CN103760083B - 松散地层灌浆实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种松散地层灌浆实验装置，包括灌浆机具、受灌体容器（18）、水压控制系统、围压系统和监测系统。灌浆机具连通至受灌体容器（18）的容腔内；水压控制系统通过输送管路（14）连通至受灌体容器（18）的容腔内；围压系统包括压力源气瓶（10）、气管（12）和设置在受灌体容器（18）内的高压气囊（17），充气后的高压气囊（17）贴附于受灌体容器（18）的内壁；监测系统包括外部的信息采集装置（21）和装设在受灌体容器（18）内的压力传感器（19），信息采集装置（21）通过连接导线（22）与压力传感器（19）相连。本发明具有结构简单、组装方便、测量操作容易、测试结果准确可靠、适应范围广等优点。

Description

松散地层灌浆实验装置

技术领域

本发明涉及一种可广泛应用于水利工程、矿山工程、地质工程、基础处理等领域的灌浆实验装置，尤其涉及一种松散地层灌浆实验装置。

背景技术

灌浆是一项实用性很强应用范围很广的工程措施，但由于受灌体的复杂性、工程实施隐蔽性较高，导致灌浆参数设计和灌浆效果检验带有极大地经验性。特别是由土夹石、石夹土、土粒、砂砾等组成的松散覆盖层、软弱夹层、溶蚀（断）层、深部致密含砂层等，非均质各向异性特征非常显著，对其进行防渗加固灌浆处理，很难实施灌浆控制、达到均匀受灌。在目前的灌浆设计和施工中，注浆孔排距设计、适宜的灌浆材料选用、灌浆材料的性能、灌浆压力和灌浆量等施工参数、以及灌浆效果的评价等主要是凭经验确定，这容易导致工程质量不符合要求，或造成投资出现严重的浪费。实验室注浆模拟试验是确定注浆工程相关参数，掌握各因素对注浆效果影响规律的有效途径和方法。例如：赵宏海等人提出了《裂隙岩体注浆模拟试验研究》（参见《人民长江》）2012年1月刊），郭密文、隋旺华等提出了《高压环境条件下注浆模型试验系统设计》（参见《工程地质学报》2010年18（5）），杨坪等人提出了《砂卵（砾）石层中注浆模拟实验研究》（参见《岩土工程学报》2006年12月刊）。总体而言，国内外现有室内注浆模拟试验技术和方法远不能满足实际要求，不能兼顾多类复杂地层的灌浆模拟，不能模拟不同深度地层的灌浆，不能直接检验灌浆效果，也不能完整集成模拟灌浆施工、效果检测的全过程。

因此，研制一种松散地层的灌浆实验装置，确定松散地层灌浆设计参数并对灌浆效果进行评价，成为本领域相关人员急需研究解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、组装方便、测量操作容易、测试结果准确可靠、适应范围广的松散地层灌浆实验装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种松散地层灌浆实验装置，所述灌浆实验装置包括灌浆机具、受灌体容器、水压控制系统、围压系统和监测系统，所述灌浆机具连通至受灌体容器的容腔内，所述水压控制系统通过其输送管路连通至受灌体容器的容腔内，所述围压系统包括压力源气瓶、气管和设置在受灌体容器容腔内的高压气囊，充气后的高压气囊贴附于受灌体容器的内壁上，所述监测系统包括外部的信息采集装置和装设在受灌体容器容腔内的压力传感器，所述信息采集装置通过连接导线与压力传感器相连。

上述本发明的灌浆实验装置通过调节各个组成系统，采用脉动、稳压等不同灌浆方式，改变围压压力，通过监测系统对实验过程中的相关信息进行采集，用以研究复杂地层受灌体在不同灌浆深度下的灌浆机理及灌浆效果，得出可供设计选用的灌浆参数。

上述的松散地层灌浆实验装置中，优选的，所述灌浆机具包括灌浆泵、灌浆管及孔口封闭器，灌浆管一端设有连接至灌浆泵的灌浆软管，另一端插入孔口封闭器内，孔口封闭器连接一孔口管，孔口管通过孔口封闭器锁紧固定在受灌体容器的灌浆口处。灌浆口优选设置在受灌体容器的顶盖中部。更优选的，所述灌浆管上设有阀门和压力表。

