CN105137048A - 一种地层注浆模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地层注浆模拟系统，包括：容纳岩土的模型荷载箱(2)，其侧壁上设置有可拆卸的壁板；从顶端对所述岩土加载以还原地下应力场环境的加载子系统(3)；可控制地向所述岩土注水和从所述岩土排水以模拟静水和动水环境的地下水模拟子系统(4)；向所述岩土中注浆的注浆子系统(5)；量测岩土的应力、应变和位移的数据采集子系统(6)；以及量测所述模型荷载箱(2)的变形、加压压力、注浆压力并具有报警功能的报警子系统(7)。本发明的地层注浆模拟系统成本较低且可模拟开挖过程、深埋地下环境、动水及渗流环境。

Description

一种地层注浆模拟系统

技术领域

本发明涉及地层注浆技术领域，尤其涉及一种地层注浆模拟系统。

背景技术

随着经济全球化的快速发展，作为决定和影响城市竞争力主要因素之一的城市交通基础设施状况是城市发展水平和文明程度的重要支撑，是城市经济和社会协调发展的物质条件。随着城市人口的不断增加，对城市交通基础设施需求也不断增加。我国从建国60年以来，随着城市人口率从10％发展至今天的50％，城市交通基础设施建设发生了翻天覆地的变化，尤其是作为首都的北京更是发生了日新月异的变化，北京城市交通基础设施建设进入了一个大规模的高速发展期，其中地下工程中的地铁在交通基础设施建设中处于了领先的地位，大量的地铁工程的建设有效缓解了大城市地面交通的拥堵状况。由于地下资源的日益紧张，越来越多的地下工程将在深埋条件下进行建设，或在特殊的地层中进行建设，势必将遇到诸多工程问题。如地下工程修建过程中不可避免会遇到松散自稳能力差地层，若遇地下水则易引起塌方事故，从而影响到地面、周边环境的安全。

注浆技术是一实践性极强的技术，主要解决软弱地层和地下水的处理，是地下工程的灵魂。该技术已经从地下工程领域延伸到建筑物纠偏下沉控制、塌方处理、地基加固、止水帷幕、防渗处理、路面整治、工程抢险等等方面，在各个领域中起到越来越主要的作用。

在埋深比较大地下工程，将会遇到承压水(甚至多层承压水)、渗透系数极大的卵漂石地层、富水(或具有承压性)的粉细砂地层，这些方面的注浆机理、注浆浆液的选择、注浆工艺等方面均没有很好的解决，另外在注浆效果的检测与评价及如何开挖等方面还存在很多问题。

注浆是一个复杂的系统工程，它的渗流过程和注浆效果是受注体、浆液和注浆工艺三方面共同作用的结果。目前，注浆渗流理论的研究不能完全反映受注地层的物理特征，大多数研究都是建立在单一牛顿流体稳定渗流的基础上的，难以真实地反映地层注浆过程；另外由于注浆工程的隐蔽性和地下工程围岩结构的复杂性，给注浆参数设计和注浆效果检验带来极大困难。实验室注浆模拟试验是确定注浆工程中注浆参数以及各因素对注浆效果影响规律的有效途径和方法之一。因此，模拟注浆实验是研究岩土体注浆的必不可少的重要手段。

国内外在注浆领域的研究队伍逐渐扩大，日本研究机构有东京大学、京都大学等；美国从事注浆的研究机构有西北大学、斯坦福大学等；德国从事注浆的研究机构有柏林大学、慕尼黑大学等；另外俄罗斯、英国也有类似的研究机构。国外在注浆技术方面极为先进，但由于成本太高，很难在国内推广应用。

国内从事注浆方面的研究机构主要集中在水利部门、煤炭部门，清华大学、中国矿业大学、东北大学、中南工业大学也开展了这方面研究工作建立了实验室。如中国水利水电科学院研制开发了平板型注浆实验台，建立了非牛顿流体在水平光滑裂隙面内的扩散方程，得出了扩散半径和注浆压力、浆液粘度及注浆时间之间的关系；在中国矿业大学进行了岩体单裂隙和裂隙网络模拟注浆试验。设计的注浆试验台主要包括有压力机、稳压器、氮气瓶(稳压源)、注浆器、千斤顶以及注浆模拟实验盒。实验盒尺寸为80cm×40cm×40cm，用玻璃板模拟上下裂隙面的面板；东北大学研制了槽形反扁圆柱状试验台,并用它研究了多孔介质体中注浆渗流过程的压力分布及其随扩散距离而衰减的规律。中南大学进行了砂卵石地层中的注浆模拟试验，试验装置是结合实际情况自行研制的，由五部分组成:钢结构架、可移动板和有机玻璃板、振动台、注浆设备和量测系统。试验模型主要由砂、卵砾石经过不同的配比组合而成，经试验台振动密实，模拟砂卵(砾)石层。淮南矿业学院实验室模具由四块钢板组成，上下钢板厚度为35mm，两侧钢板厚度为40mm,为了增加模具的刚度，在上下钢板上焊接加强槽钢，该模具内尺寸为520mm×400mm×80mm，外观尺寸为600mm×400mm×234mm。注浆器由缸体和活塞组成，装浆量为1100mL，液压千斤顶的额定承载能力为80kN，注浆花管总长为200mm，注浆段为70mm，内径15mm，外径211mm，射浆孔孔径为8mm，液压稳压器提供模型致裂载荷和注浆压力，固定框架是用于固定模型加载、注浆的装置。

