一种隧道断层泥注浆加固实验系统的制作方法

本实用新型涉及岩土与地质工程
技术领域：
，尤其涉及一种隧道断层泥注浆加固实验系统。
背景技术：
：断层是造成隧道突水、突泥灾害的主要地质灾害源之一，是隧道安全修建和运营的关键控制地质因素，目前国内外多采用注浆加固方法对断层进行修复整治，但受限于断层规模、胶结充填状况、水文地质条件等的各向异性和复杂性，注浆加固机理的实验研究远滞后于工程实践。由于缺少一种模拟隧道断层泥注浆加固环境的实验系统，很少有针对隧道断层泥注浆加固开展的实验研究。技术实现要素：有鉴于此，本实用新型实施例提供一种隧道断层泥注浆加固实验系统，能够模拟隧道断层泥注浆加固环境，从而为开展隧道断层泥注浆加固实验研究提供条件。为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：本实用新型实施例提供一种隧道断层注浆泥加固实验系统，包括：注浆泵及隧道断层模拟腔体，所述注浆泵为手动注浆泵，所述隧道断层模拟腔体由钢板制作成圆筒形结构，所述隧道断层模拟腔体的壁厚25mm、内径184mm及高400mm，有效填充高度为380mm，在所述圆筒体结构第一端设有承压板，在所述圆筒体结构第二端设有顶板，在所述顶板上设有注浆口，在所述腔体中设有传力轴，在所述传力轴的下端液压千斤顶，在所述传力轴到液压千斤顶的路径上还设有压力传感器，在所述腔体周围还设有高强螺杆，所述高强螺杆一端固定于所述承压板上，另一端固定于所述顶板上；所述注浆泵与所述注浆口连接，在所述注浆口设有单向阀，所述注浆泵通过所述注浆口向所述腔体内注浆以模拟隧道断层注浆加固环境。优选地，所述系统还包括数据处理器，所述压力传感器与所述数据处理器电连接。优选地，在所述隧道断层模拟腔体上方还设有图像采集装置。本实用新型实施例一种隧道断层泥注浆加固实验系统，通过利用所述注浆泵通过所述注浆口向所述腔体内注浆，能够模拟出隧道断层注浆加固环境，从而为开展隧道断层泥注浆加固实验研究提供条件。附图说明为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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它的附图。图1为本实用新型实施例一种隧道断层泥注浆加固正交实验分析方法流程示意图；图2为隧道断层泥注浆加固前电镜扫描组织结构示意图；图3为隧道断层泥注浆加固后电镜扫描组织结构示意图；图4为本实施例提供的隧道断层泥注浆加固实验系统一实施例结构示意图；图5为图4的俯视图。具体实施方式下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。参看图1所示，本实用新型实施例提供一种隧道断层泥注浆加固正交实验分析方法，主要应用于采煤、采矿或隧道开挖中存在的影响断层泥注浆加固因素的理论研究中，并根据分析结果指导隧道断层注浆加固整治工程实践。所述隧道断层泥注浆加固正交实验分析方法包括步骤：选取三个水平的被注介质模拟不同孔隙率的断层泥；制作注浆材料，包括制作第一注浆材料、第二注浆材料及第三注浆材料；所述第一注浆材料包括：100份水泥、3份钠基膨润土、1.3份减水剂；所述第二注浆材料包括：60份水泥、40份粉煤灰、3份钠基膨润土及1.3份减水剂；所述第三注浆材料包括：60份水泥、25份粉煤灰、15份矿渣、3份钠基膨润土及1.3份减水剂；将所述被注介质分别模拟出三个不同的第一隧道断层构造环境在室温条件下静置7天；用朝阳GAW-1000万能试验机对所述三个不同的第一隧道构造环境分别在三个压力水平下进行单轴压缩试验；采集在三个压力水平分别对应的三个第一隧道构造环境下的正交实验中的第一抗压强度数据；在所述第一隧道断层构造环境中插入注浆导管；利用注浆加固实验系统将上述三种注浆材料通过所述注浆导管注入隧道断层中，对第一隧道断层注浆加固形成注浆加固体，并在室温条件下静置7天；对不同的注浆加固体重复上述单轴压缩试验，并采集在三个压力水平分别对应的三个注浆加固体的正交实验中的第二抗压强度数据；根据所述第一抗压强度数据及第二抗压强度数据分别计算出三压力水平-三注浆材料水平及三被注介质水平正交实验下的注浆加固前后的平均抗压强度数据；根据所述平均抗压强度数据分析影响断层泥注浆加固效果的因素。可以理解的是，断层泥指未固结或弱固结的泥状岩石，发育在地壳浅层脆性断层带中，呈各种彩色条带平行断层面展布，带宽由几毫米至数十米，基本无自稳能力，易发生突水、突泥地质灾害问题，涌出的淤泥严重阻碍隧道施工的正常进行。