CN103954745B - 一种适用于注浆模型试验的地应力加载装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于注浆模型试验的地应力加载装置及其使用方法，包括一个与模型试验架顶部相通的压力罐；所述的压力罐设置有3个接口和一个泄压阀门，第一接口与一个为其提供压力的空压机相连，第二接口与一个为其提供水源的水泵相连，第三接口与模型试验架的顶部的水囊连通，为模型试验架内的介质提供压力。在水囊变形的过程中，压力罐内的气压及水压维持基本恒定，实现水囊与围岩介质协同变形并维持恒定的加载应力不变。

Description

一种适用于注浆模型试验的地应力加载装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种适用于注浆模型试验的地应力加载装置及其使用方法。

背景技术

在隧道等地下工程中，注浆作为加固软弱破碎围岩并封堵地下水的一种有效手段得到了越来越广泛的应用。注浆模型试验是研究注浆过程中浆液在地层中的扩散规律及固结加固机理的重要方法。大多数注浆工程均是在有一定厚度上覆岩层的围岩中实施，地应力对注浆过程的影响不可忽略，但是目前对应用于注浆模型试验的地应力加载装置缺乏研究。

在注浆工程中，注浆加固区域的地应力基本维持不变，并且因为注浆的关系，被注介质的体积不断增大。若采用固定模型边界，模型体积不可改变，并且在注浆过程中模型边界承受注浆引起的被动压力，被动压力的数值随着注浆的进行不断变化，这不符合注浆过程中实际的地层应力状态；若采用刚性加载方式对被注介质进行加载，虽然可以保证所施加的总应力保持恒定，但是刚性压头不能够与被注介质协同变形，导致应力加载不均，不能满足实验要求。综上所述，目前还没有可以实现与注浆加固体协同变形并且可维持恒定压力的适用于注浆模型试验的地应力加载装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于注浆模型试验的地应力加载装置及其使用方法，该装置可以实现注浆过程中恒定的地应力加载，并且与注浆加固体协同变形。具有结构简单、操作方便、可重复使用等优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种适用于注浆模型试验的地应力加载装置，包括一个与模型试验架顶部相通的压力罐，；所述的压力罐设置有3个接口和一个泄压阀门，第一接口与一个为其提供压力的空压机相连，第二接口与一个为其提供水源的水泵相连，第三接口与模型试验架的顶部的水囊连通，为模型试验架内的介质提供压力。

所述的第一接口与空压机的压力调节器连接，第二接口上安装送水阀门，送水阀门与水泵通过送水管连接，第三接口与输水阀门连接，输水管连接输水阀门与水囊，输水管上设置压力表监测水压。

空压机通过压力调节器调节输出压力，输出压力范围为0～5MPa。

所述的输水管通过一个活节与进入到水囊内的连接管相连，所述的连接管下部焊接底盘，连接管底盘与水囊圆形开口部位粘接。

所述的水囊采用薄壁、变形性能极佳、抗破坏能力强的橡胶材料制成，水囊形状为圆柱形，中间设置圆形开口。

所述的水囊的四周设有护壁，水囊直径与水囊护壁内径相等，水囊高度与所填围岩介质和水囊护壁内壁之间的距离相等，从而保证水囊与水囊护壁内壁和所填围岩介质的贴合。

水囊护壁承受水囊加压过程中产生的反力作用，水囊护壁的顶盖设置垂直交叉的肋板，水囊护壁设置翼板，翼板上设置螺栓孔，水囊护壁与模型试验台架通过螺栓连接。

一种适用于注浆模型试验的地应力加载装置使用方法，包括：

步骤一：连接管路。通过输气管连接压力罐上部的第一接口与空压机；通过送水管连接压力罐的第三接口与水泵；通过输水管连接压力罐下部第三接口与活节，输水管上设置输水阀门与压力表；

步骤二：安装水囊。对模型试验台架进行填料并预埋注浆管，在水囊护壁与水囊接触的部位均匀涂抹润滑液，安装水囊与水囊护壁，通过螺栓将水囊护壁与模型试验台架固定，通过活节连接输水管与连接管；

步骤三：打开送水阀门、输水阀门及水泵，当水囊充满水、压力罐中储存一定量水时关闭送水阀门及水泵；

步骤四：施加地应力。打开空压机并调节压力调节器使压力罐内部达到指定的空气压力，空气压力传递到围岩介质对围岩介质施加恒定的地应力，围岩介质在地应力作用下固结一段时间达到稳定状态。

步骤五：开展注浆试验。打开注浆阀门及注浆泵对围岩介质进行注浆，待达到试验所要求的注浆结束标准后停止注浆，注浆后静置一段时间至浆液完全固结。

步骤六：泄压。关闭空压机并打开压力罐上的泄压阀门，卸载之前加载的地应力，之后进行拆模等后续工作。

在水囊变形的过程中，压力罐内的气压及水压维持恒定，水囊与围岩介质协同变形并维持恒定的加载应力不变。

压力罐由10mm厚的钢板制成并设置支架支撑压力罐;