然而，现有的注浆模拟装置尺寸较小，尺寸效应极为明显；无法模拟开挖过程；无法模拟深埋地下环境；无法模拟动水及渗流环境。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种成本较低且可模拟开挖过程、深埋地下环境、动水及渗流环境的地层注浆模拟系统。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种地层注浆模拟系统，容纳岩土的模型荷载箱，其侧壁上设置有可拆卸的壁板；从顶端对所述岩土加载以还原地下应力场环境的加载子系统；可控制地向所述岩土注水和从所述岩土排水以模拟静水和动水环境的地下水模拟子系统；向所述岩土中注浆的注浆子系统；量测岩土的应力、应变和位移的数据采集子系统；以及量测所述模型荷载箱的变形、加压压力、注浆压力并具有报警功能的报警子系统。

根据本发明，模型荷载箱包括位于地面以上的上箱体和位于地面以下的下箱体；上箱体的侧壁由多个独立的块状物可拆卸地拼装而成，上箱体的顶部和底部敞开；下箱体为开设在地面上的凹腔，上箱体与凹腔连通。

根据本发明，在相邻的两个块状物之间设有密封结构。

根据本发明，凹腔的深度大于1m，填埋岩土材料，以消除底边界效应；可拆卸的壁板包含在上箱体的一个侧壁中，在上箱体的另外两个相对的侧壁上设有进水孔和排水孔；地下水模拟子系统包括用于向岩土中注水的进水子系统和用于从岩土中排水的排水子系统，其中，进水子系统和排水子系统分别与进水孔和排水孔连通，以向岩土注水和从岩土排水；或地下水模拟子系统包括用于向岩土中注水的进水子系统、用于从岩土中排水的排水子系统、以及将排水子系统和进水子系统连通以使从排水子系统排出的水循环进入进水子系统的循环装置，其中，进水子系统和排水子系统分别与进水孔和排水孔连通，以向岩土注水和从岩土排水。

根据本发明，进水子系统包括进水水箱、进水总管、第一排水总管、增压泵、第一流量计、第一阀门、第一压力表以及多个注水支管；其中，进水总管连通在增压泵和进水水箱之间，以用于向进水水箱中注水；第一排水总管的一端与进水水箱连通，以用于排出进水水箱中的水；多个注水支管的进水口与进水水箱连通且注水支管穿过上箱体的侧壁上的进水孔使其出水口突出于该侧壁的内表面，以用于将进水水箱中的水分配注入到模型荷载箱中，在注水支管上设有流量开关；第一压力表安装于进水总管上，第一流量计和第一阀门安装于第一排水总管上。

根据本发明，出水子系统包括排水水箱、第二排水总管、第二压力表、第二流量计、抽水泵、第二阀门、释放管以及多个出水支管；其中，多个出水支管穿过上箱体的侧壁上的出水孔使其进水口突出于该侧壁的内表面且出水口与排水水箱连通，以将岩层中的水排入排水水箱中，出水支管上设有流量开关和防止排水中带走细颗粒砂土的滤网；第二排水总管的一端与排水水箱连通且另一端与抽水泵，以将排水水箱中的水排出；释放管与第二排水总管连通，第二流量计安装在第二排水总管上，第二压力表和第二阀门安装在释放管上。

根据本发明，加载子系统包括n形加载框架、连接在n形加载框架的横梁下方的多个千斤顶、连接在多个千斤顶下方的加载顶板以及控制多个千斤顶带动加载顶板在模型荷载箱顶部上下运动的液压控制模块。

根据本发明，可拆卸的壁板上设置有注浆孔，注浆孔中设有可拔除的注浆孔塞，注浆子系统包括注浆设备以及在拔除注浆孔塞后穿过注浆孔插入岩土中的注浆管，注浆管与注浆设备连通。

