间设置有若干油缸活塞，长方体试样和油缸活塞之间设置有传力板，长方体试样上设置有压裂孔或预制裂隙，压裂孔或预制裂隙通过油水分离传力缸与高压水压源或劈裂注浆系统连接，油缸活塞分别与液压系统和裂隙水压系统连接，液压系统包括液压源和电液伺服控制系统，裂隙水压系统包括顺次连接的油水分离传力缸、电液伺服阀和裂隙水压力源，传力板、油缸活塞、油水分离传力缸和高压水压源或劈裂注浆系统均与监测系统连接。

本实用新型的有益效果是：将长方体试样密封设置在刚性反力架中，刚性反力架能够提供反力，同时连接液压系统、裂隙水压系统、高压水压源或劈裂注浆系统连接，用于模拟岩体在实际情况中的受力情况，在长方体试样的5个面主动加载，1个面被动加载，并通过电液伺服控制系统控制，传力板的设置是为了将模拟地应力均匀的传至长方体试样表面，更加符合实际使用情况；监测系统能够监测模拟试验时各处模拟地应力的大小以及各参数的变化，并进行汇总和处理。长方体试样边长最大为0.5m，可用现场岩石切割加工，也可以采用砂浆或混凝土等相似材料浇筑，几何相似系数、容重相似系数一般为1。在模拟试验中，采用长方体试样是为了便于三向地应力的加载，无预制裂隙的试样水密封能力能够达到40mpa，有预制裂隙的能够达到10mpa。本模拟试验装置能够模拟1000m深部岩石水力劈裂和劈裂注浆，也可以模拟1000m左右深度地层的地应力，3个主应力可独立加载并控制，实现30-40mpa的地应力模拟，分辨率不低于0.5mpa；同时，高压水压或注浆压力至少有50mpa，分辨率不低于0.1mpa。本实用新型的模拟试验装置结构简单，使用方便，能够较好的模拟真三轴岩体水力劈裂及劈裂注浆模拟试验，便于相应机理机制的研究，为实际应用提供理论依据。

进一步，监测系统包括声发射传感器、应变花、压力传感器、加速度检测仪和计算机。

采用上述进一步方案的有益效果是：声发射传感器、应变花和压力传感器等能够将模拟试验时各处的实时参数及变化准确的进行反馈，一同监测模拟试验过程中的参数变化情况，测量预制裂隙的开裂、端部应变(判断起裂压力)、水压致裂临界压力然后传递给计算机进行处理，便于数据的分析处理，对机理机制进行分析。

进一步，声发射传感器和压力传感器设置在传力板上，应变花设置在压裂孔或预制裂隙处。

采用上述进一步方案的有益效果是：声发射传感器、加速度检测仪能够监测裂隙开裂扩展产生的微震信号，压力传感器配合油水隔离器监测不同位置的注浆压力，还可以监测致裂水压力、裂隙水压力、注浆压力、渗透压力、土压力，应变花监测裂尖变形、试样变形，采用有色示踪剂，追踪裂隙扩展，并传递给计算机。

进一步，劈裂注浆系统包括计量泵，计量泵通过高压胶管与浆液储存罐连接，浆液储存罐通过管道与长方体试样连接，浆液储存罐和管道上分别设置有液压活塞和注浆压力传感器。

采用上述进一步方案的有益效果是：在进行劈裂注浆试验时，将致裂水压系统替换为劈裂注浆系统，通过计量泵、高压胶管等的配合进行劈裂注浆，模拟真实的环境条件，进行模拟试验。

进一步，长方体试样中心处设置有通孔，通孔内设置有钢管一和钢管二，通孔深230-360mm处为裸孔。

进一步，钢管一和钢管二出口端均设置有高压快速接头，钢管一与高压水压源连接，钢管二与排气阀、截止阀和压力传感器连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：钢管一作为压水孔或注浆孔，可连接高压水压源，用于模拟实际环境条件；钢管二作为排气、水压及注浆压力监测孔，用于监测试验过程中的参数变化。

进一步，钢管一和钢管二与通孔孔壁之间通过环氧树脂粘结密封。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用环氧树脂等高强材料粘结密封，使得钢管与钻孔壁之间的密封性能较好，不易渗漏。

附图说明

图1为本实用新型的示意图；

图2为劈裂注浆系统示意图；

图3为长方体试样示意图；

其中，1、电液伺服控制系统；2、液压源；3、刚性反力架；4、长方体试样；5、传力板；6、油缸活塞；7、油水分离传力缸；8、高压水压源或劈裂注浆系统；9、计算机；10、监测系统；11、压裂孔或预制裂隙；12、电液伺服阀；13、裂隙水压力源；14、计量泵；15、高压胶管；16、浆液储存罐；17、液压活塞；18、注浆压力传感器；19、钢管一；20、钢管二。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

