專利名稱：復雜條件下的裂隙注漿可視化試驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種巖石裂隙注漿模擬試驗的試驗裝置及試驗方法，尤其涉及一種復雜應力狀態(tài)下考慮裂隙錯動影響的裂隙徑向輻射流可視化實驗裝置。
背景技術：
在礦山開采、水利水電、隧道、邊坡加固等巖土工程中，節(jié)理裂隙對巖體工程的穩(wěn)定性有著重要影響。一方面巖體裂隙是導致地下工程水害的重要原因之一，另一方面裂隙的存在也大大降低了巖體強度。通過注漿充填裂隙，不僅可以有效防治工程水害，而且提高了圍巖的整體性，對破碎巖體的加固效果十分明顯。在注漿的過程中，漿液在裂隙中的擴散規(guī)律對堵水和圍巖加固效果具有決定性的重要影響。因此，本領域非常需要對漿液在裂隙中的擴散形態(tài)及影響因素進行研究，而進行復雜條件下的裂隙注漿模擬試驗，并以此為基礎建立裂隙注漿徑向擴散模型是一種有效的研究手段。建立裂隙注漿徑向擴散模型應考慮以下幾方面的因素裂隙的受力狀態(tài)、裂隙變形及相對剪切位移、裂隙面接觸面積、漿液黏度、裂隙開度、注漿壓力、裂隙粗糙度、裂隙連通性、裂隙地下水壓力和流動、裂隙面是否張開等和各種施工因素等。其關鍵技術是試驗邊界條件的實現(xiàn)，即荷載、位移邊界條件和滲流邊界條件。由于試驗條件的限制，特別是在圍壓加載、裂隙可控錯動、滲透密封手段、及可視化的實現(xiàn)方面，國內關于在復雜條件下的巖石裂隙注漿擴散試驗及試驗方法的研究還存在局限性，相關實驗設備還比較缺乏。在現(xiàn)有技術中，“注漿擴散測試裝置”公開了一種注漿模擬實驗裝置，對裂隙注漿擴散測試方法進行了相關闡述，但其沒有考慮裂隙的受力狀態(tài)、裂隙變形和相對位移、裂隙接觸面粗糙度等因素的影響。相關實驗裝置沒有軸向加載機構、切向加載機構、圍壓加載機構，無法模擬復雜條件(包括裂隙三向受力狀態(tài)、裂隙變形、裂隙面相對位移等)下的裂隙注漿，水壓加載機構可提供的水壓力較小，且不能對高壓流動水情況下裂隙注漿封堵情況進行模擬研究，不能實現(xiàn)兩裂隙面可控相對錯動，沒有實現(xiàn)實驗過程的可視化及計算機自動化控制，對現(xiàn)場實際注漿情況的模擬效果不夠理想。

實用新型內容為解決上述問題，本實用新型提出的一種新的復雜條件下的裂隙注漿試驗裝置及試驗方法，可以實現(xiàn)在復雜條件(包括裂隙體三向應力狀態(tài)、裂隙變形、裂隙面相對剪切位移、高壓流動水等)下進行巖石粗糙裂隙注漿模擬試驗與分析，試驗裝置考慮了復雜應力作用下兩裂隙面相對錯動，以及裂隙接觸面粗糙度和裂隙水流動狀態(tài)對漿液擴散的影響， 并實現(xiàn)了實驗過程的可視化，直觀的觀察漿液在裂隙中擴散狀態(tài)及運動路徑，并通過與計算機控制系統(tǒng)的連接實現(xiàn)了實驗過程的自動化控制和量測。本實用新型所述的復雜條件下的裂隙注漿可視化試驗裝置及試驗方法的具體技術方案為—種復雜條件下的裂隙注漿可視化試驗裝置，包括實驗用實驗機框架、裂隙試件
4注漿加載盒、軸向加載機構、切向加載機構、圍壓加載機構、水壓加載機構、壓力注漿系統(tǒng)、 流動水收集測量裝置、可視化系統(tǒng)；所述實驗機框架采用整體式澆注；所述裂隙試件注漿加載盒用于放置試樣，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒包括上密封套，下剪切盒包括下密封套；上、下密封套由聚氨脂材料澆注模壓成型，分別具有中空腔，當上、下剪切盒產生相對移動時，上密封圈和下密封圈的接觸面在可以滑動狀態(tài)下保持壓縮密封，上密封盒上設置有方形觀察孔、進水孔和排氣孔；下密封盒上設置有出水孔；所述軸向加載機構用于給試樣加載軸向力，包括軸向加載框架、軸向加載油缸和伺服油源，所述軸向加載框架包括上橫梁、下橫梁和立柱，軸向加載油缸固定在下橫梁上， 