上述的松散地层灌浆实验装置中，优选的，所述受灌体容器是由多节圆筒状的刚性高压容器（内径优选为40cm～60cm）组合连接而成，相邻两节的刚性高压容器之间通过紧锁抱圈相连。由于刚性高压容器为圆筒状，多节刚性高压容器组合连接而成的受灌体容器也为圆筒状。所述刚性高压容器的侧部优选设有轴向定位装置和径向定位装置。

上述的松散地层灌浆实验装置中，所述刚性高压容器的设计压力优选为4MPa～10MPa，刚性高压容器的允许工作压力优选为3MPa～6MPa，单节刚性高压容器容积为100L～300L。

上述的松散地层灌浆实验装置中，优选的，每节所述的刚性高压容器主要由顶盖和底座组成，顶盖和底座之间通过条形法兰及活节螺栓对接紧固，条形法兰包括分别设置在顶盖和底座上的上法兰和下法兰，所述轴向定位装置和径向定位装置均设置在条形法兰上。刚性高压容器的端面设有端面密封环（O型橡胶圈、长方形橡胶密封条等），刚性高压容器的外侧还焊接有环状加筋条。

上述的松散地层灌浆实验装置中，优选的，所述紧锁抱圈主要由垫板支撑组件（含垫板和支撑板）、销轴组件（含开口销、销轴、耳板等）、抱圈和紧固件组成；抱圈包括上、下部分，且上、下部分通过紧固件紧锁连接。

上述的松散地层灌浆实验装置中，优选的，所述水压控制系统包括压力源气瓶（例如氮气瓶）、减压器、气管和储水高压罐；所述输送管路的一端连接至所述受灌体容器，另一端连接至储水高压罐，输送管路上设有流量计和水阀（优选球阀），减压器装设于压力源气瓶出口处，减压器通过气管连接至储水高压罐的进气阀处。通过压力源气瓶、减压器及其气管可以向储水高压罐提供稳定压力，并可通过连接水管提供动水水源以及压力水头。

上述的松散地层灌浆实验装置中，优选的，所述受灌体容器的端部通过螺栓紧固有可启闭的法兰盖；制作所述法兰盖的钢板厚度可达1.0cm～1.5cm，在法兰盖的中心及下部位置可分别开孔用作与水压控制系统、围压系统或监测系统的接口。所述水压控制系统的输送管路接口设置在受灌体容器一端的法兰盖上（该输送管路接口优选为一直径1.0cm～1.5cm的中心孔），所述围压系统高压气囊的气门嘴接口设置在受灌体容器的底部。

上述的松散地层灌浆实验装置中，所述围压系统包括高压气囊、稳压气源（例如氮气瓶）和配套气管；稳压气源通过气管与高压气囊的气门嘴连接。通过高压气囊的压力变化可模拟不同深度围岩土体压力及模拟不同深度下的地层结构。更优选的，所述高压气囊的允许工作压力为2MPa～5MPa，气门嘴可承受的压力为不小于5Mpa，气门嘴直径优选为0.6cm～0.8cm，长度为5cm～8cm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明的松散地层灌浆实验装置可用于室内灌浆模拟及灌浆效果的检测实验，通过应用本发明的灌浆实验装置可得到不同灌浆环境下的浆液扩散规律，测度不同孔排距对形成的幕体厚度和帷幕结构的影响，得到帷幕抗渗透变形能力、耐久性等指标，并对灌浆过程进行监测及预测灌浆抬动；

（2）本发明能便捷地模拟复杂地层的灌浆过程，得到松散地层在密闭空间内的结构参数，在此基础上得到扩散距离与灌浆参数之间的关系，并对灌浆效果进行评价，为松散地层灌浆提供科学合理的参数；