根据本发明，数据采集子系统包括埋设在岩土中的数据采集传感器和信息处理模块。

根据本发明，报警子系统包括报警传感器，其设置于模型荷载箱的四角和中部。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明的地层注浆模拟系统能模拟深埋、浅埋地下环境，能模拟动水及渗流环境，而且能实现各种开挖，模拟地下工程施工过程，并能进行1:1的足尺试验，且具有完善的安全预警、数据采集系统。通过少量改造，可用于施工新技术、新方法的研发，并能进行地下工程基础理论方面的研究。

附图说明

图1是本发明的地层注浆模拟系统的一个实施例的构成示意图；

图2是图1中地层注浆模拟系统的模型荷载箱的上箱体的立体结构示意图；

图3是图2的1-1剖视图；

图4是图2的2-2剖视图；

图5是图2的3-3剖视图；

图6是图1中地层注浆模拟系统的加载子系统的结构示意图；

图7是图1中地层注浆模拟系统的地下水注入侧的轴侧示意图；

图8是图1中地层注浆模拟系统的地下水排入侧的轴侧示意图；

图9是图1中地层注浆模拟系统的地下水注入侧的注水水箱与模型荷载箱的上箱体的一个侧壁组装的立体结构示意图；

图10是图9的立体分解结构示意图；

图11是地层注浆模拟系统的地下水排入侧的排水水箱与模型荷载箱的上箱体的一个侧壁组装的立体结构示意图；

图12是图11的立体分解结构示意图；

图13是图1中地层注浆模拟系统的注浆子系统的构成示意图；

图14是图1中地层注浆模拟系统的数据采集子系统的构成示意图；

图15是图14中的数据采集子系统的工作过程示意图；

图16是图1中地层注浆模拟系统的报警子系统的构成示意图；

图17是图16中的报警子系统的工作过程示意图。

图中：

1：基础；2：模型荷载箱；3：加载子系统；4：地下水模拟子系统；5：注浆子系统；6：数据采集子系统；7：报警子系统；8：上箱体；9：地面；10：下箱体；21：进水孔；22：注浆孔；23：排水孔；24：模型箱框架；25：块状物；26：注浆孔塞；31：加载框架；32：千斤顶；33：加载顶板；34：液压控制模块；410：进水水箱；411：排水水箱；420：注水支管；422：出水支管；423：滤网；430：进水总管；431：第一排水总管；432：第二排水总管；433：释放管；440：第一压力表；441：第二压力表；450：第一流量计；451：第二流量计；460：增压泵；461：抽水泵；471：第一阀门；472：第二阀门；51：注浆管；52：搅拌机；53：储浆桶；54：虚线框；55：注浆泵；56：压力表；57：双液浆；61：数据采集传感器；71：报警传感器；A1：地下水注入侧以；A2：地下水排出侧以；B：开挖侧。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明的地层注浆模拟系统的一个实施例，模型荷载箱2、加载子系统3、地下水模拟子系统4、注浆子系统5、数据采集子系统6以及报警子系统7，模型荷载箱2用于容纳岩土(即拟研究的地层，如砂层、卵砾石层等)，加载子系统3用于从顶端对模型荷载箱2中的岩土加载，地下水模拟子系统4用于可控制地向模型荷载箱2中注水和从模型荷载箱2中排水以模拟静水和动水环境，注浆子系统5用于对模型荷载箱2中的岩土注浆，数据采集子系统6用于量测岩土的应力、应变和位移。报警子系统7用于量测模型荷载箱2的变形、加压压力、注浆压力并具有报警功能。其中，模型荷载箱2的侧壁上设有可拆卸地壁板。

由此，容纳有岩土的模型荷载箱2、加载子系统3、地下水模拟子系统4形成了一种岩土及地下水环境。在此基础上可利用注浆子系统5进行注浆。进一步，可拆卸的壁板构成了模型开挖区域(图13中所示虚线框54示出上述模型开挖区域)，可待模拟的地层稳定后，拆除该壁板，形成的缺口作为开挖口，以进一步模拟实际开挖，体现地下工程的施做过程。采用数据采集子系统6进行数据的采集与分析，可用于研究整个过程。报警子系统7能够量测模型荷载箱2的变形、加压压力和注浆压力，在出现危险征兆时及时报警，防止在加压、加载过程中防止出现事故。综上，本实施例的地层注浆模拟系统成本较低且可模拟开挖过程、深埋地下环境、动水及渗流环境。