对于断层泥的注浆加固通常还停留在依靠经验指导工程实践阶段，很少有对断层泥的注浆加固进行理论研究。本实施例中，可以理解的是，为了准确研究断层泥自身的性质，例如疏密度、孔隙率等对注浆加固效果的影响，所述被注介质选择隧道涌泥原状土，以真实模拟隧道断层泥的性状，本实施例中选取了三个水平的被注介质，其中，三个水平可以理解成三种性状。作为一可选实施例，所述所述被注介质干密度为1.45g/cm3(致密型)，1.21g/cm3(中密型)和1.07g/cm3(松散型)的隧道涌泥原状土，所述原状土的基本性质为：最优含水率为23.1％，最大干密度为1.7g/cm3，液限为48.3％，塑限为25.6％及塑形指数为22.7％，其中液限是细粒土呈可塑状态的上限含水率，塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水率；塑性指数是表征细粒土特性的一个参数，塑性指数＝液限-塑限。本实施例中，在制作注浆材料时发现：随着减水剂的加入，浆液的流动性将有所增大，因此，为了确定最佳减水剂添加量，通过实验得出：当掺量小于1％的时候，浆液流动性增大速率较快，能达到较大值，继续增加掺量，尽管流动性继续增大，但变化速率较小。本实施例中，根据实际情况在减水剂掺量1％的基础上，根据减水剂的效果，作出调整，选用最佳掺量1.3％。通过实验对比得出：在上述三种注浆材料在加入上述掺量的减水剂后，A浆液的流动度均有显著增加，流动性得到显著改善，流动度增大幅度约为43％-45％左右。本实施例中，作为一可选实施例，所示三个注浆压力水平分别为：2.5、2.0和1.5MPa。本实施例中，利用三因素-三水平正交实验分析法，对隧道断层泥注浆加固进行分析，能够确定出影响断层泥注浆加固效果的因素，从而为隧道泥注浆加固的工程实践中的注浆参数的选取提供重要依据，以指导隧道断层注浆加固整治工程实践。本实施例中，作为一可选实施例，在所述根据所述第一抗压强度数据及第二抗压强度数据分别计算出三压力水平-三注浆材料水平及三被注介质水平正交实验下的注浆加固前后的平均抗压强度数据之后包括：根据所述平均抗压强度数据绘制应力-应变曲线图；根据所述曲线图确定注浆压力值。本实施例中，作为另一可选实施例，在所述根据所述第一抗压强度数据及第二抗压强度数据分别计算出三压力水平-三注浆材料水平及三被注介质水平正交实验下的注浆加固前后的平均抗压强度数据之后还包括：绘制正交数据计算表；将所述平均抗压强度数据导入到正交数据计算表；计算不同的被注介质、注浆材料及注浆压力水平下的极差值；根据所述极差值确定注浆加固参数。可以理解的是，本实施例中实验性能指标为平均抗压强度，三因素为被注介质、注浆材料及注浆压力，每个因素分别为三个水平，根据此绘制正交实验数据分析表1和表2(需要说明的是，本实用新型实施例中，为了对比注浆前后的平均抗压强度，该数据分析表没有将所有数据都完整的绘制到一张表中，而是分开绘制在表1和表2两张表中，常规的正交实验数据分析表会将平均抗压强度值作为实验性能指标单独放在表1的最右侧一列，另外，计算出的极差分析参数，如Ij等会单独作为行一起绘制在表1中)：表1表2根据上述表1和表2可绘制出完整的正交实验数据分析表，然后根据正交实验分析表进行各影响因素的极差分析，极差分析值结果如表3：IjIIjIIIjKjIj/KjIIj/KjIIIj/Kj极差Dj1.441.692.630.480.560.870.311.691.731.8430.560.580.610.132.372.080.9630.790.690.320.55表3其中，表3中Ij、IIj、IIIj分别为第j列“1”，“2”和“3”水平所对应的试验指标的数值之和；kj为第j列同一水平出现的次数；Ij/Kj、IIj/Kj及IIIj/Kj分别为第j列“1”，“2”和“3”水平所对应的试验指标的平均值；Dj为第j列的极差，现以第三列为例，进行具体的极差分析计算如下：III1＝1-1+1-5+1-9＝0.46+1.15+1.09＝2.6；III2＝1-3+1-4+1-8＝0.61+0.27+0.96＝1.84；III3＝0.37+0.27+0.32＝0.96；K1＝K2＝K3＝3；其余极差参数根据上述表格中的公式及Dj的计算公式计算得出，在此就不再赘述具体计算过程。根据上述极差值可以分析得出，注浆因素列极差值最大，注浆材料极差值最小，由此，注浆压力因素对注浆加固体单轴抗压强度的影响最大，在具体工程实践中，应该作为主要控制因素，其次应该考虑被注介质，例如断层泥在注浆中作为控制因素，最后考虑注浆材料的选用。