CN106885758A - 一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置及使用方法，装置包括模型箱、注浆装置、图像实时采集系统和地应力加载系统，模型箱包括透明壳体，所述透明壳体内部填充有模拟注浆环境的透明材料，透明壳体上设置有注浆孔，以容纳注浆装置注入的浆液；地应力加载系统，包括空气注入设备和柔性气囊，柔性气囊包裹模型箱，空气注入设备通过柔性气囊向模型箱施加应力，柔性气囊为透明的，以使得图像实时采集系统能够采集模型箱与柔性气囊的变化，实现劈裂注浆浆液扩散过程的可视化模拟，追踪劈裂注浆扩散过程。本发明实现了劈裂注浆浆液扩散过程的可视化模拟，使浆液在土体内部的劈裂扩散过程得以可视。

Description

一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置及使用方法。

背景技术

劈裂注浆是一种应用比较广泛的地基加固方法，在一定的注浆压力下，浆液在土体内部劈裂形成注浆裂缝，随着注浆压力的持续增大以及浆液的逐渐注入，土体中的浆液就会在钻孔附近形成纵横交错的网状浆脉.

研究表明，土体加固的效果不仅与注浆压力有直接的关系,也与土体中浆液劈开的裂缝宽度和裂缝扩散的距离有很大关系，但是，由于土体材料本身不透明，无论是在工程现场还是模型试验中，浆液动态扩散过程均因为被注介质的不可视性而无法获取。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置及使用方法，本发明可实现劈裂注浆浆液扩散过程的可视化模拟，追踪劈裂注浆扩散过程，获得劈裂通道扩展过程中注浆压力与砂层内部压力场、位移场演化规律；获得劈裂过程中浆脉厚度时空演化规律、劈裂缝尖端几何形态及其运动特征。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，包括模型箱、注浆装置、图像实时采集系统和地应力加载系统，其中：

所述模型箱包括透明壳体，所述透明壳体内部填充有模拟注浆环境的透明材料，所述透明壳体上设置有注浆孔，以容纳注浆装置注入的浆液；

所述地应力加载系统，包括空气注入设备和柔性气囊，所述柔性气囊包裹模型箱，空气注入设备通过柔性气囊向模型箱施加应力，所述柔性气囊为透明的，以使得图像实时采集系统能够采集模型箱与柔性气囊的变化，实现劈裂注浆浆液扩散过程的可视化模拟，追踪劈裂注浆扩散过程。

优选的，所述模型箱下册设置有底座，保持模型箱运行的稳定性。

优选的，所述空气注入设备为空压机，空压机与柔性气囊相连接，柔性气囊位于土体上部和左右两侧，空压机给柔性气囊提供压力，柔性气囊将空气压力传递到土体介质上，从而实现地应力加载。

优选的，所述空气注入设备上设置有压力调节器以调节输出压力，设置压力表监测输出气体压力。

优选的，所述柔性气囊为透明硅胶材料，与模型箱顶部和左右两侧形状相配合，保证气囊与模型箱内壁和所填充介质紧密贴合。

优选的，所述注浆装置包括全自动注浆泵和注浆管，全自动注浆泵的注浆压力、流量可控，注浆管为透明，且管周围设置有钻孔，以实现浆液的均匀扩散。

所述图像实时采集系统包括激光仪、高精度CCD数码相机和图像采集计算机，所述激光仪、高精度CCD数码相机设置于模拟箱周围，采集的数据均传输给图像采集计算机。

所述激光仪发射片状激光束，片状激光束在透明土体内部传播，对透明土体进行激光切片，形成该切面的粒子散斑图像；所述高精度CCD数码相机进行粒子散斑图像数据的连续采集。

所述图像采集计算机被配置为实现劈裂注浆浆液扩散过程的可视化模拟分析，追踪浆液扩散过程，获得劈裂过程中浆脉厚度时空演化规律、劈裂缝尖端几何形态及其运动特征。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)根据所要研究的土的性质，选择相应的透明土颗粒材料模拟自然土体颗粒，选择相应的孔隙流体材料模拟自然土体中的孔隙液体，保证土颗粒材料和孔隙流体材料的透明度；

(2)将配置好的透明土材料倒入模型箱，对柔性透明气囊进行充压，达到设定的压力，关闭阀门，使气囊内压力稳定；利用抽真空设备，将配制好的模拟材料抽真空，使其具有良好的透明度；