参见图2至图5，模型荷载箱2包括位于地面9以上的上箱体8和位于地面以下的下箱体10。上箱体8的侧壁由多个独立的块状物25可拆卸地拼装而成，上箱体8的顶部和底部敞开。下箱体10为开设在地面上的凹腔，上箱体8支撑在开设在地面上的基础1上并与凹腔连通，上箱体8和下箱体10共同构成模型荷载箱2，上箱体8的内部和凹腔的内部连通共同构成模型荷载箱2的内部空腔。其中，通过多个独立的块状物25拼接的结构可以方便实现模型荷载箱2的整体体积大小的调整，使得模型荷载箱2可根据需要调整模型的尺寸(长、宽、高均可变)。而模型荷载箱2的下箱体10深度大于1m，内部填筑岩土材料(如砂、石，或砂、石的相似材料)，以消除底边界影响。可理解，模型荷载箱2的下层(下箱体10)填充岩土材料，上层(上箱体8)填充岩土。注水、排水和注浆的对象是上层的岩土。根据实际实验需要，“岩土”与“岩土材料”的成分可相同或不同。

具体地，块状物25可为框架结构或箱体结构，块状物25的外周边设有密封件，在两个相邻的块状物25之间形成密封结构。

可选地，框架结构包括框架以及设置在框架的面向模型荷载箱内部的一侧的密封板，根据强度需要可在框架中增设纵向、横向或斜向的连接梁以起到对框架的加固作用。密封条设置在框架外周边，相邻的两个密封条构成了相邻的两个块状物25之间的密封结构。相邻的块状物25之间可拆卸地连接，例如，相邻的块状物25之间采用螺栓连接拼装。优选地，框架可为矩形框架。

可选地，块状物25可采用矩形立体的箱体结构并在外周边设有密封条，外侧边缘设有连接凸耳，用于相邻的两个块状物25之间的连接。

模型荷载箱2由耐压、抗渗材料构成，在本实施例中即为块状物25由耐压、抗渗材料构成。该材料以及相邻的两个块状物25之间的结合部位(密封结构和连接部位)能承受高压与振动，在1.25MPa下变形不超过2mm，0.8MPa水压下密封不漏水。

参照图2所示，地下水模拟子系统4包括进水子系统和排水子系统。模型荷载箱2的地下水注入侧以“A1”示出，地下水模拟子系统的进水子系统设置在模型荷载箱2的地下水注入侧，模型荷载箱2的地下水排出侧以“A2”示出，地下水模拟子系统的排水子系统设置在模型荷载箱2的地下水排出侧，地下水注入侧A1和地下水排出侧A2为相对的两侧。模型荷载箱2的开挖侧以“B”示出，可拆卸的壁板包含在模型荷载箱2的面向该开挖侧B的侧壁上。

具体地，可拆卸的壁板包含在上箱体8的开挖侧B的侧壁中，该壁板可从侧壁上拆卸下来。在上箱体8的地下水注入侧A1和地下水排出侧A2的侧壁上分别设有进水孔21和排水孔23。具体到本实施例，进水孔21、排水孔23均为设置在块状物25上的贯通孔。进水子系统和排水子系统分别与进水孔21和排水孔23连通，以向岩土注水和从岩土排水。

可理解，壁板为侧壁中的一部分，同样是由块状物25拼装而成。由块状物25构成的壁板的尺寸可变。参照图2，形成模型开挖区域(即形成可拆卸的的壁板)的块状物25的尺寸小于侧壁的其他部分。进一步参照图2至图5，在模型荷载箱2的外部设有至少一个模型箱框架24，模型箱框架24与模型荷载箱2的侧壁接触以保护和加固模型荷载箱2，防止在土层夯实过程中模型荷载箱2横向变形过大。

参见图6，加载子系统3包括n形加载框架31(由两个立梁和连接在两个立梁顶端的横梁组成)、多个千斤顶32、加载顶板33以及液压控制模块34。多个千斤顶32连接在n形加载框架31的横梁下方，加载顶板33连接在多个千斤顶32下方，液压控制模块34控制千斤顶32带动加载顶板33在模型荷载箱2顶部上下运动以对模型荷载箱2中的岩土进行加载，n形加载框架31的两个立梁分别设置在模型荷载箱2的相对两侧。加载框架31的底端可拆卸地安装在基础1上。

