三向非均匀应力下三维组合裂隙岩体劈裂注浆模型的试验装置及方法

本发明属于注浆试验，具体涉及三向非均匀应力下三维组合裂隙岩体劈裂注浆模型的试验装置及方法。

背景技术：

1、注浆技术在各类地下工程防渗及岩土体加固方面表现出显著的优越性，已成为控制大变形煤岩体破坏的重要手段。广泛应用于各类地质灾害处治工作，取得了良好的效果，但由于注浆工程的隐蔽性，特别是应用于复杂地下岩体环境时，劈裂-渗透耦合注浆扩散机理及应用研究尚存在亟待解决的关键科学问题和工程技术难题。

2、自然岩体中经常存在大量的裂隙结构，如节理和断层等不连续体。这些裂隙在空间上相互交错交叉分布，形成空间网络结构，是地下水渗流和浆液流动的主要通道。岩体内部的裂隙空间几何形状和分布状态直接决定浆液流动路径及其流动特征，从而影响最终的注浆效果。因此，研究裂隙岩体结构对于研究浆液流动特性是很有必要的。对于裂隙岩体，裂隙开度的分布是影响浆液扩散效果的主要因素，裂隙开度极小值的水平是表征劈裂注浆出现的主要指标；另外一个启劈发生条件是注浆压力，注浆压力小的话无法将裂隙张开，因此，劈裂注浆的发生需要大于渗透注浆几倍甚至十几倍的注浆压力才能发生；然后，启劈注浆压力的大小不仅与被注介质有关而且与其所处的应力环境息息相关。总而言之，劈裂注浆的发生需要三个主要因素：第一是注浆压力够大，第二是裂隙开度较小浆液渗透不过去的情况下，第三是裂隙岩体所处的应力环境及其自身力学性质；所以，需要将三者综合考虑来研究劈裂注浆启劈及裂隙扩展机制。

3、现有技术中，为了对上述劈裂注浆启劈及裂隙扩展机制进行研究，已经出现了一些相关技术，如专利号为202010532874.7的专利文献《三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置及方法》，就公开了一种注浆试验装置及方法，其装置包括三维加载框，第一主应力加压装置、第二主应力加压装置、第三主应力加压装置、注浆装置和应力监测系统，三个应力加压装置分别从三维加载框的顶侧、前侧和右侧对三维加载框内的裂隙岩体进行加压，加压方式是通过设于裂隙岩体与三维加载框之间的加压液囊注水膨胀加压，注浆装置则将注浆管穿过三维加载框的钢板插入裂隙岩体中心进行注浆，而应力监测系统则采用压力盒进行应力检测，压力盒安装于三维加载框上与应力加压装置位置相背一侧并安装于三维加载框的钢板上，压力盒贴合在裂隙岩体侧面进行应力检测。上述现有技术虽然实现了在施加三向应力条件下的劈裂注浆试验，能够自由调节各个方向上的应力大小。但是这种结构的装置中液囊对裂隙岩体一侧施加的压力，在构成裂隙岩体的各个小试样侧面是基本相同的，但实际工程中的三维应力环境常常出现不同位置所受应力大小不同，并且应力变化常常为梯度变化。这一种应力条件，现有的三向应力加载条件下的劈裂注浆试验装置难以模拟，也缺乏相应的试验方法，这成为现有技术需要解决的一个问题。

技术实现思路

1、本发明目的是提供三向非均匀应力下三维组合裂隙岩体劈裂注浆模型的试验装置，以解决现有技术中缺少模拟三向非均匀应力条件下的裂隙岩体劈裂注浆试验的相关技术这一技术问题。