(3)打开大功率激光仪，使试样内部呈现清晰的粒子散斑，调整高精度CCD数码相机，使其成像清晰，对土体进行注浆，同时利用高精度CCD数码相机进行图像的实时采集，观察浆液在土体内的劈裂扩散过程，采集图片和图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、实现了劈裂注浆浆液扩散过程的可视化模拟，使浆液在土体内部的劈裂扩散过程得以可视。

2、使以往注浆过程这一公认的“黑箱”问题得到了一定程度的解决。

3、可以追踪注浆扩散过程，以用于研究劈裂通道扩展过程中注浆压力与砂层内部压力场、位移场演化规律。

4、可用于研究劈裂过程中浆脉厚度时空演化规律。

5、可以直观的反映劈裂缝尖端几何形态及其运动特征。

6、可用于教学试验中，有利于学生直观的观察劈裂注浆的扩散过程。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明模拟试验装置主视图；

图2是本发明模拟实验装置侧视图；

图3是本发明模型试验盒主视图；

图4是本发明模型试验盒侧视图。

其中，1、模型底座；2、模型试验盒；3、透明柔性气囊；4、连接构件；5、透明有机玻璃花管；6、空压机；7、大功率激光仪；8、全自动注浆泵；9、高精度CCD数码相机；10、图像采集计算机。

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。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，包括模型试验装置、注浆装置、图像实时采集系统以及后期处理软件。

所述模型试验装置包括模型底座、模型试验盒和地应力加载系统。

所述模型底座位于模型试验架的下部，起支撑作用。所述模型试验盒内部空间宽度是2m，高度是1.5m，深度是1m(具体尺寸可根据研究需要具体确定)，由高强度透明安全钢化玻璃制成，内部填充透明材料，模拟注浆环境；在保证密封透明的条件下，可在一定压力条件下保持稳定。此外，中间开设注浆孔，以用于浆液的注入。

所述地应力加载系统包括空压机、柔性透明气囊及其他连接构件。空压机与气囊相连接，气囊位于土体上部和左右两侧，空压机给气囊提供压力，气囊将空气压力传递到土体介质上，从而实现地应力加载。空压机通过压力调节器调节输出压力(输出压力范围可根据需要选择不同类型的空压机)，设置压力表监测输出气体压力。柔性透明气囊采用薄壁、变形性能极佳、抗破坏能力强的透明硅胶材料制成，气囊呈近似矩形，与模型试验盒顶部和左右两侧形状类似，气囊尺寸要稍大于模型试验盒内部的空白空间，从而保证气囊与模型试验盒内壁和所填充介质紧密贴合，进而实现人为设定主应力环境的目的。

如图1-图4所示，一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，由模型底座1、模型试验盒2、透明柔性气囊3、连接构件4、全自动注浆泵8、空压机6、透明有机玻璃花管5、大功率激光仪7、高精度CCD数码相机9、图像采集计算机10组成。

所述模型底座1位于模型试验盒2的下部，起支撑作用。所述模型试验盒2由高强度透明安全钢化玻璃制成，中间开设注浆孔，用于安装透明有机玻璃花管6，透明有机玻璃花管6与全自动注浆泵8相连接，以实现浆液的注入；透明柔性气囊3位于模型试验盒2上部和左右两侧，通过连接构件4与空压机6相连接，空压机6给气囊3提供压力，气囊3将空气压力传递到土体介质上，从而实现地应力加载。

所述大功率激光仪7位于模型试验盒2的左侧或右侧，可发射片状激光束，片状激光束在透明土体内部传播，对透明土体进行激光切片，形成该切面的粒子散斑图像。

所述高精度CCD数码相机9位于模型试验盒2的前侧或后侧，与图像采集计算机10相配合，可实现粒子散斑图像数据的连续采集。

一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)材料选择：根据所要研究的土的性质(如砂性土、粘性土等)，选择相应的透明土颗粒材料模拟自然土体颗粒，选择相应的孔隙流体材料模拟自然土体中的孔隙液体(通常为水)，选择的透明土颗粒材料和孔隙流体材料必须具有良好的透明度。例如选择熔融石英砂模拟砂性土，正十二烷与白油按一定比例配制成混合液体模拟水的性质，其中配制的正十二烷与白油的混合液体的折射率应与熔融石英砂相同，进而保证配制土体的透明度。

(2)模型试验装置初步安装：将模型试验盒2与柔性透明气囊3、空压机6通过连接构件4连接好，对柔性透明气囊3进行初步充压，使其膨胀定型，安装好透明有机玻璃花管5，使其垂直贯穿模型试验盒2。

(3)材料配制：将配置好的透明土材料倒入模型试验盒2，利用空压机6对柔性透明气囊3进行充压，达到设定的压力，关闭阀门，使气囊内压力稳定；利用真空箱等抽真空设备，将配制好的模拟材料抽真空，使其具有良好的透明度。

