1.一种三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置,其特征在于:包括三维加载框(1),第一主应力加压装置(45)、第二主应力加压装置(2)、第三主应力加压装置(3)、注浆装置(46)和应力监测系统(41);
所述第一主应力加压装置(45)包括第一主应力加压液囊(44)和液囊加压装置(6),第二主应力加压装置(2)包括第二主应力加压液囊(32)和液囊加压装置(6),第三主应力加压装置(3)包括第三主应力加压液囊(33)和液囊加压装置(6),三维加载框(1)为矩形钢板组成的金属箱体结构,三维加载框(1)的前面、右面、上面钢板上开有进水孔,后面钢板开有注浆孔(39);三维加载框(1)内设有裂隙岩体(36),第一主应力加压液囊(44)、第二主应力加压液囊(32)和第三主应力加压液囊(33)分别设置在裂隙岩体(36)与三维加载框(1)之间,其中第一主应力加压液囊(44)设置在裂隙岩体(36)的顶面,第二主应力加压液囊(32)设置在裂隙岩体(36)的右面,第三主应力加压液囊(33)设置在裂隙岩体(36)的前面;其中第一主应力加压液囊(44)与裂隙岩体(36)的顶面之间设有第一主应力加载板(5),第一主应力加载板(5)边缘设有密封圈(38),第二主应力加压液囊(32)与裂隙岩体(36)的右面之间设有侧压隔离伸缩板(2);
所述的液囊加压装置(6)包括法兰顶板(8),阀门(9),手动加压泵(10),减压阀(11),注水管道(12)和注水管(13),三维加载框(1)的前面、右面、上面钢板上的进水口外侧上均通过法兰顶板(8)设有注水管道(12),注水管道(12)通过进水口与三维加载框(1)内的加压液囊内连接,法兰顶板(8)与三维加载框(1)之间设有胶皮垫片(7),注水管(13利用注水管道(12)依次与减压阀(11)、阀门(9)和手动加压泵(10)连接;
所述的注浆装置(46)包括注浆管(14)、出浆孔(39)、胶皮防水小垫片(16)、胶皮防水大垫片(17)、注浆管加固螺母(18)、螺纹(19)、压力变送器(20)、无纸记录仪(21)、流量计(22)、手动注浆泵(23)、阀门(9)、注浆管道(34)、注浆管堵头(37),注浆管(14)从三维加载框(1)后面的钢板上设置的出浆孔(39)深入裂隙岩体(36),注浆管(14)穿过三维加载框(1)的钢板内侧设有注浆管堵头(37)并深入到裂隙岩体(36)中心,从裂隙岩体(36)的裂隙间打孔深插入到裂隙岩体(36)的一半,保证注浆孔在裂隙岩体中心,外侧设有注浆管加固螺母(18),并使用注浆管堵头(37)和注浆管加固螺母(18)固定在三维加载框的钢板上并依次垫有胶皮防水小垫片(16)与胶皮防水大垫片(17),注浆管(14)通过螺纹(19)通过注浆管道(34)与手动注浆泵(23)连接,注浆管道(34)的两端上设有多个阀门(9),注浆管道(34)中间设有压力变送器(20)和流量计(22),压力变送器(20)通过线路与无纸记录仪(21)相连接;
所述应力监测系统(41)包括多个压力盒(40)、数据处理器(43)和电脑(42),所述多个压力盒(40)分别安装于在三维加载框下面、左面、后面的钢板上及第一主应力加载板上面,压力盒(40)检测面紧贴裂隙岩体(36)。
2.根据权利要求1所述的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置,其特征在于:所述裂隙岩体(36)为尺寸与三维加载框(1)内匹配的立方体结构,由多个小试样按照不同组合方式拼接而成的立方体,小试样与小试样之间的裂隙内根据需要可以无填充、填充粘性砂土分别进行试验。
3.根据权利要求2所述的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置,其特征在于:多块小式样尺寸相同,通过不同排列方式组合以模拟不同倾角下的天然裂隙,裂隙岩体(36)根据不同排列方式组合,至少存在六种切割方式,α=0°β=0°,α=0°β=30°,α=0°β=
