工程科学学报，第39卷.第8期：1268-1277,2017年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.8:1268-1277,August 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.018;htp:/journals..usth.edu.cn 一种新型综合注浆加固试验系统的研制及应用 张家奇)，李术才”，张霄)四，张庆松)，刘振国)，张伟杰3)，李鹏) 1)山东大学岩土与结构工程研究中心，济南2500612)国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250001 3)山东科技大学地球科学与工程学院.青岛266510 ☒通信作者，E-mail:sduzhangxiao(@sdu.cdu.cm 摘要针对现有注浆加固试验装置难以平衡高压注浆所需密封效果和多功能试验所需空间结构的缺点，研制了一套新型 多功能综合注浆加固试验系统.该试验系统的优点为：(1)尺寸适中、结构合理，既具有布设监测元件的试验空间又具有良好 的密封效果：(2)适用范围广，可针对不同岩土体介质开展多类注浆加固试验：(3)具备多元物理信息并行采集功能：(4)可同 时满足加固体宏观物理力学性质测试及浆-岩界面微观耦合机制的研究需求.该系统成功应用于断层角砾介质注浆加固室 内模拟试验，分别从应力响应-传递特征、加固体强度增长规律及加固模式等方面探究了断层角砾介质的注浆加固机理，提出 了角砾介质强度增长的经验公式，揭示了加固过程中注浆压力的传递分配机制. 关键词试验系统：断层角砾：注浆加固：室内模拟试验：注浆压力 分类号TU457 Development and application of a new comprehensive grouting reinforcement test system ZHANG Jia-qi,LI Shu-cai,ZHANG Xiao),ZHANG Qing-song,LIU Zhen-guo2),ZHANG Wei-jie,LI Peng) 1)Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,China 2)Economic Technology Research Institute,State Grid Shandong Electric Power Company,Jinan 250001,China 3)College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China Corresponding author,E-mail:sduzhangxiao@sdu.edu.cn ABSTRACT Existing grouting test devices have difficulty providing sufficient sealing effect and experimental space in multifunctional tests.Due to the limitations of current devices,this paper developed a new comprehensive grouting reinforcement test system.The ma- jor advantages of this system include:(1)its moderate size and reasonable structure that offer a large experimental space and good sealing property;(2)its ability to simulate the different groundwater environments and grouting conditions of rock soil media;(3)its ability to obtain a variety of physical information for researching the space-time response law of reinforcement parameters;and(4)its ability to simultaneously test the compressive and shear strengths of the solid and microscopic grouting coupling mechanisms of the slur- ry-rock interface.An orthogonal grouting reinforcement test was designed for fault breccia using the new device.The study then inves- tigated the grouting reinforcement mechanism of fault breccia with respect to the stress response-transfer characteristics,the growth law of solid strength,and the reinforcement mode.The test results show fault breccia to be mainly reinforced by