一种可视化裂隙注浆模拟试验装置及方法

本发明涉及岩石工程注浆加固领域，具体地说是涉及一种可视化y型裂隙注浆模拟试验装置及方法。

背景技术：

1、注浆加固技术作为封堵围岩裂隙的常用方法，可以降低围岩的渗透性，增强破碎围岩的承载能力，控制软弱围岩的变形，从而提高岩土工程的整体稳定性，保证巷道、隧道、硐室等地下工程的安全，降低工程维护成本。

2、掌握浆液在裂隙网络中的流动规律对于进一步优化注浆加固参数、提升注浆加固效果具有重要的意义。目前注浆支护理论的发展远滞后于注浆支护实践，特别是在注浆浆液流动规律及其随注浆时间、注浆压力的变化等研究方面比较落后。可视化注浆试验装置及方法在研究浆液流动规律方面具有突出的优势，引起了众多学者的关注。

3、水泥浆液属于悬浊液，因此在流动过程中会发生渗滤现象，即水泥浆液在流动过程中，受惯性力、吸附力等因素影响，水泥颗粒的迹线与浆液流线之间逐渐偏移，从而使水泥颗粒从浆液中滤出到流动通道的壁面上，导致流动通道发生堵塞，宏观上体现为渗透性的降低。当水泥颗粒淤积量累积到一定量时，通道完全阻塞，浆液终止流动。因此研究水泥浆液的渗滤效应对浆液流动规律的研究十分重要。

4、目前常见的单裂隙可视化注浆试验系统，虽然可以观测到浆液在裂隙中的流动方式和渗滤效应的形成，揭示注浆浆液在单裂隙中的流动规律，但是注浆浆液在裂隙网络中的流动规律还包括浆液在裂隙交叉处的渗滤现象和流动规律，且大多裂隙模型并非真实岩石试样，无法模拟浆液在真实岩体裂隙中的流动扩散规律，试验结果与实际相差较大。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种可视化裂隙注浆模拟试验装置及方法。本发明一方面可以用来研究浆液在y型交叉裂隙中的渗滤现象和流动规律，进而研究注浆浆液在裂隙网络中的流动规律，另一方面还可以研究浆液在真实的岩石裂隙中的流动规律。

2、本发明所采用的技术解决方案是：

3、一种可视化裂隙注浆模拟试验装置，包括试验平台、透明封堵侧板和裂隙模型；所述试验平台包括上模块和下模块，在上模块的底部设置有第一凹槽和第二凹槽，在下模块的顶部设置有第三凹槽和第四凹槽；

4、当上模块和下模块对接后，第一凹槽处于第三凹槽的正上方，第二凹槽处于第四凹槽的正上方；

5、所述透明封堵侧板共设置两块，当上模块和下模块对接后，封堵在上模块和下模块的两侧；上述第一凹槽和第三凹槽对接，再配合透明封堵侧板形成储浆室，第二凹槽和第四凹槽对接，再配合透明封堵侧板形成模型室；

6、在上模块和/或下模块上设置有注浆孔，注浆孔与储浆室相连通；在储浆室和模型室之间形成有连通裂隙；

7、所述裂隙模型置于模型室中，在裂隙模型上形成有水平裂隙段、第一分叉裂隙段和第二分叉裂隙段，水平裂隙段的一端与连通裂隙相连接，水平裂隙段的另一端分别连接第一分叉裂隙段和第二分叉裂隙段，水平裂隙段、第一分叉裂隙段和第二分叉裂隙段共同形成y型裂隙；

8、在上模块设置有第一分叉溢浆孔，第一分叉溢浆孔与第一分叉裂隙段的末端相连接；在下模块设置有第二分叉溢浆孔，第二分叉溢浆孔与第二分叉裂隙段的末端相连接。

9、优选的，所述注浆孔通过注浆管与储浆罐相连通，第一分叉溢浆孔通过第一浆液收集管与第一浆液收集储罐相连通，第二分叉溢浆孔通过第二浆液收集管与第二浆液收集储罐相连通；在第一浆液收集储罐和第二浆液收集储罐的底部设置有电子秤。

10、优选的，在试验平台的一侧还设置有用于观测记录的高速摄像机，高速摄像机与计算机相连接。

11、优选的，所述试验平台上还设置有水平溢浆孔，水平溢浆孔形成在上模块和下模块之间，且水平溢浆孔与模型室相连通。

12、优选的，在试验平台上还设置有第一测压孔和第二测压孔，第一测压孔与连通裂隙相连通，第二测压孔与水平溢浆孔相连通，在第一测压孔和第二测压孔处均设置有压力变送器，压力变送器与计算机相连接。

