一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统及方法

本发明涉及一种裂隙岩样注浆模拟试验，具体涉及一种深部断层裂隙发育区注浆试验系统及方法，属于岩石工程领域。

背景技术：

1、地下工程经常会穿越裂隙岩体不良地质区域，注浆加固技术作为最有效的软弱围岩和破碎围岩变形控制技术之一，在国内外广受认可。无论是在注浆帷幕堵水、巷道（隧道）围岩加固、防止地层沉陷、建立防隔水带等各种工程领域应用广泛。注浆加固技术通过注浆孔（注浆井），靠注浆压力将浆液压入围岩裂隙中，通过渗透、劈裂等作用提高岩体的整体性，增强围岩强度。

2、研究裂隙岩体注浆加固效果的方法主要有两大类：现场试验与实验室试验。现场试验能够更加真实合理的反映实际浆液扩散和加固效果，但是现场注浆具有隐蔽性和复杂性，存在钻孔取心窥视信息较少，其他方法只能定性评价注浆效果，无法获得定量力学参数等问题，现场试验比较困难。实验室研究将实际复杂情况进行适当简化，抓住核心问题和主要矛盾，方便研究人员开展多种方案对比研究，操作简便，经济性好。对于裂隙岩体，急需探索一种将其通过注浆加固的方法制作成完整试样的装置，再通过磨光机将其加工成标准试样，然后进行相关单轴、三轴试验、剪切试验等。

3、研究注浆加固机理最有效方法是进行注浆加固室内试验，而现有的注浆加固试验装置不适用于对特定角度的裂隙进行标准化注浆加固试验，对于注浆装置不能进行可视化观测，无法准确判断注浆浆液是否已经完全充填裂隙区域，不能根据实际情况确定合理的保压时间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统及方法，以解决现有技术存在的问题。

2、为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种裂隙岩体可视化保压注浆加固系统及方法：

3、一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统，包括动力系统、压力控制系统、承压装置、监测装置；所述动力系统包括气瓶，气瓶内盛放氮气，气瓶上设有总阀门；所述压力控制系统包括控制架本体、气体贮存罐和浆液贮存罐，控制架本体上设置有压力表i和压力调节阀；气瓶连接不锈钢管一端，不锈钢管另一端与气体贮存罐的进口连接，不锈钢管上设有排气管，排气管上设有排气阀气体贮存罐的出口通过三通和连接管i分别与压力表i的进口和压力调节阀的进口连接，压力调节阀的出口通过连接管ii与浆液贮存罐的进口连接；所述承压装置包括压头上盘、压头下盘和放样室，放样室设置于压头上盘与压头下盘之间，压头上盘上设有注浆孔、排气孔和测压孔，注浆孔连接注浆管，注浆管上依次安装高压阀门i和压力表ii，注浆管另一端与浆液存贮罐的出口连接；排气孔连接出浆管，出浆管上安装高压阀门ii，出浆管另一端与盛浆桶连接；测压孔与压力变送器连接，压力变送器通过线路与无纸记录仪相连接。

4、所述放样室包括箱体，箱体顶面开口，箱体顶面内侧开设一圈凹槽，凹槽内安装有橡胶垫圈，箱体一侧开口，开口处设有观察窗，箱体内放置有预制裂纹试样。

5、所述压头上盘与压头下盘通过高强螺杆相连接，高强螺杆的上、下端螺接有高强螺母。

6、所述监测装置为高清摄像机，用以观测注浆过程中的浆液变化。

7、所述连接管i、连接管ii、注浆管和出浆管均为高压软管，可以耐受10mpa注浆压力。

8、所述压力表i、压力表ii为数显压力表。

9、所述压力变送器为隔膜式压力变送器。

10、所述无纸记录仪分为8通道，可同时记录8组同时进行的试验数据。

11、所述放样室采用不锈钢材质。所述观察窗为高强有机玻璃，能够耐受较高压力。所述预制裂纹试样25的尺寸为50mm×50mm×50mm或50mm×50mm×100mm。

12、所述压力控制系统用于调整可视化监测系统中的裂隙岩体注浆压力。

13、一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统的试验方法，其步骤如下：

14、步骤一：进行压力调试和密封性检测

15、将各试验设备按顺序连接，将预制裂纹试样放入放样室中，之后打开总阀门，使气瓶中的气体进入管路中，以此来检测各压力表读数是否一致，检查各连接处是否有漏气情况，承压装置的放样室是否能够保压以及压力降低速率；

16、步骤二：卸掉管路中的高压气体

17、关闭气瓶的总阀门，打开气瓶的排气阀，将管路中的气体排完，同时，打开高压阀门ii，排出放样室内部的高压气体；

18、步骤三：按照浆液水灰配比

19、将水泥、水和添加剂等材料放入搅拌桶内搅拌后，再放入浆液贮存罐内，开启浆液贮存罐内搅拌桨，待搅拌均匀后，打开总阀门，使气瓶中的气体进入管路和气体贮存罐中，并通过调节压力调节阀，使得高压气体贮存罐内的气体压入连接管i内，然后通过连接管ii进入浆液贮存罐内，从而促使浆液贮存罐内的浆液通过注浆孔注入放样室内，高清摄像机拍摄注浆过程并观察浆液是否充满裂隙，待出浆管内流出浆液时，关闭高压阀门ii，继续注浆10秒后，关闭总阀门，关闭高压阀门i，实现注浆保压。