軸向加載油缸中的活塞通過伺服油源可對裂隙輻射流模擬試驗盒中的試樣施加軸向力；所述切向加載機構用于給試樣加載剪切力，包括切向加載框架、切向加載油缸、力傳感器、位移傳感器，切向加載框架用于承載切向加載油缸，切向加載油缸中的活塞可對裂隙輻射流模擬試驗盒中的試樣施加剪切力；所述圍壓加載機構用于給試樣加載圍壓以模擬地層的圍壓作用，包括交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機通過減速機、滾珠絲杠連接加壓水缸的活塞，加壓水缸的活塞腔連接上、下密封圈的中空腔，通過控制伺服電機的轉動控制上、下密封圈的中空腔的壓力，以此得到所需要的試樣圍壓；所述水壓加載機構用于給試樣裂隙提供動水壓力，包括交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機通過減速機、滾珠絲杠連接加壓水缸的活塞，加壓水缸的活塞腔連接所述剪切滲流耦合試驗盒，通過控制伺服電機的轉動控制所述裂隙輻射流模擬試驗盒的水壓，產生試樣試驗所需的水壓和所需的流量；所述壓力注漿系統(tǒng)包括漿液加壓設備、漿液注入設備和測量控制設備，所述漿液加壓設備包括漿液容器、加壓油泵和穩(wěn)壓罐，所述漿液注入設備包括漿液混合器、注漿管路和閥門，所述測量控制設備包括壓力表和液壓傳感器，所述漿液容器用于配置和盛放漿液， 所述加壓油泵設置在漿液容器上，用于將配置好的漿液壓入穩(wěn)壓罐，所述穩(wěn)壓罐用于保持漿液壓力的穩(wěn)定，避免加壓油泵給注漿帶來的壓力波動，所述穩(wěn)壓罐連接漿液混合器，經(jīng)穩(wěn)壓后的漿液流入漿液混合器中，漿液混合起依次連接注漿管路和閥門，漿液經(jīng)注漿管路由閥門控制進行注漿，所述壓力表和液壓傳感器設置在注漿管路上，用于注漿壓力；所述動水收集測量分析裝置包括儲水箱、流量計，儲水箱與裂隙試件注漿加載盒下剪切盒出水口相連，用于收集從裂隙試件滲透流過的動水，流量計連接在所述裂隙試件注漿加載盒下剪切盒出水口上用于對動水水量進行檢測；所述可視化系統(tǒng)包括數(shù)碼攝像機和與之相連的計算機，所述裂隙輻射流模擬試驗盒上設置有方形觀測孔，所述數(shù)碼攝像機設置在觀測孔的上方，所述計算機用于對數(shù)碼攝像機的觀測結果進行分析和記錄。其中還包括伺服控制系統(tǒng)，所述伺服控制系統(tǒng)包括荷載和位移測控單元、滲流系統(tǒng)測控單元、全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)單元、注漿加載測控單元；所述荷載和位移測控單元包括設置在加載盒上的應力傳感器和LVDT變位計，用于測量試樣的垂直位移和剪切位移，并根據(jù)垂直位移和剪切位移得出垂直載荷和前切載荷；所述滲流系統(tǒng)測控單元包括設置于裂隙試件注漿加載盒的進水口和出水口的水壓力計，用來測量進水水流和出水水流之間的滲透壓力；所述注漿加載測控單元用來測量注漿壓力；所述全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)單元包括5個獨立的數(shù)控單元，根據(jù)所述荷載和位移測控單元、所述滲流系統(tǒng)測控單元、所述全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)單元和所述注漿加載測控單元的測量結果分別控制垂直荷載、剪切荷載、滲透壓力和注漿壓力。試件加工方法可以采用室內巖石試件的劈裂和張拉法，以及工程實踐中現(xiàn)場拓取粗糙裂隙面的方法獲取裂隙試件。試驗設計方法包括選用適當?shù)耐该黝惒牧蠌椭拼植诹严对嚰纳习氩糠謥泶嬖驮噳K，并在試件上部中心向下鉆孔貫穿作為注漿孔，裂隙試件下半部分仍使用原形試塊。通過該試件加工和試驗設計方法可以實現(xiàn)注漿中漿液在裂隙內擴散過程的可視化。試驗過程中先加壓注水使裂隙試件內充水，然后施加注漿。應用此類方法，可以應用類巖石材料復制數(shù)組完整裂隙試件，變換不同試驗條件，對比分析，可以分別研究裂隙應力狀態(tài)、裂隙水水流速度、裂隙開度、漿液黏度等對漿液擴散和注漿效果的影響。