13、优选的，在上模块和下模块之间设置有用于调整连通裂隙开度的第一垫片。

14、优选的，所述上模块和下模块的对应位置处设置有螺孔，在螺孔中穿过有连接螺栓；在上模块和下模块之间还设置有第一密封垫；

15、在上模块、下模块和透明封堵侧板之间还设置有第二密封垫，透明封堵侧板通过夹持件与试验平台连接。

16、优选的，所述裂隙模型包括第一裂隙块和第二裂隙块，第一裂隙块处于第二裂隙块的正上方，在第一裂隙块和第二裂隙块之间设置有用于调整水平裂隙段开度的第二垫片；所述第一分叉裂隙段设置在第一裂隙块上，第二分叉裂隙段设置在第二裂隙块上。

17、优选的，所述上模块和下模块采用钢材料加工制成；所述裂隙模型采用钢材料加工制成，或裂隙模型采用真实岩石试样；所述透明封堵侧板采用钢化玻璃。

18、一种可视化裂隙注浆模拟试验方法，采用如上所述的模拟试验装置，包括以下步骤：

19、(1)采用钢材料或真实岩石试样制作裂隙模型，根据需要设置第一分叉裂隙段和第二分叉裂隙段之间的分叉角度；

20、(2)将裂隙模型置入试验平台中下模块的第四凹槽中，然后将上模块与下模块对接，确保第一分叉裂隙段的出口与第一分叉溢浆孔连接，第二分叉裂隙段的出口与第二分叉溢浆孔连接；

21、(3)将第一垫片布置在上模块和下模块之间，且处于储浆室和模型室之间的位置处，通过第一垫片调整连通裂隙的开度；在上模块和下模块之间且靠近螺孔的位置处放置第一密封垫，将连接螺栓插入螺孔中，连接上模块和下模块，安装好试验平台；

22、(4)在试验平台两侧放置第二密封垫后，将透明封堵侧板放置在试验平台两侧，通过多个夹持件将透明封堵侧板与试验平台夹持在一起，确保在试验要求的注浆压力下，装置侧向不漏浆；

23、(5)将注浆孔通过注浆管与储浆罐连通，在第一测压孔和第二测压孔处均安装压力变送器，第一分叉溢浆孔通过第一浆液收集管与第一浆液收集储罐相连通，第二分叉溢浆孔通过第二浆液收集管与第二浆液收集储罐相连通；

24、(6)在试验平台的侧面布置有用于观测记录的高速摄像机，高速摄像机与计算机相连接，并将压力变送器与计算机连接；

25、(7)试验进行，观测并记录试验数据。

26、本发明的有益技术效果是：

27、本发明提出一种y型可视化裂隙注浆模拟试验装置及方法，一方面可以用来研究浆液在y型交叉裂隙中的渗滤现象和流动规律，进而研究注浆浆液在裂隙网络中的流动规律，另一方面还可以研究浆液在真实的岩石裂隙中的流动规律。

28、实验过程中，浆液流线会在装置流出储浆室和y型分叉点两个位置产生剧烈变化，模拟浆液产生渗滤的条件，通过进行不同裂隙开度和不同压力的注浆实验，一方面可以直观的观察到渗滤形成的过程，另一方面可以得到在水泥粒径分布一定的情况下，裂隙开度、注浆压力、流动时间与是否发生渗滤之间的关系。

29、实验结束后，打开装置还可以利用渗滤后形成滤饼的形状与尺寸分析并揭示渗滤效应对浆液扩散以及注浆加固的影响机制，通过对实验数据的研究，还可以对现有浆液流动模型进行验证与修正。

30、浆液在裂隙网络中的流动规律包括浆液在裂隙网络中的流动路径、各分支路径中的流动状态(线性或非线性)、压力分布、流速分布等。由于树状裂隙网络可以看作是由单裂隙和分叉点组成，因此通过对浆液在y型裂隙中流动规律的研究，可以获得浆液在分叉点处流动时，浆液压力改变、流量分配与分叉裂隙倾角和开度的关系，结合浆液在单裂隙中的流动规律，进而建立浆液在树状裂隙网络中的流动规律。

31、本发明裂隙通道设置灵活，不仅能满足单裂隙和y型裂隙，通过改变裂隙模型的设计，在一定条件下还可以满足其他的裂隙类型。

32、本发明通过改变裂隙模型中裂隙的粗糙度，可以研究浆液在不同粗糙度裂隙中的流动规律。

33、本发明还可将真三轴试验和直剪试验后破坏的标准长方体岩石作为裂隙模型，可以模拟浆液在真实岩石裂隙中的流动，研究浆液在真实岩石裂隙中的流动规律。