20、本发明的优点在于：

21、1、本发明的室内模拟注浆加固试验装置能对含特定角度裂隙试样进行注浆加固，通过对注浆加固体进行室内试验，测定注浆加固体的力学性能，对不同角度注浆加固体的裂隙萌生、扩展和破坏形态进行分析，建立裂隙角度与其力学性能的关系；通过不同注浆压力、浆液水灰比与加固裂隙岩体抗压强度和剪切强度的关系，优化浆液流变特性和注浆压力，指导注浆工程设计和施工。同时，对加固体结构面进行剪切试验，深入研究注浆节理面剪切强度参数，本发明装置为裂隙面微观剪切机理的研究尤其是浆岩界面过渡区的失效破坏机理提供前期试验基础。

22、2、本试验装置采用了一体式设计，取样方便，可实现试样注浆加固后整体快速脱模，还可以进行注浆过程可视化和注浆压力保持。

技术特征：

1.一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统，其特征在于：包括动力系统、压力控制系统、承压装置、监测装置；所述动力系统包括气瓶(1)，气瓶(1)内盛放氮气，气瓶(1)上设有总阀门(2)；所述压力控制系统包括控制架本体(5)、气体贮存罐(6)和浆液贮存罐(7)，控制架本体(5)上设置有压力表i(8)和压力调节阀(9)；气瓶(1)连接不锈钢管(24)一端，不锈钢管(24)另一端与气体贮存罐(6)的进口连接，不锈钢管(24)上设有排气管(3)，排气管(3)上设有排气阀(4)，气体贮存罐(6)的出口通过三通和连接管i分别与压力表i(8)的进口和压力调节阀(9)的进口连接，压力调节阀(9)的出口通过连接管ii与浆液贮存罐(7)的进口连接；所述承压装置包括压头上盘(10)、压头下盘(11)和放样室(12)，放样室(12)设置于压头上盘(10)与压头下盘(11)之间，压头上盘(10)上设有注浆孔(13)、排气孔(14)和测压孔(15)，注浆孔(13)连接注浆管(16)，注浆管(16)上依次安装高压阀门i(17)和压力表ii(18)，注浆管(16)另一端与浆液存贮罐(7)的出口连接；排气孔(14)连接出浆管(19)，出浆管(19)上安装高压阀门ii(20)，出浆管(19)另一端与盛浆桶(21)连接；测压孔(15)与压力变送器(22)连接，压力变送器(22)通过线路与无纸记录仪(23)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统，其特征在于：所述放样室(12)包括箱体(1201)，箱体(1201)顶面开口，箱体(1201)顶面内侧开设一圈凹槽(1202)，凹槽(1202)内安装有橡胶垫圈(1203)，箱体(1201)一侧开口，开口处设有观察窗(1204)，箱体(1201)内放置有预制裂纹试样(25)。

3.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统，其特征在于：所述压头上盘(10)与压头下盘(11)通过高强螺杆(26)相连接，高强螺杆(26)的上、下端螺接有高强螺母(27)。

4.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统，其特征在于：所述监测装置为高清摄像机，用以观测注浆过程中的浆液变化。

5.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统，其特征在于：所述连接管i、连接管ii、注浆管(16)和出浆管(19)均为高压软管，可以耐受10mpa注浆压力。

6.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统，其特征在于：所述无纸记录仪(23)分为(8)通道，可同时记录(8)组同时进行的试验数据。

7.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统，其特征在于：所述压力控制系统用于调整可视化监测系统中的裂隙岩体注浆压力。

8.一种使用上述权利要求1-7中任一权利要求所述裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统的试验方法，其特征在于步骤如下：

技术总结
本发明公开了一种裂隙岩体可视化保压注浆加固试验系统及方法，包括动力系统、压力控制系统、承压装置、监测装置；所述动力系统包括气瓶，气瓶内盛放氮气，气瓶上设有总阀门；所述压力控制系统包括控制架本体、气体贮存罐和浆液贮存罐，控制架本体上设置有压力表I和压力调节阀；气瓶连接不锈钢管一端，不锈钢管另一端与气体贮存罐的进口连接，不锈钢管上设有排气管，排气管上设有排气阀气体贮存罐的出口通过三通和连接管I分别与压力表I的进口和压力调节阀的进口连接。本试验装置采用了一体式设计，取样方便，可实现试样注浆加固后整体快速脱模，还可以进行注浆过程可视化和注浆压力保持。

技术研发人员：王连国,王帅,任博,丁可,姜崇扬,郭嘉兴
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29