2、所述的三向非均匀应力下三维组合裂隙岩体劈裂注浆模型的试验装置，包括三维组合裂隙岩体、三面固定组合挡板、注浆系统部分、应力监测部分和三个应力加载部分，所述三维组合裂隙岩体为通过若干小试样拼接形成的长方体结构，三个应力加载部分从上、前、右三个不同方向向三维组合裂隙岩体施加应力，三个应力加载部分分别为第一主应力加载部分、第二主应力加载部分、第三主应力加载部分，所述应力加载部分包括小垫板、加压装置、弹性元件和加载挡板，所述小垫板与三维组合裂隙岩体施加应力一侧的小试样一一对应并设置于对应小试样收到应力的一侧，所述弹性元件与所述小垫板一一对应并设置于所述小垫板与加载挡板之间，位于同一侧的弹性元件连接在同一个加载挡板上，所述加载挡板被加压装置施加朝向所述三维组合裂隙岩体的压力，所述弹性元件设有多组且各组弹性元件的刚度不同，排列后的各个弹性元件的刚度呈梯度变化；所述注浆系统部分用于向所述三维组合裂隙岩体的中心注浆，所述应力监测部分包括采集应力数据的压力盒，所述压力盒设于所述三面固定组合挡板的至少一个内侧面，所述三面固定组合挡板的三个内侧面分别与三个应力加载部分相对。

3、优选的，所述弹性元件按刚度由大到小依次设置若干组，位于中心的弹性元件具有最大刚度，同一侧布置的弹性元件由内到外刚度依次减小。

4、优选的，所述弹性元件为弹簧，所述加压装置为真三轴试验机，真三轴试验机的三个施力柱分别从上、前、右三个不同方向向三维组合裂隙岩体施加应力，三个施力柱分别为第一主应力加压方向施力柱、第二主应力加压方向施力柱和第三主应力加压方向施力柱，所述加载挡板分别为第一主应力加载挡板、第二主应力加载挡板和第三主应力加载挡板。

5、优选的，第一主应力加载部分中的小垫板设于三维组合裂隙岩体上面的小试样上侧，真三轴试验机的第一主应力加压方向施力柱的下端与所述第一主应力加载挡板接触并向下施压，位于三维组合裂隙岩体上侧的各个小垫板通过对应的弹簧与所述第一主应力加载挡板连接，所述弹簧均竖直设置。

6、第二主应力加载部分中的小垫板设于三维组合裂隙岩体上面的小试样右侧，真三轴试验机的第二主应力加压方向施力柱的左端与所述第二主应力加载挡板接触并向左施压，位于三维组合裂隙岩体右侧的各个小垫板通过对应的弹簧与所述第二主应力加载挡板连接，所述弹簧均沿左右方向水平设置。

7、第三主应力加载部分中的小垫板设于三维组合裂隙岩体上面的小试样前侧，真三轴试验机的第三主应力加压方向施力柱的后端与所述第三主应力加载挡板接触并向后施压，位于三维组合裂隙岩体前侧的各个小垫板通过对应的弹簧与所述第三主应力加载挡板连接，所述弹簧均沿前后方向水平设置。

8、优选的，所述注浆系统部分包括电动注浆泵、浆液伺服控制系统、隔膜压力计、注浆软管、注浆硬管、流量计和无纸记录仪；其中电动注浆泵连接注浆软管，所述注浆软管经浆液伺服控制系统连接到所述注浆硬管，所述注浆硬管穿过一个加载挡板插入所述三维组合裂隙岩体的中心用于注浆；注浆软管上安装有隔膜压力计及流量计，所述隔膜压力计及所述流量计设于所述注浆硬管到所述浆液伺服控制系统之间，所述隔膜压力计及所述流量计通过数据线连接于无纸记录仪。

9、优选的，所述注浆硬管穿过第三主应力加载挡板，所述第三主应力加载挡板的外侧安装有镂空框架结构的主应力加载挡板支架，所述第三主应力加压方向施力柱施压时与主应力加载挡板支架的伸出端接触，通过挤压主应力加载挡板支架对第三主应力加载挡板施压，所述注浆硬管穿过所述主应力加载挡板支架和所述第三主应力加载挡板。

10、优选的，所述应力监测部分包括动静态应变仪和所述的压力盒；所述压力盒通过数据线连接于所述动静态应变仪，所述三面固定组合挡板至少一个内侧面开设有深凹孔，所述压力盒设于所述深凹孔内并能采集该方向上三维组合裂隙岩体产生的应力。