加载子系统3是可拆卸设置的，在模型荷载箱2进行岩土作业时不安装n形加载框架31，待模型荷载箱2内土体夯实填筑完毕后，安装加载顶板33和千斤顶32。通过液压控制模块34控制千斤顶32，以反力架方式给模型荷载箱2加载，模拟地下岩土压力，以还原地下应力场环境。这样，能够实现既能给模型加载，又能模拟初始应力场；能实现给各种大小模型加载；可分级加载，最大加载为1.25MPa；反力系统每个方向各作动器同步加载，不出现相互干涉；加压能保压一个月，在此期间可进行力的自动补偿；整个系统采用计算机控制。

参见图7至图12，图7和图8右侧的虚线框内为上述地下水模拟子系统4的进水子系统。进水子系统包括进水水箱410、进水总管430、第一排水总管431、增压泵460、第一流量计450、第一阀门471、第一压力表440以及多个注水支管420，其中，进水水箱410附着于模型荷载箱2的地下水注入侧A1的侧壁上，进水总管430连通在增压泵460与进水水箱410之间，用于向进水水箱410中注水。第一排水总管431的一端与进水水箱410连通，用于将进水水箱中的水排出。注水支管420的进水口与进水水箱410连通，注水支管420穿过上箱体8的侧壁上的进水孔21，并使其出水口突出于该侧壁的内表面，多个注水支管420用于将进水水箱410中的水分配注入到模型荷载箱2中。即，水通过进水总管430注入到进水水箱410中，通过多个注水支管420分配进入模型荷载箱2中。其中，优选地，注水支管420的出水口相对于模型荷载箱2的侧壁的内表面突出50cm。在每个注水支管420上配备有控制流量大小及流量的流量开关(图中未示出)。第一流量计450和第一阀门471安装在第一排水总管431上，压力表440安装在进水总管430上。

继续参照图7和图8，图7和图8左侧的虚线框内为地下水模拟子系统4的出水子系统。出水子系统包括排水水箱411、第二排水总管432、第二压力表441、第二流量计451、抽水泵461、释放管433、第二阀门472以及多个出水支管422。排水水箱411附着于模型荷载箱2的地下水排出侧A2的侧壁上。排水水箱411侧有附着于模型荷载箱侧壁的滤网423。

出水支管422穿过上箱体8的侧壁上的出水孔，并使其进水口突出于该侧壁的内表面且其出水口与排水水箱411连通，以将岩层中的水排入排水水箱411中，并且出水支管422上设有控制流量的流量开关(与注水支管的流量开关相同)以及防止排水中带走细颗粒砂土的滤网423。第二排水总管432连通在排水水箱411和抽水泵461之间，以将排水水箱411中的水排出。第二流量计451安装在第二排水总管432上。释放管433连通于第二排水总管432，第二压力表441和第二阀门472安装在释放管433上。

上述地下水模拟子系统4可模拟地下静水环境和动水环境。具体如下：

模拟静水环境时，打开注水支管420及出水支管422上的流量开关，关闭第一阀门471和第二阀门472，打开增压泵460，开始为岩土注水。若岩土渗透性较差时，可开启抽水泵461，将排水水箱411抽真空，增加注水速度，同时记录第一流量计450和第二流量计451的数据，当地下水注入侧A1的第一流量计450的数值与地下水排水侧A2的第二流量计451的数值之差达到试验设定值时，关闭注水支管420及出水支管422上的流量开关，达到需要模拟的静水环境。

模拟动水环境时，打开注水支管420及出水支管422上的流量开关，关闭第一阀门471和第二阀门472，打开增压泵460，开始为岩土注水。若岩土渗透性较差时，可开启抽水泵461，将排水水箱抽真空，增加注水速度，同时记录第一压力表440和第二压力表441读数，并将两个压力表读数转化为水头高度后计算水头差，则水头差与模型箱长度的比值i＝Δh/L即为模拟动水环境的水力梯度。

优选地，地下水模拟子系统4还可包括循环装置(图中未示出)，该循环装置将排水子系统和进水子系统连通，以使从排水子系统排出的水循环进入进水子系统，节约用水。具体地，循环装置可包括将排水子系统的抽水泵461的出水口与进水子系统的进水总管连通的管路，将由第二排水总管432中排出的水直接循环到进水总管430中。当然，本领域技术人员可根据实际试验的需要确定循环装置的具体部件和连接位置，只要能将排水循环利用即可。