permeation grouting and the grouting reinforcement model can be divided into three types-substrate,micro-splitting,and significant splitting.The study achieved an increase in the strength of grouting reinforcement bodies by changing the medium connection mode and fitted the empirical formula for the increased strength of solid grouting.It also determined the distribution and transfer mechanism of grouting pressure. KEY WORDS test system;fault breccia;grouting reinforcement;indoor simulation test;grouting pressure 收稿日期：2017-04-07 基金项目：国家重点研发计划课题资助项目(2016YFC0801604):国家重点基础研究发展规划(973)资助项目(2013CB036000)
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期:1268鄄鄄1277,2017 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 8: 1268鄄鄄1277, August 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 08. 018; http: / / journals. ustb. edu. cn 一种新型综合注浆加固试验系统的研制及应用 张家奇1) , 李术才1) , 张 霄1) 苣 , 张庆松1) , 刘振国2) , 张伟杰3) , 李 鹏1) 1) 山东大学岩土与结构工程研究中心, 济南 250061 2) 国网山东省电力公司经济技术研究院, 济南 250001 3) 山东科技大学地球科学与工程学院, 青岛 266510 苣 通信作者, E鄄mail: sduzhangxiao@ sdu. edu. cn 收稿日期: 2017鄄鄄04鄄鄄07 基金项目: 国家重点研发计划课题资助项目(2016YFC0801604);国家重点基础研究发展规划(973)资助项目(2013CB036000) 摘 要 针对现有注浆加固试验装置难以平衡高压注浆所需密封效果和多功能试验所需空间结构的缺点,研制了一套新型 多功能综合注浆加固试验系统. 该试验系统的优点为:(1)尺寸适中、结构合理,既具有布设监测元件的试验空间又具有良好 的密封效果;(2)适用范围广,可针对不同岩土体介质开展多类注浆加固试验;(3)具备多元物理信息并行采集功能;(4)可同 时满足加固体宏观物理力学性质测试及浆鄄鄄岩界面微观耦合机制的研究需求. 该系统成功应用于断层角砾介质注浆加固室 内模拟试验,分别从应力响应鄄鄄传递特征、加固体强度增长规律及加固模式等方面探究了断层角砾介质的注浆加固机理,提出 了角砾介质强度增长的经验公式,揭示了加固过程中注浆压力的传递分配机制. 关键词 试验系统; 断层角砾; 注浆加固; 室内模拟试验; 注浆压力 分类号 TU457 Development and application of a new comprehensive grouting reinforcement test system ZHANG Jia鄄qi 1) , LI Shu鄄cai 1) , ZHANG Xiao 1) 苣 , ZHANG Qing鄄song 1) , LIU Zhen鄄guo 2) , ZHANG Wei鄄jie 3) , LI Peng 1) 1) Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China 2) Economic & Technology Research Institute, State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250001, China 3) College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: sduzhangxiao@ sdu. edu. cn ABSTRACT Existing grouting test devices have difficulty providing sufficient sealing effect and experimental space in multifunctional tests. Due to the limitations of current devices, this paper developed a new comprehensive grouting reinforcement test system. The ma鄄 jor advantages of this system include: (1) its moderate size and reasonable structure that offer a large experimental space and good sealing