11、优选的，所述三面固定组合挡板包括底面板、左面板、后面板，所述底面板的左端面与所述左面板焊接相连，所述左面板和所述后面板竖直焊接固定在所述底面板上，所述左面板和所述后面板之间垂直焊接相连。

12、本发明还提供了三向非均匀应力下三维组合裂隙岩体劈裂注浆模型的试验方法，采用如上所述的三向非均匀应力下三维组合裂隙岩体劈裂注浆模型的试验装置，所述试验方法包括下列步骤。

13、s1、首先把浇筑好的岩体试件切割构成若干小试件，之后按设计的组合方式将小试件拼接形成三维组合裂隙岩体，三维组合裂隙岩体位于三面固定组合挡板内。

14、s2、在加载挡板上安装上弹簧，并在各个弹簧的伸出端安装上对应的小垫板，依次组装好三个应力加载部分。

15、s3、将第一主应力加载部分设置在三维组合裂隙岩体的上侧，将第二主应力加载部分设置在三维组合裂隙岩体的右侧，启动真三轴试验机相应的两个施力柱施压分别对第一主应力加载部分和第二主应力加载部分施加一定的预应力，并保持预应力不变。

16、s4、在三维组合裂隙岩体前侧的中心位置设置注浆硬管，再将第三主应力加载部分设置于三维组合裂隙岩体的前侧。

17、s5、将注浆软管连接到注浆硬管，然后沿注浆软管依次连接隔膜压力计、流量计、浆液伺服控制系统和电动注浆泵，再采用数据线将流量计和隔膜压力计与无纸记录仪连接起来，将压力盒的数据线与动静态应变仪连接。

18、s6、启动真三轴试验机对第三主应力加载部分进行预应力加载，保持一定时间。

19、s7、启动真三轴试验机对三维组合裂隙岩体进行三个方向的应力加载，按应力的加载路径加载应力到该次试验的应力状态，保持该应力状态，启动电动注浆泵向三维组合裂隙岩体的中心进行注浆试验，若注浆压力出现较大起伏并在之后稳定到某一水平的压力值，则在压力稳定时停止注浆，关闭电动注浆泵。

20、s8、将试验设备拆除，根据小试样铺设的层逐层拆除三维组合裂隙岩体，每拆除一层小试样即进行拍照，将拆除的每层小试样先后以另外两种断面向上进行摆放，然后分别进行拍照。上述拍照采集的图像用于进行三维浆液劈裂路径的分析研究。

21、之后循环重复步骤s1至步骤s8的过程，但每次重复都根据试验次数和加载路径的要求改变真三轴试验机上各施力柱加载的应力状态，直至加载路径加载完毕。

22、优选的，应力的加载路径包括第一主应力加载路径、第二主应力加载路径和第三主应力加载路径；

23、第一主应力加载路径包括，将各次试验中第一主应力保持在一个设定值；

24、第二主应力加载路径包括，将各次试验先后分为若干组，在每组试验中均第二主应力保持在对应改组试验的一个设定值；

25、第三主应力加载路径包括，在前述的每组试验中，每次试验的第三主应力均相较前一次试验按固定的梯度变化递增，直至达到阈值后该组试验结束进行下一组试验。

26、本发明具有以下优点：本发明能实现不同三向非均匀应力条件下劈裂注浆试验，通过调节弹簧刚度的分布可以实现不同程度的非均匀应力梯度变化，研究各个主应力方向应力不均匀分布对于劈裂注浆的影响，探究浆岩耦合效应。

27、本发明通过真三轴试验机施加不同加载路径下的三向应力，还原工程中复杂三维应力环境，还可以进行不同三向应力加载路径对于劈裂注浆启劈位置与裂隙扩展方向等方面的研究。

28、本发明的试验装置采用的三维组合裂隙岩体由小试样通过拼接而成，调节小试样的表面的粗糙度可实现初始裂隙开度的随性分布，也可以研究某一断面的裂隙粗糙度对于劈裂注浆的影响，进一步可以构造三维水平下变开度裂隙空间，研究三维随机开度裂隙空间内浆液启劈与裂隙扩展机制。