附圖1為試驗裝置整體結構圖；附圖2為裂隙試件注漿加載盒結構圖；附圖3為裂隙注漿可視化試驗裝置工作原理圖；附圖4為伺服控制系統(tǒng)框圖；附圖5為壓力注漿系統(tǒng)的原理圖。附圖標記如下1-上剪切盒；2-上密封套；3-下剪切盒；4-下密封套。
具體實施方式
下面參照附圖對本實用新型所述的一種復雜條件下的裂隙注漿可視化試驗裝置及試驗方法做進一步詳細的說明。參見附圖1、3，一種復雜條件下的裂隙注漿可視化試驗裝置，可模擬前切力、圍壓、 水壓等多種復雜條件。包括實驗用實驗機框架、裂隙試件注漿加載盒、軸向加載機構、切向加載機構、圍壓加載機構、水壓加載機構、壓力注漿系統(tǒng)、流動水收集測量裝置、可視化系統(tǒng)寸。實驗過程中通過裂隙試件注漿加載盒、軸向加載機構、切向加載機構、圍壓加載機構使裂隙試件處于復雜應力狀態(tài)下，通過水壓加載機構給裂隙試樣提供動水壓力，通過壓力注漿系統(tǒng)將漿液以一定的壓力或流量從裂隙試件注漿孔注入到預制的巖石裂隙中，在此過程中通過調整實驗條件可以研究裂隙的受力狀態(tài)、裂隙變形及相對剪切位移、裂隙地下水壓力和流動、裂隙面接觸面積、裂隙開度、注漿壓力、裂隙粗糙度、裂隙連通性、漿液黏度等因素對裂隙中漿液擴散情況的影響，并通過可視化系統(tǒng)實時監(jiān)測漿液擴散和著色水滲流及其流動狀態(tài)，通過漿液收集裝置收集從裂隙試件滲透流過的水量，并通過進一步測量與分析得到水的流速和漿液的擴散狀態(tài)。參見附圖2，裂隙試件注漿加載盒內部尺寸為300mmX 300mmX 200mm(高度)。注漿加載盒由上下剪切盒組成，上剪切盒包括上密封套，下剪切盒包括下密封套，上密封套和下密封套形狀結構對稱；上、下密封套分別具有中空腔。密封套由彈性及硬度適中的聚氨脂制成液體橡膠，澆注模壓成型。聚氨脂橡膠具有既軟又硬，摩擦小等特點。在工作時，試樣放置在密封套中間，當試樣裝好之后，中空腔內將注入一定壓力的液體，上密封套在壓力下緊緊貼到試樣上半部的四周，而下密封套在壓力下緊緊貼到試樣下半部的四周，從而實現(xiàn)了有效的密封。同時上密封套和下密封套的接觸面也受到了壓力緊密接觸，實現(xiàn)了密封。當上下剪切盒產生相對移動時，上密封套和下密封套的接觸面在滑動狀態(tài)下仍然保持壓縮密封，直到密封圈脫離接觸。上剪切盒有一個進水孔用以向巖樣剪切面滲水，另有一孔作為排氣孔；下剪切盒有一個出水孔用以排出滲入巖樣剪切面中的水。試驗中圍壓加載采用螺旋加載的方式，并由伺服電機和控制器及測控器來控制，可現(xiàn)實多級可控的恒定滲透圍壓控制。圍壓系統(tǒng)是由上下膠套組合，交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、 傳動系統(tǒng)、加壓油水缸等；伺服電機按設置的控制參數(shù)進行轉動，通過減速機、滾珠絲杠、傳動系統(tǒng)移動水缸的活塞，使油水產生所需的油壓。最高油壓可達40MPa以上。參見附圖3，其顯示了本實用新型中裂隙注漿可視化試驗裝置工作原理圖。如圖中所示，上剪切盒中心留有方形觀測孔，試驗中選用適當?shù)耐该黝惒牧项A制具有自然斷裂節(jié)理表面特征的裂隙試件的上半部分，以實現(xiàn)著色水滲流和漿液擴散及其運動狀態(tài)的可視化。