一种破碎围岩注浆加固动态感应模拟装置及其试验方法

摘要

本发明公开了一种破碎围岩注浆加固动态感应模拟装置及其试验方法，装置由试件模具、注浆容器、高压氧气加压器、传感装置和动态监测控制系统等主要部分组成，通过用磨碎的不同粒径岩粒组合来模拟地下工程中的破碎围岩，通过动态监测控制系统对注浆压力进行实时监测控制以使注浆压力保持稳定，通过渗压传感器和流量传感器对岩体渗透压力和流量进行测定，为后期研究提供数据支持。

说明书

技术领域

本发明属于地下工程中安全技术领域，特别涉及地下工程中注浆方案各因素对破碎围 岩注浆加固效果的研究试验。

背景技术

由于地下工程开挖造成的硐室四周围岩的破碎，以及地下工程所经过的天然的围岩破 碎带，会对地下工程的安全造成极大的威胁。不仅破碎围岩可能脱落伤到工作人员，而且 围岩自身强度作为维持地下工程稳定性的重要组成部分，围岩破碎导致的强度不足，致使 地下工程变形过大、支护结构失效，对工程安全产生重大隐患。经实践证明，通过对地下 工程破碎围岩进行注浆加固,对改变围岩强度、发挥围岩自身承载力、保障地下硐室安全具 有良好的效果，实现了增加围岩强度的目的。

与快速发展的注浆加固实践相比，注浆加固理论发展缓慢，极有必要设计制作一种研 究影响注浆效果相关因素的室内试验装置。现有技术中的试验装置存在以下问题：

(1)试件尺寸要求比较大，不能对较破碎或者极破碎岩体进行较好模拟；

(2)现有装置对压力不易控制，试验误差较大；

(3)现有装置对浆液渗透到岩体时压力的变化不能测出。

目前还没有公布一种对地下工程中较破碎围岩有较好模拟且对注浆压力精确控制以及 对破碎岩体注浆渗透压力进行监测的试验装置。

发明内容

为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种破碎围岩注浆加固动态感应模拟装 置及其试验方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种破碎围岩注浆加固动态感应模拟装置，包括注浆容器，所述注浆容器内部设有若 干个用以盛放不同粒径岩粒的、并模拟注浆过程的试验模具，所述试验模具的顶部和底部 分别通过上挡撑和下挡撑固定在所述注浆容器内部；在所述注浆容器内部，所述上挡撑以 上形成用以充填注浆材料的密闭的上腔，所述下挡撑以下形成用以盛放从所述试验模具渗 出的浆液的下腔；所述试验模具的顶部和底部设有若干连通所述上腔和所述下腔的注浆孔； 所述注浆容器的顶部设有用以给所述上腔提供注浆压力的加压装置；所述加压装置和所述 试验模具内设有传感装置；所述加压装置和所述传感装置与动态监测控制系统连接；所述 动态监测控制系统通过所述传感装置对注浆压力进行实时监测控制以使注浆压力保持稳 定，通过所述传感装置获取的信息为后期研究提供数据支持。

所述试验模具为圆柱体，材质为钢化玻璃；所述模具体由两个半圆柱体通过上盖和下 盖拼装而成；所述上盖和下盖与模具体的接触面为斜面；所述上盖和下盖外侧设有用于方 便扳手着力的卡槽；所述上盖和下盖上均设有直径2-5mm的注浆孔；所述下盖设有密封圈。

所述注浆容器为圆桶形，材质为钢化玻璃，设有可拆卸的顶盖和底盖；所述注浆容器 的上腔用于盛放不同水灰比的注浆材料浆液和设置不同的注浆压力，向所述的试件模具中 注入浆液。

在所述上挡撑和所述下挡撑上，设有与所述试件模具对应的开槽，所述试验模具置于 所述开槽中，并由密封圈密闭；所述开槽中设有使所有所述注浆孔露出的开口。

所述下腔的侧壁下端设有截止阀；所述加压装置为高压氧气加压器；当从下往上注浆 时，所述上腔内设有密封良好的活塞。

所述传感装置包括压力传感器、渗压传感器和流速传感器；所述压力传感器布设于所 述加压装置输气管端部，所述渗压传感器和所述流速传感器布设于所述试件模具的内部。

所述动态监测控制系统包括数据处理系统和动作装置；所述数据处理系统用于对所述 传感装置传输的数据进行分析和数据图像的绘制；所述动作装置包括指令接收器、气体流 量调节器、加压阀和泄压阀，所述指令接收器接收所述数据处理系统传来的动作指令，通 过所述气体流量调节器调整所述加压阀和泄压阀中阀芯的开关来改变加压或者泄压状态， 通过对阀芯的控制改变气体通道的截面积，来控制升压或者降压的速度。

所述数据处理系统接收压力传感器传来的注浆压力，并与预先设定值进行对比后向动 作装置发出动作指令，来调节注浆压力大小；所述数据处理系统接收渗压传感器和流量传 感器传来的试件内的渗透压力和渗透流量，并与预先设定值进行对比，来决定注浆过程是 否结束。