水囊护壁承受水囊加压过程中产生的反力作用，水囊护壁采用10mm厚的钢板通过焊接制成，水囊护壁的顶盖设置垂直交叉的肋板提高结构的强度和刚度，水囊护壁设置翼板，翼板上设置螺栓孔，水囊护壁与模型试验台架通过螺栓连接。

在地应力加载过程中，压力罐内下部为水，上部为空气，依靠空压机提供空气压力，空气压力转化为水压力作用在水囊中，水囊中的水压传递到围岩介质之上，从而实现地应力加载。水囊与水囊护壁内壁和所填围岩介质紧密贴合，在围岩介质固结过程中，围岩介质体积收缩，水囊体积相应变大，而在注浆过程中，由于浆液进入围岩介质导致围岩介质的体积变大，水囊体积会相应地缩小。在水囊变形的过程中，压力罐内的气压及水压维持基本恒定，实现水囊与围岩介质协同变形并维持恒定的加载应力不变。

本发明的有益效果如下:

该地应力加载装置可以实现注浆过程中恒定的地应力加载，并且与注浆加固体协同变形，具有结构简单、操作方便、可重复使用等优点。

附图说明

图1为地应力加载系统整体结构图；

图2为水囊及水囊护壁剖面图；

图3为水囊护壁俯视图；

图中：1——压力罐；2——空压机；3——水泵；4——水囊护壁；5——水囊；6——连接管；7——活节；8——输水管；9——第二接口；10——输水阀门；11——第三接口；12——送水阀门；13——送水管；14——第一接口；15——输气管；16——压力调节器；17——支架；18——螺栓；19——空气；20——水；21——压力表；22——模型试验架；23——注浆管；24——注浆阀门；25——注浆泵；26——浆脉；27——肋板；28——螺栓孔；29——翼板；30——顶盖，31——泄压阀门；32——围岩介质。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

一种适用于注浆模型试验的地应力加载装置，该装置包括空压机2、压力罐1、水泵3、水囊5、水囊护壁4及其它连接构件。压力罐1由10mm厚的钢板制成并设置支架17支撑压力罐1，压力罐1设置3个接口和一个泄压阀门31，压力罐1通过第一接口14与空压机2的压力调节器16连接；通过第二接口9与输水阀门10连接，输水管8连接输水阀门10与水囊5，输水管8上设置压力表21监测水压；第三接口11上安装送水阀门12，送水阀门12与水泵3通过送水管13连接。连接管6下部焊接底盘，连接管6底盘与水囊5圆形开口部位通过AB胶粘接，连接管6与输水管8通过活节7连接。

空压机2通过压力调节器16调节输出压力，输出压力范围为0～5MPa。

水囊5采用薄壁、变形性能极佳、抗破坏能力强的橡胶材料制成，水囊5形状为圆柱形，中间设置圆形开口。水囊5直径与水囊护壁4内径相等，水囊5高度与所填围岩介质32和水囊护壁4内壁之间的距离相等，从而保证水囊5与水囊护壁4内壁和所填围岩介质32紧密贴合。在水囊护壁4与水囊5接触的部位均匀涂抹润滑液，减小水囊5变形时受到的壁面摩擦阻力。

水囊护壁4承受水囊5加压过程中产生的反力作用，水囊护壁4采用10mm厚的钢板通过焊接制成，水囊护壁4的顶盖30设置垂直交叉的肋板27提高结构的强度和刚度，水囊护壁4设置翼板29，翼板29上设置螺栓孔28，水囊护壁4与模型试验台架通过螺栓18连接。

注浆模型试验使用单注浆管在受3MPa地应力的粘性土层中实施注浆，注浆材料为单液水泥浆。

适用于注浆模型试验的地应力加载装置使用方法，具体如下：

步骤一：连接管路。通过输气管15连接压力罐1第一接口14与空压机2；通过送水管13连接压力罐1的第三接口11与水泵3；通过输水管8连接压力罐1第二接口9与活节7，输水管8上设置输水阀门10与压力表21。

步骤二：安装水囊5。对模型试验台架进行填料并预埋注浆管23，在水囊护壁4与水囊5接触的部位均匀涂抹润滑液，安装水囊5与水囊护壁4，通过螺栓18将水囊护壁4与模型试验台架固定，通过活节7连接输水管8与连接管6。

步骤三：打开送水阀门12、输水阀门10及水泵3，当水囊5充满水、压力罐1中储存一定量水时关闭送水阀门12及水泵3。

步骤四：施加地应力。打开空压机2并调节压力调节器16使压力罐1内部达到指定的空气压力，空气压力传递到围岩介质32对围岩介质32施加恒定的地应力，围岩介质32在地应力作用下固结一段时间达到稳定状态。