(4)试验装置安装与调试：将全自动注浆泵8、大功率激光仪7、高精度CCD数码相机9和图像采集计算机10安装好，打开大功率激光仪7，使试样内部呈现清晰的粒子散斑，调整高精度CCD数码相机9，使其成像清晰。

(5)进行试验：利用全自动注浆泵8对土体进行注浆，同时利用高精度CCD数码相机9进行图像的实时采集，观察浆液在土体内的劈裂扩散过程。

(6)清理装置：对柔性透明气囊3进行卸压，清理试验材料、模型盒以及注浆设备等，将各部分装置归置好。

(7)试验数据处理：试验结束后，通过后期处理软件对采集的图片进行分析。

后期处理软件包括数据图像分析软件如PIV软件(粒子图像测速技术)、DIC软件(数字图像相关技术)、LSV软件(激光散斑测速技术)等，数据提取软件如Surfer软件等(具体处理软件可根据自己需要选择)，可实现劈裂注浆浆液扩散过程的可视化模拟分析，追踪浆液扩散过程，获得劈裂过程中浆脉厚度时空演化规律、劈裂缝尖端几何形态及其运动特征。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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 (10)

1.一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，其特征是：包括模型箱、注浆装置、图像实时采集系统和地应力加载系统，其中：

所述模型箱包括透明壳体，所述透明壳体内部填充有模拟注浆环境的透明材料，所述透明壳体上设置有注浆孔，以容纳注浆装置注入的浆液；

所述地应力加载系统，包括空气注入设备和柔性气囊，所述柔性气囊包裹模型箱，空气注入设备通过柔性气囊向模型箱施加应力，所述柔性气囊为透明的，以使得图像实时采集系统能够采集模型箱与柔性气囊的变化，实现劈裂注浆浆液扩散过程的可视化模拟，追踪劈裂注浆扩散过程。

2.如权利要求1所述的一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，其特征是：所述模型箱下册设置有底座，保持模型箱运行的稳定性。

3.如权利要求1所述的一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，其特征是：所述空气注入设备为空压机，空压机与柔性气囊相连接，柔性气囊位于土体上部和左右两侧，空压机给柔性气囊提供压力，柔性气囊将空气压力传递到土体介质上，从而实现地应力加载。

4.如权利要求1所述的一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，其特征是：所述空气注入设备上设置有压力调节器以调节输出压力，设置压力表监测输出气体压力。

5.如权利要求1所述的一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，其特征是：所述柔性气囊为透明硅胶材料，与模型箱顶部和左右两侧形状相配合，保证气囊与模型箱内壁和所填充介质紧密贴合。

6.如权利要求1所述的一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，其特征是：所述注浆装置包括全自动注浆泵和注浆管，全自动注浆泵的注浆压力、流量可控，注浆管为透明，且管周围设置有钻孔，以实现浆液的均匀扩散。

7.如权利要求1所述的一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，其特征是：所述图像实时采集系统包括激光仪、高精度CCD数码相机和图像采集计算机，所述激光仪、高精度CCD数码相机设置于模拟箱周围，采集的数据均传输给图像采集计算机。

8.如权利要求7所述的一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，其特征是：所述激光仪发射片状激光束，片状激光束在透明土体内部传播，对透明土体进行激光切片，形成该切面的粒子散斑图像；所述高精度CCD数码相机进行粒子散斑图像数据的连续采集。

9.如权利要求7所述的一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置，其特征是：所述图像采集计算机被配置为实现劈裂注浆浆液扩散过程的可视化模拟分析，追踪浆液扩散过程，获得劈裂过程中浆脉厚度时空演化规律、劈裂缝尖端几何形态及其运动特征。

10.基于权利要求1-9中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)根据所要研究的土的性质，选择相应的透明土颗粒材料模拟自然土体颗粒，选择相应的孔隙流体材料模拟自然土体中的孔隙液体，保证土颗粒材料和孔隙流体材料的透明度；

(2)将配置好的透明土材料倒入模型箱，对柔性透明气囊进行充压，达到设定的压力，关闭阀门，使气囊内压力稳定；利用抽真空设备，将配制好的模拟材料抽真空，使其具有良好的透明度；

(3)打开大功率激光仪，使试样内部呈现清晰的粒子散斑，调整高精度CCD数码相机，使其成像清晰，对土体进行注浆，同时利用高精度CCD数码相机进行图像的实时采集，观察浆液在土体内的劈裂扩散过程，采集图片和图像。