property; (2) its ability to simulate the different groundwater environments and grouting conditions of rock soil media; (3) its ability to obtain a variety of physical information for researching the space鄄鄄time response law of reinforcement parameters; and (4) its ability to simultaneously test the compressive and shear strengths of the solid and microscopic grouting coupling mechanisms of the slur鄄 ry鄄鄄rock interface. An orthogonal grouting reinforcement test was designed for fault breccia using the new device. The study then inves鄄 tigated the grouting reinforcement mechanism of fault breccia with respect to the stress response鄄鄄transfer characteristics, the growth law of solid strength, and the reinforcement mode. The test results show fault breccia to be mainly reinforced by permeation grouting and the grouting reinforcement model can be divided into three types—substrate, micro鄄splitting, and significant splitting. The study achieved an increase in the strength of grouting reinforcement bodies by changing the medium connection mode and fitted the empirical formula for the increased strength of solid grouting. It also determined the distribution and transfer mechanism of grouting pressure. KEY WORDS test system; fault breccia; grouting reinforcement; indoor simulation test; grouting pressure
张家奇等：一种新型综合注浆加固试验系统的研制及应用 ·1269· 断层破碎带是隧道、矿山等地下工程修建过程中 注浆压力的响应传递规律、注浆固结体的力学性能特 常遇到的一种不良地质体)，由于其孔隙、裂隙等含导 征及注浆加固模式等.因此，在分析现有试验装置优 水构造发育，杂带充填大量胶结性差、风化程度高、自 缺点的基础上，确定本套注浆加固试验系统的主要设 稳能力弱的软弱破碎岩土体介质]，所以当地下工程 计（研制）目标为： 穿越断层破碎带时，极易诱发断层活化进而导致突水 (1)装置尺寸适中，结构合理.既能满足布设传感 突泥、失稳塌方等重大地质灾害.大量工程实践表 器、预制结构面及浆-岩界面取样的空间需求，又能保 明3-]，注浆法是提高软弱地层介质强度、加固松散破 证装置密封效果实现高压注浆加固. 碎岩土体、治理突水突泥灾害的有效手段 (2)可充填不同岩土体介质开展不同类型的注浆 目前，注浆加固室内试验作为研究注浆加固机理 加固试验，并可实现不同孔隙水压力、水力梯度等动、 最有效的方法之一【6刃，具有其独特优越性.大量学者 静水条件下的注浆过程模拟 在注浆加固试验及试验装置研制方面开展了相关 (3)加固体取样便捷，可实现岩土体注浆加固后 研究. 整体快速脱模及界面取样，一套装置即可获取抗压强 韩贵雷)]、宗义江等]研制了一套具有双液体独 度试验和剪切试验所需的加固体试件，易于开展试验 立循环系统的注浆加固试验装置，可实现围压及轴压 的可重复性验证 条件下破裂岩样注浆过程的模拟：王汉鹏等[o、高延 (4)配备多元信息监测采集装置，可实时采集被 法等及牛学良等[]研制了耐高压活塞式注浆试验 注介质在注浆加固过程中的土压力、渗透压力和注浆 仪，可实现高压条件下(10MPa)的岩石注浆加固过程. 荷载等多元物理力学信息参数，从而研究介质对注浆 上述研究均在小型模具（一般为50mm×100mm)中 加固的力学响应机制 开展注浆加固试验，但受限于装置尺寸，试验仅能获得 根据上述设计目标，研制了该套新型注浆加固试 抗压强度测试所需的加固体试样，且装置上除压力表 验系统，其主体结构如图1所示.该系统整合了现有 外再无布设其他监测元件的空间，无法实现加固过程 注浆加固试验装置的优点，在有限空间内实现了多项 中土压、渗压等多元物理力学参数的采集.李召峰 功能的综合 等3-研制了一套针对富水破碎灰岩的大型注浆加 内部传感器布设 信息监测 固试验系统，研究了注浆加固效果的影响因素：杨坪 采集装置 等通过大型砂卵（砾）石层注浆试验，研究了加固体 装载装置 抗压强度的影响因素.