（3）本发明的灌浆实验装置采用模块化设计，安装、拆卸和操作使用都非常便捷，密封性好，投资成本低；且适用各种灌浆材料，加工精度要求一般，容易加工制造；

（4）本发明灌浆实验装置的刚性高压容器可以选择大尺寸比例，减小了尺寸效应；

（5）本发明的围压系统利用高压气囊充气后的压力作用可以解决浆液沿刚性高压容器与土体间串浆问题，且使受灌体的边界保持弹性边界条件；

（6）本发明的围压系统可以很方便地改变和调整高压气囊的压力，进而实现模拟不同深度的岩土体围压，能实现不同深度围岩土体灌浆模拟的需要；

（7）本发明优选的水压控制系统通过设置氮气瓶、减压器及其配套管路，可向储水高压罐提供稳定压力源，并通过输送管路提供动水水源以及压力水头，可以很方便地进行灌后结构抗渗透变形能力等实验。

附图说明

图1为本发明实施例中松散地层灌浆实验装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中单节刚性高压容器的主视图。

图3为本发明实施例中单节刚性高压容器的侧视图。

图4为本发明实施例中紧锁抱圈的主视图。

图5为本发明实施例中紧锁抱圈的侧视图。

图例说明：

1、灌浆泵；2、灌浆软管；3、灌浆管；4、孔口封闭器；5、压力表；6、顶盖；7、底座；8、紧锁抱圈；81、支撑组件；82、销轴组件；83、抱圈；84、紧固件；9、法兰盖；10、压力源气瓶；11、减压器；12、气管；13、储水高压罐；14、输送管路；15、流量计；16、水阀；17、高压气囊；18、受灌体容器；19、压力传感器；20、气嘴夹；21、信息采集装置；22、连接导线；23、刚性高压容器；24、孔口管；25、端面密封环；26、环状加筋条；27、拉手；28、条形法兰；29、轴向定位装置；30、径向定位装置；31、支脚；32、实验平台；33、气门嘴。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于或连接于”另一元件上时，它可以是直接固定或连接在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定或连接在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例：

一种本发明的松散地层灌浆实验装置，包括灌浆机具、受灌体容器18、水压控制系统、围压系统和监测系统。灌浆机具连通至受灌体容器18的容腔内；水压控制系统通过其输送管路14连通至受灌体容器18的容腔内；围压系统包括压力源气瓶10（本实施例中均选用氮气瓶，也可用其他稳压气源）、气管12和设置在受灌体容器18容腔内的高压气囊17，充气后的高压气囊17贴附于受灌体容器18的内壁上，作为受灌体和受灌体容器18之间的过渡边界；监测系统包括外部的信息采集装置21和装设在受灌体容器18容腔内的压力传感器19（例如优选的土压力计、渗压计等），压力传感器19设置在受灌体容器18的底部，信息采集装置21通过连接导线22与压力传感器19相连。

本实施例中的灌浆机具包括灌浆泵1（稳压及脉动等各类型均可）、灌浆管3及孔口封闭器4，灌浆管3一端设有连接至灌浆泵1的灌浆软管2，另一端插入孔口封闭器4内，孔口封闭器4与一孔口管24相连，孔口管24通过孔口封闭器4锁紧固定在受灌体容器18的灌浆口处。灌浆口设置在受灌体容器18的顶盖中部，灌浆管3上设有阀门和压力表5。

本实施例中的受灌体容器18是由多节圆筒状的刚性高压容器23（内径为40cm）组合连接而成，相邻两节的刚性高压容器23之间通过紧锁抱圈8相连；由于刚性高压容器23为圆筒状，刚性高压容器23组合连接而成的受灌体容器18也为圆筒状。刚性高压容器23的侧部设有轴向定位装置29和径向定位装置30。每节刚性高压容器23主要由顶盖6和底座7组成，顶盖6和底座7之间通过条形法兰28及活节螺栓对接紧固，条形法兰28包括分别设置在顶盖6和底座7上的上法兰和下法兰，轴向定位装置29和径向定位装置30均设置在条形法兰28上。轴向定位装置29包括相互对接配合、且分别固定在上、下法兰上的上定位件和下定位件（呈中心对称的一对直角梯形）。本实施例的刚性高压容器23的端面设有端面密封环25（例如O型橡胶圈、长方形橡胶密封条等均可），刚性高压容器23的外侧还焊接有环状加筋条26。刚性高压容器23的顶盖6和底座7的中部分别设有拉手27和支脚31。

