CN103940967B - 可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置及其方法，装置包括三个承压密封板、固定螺杆和腔体，其中，承压密封板依次通过固定螺杆连接为整体结构，承压密封板从上至下分别为第一承压密封板、第二承压密封板和第三承压密封板，第一承压密封板、第二承压密封板之间固定有用于充填介质、模拟不同地质条件的腔体，腔体下端连接可伸缩传力柱，可伸缩传力柱下端连接有拉压传感器，拉压传感器下端设有圆状传力板；本发明实现了小型注浆模型试验中地应力和孔隙水压力的稳定、长时间加载，保证模型试验开展条件更加贴近真实地下环境，可模拟隧道、矿山的多种地质条件，适用范围广。

Description

可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置及其方法。

背景技术

近年来，我国隧道、矿山等地下工程蓬勃发展，然而在建设过程中突水突泥灾害时有发生，据统计，突水突泥灾害发生频率排在地下工程事故的第二位，造成了大量的人员伤亡和经济损失。

注浆方法作为解决突水突泥灾害问题的有效手段已经有200多年的历史，但是目前突水突泥灾害仍然频发，这是由于注浆理论发展远落后于工程实践，注浆技术因缺乏有效的理论指导而远未成熟。

模型试验方法可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造，为建立新的理论和数学模型提供依据，是研究注浆理论的一种重要手段。目前国内已开展了一系列注浆模型试验，但受制于试验条件，无法最大限度的还原充填介质的真实受力情况，如地应力、孔隙水压力等重要力学参数，导致研究结果无法直接运用于工程实践，注浆理论的发展仍然滞后。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置及其方法，该装置实现了小型注浆模型试验中地应力和孔隙水压力的稳定、长时间加载，保证模型试验开展条件更加贴近真实地下环境。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置，包括三个承压密封板、固定螺杆和介质充填腔体，其中，承压密封板依次通过固定螺杆连接为整体结构，承压密封板从上至下分别为第一承压密封板、第二承压密封板和第三承压密封板，第一承压密封板、第二承压密封板之间固定有用于充填介质、模拟不同地质条件的介质充填腔体，介质充填腔体下端连接可伸缩传力柱，可伸缩传力柱下端连接有拉压传感器，拉压传感器下端设有圆状传力板。

所述第一承压密封板上设有用于向介质充填腔体输入浆液的注浆通道，所述注浆通道与阀门连接。

所述固定螺杆包括两组，每组4-8根，两组固定螺杆分别圆周分布于第二承压密封板和第三承压密封板之上，连接固定第一承压密封板和第二承压密封板、第二承压密封板和第三承压密封板。

所述介质充填腔体为圆筒状结构，上下端分别固定于第一承压密封板的下表面、第二承压密封板的上表面

所述介质充填腔体上设有监测元件埋设通道、水压传感器，介质充填腔体周边设有用于向介质充填腔体输入水的加水通道。

所述监测元件埋设通道设置于介质充填腔体上部，前后对称分布共2个，内部布设力学参数监测元件数据线，通道内设有密封螺丝。

所述水压传感器设置在介质充填腔体下方，其尾部与介质充填腔体中的水直接接触。

所述可伸缩传力柱设置在拉压传感器上部，可伸缩传力柱连接有充填介质顶出装置。

一种基于上述注浆模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)根据隧道、矿山工程不同地质条件进行土工试验测试介质基本物理性质，选取原状介质或者配置相似材料充填入介质充填腔体，并在其中预制裂隙、破碎带以更好的模拟的实际地质环境；

(2)为测量试验中土压力、渗透压力、土体位移各参数可在介质中埋设各类监测元件，在介质充填腔体顶部设置橡胶垫、均匀涂密封胶然后放置密封承压板，通过高强螺杆进行固定；

(3)调试水压传感器和拉压传感器，使用自主研发的模型试验稳压加水装置通过加水通道向介质充填腔体内加水，进行试验、记录实验数据；

(4)拆卸试验装置，通过液压加载装置通过可伸缩传力柱推动充填介质顶出装置将注浆加固体顶出，将注浆加固体用保鲜膜包装好后放入试验室养护，拆卸并清洗试验装置其他结构，结束试验。

所述步骤(3)中，其具体方法为：调试水压传感器和拉压传感器，使用自主研发的模型试验稳压加水装置通过加水通道向介质充填腔体内加水，观察水压传感器读数直至达到设计水压，停止加水，使用液压加载装置通过圆状传力板、可伸缩传力柱向介质充填腔体内介质加载应力，观察拉压传感器读数直至达到设计地应力，停止加载，使用注浆泵通过注浆通道向介质充填腔体注入浆液，通过监测元件实时采集介质中各类重要参数，当注浆压力达到设计压力时终止注浆。