45°,α=0°β=60°,α=30°β=30°,α=45°β=45°,α表示水平向裂隙与水平方向的倾角,β表示垂直向裂隙与垂直方向的倾角。
4.根据权利要求1所述的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置,其特征在于:所述侧压隔离伸缩板(2)包括伸缩硬胶皮垫板(24)、隔离板顶板(25)、隔离板中板(31)、隔离板底板(26)、支柱(27)、支柱活动空间(28)、活动板(29)、隔离板中板活动空间(35)、活动空间内弹簧(30);所述隔离板顶板(25)设置在上方,隔离板底板(26)设置在下方,多个隔离板中板(31)设置在隔离板顶板(25)和隔离板底板(26)中间,其中隔离板顶板(25)下方内部设有凹形结构,隔离板中板(31)顶部设有与隔离板顶板(25)凹形结构匹配的活动板(29),隔离板中板(31)底部设有与活动板(29)匹配的凹形结构,隔离板底板(26)底部为平面的顶部为与隔离板顶板(25)底部凹形结构匹配的活动板(29);隔离板底板(26)顶部设有多根支柱(27),支柱(27)贯穿多个上下连接的隔离板中板(31),多根支柱(27)的顶部从隔离板顶板(25)底部插入,并在隔离板顶板(25)内留有作为余量的支柱活动空间(28),隔离板中板底(24)的活动板(29)前后分别设有等长的伸缩硬胶皮垫板(24),活动板(29)顶部与凹形结构内侧底部之间留有隔离板中板活动空间(35),隔离板中板活动空间(35)内等间距设有活动空间内弹簧(30)。
5.根据权利要求4所述的三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置,其特征在于:侧压隔离伸缩板(2)可在第一主应力加压装置(45)产生的第一主应力压缩下进行竖向压缩并且不发生侧向变形,并且可以将第二主应力加压装置(2)和第三主应力加压装置(3)产生的第二主应力与第三主应力隔开,使其能够形成应力差施加在裂隙岩体(36)不同主应力方向的面上。
6.一种使用上述权利要求三向应力加载裂隙岩体劈裂-渗透注浆试验装置的试验方法,其特征在于步骤如下:
1)首先把准备好的裂隙岩体(36)根据排列组合方式进行切割,之后在试件表面涂抹凡士林,并按设计的组合方式排列叠放成大型正方体并放在三维加载框(1)内;
2)依次将应力监测系统(41)、侧压隔离伸缩板(2)、第一主应力加压装置(45)、第二主应力加压装置(3)、第三主应力加压装置(4)、注浆装置(46)全部安装到位;
3)利用手动加压泵(10)通过第一主应力加压液囊(44)缓慢的向裂隙岩体(36)施加第一主应力,同理,缓慢的施加第二主应力及第三主应力实现三向主应力的记载;利用手动加压泵(10)对三向主应力同时向裂隙岩体(36)进行加压,并保证第一主应力不小于第二主应力且第二主应力不小于第三主应力,待各个主应力压力达到设计值时(参考值为σ1=
15MPa、σ2=6MPa、σ3=3MPa;此为一种应力水平,可变换),分别依次停止加压;待第三主应力达到预设值后,将第三主应力加压装置(4)中的手动加压泵(10)拆除并关闭管道上所有阀门(9),将减压阀(11)反装,即将原先减压阀(11)的进水口安装到出水口的管道上,从而便于第三主应力以小的压力值卸压,继续加压第二主应力及第一主应力,此时第三主应力的应力值会有所增加,则可以调节减压阀(11)出水口所邻的压力值,打开阀门(9)进行卸压,将第三主应力维持在设计值;待第二主应力达到压力设计值时,可按照上述方法对第二主应力加压液囊(32)卸压,将其维持在压力设计值;
4)利用手动注浆泵(10)通过注浆管(14)向裂隙岩体(36)进行注浆,通过无纸记录仪(21)记载注浆压力的变化,通过流量计(22)记录注浆量,直至注浆压力发生突然的骤降,则判断裂隙岩体(36)发生了由闭合裂隙劈裂成为张开裂隙,停止注浆,关闭注浆管道(34)上的阀门(9)