另外，根据表2中的实验结果值计算得出，致密型断层泥加固后平均抗压强度为0.48MPa，相比加固前0.17MPa提升181％；中密型断层泥加固后平均抗压强度为0.55MPa，相比加固前提升689％；松散型断层泥加固后平均抗压强度为0.79MPa，相比加固前提升2535％。由此可知，加固前断层泥越松散，注浆后强度提升幅度越大。这是因为松散型断层泥孔隙率较大，利于浆液渗透入内；另一方面，浆液劈裂介质难度较低，利于形成大尺寸劈裂浆脉，通过浆脉骨架作用和挤密介质作用联合加固断层泥，强度提升显著。再者，从表2编号为I-5，I-8和I-9次实验中的平均抗压强度值可知，注浆加固体单轴抗压强度在1MPa左右时，即抗压强度相对较高，而此3组试验中对应较高的注浆压力，利于浆液渗入、劈裂和挤密断层泥，因此可提升抗压性能。由此分析也可知，注浆压力值与被注介质疏密度对注浆加固效果影响较大。本实施例中，作为另一可选实施例，所述方法还包括：采用扫描电镜对注浆前后的第一隧道构造断层环境进行扫描，获取第一隧道断层构造环境放大图样；根据所述图样对第一隧道断层加固前后的微观组织结构进行观察；根据所述微观组织结构的变化对注浆加固效果进行评价。本实施例中，选取的ρd＝1.21g/cm3及ρd＝2.0MPa干密度的断层泥试样(被注介质)，将其制作边长1cm的立方体样品，电子显微镜放大1000倍后，参看图2所示，加固前，断层泥断面形状为松散的絮状结构，颗粒(＜10μm)之间联结不紧密；参看图3所示，加固后，通过大尺寸浆脉挤密断层泥和浆液渗透进入孔隙的联合作用，分散的介质颗粒黏聚成整体，孔隙率大幅降低，密实度显著提高。根据本实用新型实施例提供的正交实验分析方法得出，注浆压力是提升加固效果的主控因素，在注浆施工中，充分考虑地层承载力和设备性能的基础上，可适当提高注浆压力，增强浆液劈裂动力，以更好的渗入围岩裂隙中对断层泥起到加固作用。参看图4及图5所示，本实施例还提供了一种隧道断层泥注浆加固实验系统，用于上述各实施例所述的正交实验分析方法中，包括：注浆泵1及隧道断层模拟腔体2，所述注浆泵为手动注浆泵，注浆泵上设有注浆管10，所述隧道断层模拟腔体由钢板制作成圆筒形结构，所述隧道断层模拟腔体的壁厚25mm、内径184mm及高400mm，有效填充高度为380mm，在所述圆筒体结构第一端设有承压板3，在所述圆筒体结构第二端设有顶板4，在所述顶板上设有注浆口5，在所述腔体中设有传力轴6，在所述传力轴的下端液压千斤顶7，在所述传力轴到液压千斤顶的路径上还设有压力传感器8，在所述腔体周围还设有高强螺杆9，所述高强螺杆一端固定于所述承压板上，另一端固定于所述顶板上；所述高强螺杆为钢结构连接性能等级在8.8级以上，其所用材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理，所述等级8.8指的是剪切应力为8.8MPa；所述传力轴用于在单轴压缩实验中连接试验机。所述注浆泵与所述注浆口连接，在所述注浆口设有单向阀，所述注浆泵通过所述注浆口向所述腔体内注浆以模拟隧道断层注浆加固环境。另外，可以理解的是，传力轴及其上的压力传感器是隔离密封于所述隧道断层模拟腔体内部的，以避免在注浆过程中，对压力传感器造成破坏。本实用新型实施例一种隧道断层泥注浆加固的正交实验实验系统，通过利用所述注浆泵通过所述注浆口向所述腔体内注浆，能够模拟出隧道断层注浆加固环境，从而为开展隧道断层泥注浆加固实验研究提供条件。作为一可选实施例，所述系统还包括数据处理器(图中未示出)，所述压力传感器与所述数据处理器电连接。所述压力传感器用于监测单轴压缩实验中的抗压强度数据，并将所述数据传输到所述数据处理器，以便于对正交实验中的数据进行分析。作为另一可选实施例，在所述隧道断层模拟腔体上方还设有图像采集装置(图中未示出)，用于拍摄注浆过程的视频或图片，以便于进行后续的电镜扫描分析。可以理解的是，为说明书叙述尽可能在清楚公开的前提下，简洁明了。本实用新型各个实施例基本实用新型精神一致，在叙述侧重点有所不同，方案及方案效果相互之间可以参照，在此就不再赘述。需要说明的是，在本文中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系的用语，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。诸如，第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解。以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。当前第1页1 2 3