步骤五：开展注浆试验。打开注浆阀门24及注浆泵25对围岩介质32进行注浆，待达到试验所要求的注浆结束标准后停止注浆，注浆后静置一段时间至浆液完全固结。

步骤六：泄压。关闭空压机2并打开压力罐1上的泄压阀门31，卸载之前加载的地应力，之后进行拆模等后续工作。

水囊5采用薄壁、变形性能极佳、抗破坏能力强的橡胶材料制成，水囊5形状为圆柱形，中间设置圆形开口。

在水囊5变形的过程中，压力罐1内的气压及水压维持基本恒定，水囊5与围岩介质32协同变形并维持恒定的加载应力不变。

Claims (9)

1.一种适用于注浆模型试验的地应力加载装置，其特征是：包括一个与模型试验架顶部相通的压力罐；所述的压力罐设置有3个接口和一个泄压阀门，第一接口与一个为其提供压力的空压机相连，第二接口与一个为其提供水源的水泵相连，第三接口与模型试验架的顶部的水囊连通；在地应力加载过程中，压力罐内下部为水，上部为空气，依靠空压机提供空气压力，空气压力转化为水压力作用在水囊中，水囊中的水压传递到围岩介质之上，从而实现地应力加载；水囊与水囊护壁内壁和所填围岩介质紧密贴合，在围岩介质固结过程中，围岩介质体积收缩，水囊体积相应变大，而在注浆过程中，由于浆液进入围岩介质导致围岩介质的体积变大，水囊体积会相应地缩小；在水囊变形的过程中，压力罐内的气压及水压维持基本恒定，实现水囊与围岩介质协同变形并维持恒定的加载应力不变；所述的水囊采用薄壁、变形性能极佳、抗破坏能力强的橡胶材料制成，水囊形状为圆柱形，中间设置圆形开口。

2.如权利要求1所述的适用于注浆模型试验的地应力加载装置，其特征是：第一接口与空压机的压力调节器连接，第二接口上安装送水阀门，送水阀门与水泵通过送水管连接，第三接口与输水阀门连接，输水管连接输水阀门与水囊，输水管上设置压力表监测水压。

3.如权利要求2所述的适用于注浆模型试验的地应力加载装置，其特征是：空压机通过压力调节器调节输出压力。

4.如权利要求2所述的适用于注浆模型试验的地应力加载装置，其特征是，所述的输水管通过一个活节与进入到水囊内的连接管相连，所述的连接管下部焊接底盘，连接管底盘与水囊圆形开口部位粘接。

5.如权利要求1或4所述的适用于注浆模型试验的地应力加载装置，其特征是，所述的水囊的四周设有护壁，水囊直径与水囊护壁内径相等，水囊高度与所填围岩介质和水囊护壁内壁之间的距离相等，以保证水囊与水囊护壁内壁和所填围岩介质的贴合。

6.根据权利要求5所述的地应力加载装置，其特征是，水囊护壁承受水囊加压过程中产生的反力作用，在水囊护壁的顶盖设置垂直交叉的肋板，水囊护壁设置翼板，翼板上设置螺栓孔，水囊护壁与模型试验台架通过螺栓连接。

7.一种适用于注浆模型试验的地应力加载装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：连接管路；通过输气管连接压力罐上部的第一接口与空压机；通过送水管连接压力罐的第三接口与水泵；通过输水管连接压力罐下部第三接口与活节，输水管上设置输水阀门与压力表；

步骤二：安装水囊；对模型试验台架进行填料并预埋注浆管，在水囊护壁与水囊接触的部位均匀涂抹润滑液，安装水囊与水囊护壁，通过螺栓将水囊护壁与模型试验台架固定，通过活节连接输水管与连接管；

步骤三：打开送水阀门、输水阀门及水泵，当水囊充满水、压力罐中储存设定量水时，关闭送水阀门及水泵；

步骤四：施加地应力；打开空压机并调节压力调节器使压力罐内部达到指定的空气压力，空气压力传递到围岩介质对围岩介质施加恒定的地应力，围岩介质在地应力作用下固结一段时间达到稳定状态；

步骤五：开展注浆试验；打开注浆阀门及注浆泵对围岩介质进行注浆，待达到试验所要求的注浆结束标准后停止注浆，注浆后静置设定的时间至浆液完全固结；

步骤六：泄压；关闭空压机并打开压力罐上的泄压阀门，卸载之前加载的地应力，之后进行拆模。

8.如权利要求7所述的地应力加载装置的使用方法，其特征是，在水囊变形的过程中，压力罐内的气压及水压维持恒定，水囊与围岩介质协同变形并维持恒定的加载应力不变。

9.如权利要求7所述的地应力加载装置的使用方法，其特征是，在水囊护壁与水囊接触的部位均匀涂抹润滑液，减小水囊变形时受到的壁面摩擦阻力。