上述装置虽具有较大的试验空 间，但受限于加工技术及密封条件限制，主要用于中低 压注浆（注浆压力一般小于3Pa),难以实现高压注 浆，此外，试验结束后取样过程复杂、步骤繁琐，且试验 可重复性验证过程亦存在周期长、成本高等缺点.韩 立军等[6]、郑卓等及刘泉声等]分别利用剪切试 注浆装置 验装置研究了浆液对结构面、岩体裂隙的注浆加固机 供水装置 稳压储水罐 制，但受限于试验装置，无法开展岩土体浆-岩加固界 空压机 面的剪切特征及微观耦合机制的研究 图1注浆试验装置主体结构图 综上所述，现有研究主要涉及小尺寸高压型、大尺 Fig.1 Main structure of grouting system 寸空间型和结构面剪切型三类注浆加固试验装置，各 1.2注浆装置 具优势.本文在现有试验装置基础上，研制了一套整 1.2.1注浆动力设备 合现有装置优势的新型综合注浆加固试验系统，由注 该套试验系统仍属于中小尺寸注浆试验装置，注 浆装置、装载装置、供水装置及信息监测采集装置构 浆动力装备需满足高压小流量的试验需求，为此定制 成，并运用该试验系开展了破碎岩土体注浆加固模拟 了专用手动双液注浆泵，通过压杆控制缸体活塞伸缩 试验，取得的了良好应用效果 来提供注浆动力，调整缸体活塞伸缩频率即可实现注 浆速率可控，其性能参数见表1. 1新型注浆加固试验系统的研制 1.2.2浆液输送设备 1.1主要设计目标及系统组成 浆液输送设备包括高压注浆管、双液混合器、外部 注浆加固试验的目的是为了研究在注浆压力的动 注浆管及内部注浆管.外部注浆管为中20mm钢管，钢 力作用下，浆液对断层泥、断层角砾等断层破碎带岩土 管下端连接封闭顶板中心的顶板接头，接头下部可根 体介质的加固机理，主要包括加固过程中被注介质对 据试验需求连接不同类型的内部注浆管，从而可实现
张家奇等: 一种新型综合注浆加固试验系统的研制及应用 断层破碎带是隧道、矿山等地下工程修建过程中 常遇到的一种不良地质体[1] ,由于其孔隙、裂隙等含导 水构造发育,杂带充填大量胶结性差、风化程度高、自 稳能力弱的软弱破碎岩土体介质[2] ,所以当地下工程 穿越断层破碎带时,极易诱发断层活化进而导致突水 突泥、失稳塌方等重大地质灾害. 大量工程实践表 明[3鄄鄄5] ,注浆法是提高软弱地层介质强度、加固松散破 碎岩土体、治理突水突泥灾害的有效手段. 目前,注浆加固室内试验作为研究注浆加固机理 最有效的方法之一[6鄄鄄7] ,具有其独特优越性. 大量学者 在注浆加固试验及试验装置研制方面开展了相关 研究. 韩贵雷[8] 、宗义江等[9] 研制了一套具有双液体独 立循环系统的注浆加固试验装置,可实现围压及轴压 条件下破裂岩样注浆过程的模拟;王汉鹏等[10] 、高延 法等[11]及牛学良等[12]研制了耐高压活塞式注浆试验 仪,可实现高压条件下(10 MPa)的岩石注浆加固过程. 上述研究均在小型模具(一般为 准50 mm 伊 100 mm)中 开展注浆加固试验,但受限于装置尺寸,试验仅能获得 抗压强度测试所需的加固体试样,且装置上除压力表 外再无布设其他监测元件的空间,无法实现加固过程 中土压、渗压等多元物理力学参数的采集. 李召峰 等[13鄄鄄14]研制了一套针对富水破碎灰岩的大型注浆加 固试验系统,研究了注浆加固效果的影响因素;杨坪 等[15]通过大型砂卵(砾)石层注浆试验,研究了加固体 抗压强度的影响因素. 上述装置虽具有较大的试验空 间,但受限于加工技术及密封条件限制,主要用于中低 压注浆(注浆压力一般小于 3 MPa),难以实现高压注 浆,此外,试验结束后取样过程复杂、步骤繁琐,且试验 可重复性验证过程亦存在周期长、成本高等缺点. 韩 立军等[16] 、郑卓等[17] 及刘泉声等[18] 分别利用剪切试 验装置研究了浆液对结构面、岩体裂隙的注浆加固机 制,但受限于试验装置,无法开展岩土体浆鄄鄄岩加固界 面的剪切特征及微观耦合机制的研究. 综上所述,现有研究主要涉及小尺寸高压型、大尺 寸空间型和结构面剪切型三类注浆加固试验装置,各 具优势. 本文在现有试验装置基础上,研制了一套整 合现有装置优势的新型综合注浆加固试验系统,由注 浆装置、装载装置、供水装置及信息监测采集装置构 成,并运用该试验系开展了破碎岩土体注浆加固模拟 试验,取得的了良好应用效果. 1 新型注浆加固试验系统的研制 1郾 1 主要设计目标及系统组成 注浆加固试验的目的是为了研究在注浆压力的动 力作用下,浆液对断层泥、断层角砾等断层破碎带岩土 体介质的加固机理,主要包括加固过程中被注介质对 注浆压力的响应传递规律、注浆固结体的力学性能特 征及注浆加固模式等. 因此,在分析现有试验装置优 缺点的基础上,确定本套注浆加固试验系统的主要设 计(研制)目标为: (1)装置尺寸适中,结构合理. 既能满足布设传感 器、预制结构面及浆鄄鄄岩界面取样的空间需求,又能保 证装置密封效果实现高压注浆加固. (2)可充填不同岩土体介质开展不同类型的注浆 加固试验,并可实现不同孔隙水压力、水力梯度等动、 静水条件下的注浆过程模拟. (3)加固体取样便捷,可实现岩土体注浆加固后 整体快速脱模及界面取样,一套装置即可获取抗压强 度试验和剪切试验所需的加固体试件,易于开展试验 的可重复性验证. (4)配备多元信息监测采集装置,可实时采集被 注介质在注浆加固过程中的土压力、渗透压力和注浆 荷载等多元物理力学信息参数,从而研究介质对注浆 加固的力学响应机制. 根据上述设计目标,研制了该套新型注浆加固试 验系统,其主体结构如图 1 所示. 该系统整合了现有 注浆加固试验装置的优点,在有限空间内实现了多项 功能的综合. 图 1 注浆试验装置主体结构图 Fig. 1 Main structure of grouting system 1郾 2 注浆装置 1郾 2郾 1 注浆动力设备 该套试验系统仍属于中小尺寸注浆试验装置,注 浆动力装备需满足高压小流量的试验需求,为此定制 了专用手动双液注浆泵,通过压杆控制缸体活塞伸缩 来提供注浆动力,调整缸体活塞伸缩频率即可实现注 浆速率可控,其性能参数见表 1. 1郾 2郾 2 浆液输送设备 浆液输送设备包括高压注浆管、双液混合器、外部 注浆管及内部注浆管. 外部注浆管为 准20 mm 钢管,钢 管下端连接封闭顶板中心的顶板接头,接头下部可根 据试验需求连接不同类型的内部注浆管,从而可实现 ·1269·