本实用新型的一个实施例中，如图1-3所示，提供了一种真三轴岩体水力劈裂及劈裂注浆模拟试验装置，包括刚性反力架3和长方体试样4，长方体试样4密封设置在刚性反力架3内，长方体试样4和刚性反力架3之间设置有若干油缸活塞6，长方体试样4和油缸活塞6之间设置有传力板5，长方体试样4上设置有压裂孔或预制裂隙11，压裂孔或预制裂隙11通过油水分离传力缸7与高压水压源或劈裂注浆系统8连接，油缸活塞6分别与液压系统和裂隙水压系统连接，液压系统包括液压源2和电液伺服控制系统1，裂隙水压系统包括顺次连接的油水分离传力缸7、电液伺服阀12和裂隙水压力源13，传力板5、油缸活塞6、油水分离传力缸7和高压水压源或劈裂注浆系统8均与监测系统10连接。将长方体试样4密封设置在刚性反力架3中，刚性反力架3能够提供反力，同时连接液压系统、裂隙水压系统、高压水压源或劈裂注浆系统8连接，用于模拟岩体在实际情况中的受力情况，在长方体试样4的5个面主动加载，1个面被动加载，并通过电液伺服控制系统1控制，传力板5的设置是为了将模拟地应力均匀的传至长方体试样4表面，更加符合实际使用情况；监测系统10能够监测模拟试验时各处模拟地应力的大小以及各参数的变化，并进行汇总和处理。长方体试样4边长最大为0.5m，可用现场岩石切割加工，也可以采用砂浆或混凝土等相似材料浇筑，几何相似系数、容重相似系数一般为1。在模拟试验中，采用长方体试样4是为了便于三向地应力的加载，无预制裂隙的试样水密封能力能够达到40mpa，有预制裂隙的能够达到10mpa。本模拟试验装置能够模拟1000m深部岩石水力劈裂和劈裂注浆，也可以模拟1000m左右深度地层的地应力，3个主应力可独立加载并控制，实现30-40mpa的地应力模拟，分辨率不低于0.5mpa；同时，高压水压或注浆压力至少有50mpa，分辨率不低于0.1mpa。本实用新型的模拟试验装置结构简单，使用方便，能够较好的模拟真三轴岩体水力劈裂及劈裂注浆模拟试验，便于相应机理机制的研究，为实际应用提供理论依据。

监测系统10包括ss430型声发射传感器、应变花、ast2000h2型压力传感器、加速度检测仪和计算机9；声发射传感器、应变花和压力传感器等能够将模拟试验时各处的实时参数及变化准确的进行反馈，一同监测模拟试验过程中的参数变化情况，测量预制裂隙的开裂、端部应变(判断起裂压力)、水压致裂临界压力然后传递给计算机9进行处理，便于数据的分析处理，对机理机制进行分析。声发射传感器和压力传感器设置在传力板5上，应变花设置在压裂孔或预制裂隙11处；声发射传感器、加速度检测仪能够监测裂隙开裂扩展产生的微震信号，压力传感器配合油水隔离器监测不同位置的注浆压力，还可以监测致裂水压力、裂隙水压力、注浆压力、渗透压力、土压力，应变花监测裂尖变形、试样变形，采用有色示踪剂，追踪裂隙扩展，并传递给计算机9。劈裂注浆系统包括计量泵14，计量泵14通过高压胶管15与浆液储存罐16连接，浆液储存罐16通过管道与长方体试样4连接，浆液储存罐16和管道上分别设置有液压活塞17和注浆压力传感器18；在进行劈裂注浆试验时，将致裂水压系统替换为劈裂注浆系统，通过计量泵14、高压胶管15等的配合进行劈裂注浆，模拟真实的环境条件，进行模拟试验。长方体试样4中心处设置有通孔，通孔内设置有钢管一19和钢管二20，通孔深230-360mm处为裸孔；钢管一19和钢管二20出口端均设置有高压快速接头，钢管一19与高压水压源连接，钢管二20与排气阀、截止阀和压力传感器连接；钢管一19作为压水孔或注浆孔，可连接高压水压源，用于模拟实际环境条件；钢管二20作为排气、水压及注浆压力监测孔，用于监测试验过程中的参数变化。钢管一19和钢管二20与通孔孔壁之间通过环氧树脂粘结密封；采用环氧树脂等高强材料粘结密封，使得钢管与钻孔壁之间的密封性能较好，不易渗漏。

虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。