本实施例中用到的紧锁抱圈8主要由垫板支撑组件81（含垫板和支撑板）、销轴组件82（含开口销、销轴、耳板等）、抱圈83和紧固件84（含垫圈40、螺母39和活节螺栓38）组成；抱圈83包括上、下部分，且上、下部分通过紧固件84紧锁连接。垫板、支撑板、销轴、耳板设置在抱圈83的下部连接处，开口销设置在抱圈83的上部连接处即可。

本实施例中的刚性高压容器23的设计压力为4MPa～10MPa，刚性高压容器23的允许工作压力为3MPa～6MPa，单节刚性高压容器（23）的容积为100L～300L。

本实施例中的水压控制系统包括压力源气瓶10、减压器11、气管12和储水高压罐13；输送管路14的一端连接至受灌体容器18，另一端连接至储水高压罐13，输送管路14上设有流量计15和水阀16，减压器11装设于压力源气瓶10出口处，减压器11通过气管12连接至储水高压罐13的进气阀处。

本实施例中的受灌体容器18的端部通过螺栓紧固有可启闭的法兰盖9；水压控制系统的输送管路14接口设置在受灌体容器18一端的法兰盖9上，高压气囊17的气门嘴33接口设置在受灌体容器18的底部。本实施例中围压系统的压力源气瓶10通过气管12及气嘴夹20与高压气囊17的气门嘴33连接；高压气囊17的允许工作压力为2MPa～5MPa，气门嘴33可承受的压力为不小于5Mpa，气门嘴33直径为0.6cm～0.8cm，长度为5cm～8cm。

本实施例的松散地层灌浆实验装置的工作原理为：

首先检查灌浆实验装置的气密性，将3个刚性高压容器23的底座7拼接好，放置于实验平台32上，并安装高压气囊17，将高压气囊14的气门嘴33从底座7的孔洞中穿出，再通过螺栓紧固刚性高压容器23两端的法兰盖9，依次盖上刚性高压容器23的顶盖6，并通过螺栓紧固，各节刚性高压容器23之间通过紧锁抱圈8相连；再将灌浆管3从刚性高压容器23的孔口管24插入至设计位置；

安装好刚性高压容器23后，从刚性高压容器23的孔口管24两边加满土体，通过气嘴夹20及其配套的气管12，将压力源气瓶10与高压气囊17相连，打开压力源气瓶10并慢慢旋紧减压器11至设计压力；15min后，将灌浆管3拔出，测量成孔深度，并安装好孔口封闭器4和灌浆管3，连接好灌浆软管2与灌浆泵1；

将制备好的浆液，倒入灌浆泵1，打开灌浆泵1开始灌浆，并通过压力表5和流量计15对灌浆过程进行监测，待达到结束标准后，再灌5min，关闭灌浆泵1，并记录相关参数；

打开孔口封闭器4，取出灌浆管3并清洗；待凝一段时间后，关闭压力源气瓶10，通过高压气囊17的泄气口将高压气囊17放空；依次打开刚性高压容器23，对土体进行开挖，观察灌浆结石性状并测量浆液扩散距离。

本次实验测得稳压下灌注膏浆的相关参数如表1所示：

表1：本实施例中测得稳压下灌注膏浆的相关参数

相关参数	实测值
		水固比	1：1
围岩压力	0.3MPa
		灌浆段长度	20cm
最大灌浆压力	0.4MPa
		最大灌入量	6L
扩散半径	45cm

灌浆前、后可进行压水实验，测得其渗透系数的变化，用以评价灌浆质量。

根据钻孔常水头注水试验公式：K=Q/（AH）；P=ρgH；A=5.5r；ρ为水的密度；g取9.8kg/s²；K为渗透系数；A为形状系数；r为灌浆孔半径（m）；H为压力水头（m）；Q为流量（m/s）；待成孔后，用尺子量取灌浆孔半径r，连接好松散地层灌浆实验装置，先打开压力源，利用减压器调节大小，将储水高压罐内的水压入受灌体容器内，待流量计的读数变化不大时，记录此时流量Q，压强P，根据上述计算方法即可求出渗透系数K。