借助材料的透明性，漿液在裂隙內的流動影像可通過上部試件的加載盒觀察孔觀測到。 通過在加載盒的頂部安裝數(shù)碼攝像設備來記錄其擴散過程并聯(lián)接計算機，可實現(xiàn)漿液在裂隙試件內擴散過程的可視化與自動化測量，為試驗研究提供詳實可貴的數(shù)據(jù)。參見附圖4，壓力注漿系統(tǒng)包括漿液的配制與盛放容器，加壓油泵、穩(wěn)壓罐等漿液加壓設備，漿液混合器、注漿管路和閥門等注入設備，壓力表、液壓傳感器等測量控制裝置。 壓力表和傳感器等測量控制裝置與計算機控制系統(tǒng)相連，利用加壓設備和注入設備為漿液創(chuàng)造一定的動力條件，使?jié){液以一定的壓力或流量穩(wěn)定的注入裂隙面。參見附圖4，裝置還可以包括伺服控制系統(tǒng)，其包括數(shù)控系統(tǒng)，主要部件包括有全數(shù)字多通道閉環(huán)測控儀、荷載傳感器、位移傳感器組成和水壓力計，其構成多個功能單元， 包括荷載和位移測控單元、滲流系統(tǒng)測控單元、全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)單元、注漿加載測控單元。荷載和位移測控單元包括應力傳感器和LVDT變位計，垂直位移由設置于加載盒上的 LVDT變位計進行綜合測定；剪切位移由沿剪切方向設置的LVDT變位計來測定；滲流系統(tǒng)測控單元由設置于裂隙試件注漿加載盒的進水口和出水口的滲透水壓力計來測定水流的壓力差；圍壓加載單元測控單元用于控制試驗圍壓的接卸載控制；注漿加載測控單元來控制注漿壓力等參數(shù)。全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)單元包括5個獨立的數(shù)控單元，由閉回路通過微機控制垂直荷載、剪切荷載、滲透壓力、注漿壓力。本裝置使用32位的AD/DA/DI0轉換板，可以提供更快的運行速度，縮短伺服的反饋時間，提高測控精度。以上所述，僅為本實用新型專利較佳的具體實施方式
，但本實用新型專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型專利揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型專利的保護范圍之內。
權利要求1.一種復雜條件下的裂隙注漿可視化試驗裝置，其特征在于包括實驗用實驗機框架、裂隙試件注漿加載盒、軸向加載機構、切向加載機構、圍壓加載機構、水壓加載機構、壓力注漿系統(tǒng)、流動水收集測量裝置、可視化系統(tǒng)；所述實驗機框架采用整體式澆注；所述裂隙試件注漿加載盒用于放置試樣，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒包括上密封套，下剪切盒包括下密封套；上、下密封套由聚氨脂材料澆注模壓成型，分別具有中空腔，當上、下剪切盒產生相對移動時，上密封圈和下密封圈的接觸面在可以滑動狀態(tài)下保持壓縮密封，上密封盒上設置有方形觀察孔、進水孔和排氣孔；下密封盒上設置有出水孔；所述軸向加載機構用于給試樣加載軸向力，包括軸向加載框架、軸向加載油缸和伺服油源，所述軸向加載框架包括上橫梁、下橫梁和立柱，軸向加載油缸固定在下橫梁上，軸向加載油缸中的活塞通過伺服油源可對裂隙輻射流模擬試驗盒中的試樣施加軸向力；所述切向加載機構用于給試樣加載剪切力，包括切向加載框架、切向加載油缸、力傳感器、位移傳感器，切向加載框架用于承載切向加載油缸，切向加載油缸中的活塞可對裂隙輻射流模擬試驗盒中的試樣施加剪切力；所述圍壓加載機構用于給試樣加載圍壓以