本发明的有益效果为：

1.实现了小型注浆模型试验中地应力和孔隙水压力的稳定、长时间加载，保证模型试验开展条件更加贴近真实地下环境；

2.可模拟隧道、矿山工程的多种地质环境，适用范围广；

3.设置拉压传感器、水压传感器，可实时观测地应力和水压加载情况，保证试验的动态反馈性和精确性；

4.采用高强固定螺杆、承压密封板并配合使用橡胶垫、密封胶和密封螺丝，试验装置密封性强，稳定性好；

5.介质内可埋设各类监测元件，可实时采集试验过程中的重要力学参数，提高了试验的精确性；

6.试验装置配合使用自主研发的模型试验稳压加水装置，可为介质提供稳定的水压环境，与真实环境更加贴近；

7.可伸缩传力柱配合使用液压加载装置、充填介质顶出装置可将注浆加固体顶出，免去了脱模的繁琐，提高了试验效率；试验装置体型小，操作简便，可循环使用，降低了试验成本。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明结构正视图；

图3是本发明结构侧视图；

图4是本发明结构俯视图。

其中1.承压密封板、2.高强固定螺杆、3.注浆通道、4.介质充填腔体、5.监测元件埋设通道、6.水压传感器、7.加水通道、8.圆状传力板、9.拉压传感器、10.可伸缩传力柱、11.充填介质顶出装置。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1-图4所示，一种可加载地应力、孔隙水压力注浆模型试验装置，由放置承压密封板1、高强固定螺杆2、注浆通道3、介质充填腔体4、监测元件埋设通道5、水压传感器6、加水通道7、圆状传力板8、拉压传感器9、可伸缩传力柱10和充填介质顶出装置11所组成。

一种可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置，它包括承压密封板1，12根高强固定螺杆2通过螺母与3块承压密封板1连接构成试验装置的整体框架，最上层密封承压板1上设有注浆通道3，上层两块承压密封板1之间是介质充填腔体4，介质充填腔体4周边设有监测元件埋设通道5、水压传感器6和加水通道7，设有圆状传力板8，传递其下部液压加载装置施加的应力，圆状传力板8上部连接拉压传感器9，拉压传感器9与可伸缩传力柱10连接，可伸缩传力柱10上部与充填介质顶出装置11连接。

承压密封板1共3个，为不锈钢材质，上层2个主要作用为承压密封，底层1个主要作用承压密封。高强固定螺杆2共12根，上部6根主要作用为固定密封介质充填腔体4，下部6根联合承压密封板1为本装置的承力结构。

注浆通道3设置在最上层承压密封板1上，可与阀门连接，由注浆泵通过此通道向介质充填腔体4输入浆液。

介质充填腔体4为圆筒状结构，不锈钢材质，上下均与承压密封板1相接，界面使用橡胶垫以及密封胶进行密封，试验中在此介质充填腔体内充填介质模拟隧道、矿山的不同地质条件。

监测元件埋设通道5设置在介质充填腔体上部，前后对称分布共2个，试验中介质内布设的力学参数监测元件数据线通过此通道输出，通道内设有密封螺丝，保证密封性。

加水通道7设置在介质充填腔体4侧方，可与阀门相接，试验中使用自主研发的模型试验稳压加水装置通过此通道向介质充填腔体输入稳定流量、压力的水。

水压传感器6设置在介质充填腔体4下方，其尾部与介质充填腔体中水直接接触，可实时测量介质充填腔体中水的压力变化情况，根据试验要求实时调整稳压加水装置水压输出情况。圆状传力板8下部配合使用液压加载装置，传递应力。

拉压传感器9设置在圆状传力板8上部，可实时测量对介质充填腔体内介质施加的地应力大小。

可伸缩传力柱10设置在拉压传感器9上部，具备可传递应力和可伸缩的特点。

充填介质顶出装置11与可伸缩传力柱10相连，试验中可上下移动以顶出注浆结束后的注浆加固体，其周边设有橡胶以及密封胶以保证其移动过程中与介质充填腔体接触面的密封性。