参见图13，在可拆卸的壁板上设置有注浆孔22(在本实施例中注浆孔设置在块状物25上)，注浆孔22中可设置注浆孔塞26，以实现注浆孔22与注浆子系统5选择性的连接，进而实现注浆子系统5可选择地通过注浆孔22向岩土中注浆。注浆子系统5包括可在注浆孔22打开时从注浆孔22插入待模型荷载箱2内部的注浆管51、以及与注浆管51连通的注浆设备(注浆设备包括依次连接的搅拌机52、储浆桶53、注浆泵55、压力表56)，双液浆57注入搅拌机52。具体而言，待模型荷载箱2内岩土的初始地应力场模拟生成后，从注浆孔31中拔出注浆孔塞26，注浆孔22打开，将注浆管51从注浆孔22中打入待模型荷载箱2中的模拟土层(即岩土)中，注浆管51外接注浆设备后即可模拟注浆。注浆子系统5可实现渗透和劈裂注浆，适宜灌注水泥浆、砂浆、轻度腐蚀化学浆液及双液浆，注浆压力能够智能、远程控制，通过微型钻孔摄像头观察、分析注浆效果。

参见图14和图15，数据采集子系统6包括埋设在模型荷载箱2内的岩土中的数据采集传感器61和信息处理模块，数据采集传感器61包括土压力传感器，土层位移传感器等用于量测岩土的应力、应变和位移的传感器，可根据试验选择需要的传感器。数据采集传感器61的实际埋设位置应按试验要求，图中仅为示意。具体地，在岩土压实阶段，按设计要求，在模型荷载箱2内埋设数据采集传感器61，后期试验阶段，数据采集传感器61的测量值传送到信息处理模块中的数据采集仪，之后数据采集仪整合数据将其传送至信息处理模块中的计算机系统中，计算机系统可保存数据。整个数据采集过程可在计算机系统控制下，自动连续采集位移和压力数据，最少128个通道，储存的数据可随时转入信息处理模块的微机进行后期处理；应变测量：在计算机控制下，完成从桥路平衡、自动采集、数据表报分析等一系列工作，可以自动准确量测多点的应变、应力值；断电能保存数据，并在电源恢复后自动启动测量程序；计算机控制，配套软件适用于Windows各种中文环境，和各种常用数值分析软件兼容。

参见图16和图17，报警子系统7包括报警传感器71，在模型拼装阶段报警传感器71(可以为压力传感器、变形传感器)安装于模型荷载箱2的上箱体8的四角及中部受力较大部位。报警传感器71的量测数据会传输到计算机，计算机接受到该数据后进行处理，判断该量测数据所代表的指标是否安全，即在计算机中设置好表示指标安全的设定值或范围，然后将量测数据与该设定值或范围进行比较，得出指标是否安全的结论。如果指标安全，则不断接收测量值进行判断，如果指标不安全，则启动报警功能。报警可采用公知的声音报警、图像报警、闪灯报警等方式。

通过设置在模型荷载箱2内部的报警传感器71和第一压力表440、第一流量计450，能实现加压与卸载、模型荷载箱2的组装与移动、台体安装调试，以及模型开挖等方面的安全监视与控制；模型荷载箱2、地下水模拟子系统4的密封箱体、注浆子系统5的管路加设形变监测装置，能进行异常情况报警；系统由计算机控制并能进行视频监控，保证安全。

优选地，可根据加水加压情况、开挖情况、注浆情况将上箱体8的四个侧壁选择性的采用尺寸、结构不同的块状物拼装而成。

下面以模拟矿山法注浆问题研究为例，地层条件为砂土，地下水为潜水，埋深为6m，拟开挖的隧道为直径6m的圆形，埋深为9m，采用1∶3的相似比例尺，则模型隧道隧道开挖尺寸为2m，研究此条件下全断面注浆的问题。其具体实施方式说明如下：

步骤1、模型荷载箱2的组合安装：

根据所要研究的问题调整模型荷载箱2的大小，模型荷载箱2的块状物的边长为0.5m～2m。根据拟模拟的情况，模型荷载箱2大小调整为长8m，宽4m，高5m(包括模型荷载箱2下1m的下挖深度)；在模型荷载箱2变形比较大的位置安装应变计，变形过大时需要报警。

步骤2、安装立面固定装置：

在模型荷载箱2的侧面及正面、背面另外安装固定式的模型箱框架，以固定整个模型荷载箱2；正面预留2m不安装模型箱框架，为开挖预留空间；根据全断面注浆情况，预留注浆孔，间距为0.5m左右。

3、填筑砂土：

填筑的材料为砂土的相似材料，应用实验室配制的相似材料进行试验，相似材料的原型为砂土：按照土工实验结果分层填筑材料并夯实，预先埋设土压力盒、孔隙水压力计、位移计等传感器。填筑高度为4.5m。