·1270· 工程科学学报，第39卷，第8期 表1部分注浆设备性能参数 Table 1 Performance of grouting equipment parts 设备类别 组成装备 性能特征 动力设备 ZBSS0.1/10手动双液注浆泵 每行程输浆量0.1L:最大注浆压力10MPa 高压注浆管 内径12.5mm:最大耐受压力20MPa 输送设备 双液混合器 静态螺旋混合器：螺旋段长20cm 端头注浆、锚杆注浆以及诱导注浆等多种注浆试验工 于试验仓内部的活塞主要有两方面作用：(1)承载被 况的模拟. 注岩土体介质，并将传递至试验仓底部的注浆压力继 1.2.3辅助设备 续向下传递：(2)当供水装置提供富水环境时，该活塞 包括储浆桶、搅拌机、泄压阀和进浆阀，保障了高 可起到滤水、排水作用. 压注浆过程中试验系统的安全性 传力轴下部连接拉压传感器和液压千斤顶.试验 1.3装载装置 前可通过调整液压千斤顶的高度预设试验仓内被注岩 装载装置为整套加固试验系统的核心部分，是填 土体介质的填料体积，从而通过控制被注介质的质量 充岩土体介质、模拟注浆加固及实现系统密封稳定的 即可实现不同初始密实度的介质填充：试验后利用千 主要结构单元，分为岩土体试验仓和承压传力装置，结 斤顶顶出完整的注浆加固体，实现了注浆加固体的快 构示意图如图2所示 速脱模及便捷取样.此外，试验过程中保持千斤顶高 度恒定可为装置提供反力支撑，拉压传感器可监测采 一顶板接头 集注浆加固过程中浆液对被注岩土体施加的垂向 一封闭顶盖 荷载. 封闭底板 各组成部分通过承压底板并利用高强螺杆连接紧 高强螺杆 固，实现了试验系统在高压注浆加固条件下的稳定性. 1.3.3主体结构受力验算 利用ABAQUS软件对装置主体结构开展受力数 承载渗水活塞 值模拟，验算其结构稳定性.装置整体材料为强度较 传力轴 高的20 CrMnMo,其抗拉强度为1180MPa,屈服强度为 拉压传感器 885MPa.注浆压力计算值取10MPa.模拟结果如图3 液压千斤顶 所示，最大变形发生在顶板中央附近，大小为0.14 承压底板~ mm,方向竖直向上：最大应力为拉应力，发生在活塞和 主腔体接触边缘，大小为204.31MPa,方向沿水平面倾 图2装载装置结构示意图 斜30°.受力验算结果表明该装置满足结构受力和变 Fig.2 Structure of medium container device 形要求 1.3.1岩土体试验仓 1.4信息监测采集装置 岩土体试验仓由封闭顶板、主腔体、封闭底板及高 注浆管路上设置的耐震压力表可监测试验过程中 强螺杆构成，整体为圆筒状.根据岩土体单轴抗压强 注浆压力变化.为减少传感器对浆液扩散及注浆压力 传递的影响，在距腔体顶端50mm处通过外部固定螺 度对试件尺寸要求设计主腔体高度400mm、壁厚25 mm、内径184mm、有效填充高度380mm.岩土体试验 栓对称、竖向布设4个CLY-350微型传感器，分别 为：2个渗透压力传感器(30mm×15mm)和2个土压 仓内充填断层破碎带岩土体模拟材料，是实现介质装 力传感器（中28mm×9mm),传感器采用全桥连接方式 载及注浆加固的部位.封闭顶板中心钻设中20mm注 接入XL2101G静态应变仪.腔壁预留引线孔，利用密 浆孔连接顶板接头，顶板接头用以连接内、外注浆管： 封接头保证试验仓内的密封效果. 封闭底板中心钻设50mm传力孔用以连接传力轴. 1.5供水装置 封闭顶板和底板利用高强拉杆连接压实，从而保证了 供水装置由空压机、稳压储水罐、压力输气管及调 试验仓的整体密封效果. 压阀等组成.装置具有持续供水、压力稳定及承压水 1.3.2承压传力装置 压力无级调节的优点 承压传力单元主要由承载/渗水活塞、传力轴、液 2断层角砾介质注浆加固试验 压千斤顶、承压底板及高强螺杆组成. 传力轴上部穿过承压底板连接承载/渗水活塞，置 断层破碎带内存在大量破裂面，破裂面间分布有
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 表 1 部分注浆设备性能参数 Table 1 Performance of grouting equipment parts 设备类别 组成装备 性能特征 动力设备 ZBSS0郾 1 / 10 手动双液注浆泵 每行程输浆量 0郾 1 L;最大注浆压力 10 MPa 输送设备 高压注浆管 内径 12郾 5 mm;最大耐受压力 20 MPa 双液混合器 静态螺旋混合器;螺旋段长 20 cm 端头注浆、锚杆注浆以及诱导注浆等多种注浆试验工 况的模拟. 1郾 2郾 3 辅助设备 包括储浆桶、搅拌机、泄压阀和进浆阀,保障了高 压注浆过程中试验系统的安全性. 1郾 3 装载装置 装载装置为整套加固试验系统的核心部分,是填 充岩土体介质、模拟注浆加固及实现系统密封稳定的 主要结构单元,分为岩土体试验仓和承压传力装置,结 构示意图如图 2 所示. 