可加载地应力、孔隙水压力注浆模型试验装置使用方法：根据隧道、矿山工程不同地质条件进行土工试验测试介质基本物理性质，选取原状介质或者配置相似材料充填入介质充填腔体4，并在其中预制裂隙、破碎带以更好的模拟的实际地质环境，为测量试验中土压力、渗透压力、土体位移等参数可通过监测元件埋设通道5在介质中埋设各类监测元件，在介质充填腔体顶部设置橡胶垫、均匀涂密封胶然后放置密封承压板1，通过高强螺杆2进行固定，调试水压传感器6和拉压传感器9，使用自主研发的模型试验稳压加水装置通过加水通道7向介质充填腔体内加水，观察水压传感器6读数直至达到设计水压，停止加水，使用液压加载装置通过圆状传力板8、可伸缩传力柱10向介质充填腔体内介质加载应力，观察拉压传感器9读数直至达到设计地应力，停止加载，使用注浆泵通过注浆通道3向介质充填腔体注入浆液，通过监测元件实时采集介质中土压力、渗透压力、土体位移等重要参数，当注浆压力达到设计压力时终止注浆，拆卸顶层承压密封板1和上部6根高强螺杆2，通过液压加载装置通过可伸缩传力柱10推动充填介质顶出装置11将注浆加固体顶出，将注浆加固体用保鲜膜包装好后放入试验室养护，拆卸并清洗试验装置其他结构，结束试验。

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。

Claims (6)

1.一种可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置，其特征是：包括三个承压密封板、固定螺杆和腔体，其中，承压密封板依次通过固定螺杆连接为整体结构，承压密封板从上至下分别为第一承压密封板、第二承压密封板和第三承压密封板，第一承压密封板、第二承压密封板之间固定有用于充填介质、模拟不同地质条件的腔体，腔体下端连接可伸缩传力柱，可伸缩传力柱下端连接有拉压传感器，拉压传感器下端设有圆状传力板；所述腔体上设有监测元件埋设通道、水压传感器，腔体周边设有用于向介质充填腔体输入水的加水通道，所述水压传感器设置在介质充填腔体下方，其尾部与腔体中的水直接接触；所述监测元件埋设通道设置于腔体上部，前后对称分布共2个，内部布设力学参数监测元件数据线，通道内设有密封螺丝。

2.如权利要求1所述的一种可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置，其特征是：所述第一承压密封板上设有用于向介质充填腔体输入浆液的注浆通道，所述注浆通道与阀门连接。

3.如权利要求1所述的一种可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置，其特征是：所述固定螺杆包括两组，每组4-8根，两组固定螺杆分别圆周分布于第二承压密封板和第三承压密封板之上，连接固定第一承压密封板和第二承压密封板、第二承压密封板和第三承压密封板。

4.如权利要求1所述的一种可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置，其特征是：所述腔体为圆筒状结构，上下端分别固定于第一承压密封板的下表面、第二承压密封板的上表面。

5.如权利要求1所述的一种可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置，其特征是：所述可伸缩传力柱设置在拉压传感器上部，可伸缩传力柱连接有充填介质顶出装置。

6.一种基于如权利要求1至5任一项权利要求所述的可加载地应力、孔隙水压力的注浆模型试验装置的试验方法，其特征，包括以下步骤：

(1)根据隧道、矿山工程不同地质条件进行土工试验测试介质基本物理性质，选取原状介质或者配置相似材料充填入介质充填腔体，并在其中预制裂隙、破碎带以更好的模拟的实际地质环境；

(2)为测量试验中土压力、渗透压力、土体位移各参数可在介质中埋设各类监测元件，在腔体顶部设置橡胶垫、均匀涂密封胶然后放置密封承压板，通过高强螺杆进行固定；

(3)调试水压传感器和拉压传感器，使用自主研发的模型试验稳压加水装置通过加水通道向腔体内加水，进行试验、记录实验数据；

(4)拆卸试验装置，通过液压加载装置通过可伸缩传力柱推动充填介质顶出装置将注浆加固体顶出，将注浆加固体用保鲜膜包装好后放入试验室养护，拆卸并清洗试验装置其他结构，结束试验；

所述步骤(3)中，其具体方法为：调试水压传感器和拉压传感器，使用自主研发的模型试验稳压加水装置通过加水通道向腔体内加水，观察水压传感器读数直至达到设计水压，停止加水，使用液压加载装置通过圆状传力板、可伸缩传力柱向腔体内介质加载应力，观察拉压传感器读数直至达到设计地应力，停止加载，使用注浆泵通过注浆通道向腔体注入浆液，通过监测元件实时采集介质中各类重要参数，当注浆压力达到设计压力时终止注浆。