4、形成地下水环境：

以静水压力环境为例。安装进水子系统和排水子系统，注水支管进入土层0.5m；在地下水注水侧A1充填水，水面高度为4m；如果地下水排水侧A2的水位达不到4m高，启动地下水注入侧A1的增压泵；若地下水环境为承压水，则应用增压泵达到所需要的压力。

填筑完的模型荷载箱静置7天左右，方可进行下一步试验。

5、安装反力架等加载装置：

在模型荷载箱2顶部安装顶板33、n形加载框架31(反力架)以及千斤顶32，并测试千斤顶32。

6、加压形成初始应力场环境：

按照需要的应力场通过加载框架31施加压力，此案例只需加载0.18MPa。

测试水压及土压，满足要求后静置一段时间，使初始应力场稳定。

7、注浆：

在模型荷载箱正面预留的注浆孔进行注浆，采用的方法可以是袖阀管注浆、超前深孔注浆及WSS方法，通过改变浆液配比研究不同浆液注浆后地层的止水加固效果。注浆子系统：在模型荷载箱里地层形成应力场、地下水环境后，通过模型荷载箱的注浆孔进行注浆止水加固地层，形成改良后的地层条件。

8、开挖：

采用人工开挖方法。

打开带有注浆孔的壁板，采用钢钎、洛阳铲等工具开挖砂层，边开挖边支护，同时研究注浆后的效果。

9、量测：

注浆前进行用于量测的设备仪器的调试，注浆过程中采集孔隙水压力、土压力等参数数据，研究注浆对地层的影响；开挖过程中继续采集以上参数数据，研究开挖中对周围岩土、地下水及地面的影响。

在进行上述工作中，通过报警子系统7采集模型荷载箱变形、加压压力、注浆压力等参数数据，并进行分析研究，通过报警子系统7对可能出现的危险状况进行预先报警，避免事故发生。

本发明的地层注浆模拟系统，围绕地下工程施工新技术的研究与应用，主要针对模拟地下工程注浆与开挖而建立，就其施工过程中的诸多工程问题展开研究工作，包括地下工程的修建技术、建造过程中承压地下水的处理问题、饱水粉细砂地层中的加固处理问题、动水地层中的处理问题以及基坑、隧道开挖等，并可应用于研究周边环境的变形规律及保护等问题。

进一步，本发明的地层注浆模拟系统，研究土体注浆止水加固技术，展开注浆材料配比、注浆机理、注浆工艺、效果检测；研究地层在注浆加固前后的地下工程的施工技术，研究注浆后对地层的改良作用。

本发明的优点是：成本较低，本实施例的地层注浆模拟系统通过调整施加的压力能模拟深埋、浅埋地下环境，例如，如模拟50m深度，需要加载到1MPa，假如考虑100m深度，则将相似比尺定为1:2，加载1MPa；若模拟5m深度，加载0.1MPa即可；本实施例的地层注浆模拟系统能模拟动水及渗流环境，而且能实现各种开挖，模拟地下工程施工过程，并能进行1:1的足尺试验，例如，若模拟顶管施工，顶管直径为2.5m，荷载箱的高度为4m，扣除边界影响，即可模拟1:1；且具有完善的安全预警、数据采集系统。通过少量改造，可用于施工新技术、新方法的研发，并能进行地下工程基础理论方面的研究。

实现的开挖方法：

1、矿山法开挖：通过模型荷载箱预留的开挖面(即模型开挖区域)，人工开挖，并研究注浆效果，以及周边环境的变化。

2、盾构法(或顶管法)开挖：通过模型荷载箱预留的开挖面，研究盾构开挖机理等问题。

3、明挖法：通过改变模型荷载箱的尺寸，进行明挖法开挖，研究支护结构的变形特征、边坡稳定性研究及对周围环境的影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种地层注浆模拟系统，其特征在于，包括：