图 2 装载装置结构示意图 Fig. 2 Structure of medium container device 1郾 3郾 1 岩土体试验仓 岩土体试验仓由封闭顶板、主腔体、封闭底板及高 强螺杆构成,整体为圆筒状. 根据岩土体单轴抗压强 度对试件尺寸要求设计主腔体高度 400 mm、壁厚 25 mm、内径 184 mm、有效填充高度 380 mm. 岩土体试验 仓内充填断层破碎带岩土体模拟材料,是实现介质装 载及注浆加固的部位. 封闭顶板中心钻设 准20 mm 注 浆孔连接顶板接头,顶板接头用以连接内、外注浆管; 封闭底板中心钻设 准50 mm 传力孔用以连接传力轴. 封闭顶板和底板利用高强拉杆连接压实,从而保证了 试验仓的整体密封效果. 1郾 3郾 2 承压传力装置 承压传力单元主要由承载/ 渗水活塞、传力轴、液 压千斤顶、承压底板及高强螺杆组成. 传力轴上部穿过承压底板连接承载/ 渗水活塞,置 于试验仓内部的活塞主要有两方面作用:(1) 承载被 注岩土体介质,并将传递至试验仓底部的注浆压力继 续向下传递;(2)当供水装置提供富水环境时,该活塞 可起到滤水、排水作用. 传力轴下部连接拉压传感器和液压千斤顶. 试验 前可通过调整液压千斤顶的高度预设试验仓内被注岩 土体介质的填料体积,从而通过控制被注介质的质量 即可实现不同初始密实度的介质填充;试验后利用千 斤顶顶出完整的注浆加固体,实现了注浆加固体的快 速脱模及便捷取样. 此外,试验过程中保持千斤顶高 度恒定可为装置提供反力支撑,拉压传感器可监测采 集注浆加固过程中浆液对被注岩土体施加的垂向 荷载. 各组成部分通过承压底板并利用高强螺杆连接紧 固,实现了试验系统在高压注浆加固条件下的稳定性. 1郾 3郾 3 主体结构受力验算 利用 ABAQUS 软件对装置主体结构开展受力数 值模拟,验算其结构稳定性. 装置整体材料为强度较 高的 20CrMnMo,其抗拉强度为 1180 MPa,屈服强度为 885 MPa. 注浆压力计算值取 10 MPa. 模拟结果如图 3 所示,最大变形发生在顶板中央附近,大小为 0郾 14 mm,方向竖直向上;最大应力为拉应力,发生在活塞和 主腔体接触边缘,大小为 204郾 31 MPa,方向沿水平面倾 斜 30毅. 受力验算结果表明该装置满足结构受力和变 形要求. 1郾 4 信息监测采集装置 注浆管路上设置的耐震压力表可监测试验过程中 注浆压力变化. 为减少传感器对浆液扩散及注浆压力 传递的影响,在距腔体顶端 50 mm 处通过外部固定螺 栓对称、竖向布设 4 个 CJLY鄄鄄 350 微型传感器,分别 为:2 个渗透压力传感器(准30 mm 伊 15 mm)和 2 个土压 力传感器(准28 mm 伊 9 mm),传感器采用全桥连接方式 接入 XL2101G 静态应变仪. 腔壁预留引线孔,利用密 封接头保证试验仓内的密封效果. 1郾 5 供水装置 供水装置由空压机、稳压储水罐、压力输气管及调 压阀等组成. 装置具有持续供水、压力稳定及承压水 压力无级调节的优点. 2 断层角砾介质注浆加固试验 断层破碎带内存在大量破裂面,破裂面间分布有 ·1270·
张家奇等：一种新型综合注浆加固试验系统的研制及应用 ·1271· 变形mm 应力MPa 0.14 0431 0.13 0.12 0.1 0.10 -0.08 .06 0.07 85. 0.06 .36 0.05 0.04 88 (a) b 图3结构受力和变形计算.(a)变形大小及方向：(b)应力大小及方向 Fig.3 Calculation of structural force and deformation:(a)value and direction of deformation;(b)value and direction of stress 砂泥物质和多棱角的破碎岩石，如断层角砾、断层泥及 表3断层角砾介质颗粒级配 碎粒砂岩等，如图4所示. Table 3 Grain composition of fault breccia 粒径/mm 质量分数/% 粒径/mm 质量分数/% 断层泥 2.55 74.03 0.160.315 13.18 新层角既 1.25-2.5 69.41 0.08~0.16 9.03 0.63-1.25 54.70 <0.08 1.43 0.315-0.63 33.36 糜棱岩断层角砾 2.2正交试验设计 参照工程实践及前期试验基础[]，试验注浆材料 图4钻孔取芯岩样 选用水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆，水泥为P.O Fig.4 Drill core rock samples 32.5普通硅酸盐水泥；水玻璃采用普通水玻璃溶液， 断层泥是经过粘土矿化作用形成的软弱致密、流 模数3.2，浓度1.17molL-1 塑态泥状介质；而断层角砾是经应力作用形成的松散 注浆材料选择的三个水平为：水泥浆-水玻璃体 破碎多孔介质，由角砾石、碎粒砂岩以及少量泥质土构 积为1：1，水泥浆水灰比为0.8的双液浆，记为浆液 成.显然，由于介质属性不同，浆液在断层泥[]和断 S,水泥浆-水玻璃体积为1：1，水泥浆水灰比为1双 层角砾中的扩散加固机理亦是不同.本文针对断层角 液浆，记为浆液S,和水泥浆水灰比为1的单液浆，记为 砾介质开展了相关的注浆加固室内模拟试验 浆液S.注浆压力选取的三个水平为2.5、2和1.5 2.1试验介质选取 MPa. 本试验利用江西永莲隧道突泥涌出物经烘干、粉 断层角砾介质注浆加固试验为3因素3水平正交 碎而成的重塑土，配合天然河沙和碎石，按照一定级配 试验，不考虑交互作用，选用正交表L9(3),试验因素 关系制成的土石混合体来模拟断层角砾介质.