模擬地層的圍壓作用，包括交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機通過減速機、滾珠絲杠連接加壓水缸的活塞，加壓水缸的活塞腔連接上、下密封圈的中空腔，通過控制伺服電機的轉動控制上、下密封圈的中空腔的壓力，以此得到所需要的試樣圍壓；所述水壓加載機構用于給試樣裂隙提供動水壓力，包括交流伺服電機及交流伺服電機控制器、減速機、滾珠絲杠、加壓水缸，伺服電機通過減速機、滾珠絲杠連接加壓水缸的活塞，加壓水缸的活塞腔連接所述剪切滲流耦合試驗盒，通過控制伺服電機的轉動控制所述裂隙輻射流模擬試驗盒的水壓，產生試樣試驗所需的水壓和所需的流量；所述壓力注漿系統(tǒng)包括漿液加壓設備、漿液注入設備和測量控制設備，所述漿液加壓設備包括漿液容器、加壓油泵和穩(wěn)壓罐，所述漿液注入設備包括漿液混合器、注漿管路和閥門，所述測量控制設備包括壓力表和液壓傳感器，所述漿液容器用于配置和盛放漿液，所述加壓油泵設置在漿液容器上，用于將配置好的漿液壓入穩(wěn)壓罐，所述穩(wěn)壓罐用于保持漿液壓力的穩(wěn)定，避免加壓油泵給注漿帶來的壓力波動，所述穩(wěn)壓罐連接漿液混合器，經(jīng)穩(wěn)壓后的漿液流入漿液混合器中，漿液混合起依次連接注漿管路和閥門，漿液經(jīng)注漿管路由閥門控制進行注漿，所述壓力表和液壓傳感器設置在注漿管路上，用于注漿壓力；所述動水收集測量分析裝置包括儲水箱、流量計，儲水箱與裂隙試件注漿加載盒下剪切盒出水口相連，用于收集從裂隙試件滲透流過的動水，流量計連接在所述裂隙試件注漿加載盒下剪切盒出水口上用于對動水水量進行檢測；所述可視化系統(tǒng)包括數(shù)碼攝像機和與之相連的計算機，所述裂隙輻射流模擬試驗盒上設置有方形觀測孔，所述數(shù)碼攝像機設置在觀測孔的上方，所述計算機用于對數(shù)碼攝像機的觀測結果進行分析和記錄。
2.如權利要求1所述的裂隙注漿可視化試驗裝置，其中還包括伺服控制系統(tǒng)，所述伺服控制系統(tǒng)包括荷載和位移測控單元、滲流系統(tǒng)測控單元、全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)單元、注漿加載測控單元；所述荷載和位移測控單元包括設置在加載盒上的應力傳感器和LVDT變位計，用于測量試樣的垂直位移和剪切位移，并根據(jù)垂直位移和剪切位移得出垂直載荷和前切載荷；所述滲流系統(tǒng)測控單元包括設置于裂隙試件注漿加載盒的進水口和出水口的水壓力計，用來測量進水水流和出水水流之間的滲透壓力；所述注漿加載測控單元用來測量注漿壓力；所述全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)單元包括5個獨立的數(shù)控單元，根據(jù)所述荷載和位移測控單元、所述滲流系統(tǒng)測控單元、所述全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)單元和所述注漿加載測控單元的測量結果分別控制垂直荷載、剪切荷載、滲透壓力和注漿壓力。
專利摘要一種復雜條件下的裂隙注漿可視化試驗裝置，包括實驗用實驗機框架、裂隙試件注漿加載盒、軸向加載機構、切向加載機構、圍壓加載機構、水壓加載機構、壓力注漿系統(tǒng)、流動水收集測量裝置、可視化系統(tǒng)。
文檔編號G01N33/00GK202216946SQ201120294718
公開日2012年5月9日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權日2011年8月15日
發(fā)明者劉鋒珍, 吳學震, 王剛, 蔣宇靜 申請人:山東科技大學