容纳岩土的模型荷载箱(2)，其侧壁上设置有可拆卸的壁板；

从顶端对所述岩土加载以还原地下应力场环境的加载子系统(3)；

可控制地向所述岩土注水和从所述岩土排水以模拟静水和动水环境的地下水模拟子系统(4)；

向所述岩土中注浆的注浆子系统(5)；

量测岩土的应力、应变和位移的数据采集子系统(6)；以及

量测所述模型荷载箱(2)的变形、加压压力、注浆压力并具有报警功能的报警子系统(7)。

2.根据权利要求1所述的地层注浆模拟系统，其特征在于，

所述模型荷载箱(2)包括位于地面以上的上箱体(8)和位于地面以下的下箱体(10)；

所述上箱体(8)的侧壁由多个独立的块状物(25)可拆卸地拼装而成，所述上箱体(8)的顶部和底部敞开；

所述下箱体(10)为开设在地面上的凹腔，所述上箱体(8)与所述凹腔连通。

3.根据权利要求2所述的地层注浆模拟系统，其特征在于，

在相邻的两个块状物(25)之间设有密封结构。

4.根据权利要求2所述的地层注浆模拟系统，其特征在于，

所述凹腔的深度大于1m，填埋岩土材料，以消除底边界效应；

所述可拆卸的壁板包含在所述上箱体(8)的一个侧壁中，在所述上箱体(8)的另外两个相对的侧壁上设有进水孔(21)和排水孔(23)；

所述地下水模拟子系统(4)包括用于向所述岩土中注水的进水子系统和用于从所述岩土中排水的排水子系统，其中，所述进水子系统和所述排水子系统分别与所述进水孔(21)和所述排水孔(23)连通，以向所述岩土注水和从所述岩土排水；或

所述地下水模拟子系统(4)包括用于向所述岩土中注水的进水子系统、用于从所述岩土中排水的排水子系统、以及将所述排水子系统和所述进水子系统连通以使从所述排水子系统排出的水循环进入所述进水子系统的循环装置，其中，所述进水子系统和所述排水子系统分别与所述进水孔(21)和所述排水孔(23)连通，以向所述岩土注水和从所述岩土排水。

5.根据权利要求4所述的地层注浆模拟系统，其特征在于，

所述进水子系统包括进水水箱(410)、进水总管(430)、第一排水总管(431)、增压泵(460)、第一流量计(450)、第一阀门(471)、第一压力表(440)以及多个注水支管(420)；

其中，所述进水总管(430)连通在所述增压泵(460)和所述进水水箱(410)之间，以用于向所述进水水箱(410)中注水；

所述第一排水总管(431)的一端与所述进水水箱(410)连通，以用于排出所述进水水箱(410)中的水；

所述多个注水支管(420)的进水口与所述进水水箱(410)连通且所述注水支管(420)穿过所述上箱体(8)的侧壁上的进水孔(21)使其出水口突出于该侧壁的内表面，以用于将所述进水水箱(410)中的水分配注入到所述模型荷载箱(2)中，在所述注水支管(420)上设有流量开关；

所述第一压力表(440)安装于所述进水总管(430)上，所述第一流量计(450)和所述第一阀门(471)安装于所述第一排水总管(431)上。

6.根据权利要求4所述的地层注浆模拟系统，其特征在于，

所述出水子系统包括排水水箱(411)、第二排水总管(432)、第二压力表(441)、第二流量计(451)、抽水泵(461)、第二阀门(472)、释放管(433)以及多个出水支管(422)；

其中，所述多个出水支管(422)穿过所述上箱体(8)的侧壁上的出水孔使其进水口突出于该侧壁的内表面且出水口与所述排水水箱(411)连通，以将所述岩层中的水排入所述排水水箱(411)中，所述出水支管(422)上设有流量开关和防止排水中带走细颗粒砂土的滤网(423)；

所述第二排水总管(432)连通在所述排水水箱(411)和所述抽水泵(461)之间，以将所述排水水箱(411)中的水排出；

所述释放管(433)与所述第二排水总管(432)连通，所述第二流量计(451)安装在所述第二排水总管(432)上，所述第二压力表(441)和所述第二阀门(472)安装在所述释放管(433)上。

7.根据权利要求1所述的地层注浆模拟系统，其特征在于，

所述加载子系统(3)包括n形加载框架(31)、连接在所述n形加载框架(31)的横梁下方的多个千斤顶(32)、连接在所述多个千斤顶(32)下方的加载顶板(33)以及控制所述多个千斤顶(32)带动所述加载顶板(33)在所述模型荷载箱(2)顶部上下运动的液压控制模块(34)。

8.根据权利要求1所述的地层注浆模拟系统，其特征在于，

所述可拆卸的壁板上设置有注浆孔(22)，所述注浆孔(22)中设有可拔除的注浆孔塞(26)，所述注浆子系统(5)包括注浆设备以及在拔除所述注浆孔塞(26)后穿过所述注浆孔(22)插入所述岩土中的注浆管(51)，所述注浆管(51)与所述注浆设备连通。

9.根据权利要求1所述的地层注浆模拟系统，其特征在于，

所述数据采集子系统(6)包括埋设在所述岩土中的数据采集传感器(61)和信息处理模块。

10.根据权利要求2所述的地层注浆模拟系统，其特征在于，

所述报警子系统(7)包括报警传感器(71)，其设置于所述模型荷载箱(2)的上箱体(8)的四角和中部。