重塑土 水平及安排分别如表4和表5所示 和断层角砾介质的基本性质如表2和3所示 表4正交试验因素水平表 表2重塑土基本性质 Table 4 Experimental parameters and levers for orthogonal test Table 2 Basic properties of remolded clay 水平 介质干密度/(g·cm~3)注浆材料 注浆压力/MPa 最优含水率/最大干密度/ 1.64 2.5 液限/% 塑限/% 塑性指数 % （gcm3) 1.41 S 2.0 28.6 1.72 50.3 26.4 23.9 1.23 1.5 为研究不同密实度断层角砾介质的注浆加固机 理，本试验充填所用的角砾介质干密度P,分别选取致 3试验结果及分析 密型p4-1=1.64gcm3、中密型p4-2=1.41gcm3和 3.1注浆压力和有效应力变化特征 松散型Pa-3=1.23gcm3三个水平. 试验全程采集注浆压力和有效应力变化特征，以
张家奇等: 一种新型综合注浆加固试验系统的研制及应用 图 3 结构受力和变形计算 郾 (a) 变形大小及方向; (b) 应力大小及方向 Fig. 3 Calculation of structural force and deformation: (a) value and direction of deformation; (b) value and direction of stress 砂泥物质和多棱角的破碎岩石,如断层角砾、断层泥及 碎粒砂岩等,如图 4 所示. 图 4 钻孔取芯岩样 Fig. 4 Drill core rock samples 断层泥是经过粘土矿化作用形成的软弱致密、流 塑态泥状介质;而断层角砾是经应力作用形成的松散 破碎多孔介质,由角砾石、碎粒砂岩以及少量泥质土构 成. 显然,由于介质属性不同,浆液在断层泥[19] 和断 层角砾中的扩散加固机理亦是不同. 本文针对断层角 砾介质开展了相关的注浆加固室内模拟试验. 2郾 1 试验介质选取 本试验利用江西永莲隧道突泥涌出物经烘干、粉 碎而成的重塑土,配合天然河沙和碎石,按照一定级配 关系制成的土石混合体来模拟断层角砾介质. 重塑土 和断层角砾介质的基本性质如表 2 和 3 所示. 表 2 重塑土基本性质 Table 2 Basic properties of remolded clay 最优含水率/ % 最大干密度/ (g·cm - 3 ) 液限/ % 塑限/ % 塑性指数 28郾 6 1郾 72 50郾 3 26郾 4 23郾 9 为研究不同密实度断层角砾介质的注浆加固机 理,本试验充填所用的角砾介质干密度 籽d分别选取致 密型 籽d - 1 = 1郾 64 g·cm - 3 、中密型 籽d - 2 = 1郾 41 g·cm - 3和 松散型 籽d - 3 = 1郾 23 g·cm - 3三个水平. 表 3 断层角砾介质颗粒级配 Table 3 Grain composition of fault breccia 粒径/ mm 质量分数/ % 粒径/ mm 质量分数/ % 2郾 5 ~ 5 74郾 03 0郾 16 ~ 0郾 315 13郾 18 1郾 25 ~ 2郾 5 69郾 41 0郾 08 ~ 0郾 16 9郾 03 0郾 63 ~ 1郾 25 54郾 70 < 0郾 08 1郾 43 0郾 315 ~ 0郾 63 33郾 36 2郾 2 正交试验设计 参照工程实践及前期试验基础[20] ,试验注浆材料 选用水泥单液浆和水泥鄄鄄水玻璃双液浆,水泥为 P. O. 32郾 5 普通硅酸盐水泥;水玻璃采用普通水玻璃溶液, 模数 3郾 2,浓度 1郾 17 mol·L - 1 . 注浆材料选择的三个水平为:水泥浆鄄鄄 水玻璃体 积为 1 颐 1,水泥浆水灰比为 0郾 8 的双液浆,记为浆液 S1 ,水泥浆鄄鄄水玻璃体积为 1颐 1,水泥浆水灰比为 1 双 液浆,记为浆液 S2和水泥浆水灰比为 1 的单液浆,记为 浆液 S3 . 注浆压力选取的三个水平为 2郾 5、2 和 1郾 5 MPa. 断层角砾介质注浆加固试验为 3 因素 3 水平正交 试验,不考虑交互作用,选用正交表 L9(3 4 ),试验因素 水平及安排分别如表 4 和表 5 所示. 表 4 正交试验因素水平表 Table 4 Experimental parameters and levers for orthogonal test 水平 介质干密度/ (g·cm - 3 ) 注浆材料 注浆压力/ MPa 1 1郾 64 S1 2郾 5 2 1郾 41 S2 2郾 0 3 1郾 23 S3 1郾 5 3 试验结果及分析 3郾 1 注浆压力和有效应力变化特征 试验全程采集注浆压力和有效应力变化特征,以 ·1271·