一种破碎围岩注浆加固动态感应模拟装置的试验方法，包括以下步骤：

A.将试验材料装入试件模具，并固定于两挡撑之间，将注浆容器注满浆液并密封；

B.将高压氧气加压器的输压管与注浆容器上盖的加压孔连接，对注浆容器进行加压；

C.压力传感器实时采集加压过程中压力数据，并将其反馈给数据处理系统，数据处理 系统接收压力传感器传来的注浆压力数据，并与预先设定值进行对比后向动作装置发出动 作指令，来调节注浆压力大小；

D.当数据处理系统接收的渗压传感器和流速传感器传来的试件岩体渗透压力和渗透流 量达到设定的标准，注浆过程结束。

其中，步骤A中，当从上往下注浆时，先将上腔注满浆液，然后加压，下腔作为排出 空气和渗下浆液的盛放容器；当从下往上注浆时，先将上腔注满浆液，并安装活塞，安装 上盖并拧紧螺丝，再将容器翻转180度，然后向上腔加压，高压空气推动活塞给活塞上部 液体加压。

本发明的有益效果为：

本发明利用磨碎的不同粒径岩粒的组合来模拟地下工程的破碎围岩，具有良好的相似 性，可实现对地下工程破碎围岩的可靠模拟。在注浆容器内部同时设有多个试验模具，可 以同时模拟不同破碎程度围岩的注浆情况，提高了试验效率。

试验模具的顶部和底部设有若干连通所述上腔和所述下腔的注浆孔，注浆容器的上腔 可以用于盛放不同水灰比的注浆材料浆液和设置不同压力，向所述试件模具中注入浆液， 从而以实现在破碎围岩中注浆的模拟过程。

通过动态监测控制系统对注浆压力进行实时监测控制,以使注浆压力保持稳定,提高了 注浆过程的精确度。通过渗压传感器和流量传感器对试验破碎岩体进行注浆过程参数测定， 克服了现有装置无法对岩体内部渗透压力进行检测问题，为后期注浆原理的探究提供数据 支持。

所述试件模具材质为钢化玻璃，以利于对浆液扩散的可视化观察；模具体由两个半圆 柱体通过上盖和下盖拼装而成，当试件凝固养护完成以后可以方便拆卸取出试件；上下盖 与模具体接触面为斜面，且上下盖外侧设有用于方便扳手着力的卡槽，解决了浆液凝固后 上下盖不易开启的难题。上下盖均有直径2-5mm的注浆孔，带浆液初凝拿出试件后，通过 取下上下盖即可将孔内浆液残留清理干净。下盖设有密封圈，可以防止注浆时漏浆。

注浆容器设有圆桶形，清洗时更加方便。使用钢化玻璃，强度高而且可进行可视化观 察。顶盖和底盖可拆卸，方便试验的操作。

在挡撑上设置开槽，可使试件模具的放置更加稳定，试件模具能放入槽中，并可有密 封圈密闭，为压力注浆提供可能。

所述下腔的侧壁下端设有一个截止阀，用于注浆液初凝时，多余浆液的排出。所述高 压氧气加压器通过释放高压氧气提供加压动力，相比液压加压方式，具有升压迅速、试验 效率高的优点。当试验材料颗粒较细时，从上往下注浆困难，需要从下往上注浆；此时需 要使用活塞，实现从下往上注浆的操作。所述活塞具体良好的密封性，当从上腔注浆时不 安装活塞，从下腔注浆时需安装活塞。

所述传感装置包括压力传感器、渗压传感器和流速传感器，三者都属于无线传感器， 压力传感器布设在高压氧气加压器输氧管的端部，用于监测注浆压力，渗压传感器和流速 传感器布设在试件模具内，用于判断注浆试验停止的标准和后期对破碎岩体加固机理的研 究。

附图说明

图1为破碎围岩注浆加固动态感应模拟装置结构图；

图2a为试件模具侧壁剖视；

图2b为试件模具俯视图；

图3a为试件模具上盖剖视图；

图3b为试件模具上盖俯视图；

图4a为试件模具下盖剖视；

图4b为试件模具下盖和俯视图；

图5a为注浆容器上盖的剖视；

图5b为注浆容器上盖俯视图；

图6为注浆容器支架侧面图；

图7为压力控制逻辑框图。

图中：1.注浆容器上盖，2.活塞，3.上腔，4.上挡撑，5.注浆容器侧壁，6.试件模具， 7.渗压传感器，8.流速传感器，9.下挡撑，10.下腔，11.注浆容器下盖，12.下腔截止阀， 13.压力传感器，14.注浆容器支架，15.动作装置，16.数据处理系统，17.试件模具侧壁， 18.试件模具上盖，19.试件模具下盖，20.密封圈，21.注浆孔，22.斜面，23.卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种破碎围岩注浆加固动态感应模拟装置，它由试件模具6、注浆容器24、高压氧气 加压器、传感装置和动态监测控制系统等主要部分组成。