5)关闭各处阀门(9),撤去液囊加压装置(6)及注浆装置(46),留注浆管(14)在裂隙岩体(36)内并关闭注浆管(14)相连的阀门(9),保持裂隙岩体(36)内存在承压的浆液,放置20天左右,待浆液凝固后将装置拆卸,再养护组装的裂隙岩体(36)十天左右,观察裂隙岩体劈裂情况并可进一步利用CT扫描对裂隙岩体(36)内部浆液的劈裂运移情况进行深入的研究。
7.根据权利要求6所述的试验方法,其特征在于:在三向主应力加载过程中,保持第三主应力不大于第二主应力,使得侧压隔离伸缩板(2)此时只能沿着第二主应力加载方向进行平移挤压裂隙岩体(36),第三主应力受侧压隔离伸缩板(2)局部压缩后造成的应力增大可以通过卸压达到指定应力值,侧压隔离伸缩板(2)将第二主应力加压液囊(32)与第三主应力加压液囊(33)隔离使得第二主应力和第三主应力大小不受彼此间影响;保持第二主应力不大于第一主应力且第三主应力不大于第二主应力,从而使得侧压隔离伸缩板(2)、第二主应力加压液囊(32)和第三主应力加压液囊(33)受第一主应力加载板(5)压力而只能沿着第一主应力的竖向加载方向进行压缩,第一主应力加载板(5)压缩第二主应力加压液囊(32)与第三主应力加压液囊(33)而引起的应力增大以可通过卸压进行调整,而此时侧压隔离伸缩板(2)可进行一定位移下的压缩而不发生侧向变形不会对第二主应力、第三主应力的应力值造成影响,在此第一主应力对第二主应力、第三主应力的应力大小没有造成实质的影响而可以对裂隙岩体加载不同的应力;利用液囊-钢板组合对裂隙岩体(36)加载,裂隙岩体(36)在加载过程中没有任何一处不受应力作用,从而消除了边角效应。
8.根据权利要求6所述的试验方法,其特征在于:对侧压隔离伸缩板(2)只会受竖向应力而发生压缩不会发生侧向变形:当侧压隔离伸缩板(2)受到第一主应力加载板的压力作用后,隔离板顶板会向下移动,此时隔离板顶板下部会压缩伸缩硬胶皮垫板(24),伸缩硬胶皮垫板(24)是胶皮材质具有弹性并在收到压缩后会发生变形,隔离板中板活动空间(35)内的活动空间内弹簧(30)也会受到隔离板顶板(25)发生压缩变形,此时,最上方的隔离板中板(31)受到伸缩硬胶皮垫板(24)及活动空间内弹簧(30)传递的压力则会对下面一块隔离板中板(31)及活动空间内弹簧(30)进行压缩,从而将压力传递到再下一块隔离板中板(31),直至传递到隔离板底板(26);在此过程中隔离板顶板(25)、隔离板中板(31)及隔离板底板(26)未发生变形,伸缩硬胶皮垫板(24)及活动空间内弹簧(30)发生了压缩变形,第一主应力加载板(5)向下压缩的位移在3mm左右,将此小位移分布到四个伸缩硬胶皮垫板(24)上引起的伸缩硬胶皮垫板(24)侧向变形较小,故对所加压的主应力影响较小可以忽略不计;隔离板顶板(25)、隔离板中板(31)在裂隙岩体(36)及第二主应力加压液囊(32)之间,由于第二主应力加压液囊(32)的压力作用,隔离板顶板(25)、隔离板中板(31)只会沿着所设计的隔离板中板活动空间(35)上下滑动并未发生侧向位移,此时支柱顶端在支柱活动空间(28)内滑动,对所加压的主应力没有影响。
9.根据权利要求6所述的试验方法,其特征在于:所述侧压隔离伸缩板(2)可以将第二主应力与第三主应力隔开,使第二主应力与第三主应力形成应力差施加在裂隙岩体(36)不同主应力方向的面上:侧压隔离伸缩板(2)只会发生压缩变形而不发生侧向变形,当第二主应力永远大于第三主应力时,侧压隔离伸缩板(2)只会沿着第二主应力方向移动并施力于裂隙岩体(36),而此时第三主应力加压液囊(33)比第二主应力加压液囊(32)的压力值低,此时侧压隔离伸缩板(2)与第三主应力加压液囊(33)接触的那部分承受第三主应力加压液囊(33)与第二主应力加压液囊(32)的应力值之差的压力,此压力不足以对侧压隔离伸缩板(2)的结构性造成影响,从而就实现了第三主应力加压液囊(33)与第二主应力加压液囊(32)的应力差。