Claims (8)

1.一种松散地层灌浆实验装置，其特征在于：所述灌浆实验装置包括灌浆机具、受灌体容器（18）、水压控制系统、围压系统和监测系统，所述灌浆机具连通至受灌体容器（18）的容腔内；所述水压控制系统通过输送管路（14）连通至受灌体容器（18）的容腔内；所述围压系统包括压力源气瓶（10）、气管（12）和设置在受灌体容器（18）容腔内的高压气囊（17），充气后的高压气囊（17）贴附于受灌体容器（18）的内壁上；所述监测系统包括外部的信息采集装置（21）和装设在受灌体容器（18）容腔内的压力传感器（19），所述信息采集装置（21）通过连接导线（22）与压力传感器（19）相连；所述受灌体容器（18）是由多节圆筒状的刚性高压容器（23）组合连接而成，相邻两节的刚性高压容器（23）之间通过紧锁抱圈（8）相连；所述刚性高压容器（23）的侧部设有轴向定位装置（29）和径向定位装置（30）。

2.根据权利要求1所述的松散地层灌浆实验装置，其特征在于：所述灌浆机具包括灌浆泵（1）、灌浆管（3）及孔口封闭器（4）；灌浆管（3）一端设有连接至灌浆泵（1）的灌浆软管（2），另一端插入孔口封闭器（4）内，孔口封闭器（4）连接有孔口管（24），孔口管（24）通过孔口封闭器（4）锁紧固定在受灌体容器（18）的灌浆口处。

3.根据权利要求1或2所述的松散地层灌浆实验装置，其特征在于：所述的每节刚性高压容器（23）主要由顶盖（6）和底座（7）组成，顶盖（6）和底座（7）之间通过条形法兰（28）对接紧固，条形法兰（28）包括分别设置在顶盖（6）和底座（7）上的上法兰和下法兰，所述轴向定位装置（29）和径向定位装置（30）均设置在条形法兰（28）上。

4.根据权利要求3所述的松散地层灌浆实验装置，其特征在于：所述紧锁抱圈（8）主要由垫板支撑组件（81）、销轴组件（82）、抱圈（83）和紧固件（84）组成；抱圈（83）包括上、下部分，且上、下部分通过紧固件（84）紧锁连接。

5.根据权利要求1或2所述的松散地层灌浆实验装置，其特征在于：所述刚性高压容器（23）的设计压力为4MPa～10MPa，刚性高压容器（23）的允许工作压力为3MPa～6MPa，单节刚性高压容器（23）的容积为100L～300L。

6.根据权利要求1或2所述的松散地层灌浆实验装置，其特征在于：所述水压控制系统包括压力源气瓶（10）、减压器（11）、气管（12）和储水高压罐（13）；所述输送管路（14）的一端连接至所述受灌体容器（18），另一端连接至储水高压罐（13），输送管路（14）上设有流量计（15）和水阀（16），减压器（11）装设于气瓶（10）出口处，减压器（11）通过气管（12）连接至储水高压罐（13）的进气阀处。

7.根据权利要求1或2所述的松散地层灌浆实验装置，其特征在于：所述受灌体容器（18）的端部通过螺栓紧固有可启闭的法兰盖（9）；所述水压控制系统的输送管路（14）接口设置在受灌体容器（18）一端的法兰盖（9）上，所述高压气囊（17）的气门嘴（33）接口设置在受灌体容器（18）的底部。

8.根据权利要求7所述的松散地层灌浆实验装置，其特征在于：所述围压系统的压力源气瓶（10）通过气管（12）及气嘴夹（20）与高压气囊（17）的气门嘴（33）连接；所述高压气囊（17）的允许工作压力为2MPa～5MPa，气门嘴（33）可承受的压力为不小于5Mpa，气门嘴（33）直径为0.6cm～0.8cm，长度为5cm～8cm。