所述试件模具6材质为钢化玻璃，以利于对浆液扩散的可视化观察，试件模具侧壁17 由一个圆桶分成的两半组成，当试件凝固养护完以后可以方便拆卸取出试件，试件模具上 盖18和试件模具下盖19与模身接触面为斜面22，且上下盖外侧设有用于方便扳手着力的 卡槽23，解决了浆液凝固后上下盖不易开启的难题，上下盖均有直径2-5mm的注浆孔21， 待浆液初凝拿出试件后，通过转动上下盖将孔内浆液残留清理掉，试件模具下盖10设有密 封圈20，可以防止注浆时漏浆。

所述注浆容器24用于盛放不同水灰比的注浆材料浆液和设置不同的压力，向所述的试 件模具6中注入浆液。

所述注浆容器24形状为圆桶型，注浆容器侧壁5的材质为钢化玻璃，壁厚大于25mm， 注浆容器上盖1和注浆容器下盖11均可拆卸，并有密封圈密封，螺丝固定，螺丝数量大于 9个，上下盖壁厚大于25mm，分为注浆容器上腔3和注浆容器下腔10，上下腔用上挡撑4 和下挡撑9隔开，两挡撑中间布置9个试件模具6。

所述注浆容器24试验时既可从上往下注浆，又可从下往上注浆，解决了当试验材料颗 粒较细时，从上往下注浆困难的问题。

所述上挡撑4和下挡撑9在试件模具上盖18和试件模具下盖19的注浆孔位置同样设 置对应的联通孔，沟通上下腔，当在上腔注浆时，浆液渗透过岩体，流入下腔，在下腔注 浆时同理。

所述上下两挡撑的厚度大于30mm，挡撑上有多个对应所述试件模具的开槽，槽深 10mm-20mm，槽中有开口，模具能放入槽中并可由密封圈密闭，槽中开口足够大能把模具下 盖的注浆口全部包含，所述的注浆容器上下腔除了挡撑的开口外完全密封。

所述下腔的右侧壁设有下腔截止阀12，用于在注浆浆液初凝时，多余浆液的排出。

所述破碎围岩注浆加固动态感应模拟装置，放置在注浆容器支架14上。当从上腔3注 浆时，先将上腔3注满浆液，然后加压，下腔10作为排出空气和渗下浆液的盛放容器。当 从下往上注浆时，先将上腔3注满浆液，并安装活塞2，安装注浆容器上盖1并拧紧螺丝， 再将容器翻转180度，置于注浆容器支架14上，然后从上腔3加压，高压空气推动活塞给 活塞2上部液体加压。

所述活塞2，其特征是活塞具体良好的密封性，当从上腔3注浆时不安装活塞，从下腔 注浆时需安装活塞。

所述高压氧气加压器通过释放高压氧气提供加压动力，相比液压加压方式，具有升压 迅速、试验效率高的优点。

所述传感装置包括压力传感器13、渗压传感器7和流速传感器8，三者都属于无线传 感器。

所述压力传感器13布设在高压氧气加压器输氧管的端部，用于监测注浆压力，渗压传 感器7和流速传感器8布设在试件模具6内，其测定的数据传输并保存到动态监测控制系 统，用于判断注浆试验停止的标准和后期对破碎岩体加固机理的研究。

所述动态监测控制系统包括数据处理系统16、动作装置15两部分。

所述数据处理系统，用于对传感装置传输的数据进行分析和数据图像的绘制。

所述数据处理系统接收压力传感器传来的注浆压力，并与预先设定值进行对比后向动 作装置发出动作指令，来调节注浆压力大小。

所述数据处理系统接收渗压传感器和流量传感器传来的试件内的渗透压力和渗透流 量，并与预先设定值进行对比，来决定注浆过程是否结束。

所述动作装置包括指令接收器、气体流量调节器、加压阀和泄压阀，指令接收器接收 数据处理系统传来的动作指令，通过气体流量调节器调整阀芯的开关来改变加压或者泄压 状态，通过对阀芯改变气体通道的截面积，来控制升压或者降压的速度。

以从上腔注浆为例，对其过程进行说明如下：

(1)将试验方案要求的组合粒径装入6试件模具中，并将7渗压传感器和流速传感器 固定其中；

(2)将各6试件模具放入注浆容器中，并使各试件模具卡在9下挡撑的开槽中，将4 上挡撑盖上，并确保4上挡撑开槽与6试件模具卡紧；

(3)将3上腔灌满试验方案要求的注浆材料，盖上1注浆容器的上盖，并拧紧螺丝封 闭注浆容器；

(4)将高压氧气加压器的输压管与注浆容器上盖1的加压孔连接，启动加压开关，并 按照实验方案所规定的压力进行加压；

(5)13压力传感器实时采集加压过程中压力数据，并将其反馈给数据处理系统，16 数据处理系统接收13压力传感器传来的注浆压力数据，并与预先设定值进行对比后向15 动作装置发出动作指令，来调节注浆压力大小；

(6)当16数据处理系统接收7渗压传感器和8流速传感器传来的试件岩体渗透压力 和渗透流量达到设定的标准，注浆过程结束；

(7)当浆液达到初凝时，将下腔壁的12截止阀打开，释放出多余的浆液；

(8)取出6试件模具并养护一定的时间后，打开模具，取出试件，制作岩石力学试验 试件并进行检测。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需 要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。