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·