·1272· 工程科学学报，第39卷，第8期 表5注浆加固试验安排表 升，为渗透注浆阶段：86~122s注浆压力迅速上升至 Table 5 Arrangement of grouting test 设计注浆终压1.5MPa,为压密注浆阶段.试验过程内 介质干密度/ 注浆压力/ 试验编号 注浆材料 未出现明显的劈裂扩散特征. (g.cm-3) MPa 试验I-3注浆开始0~134s内注浆压力缓慢上 1-1 1.64 2.5 升，为渗透注浆阶段：135~232s注浆压力持续上至 1-2 1.64 S2 1.5 1.4MPa,为压密注浆阶段：233~301s,注浆压力呈“波 I-3 1.64 的 2.0 状”起伏，最终达到设计注浆终压2MPa,为劈裂注浆 I-4 1.41 52 2.0 阶段 1-5 1.41 S3 2.5 对比分析上述数据变化规律：由于断层角砾介质 1-6 1.41 1.5 孔隙率较大，所以三组试验前期浆液均以渗透扩散为 1-7 1.23 S 1.5 主，注浆压力变化不大.由于试验I-1和I-2分别采 1-8 1.23 s 2.0 用较浓和较稀的双液浆，所以试验I-1中浆液的渗透 I-9 1.23 S2 2.5 扩散过程相对较短，迅速进入压密阶段，但双液浆凝胶 时间显著比试验I-3采用的单液浆短，所以试验I-3 致密型断层角砾介质为例（试验I-1、I-2和1-3）， 的渗透扩散过程最长.随着岩土体内部孔隙逐渐被浆 绘制其注浆压力和有效应力变化曲线如图5. 液固化充填，浆液开始压密周围介质导致注浆压力迅 3.1.1注浆压力响应规律 速上升，由于试验I-1和I-3注浆终压相对较高，所 试验I-1注浆开始0~70s内注浆压力缓慢上 以岩土体受挤密压缩后发生屈服破坏，劈裂通道形成 升，为渗透注浆阶段：71~103s注浆压力迅速上升至2 并迅速扩展，注浆压力开始起伏变化：而试验I-2注 MPa,为压密注浆阶段：l04s时浆液劈开被注介质形成 浆终压较低，未达到介质启劈压力，故浆液对岩土体仅 劈裂通道并迅速扩展，注浆压力迅速下降，此后浆液过 产生压密效应.通过上述分析可以发现对于同一断层 扩散形式动态转换发生多次后续劈裂，故104~250s 角砾介质，浆液前期均以渗透扩散为主，但不同的注浆 内注浆压力呈现“波状”起伏变化，最终达到设计注浆 材料和注浆压力，浆液的扩散和加固过程的影响显著 终压2.5MPa,为劈裂注浆阶段. 不同，工程中适当选用较浓的双液浆和较高的注浆终 试验I-2注浆开始0~85s内注浆压力缓慢上 压，可有效保证角砾介质的加固效果 试验1-1 注浆压力 试验I-2 一注浆压力 2.5 一有效应力 2.5 1.5 一有效应力 1.5 20 2.0 1.2 1.2 1.5 0.9 0.9 1.0 0.6 0.5 0.3 03 0 100 200 300 400 500 100 150 200 时间/s 时间/s 试验1-3 2.0 一注浆压力2.0 有效应力 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 100 200 300 400 500 时间/s 图5致密型介质注浆压力及有效应力变化曲线 Fig.5 Grouting pressure and effective stress curves
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 表 5 注浆加固试验安排表 Table 5 Arrangement of grouting test 试验编号 介质干密度/ (g·cm - 3 ) 注浆材料 注浆压力/ MPa 玉鄄鄄1 1郾 64 S1 2郾 5 玉鄄鄄2 1郾 64 S2 1郾 5 玉鄄鄄3 1郾 64 S3 2郾 0 玉鄄鄄4 1郾 41 S2 2郾 0 玉鄄鄄5 1郾 41 S3 2郾 5 玉鄄鄄6 1郾 41 S1 1郾 5 玉鄄鄄7 1郾 23 S3 1郾 5 玉鄄鄄8 1郾 23 S1 2郾 0 玉鄄鄄9 1郾 23 S2 2郾 5 致密型断层角砾介质为例(试验玉鄄鄄1、玉鄄鄄2 和玉鄄鄄3), 绘制其注浆压力和有效应力变化曲线如图 5. 图 5 致密型介质注浆压力及有效应力变化曲线 Fig. 5 Grouting pressure and effective stress curves 3郾 1郾 1 注浆压力响应规律 试验玉鄄鄄1 注浆开始 0 ~ 70 s 内注浆压力缓慢上 升,为渗透注浆阶段;71 ~ 103 s 注浆压力迅速上升至 2 MPa,为压密注浆阶段;104 s 时浆液劈开被注介质形成 劈裂通道并迅速扩展,注浆压力迅速下降,此后浆液过 扩散形式动态转换发生多次后续劈裂,故 104 ~ 250 s 内注浆压力呈现“波状冶起伏变化,最终达到设计注浆 终压 2郾 5 MPa,为劈裂注浆阶段. 试验玉鄄鄄2 注浆开始 0 ~ 85 s 内注浆压力缓慢上 升,为渗透注浆阶段;86 ~ 122 s 注浆压力迅速上升至 设计注浆终压 1郾 5 MPa,为压密注浆阶段. 试验过程内 未出现明显的劈裂扩散特征. 试验玉鄄鄄3 注浆开始 0 ~ 134 s 内注浆压力缓慢上 升,为渗透注浆阶段;135 ~ 232 s 注浆压力持续上至 1郾 4 MPa,为压密注浆阶段;233 ~ 301 s,注浆压力呈“波 状冶起伏,最终达到设计注浆终压 2 MPa,为劈裂注浆 阶段. 对比分析上述数据变化规律:由于断层角砾介质 孔隙率较大,所以三组试验前期浆液均以渗透扩散为 主,注浆压力变化不大. 由于试验玉鄄鄄1 和玉鄄鄄2 分别采 用较浓和较稀的双液浆,所以试验玉鄄鄄1 中浆液的渗透 扩散过程相对较短,迅速进入压密阶段,但双液浆凝胶 时间显著比试验玉鄄鄄3 采用的单液浆短,所以试验玉鄄鄄3 的渗透扩散过程最长. 随着岩土体内部孔隙逐渐被浆 液固化充填,浆液开始压密周围介质导致注浆压力迅 速上升,由于试验玉鄄鄄1 和玉鄄鄄3 注浆终压相对较高,所 以岩土体受挤密压缩后发生屈服破坏,劈裂通道形成 并迅速扩展,注浆压力开始起伏变化;而试验玉鄄鄄2 注 浆终压较低,未达到介质启劈压力,故浆液对岩土体仅 产生压密效应. 通过上述分析可以发现对于同一断层 角砾介质,浆液前期均以渗透扩散为主,但不同的注浆 材料和注浆压力,浆液的扩散和加固过程的影响显著 不同,工程中适当选用较浓的双液浆和较高的注浆终 压,可有效保证角砾介质的加固效果. ·1272·