CN107085085A - 水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置及方法，试验装置包括高压容器、加压系统、高压注水装置和高压出水装置，其中：高压容器包括筒体、上盖和底盖，上盖和底盖分别覆盖筒体的两端部，上盖开有多个孔，分别供加压系统、注浆管和冻结管进入筒体的内部，注浆管外连注浆系统，冻结管外连冻结系统；加压系统包括加压装置、加压杆和加压塞；筒体的上部和下部均安装有一个渗流接头，位于筒体上部的渗流接头在筒体外的部分连接于高压注水装置，位于筒体下部的渗流接头在筒体外的部分连接于高压出水装置；土体的内部埋设有传感器。本发明能够实现水热力三场耦合下土体的冻结和冻结融沉扰动后土体的注浆效果的研究。

Description

水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆试验装置及方法

技术领域

本发明涉及矿山建设领域，特别涉及水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置及方法。

背景技术

冻结法凿井是采用人工制冷的方法，在井筒周围含水岩土层形成封闭的冻结壁，以抵挡水土压力，隔绝地下水和井筒的联系，确保井筒掘砌安全的一种特殊工法。1880年德国工程师Poetsch提出了人工地层冻结原理，并于1883年成功应用于德国阿尔巴里德煤矿井筒施工，英国、波兰、前苏联、加拿大等国家广泛采用。1955年，我国从波兰引进冻结法凿井技术，首次应用于开滦林西风井，并获得了成功。其后，随着人工制冷技术的发展和冻结施工工艺日趋完善，该工法已成为矿山井筒穿越不稳定含水地层最有效的施工方法之一。

20世纪80年代以来，在大屯、徐州、淮北、兖州、永夏等矿区已有大量矿井发生了厚表土层中井壁破裂灾害，它们有的发生在井筒施工中，有的发生在矿井投产后，轻者停工停产，重者透水淹井，严重的制约了我国深立井建设的进一步发展。对井壁破裂机理的研究，形成了竖直附加力假说、采动影响假说、新构造运动假说等。大量理论分析，数值模拟和现场实测研究的成果支持了竖直附加力假说：特殊地层含水层因开采，以及冻结管拔除后的融沉而引起上覆土体下沉。土体在沉降过程中与井壁相互作用，施加于井壁外表面一个附加力系。该力增长到一定值时，混凝土井壁因不能承受而遭破坏。井壁破裂是厚表土层与井壁结构相互作用的结果，因此井壁破裂治理方法主要有井壁加固和地层加固两类。对处理井壁的方法已有大量的研究，主要包括：槽钢井圈喷混凝土加固法，加套井壁法，开槽卸压法。对地层进行处理的方法主要有：壁后注浆和地面注浆加固。对地层注浆目的是封堵井筒周边含水地层的水利通道，阻滞含水地层疏水，可以减缓、减少井筒周边地层的沉降，降低立井井壁所受到的竖向附加力。对冻结井筒表土段进行注浆修复主要是对冻融后的含水层进行注浆，必须考虑冻融扰动后含水层的注浆性能，立井冻结施工过程中的注浆修复还必须考虑温度的影响，关于非冻融扰动含水地层的注浆试验以及动水渗流注浆试验已有大量的研究。但目前针对于人工冻结扰动土注浆性能的实验装置及方法还没有形成系统的理论。特别是涉及到水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置及方法尚无报道。开展此方面的研究迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置及方法，能够填补目前尚无考虑冻结扰动后土体注浆效果和性能的试验装置和方法的空白，实现水热力(即渗流-温度-应力)三场耦合下土体的冻结和冻结融沉扰动后土体的注浆效果的研究。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置，所述试验装置包括高压容器、加压系统、高压注水装置和高压出水装置，其中：所述高压容器包括筒体、上盖和底盖，所述上盖和底盖分别覆盖所述筒体的两端部，所述筒体的内部用于容纳需要冻结与注浆的土体，所述上盖开有多个孔，分别供所述加压系统、注浆管和冻结管进入所述筒体的内部，所述注浆管外连注浆系统，所述冻结管外连冻结系统；所述加压系统包括加压装置、加压杆和加压塞，所述加压装置位于所述筒体的外部，所述加压杆的上端与所述加压装置连接，所述加压杆的下端与所述加压塞连接，所述加压塞位于所述筒体的内部并覆盖所述筒体的整个横截面；所述筒体的上部和下部均安装有一个渗流接头，位于所述筒体上部的所述渗流接头在所述筒体外的部分连接于所述高压注水装置、在所述筒体内的部分连接有供水板，位于所述筒体下部的所述渗流接头在所述筒体外的部分连接于所述高压出水装置；所述土体的内部埋设有传感器，所述传感器通过数据线经设置在所述筒体上的引线孔引出所述筒体。

进一步地，在上述试验装置中，所述高压容器为圆柱体，所述上盖为中部较厚外周较薄的圆盘，所述上盖的圆心处设置有一个加压杆孔，所述加压杆孔供所述加压杆穿过，由所述加压杆孔沿所述上盖的半径向外依次分布有两圈孔，两圈所述孔中的内圈孔为注浆管孔、外圈孔为冻结管孔；

优选地，在所述加压杆的上端还安装有位移计；

优选地，所述上盖的外周开有多个螺栓孔，所述筒体的上端部向筒外延伸形成凸台，所述凸台上也开有多个螺栓孔，螺栓依次穿过所述外周和所述凸台的螺栓孔将所述上盖与所述筒体固定；

优选地，每个所述孔及所述上盖与所述筒体的接触处均通过密封圈进行密封，且每个所述孔在所述筒体和所述上盖的表面处使用环氧树脂进行二次密封；

优选地，所述底盖为等厚度圆盘，所述底盖与所述筒体焊接密封。

进一步地，在上述试验装置中，所述底盖的上端部设置有一圈底盖凹槽，所述底盖凹槽用于放置可压缩垫圈，所述可压缩垫圈的上端连接带孔隔圈的下端，所述带孔隔圈的上端连接所述加压塞；

优选地，所述带孔隔圈上均匀的开有多个圆孔，所述可压缩垫圈的厚度大于所述带孔隔圈的厚度；

所述传感器均设置在所述带孔隔圈的内侧，所述传感器沿竖直方向分别组成三个测量平面；

优选地，所述传感器在一个所述测量平面上呈45°米字形分布，即每一个圆周上均匀分布有八个所述传感器，所述传感器在一个所述测量平面上共设置有三十二个，并均匀分布在四个圆周上，即由所述带孔隔圈的圆心引出的每个半径上均匀分布有四个所述传感器；

优选地，所述传感器通过数据线经引线孔引出所述筒体，所述数据线在所述筒体外的部分连接有数据显示器。

进一步地，在上述试验装置中，所述加压塞上分布有与所述上盖相对应的注浆管孔和冻结管孔，以便所述注浆管和所述冻结管穿过所述加压塞，所述注浆管和所述冻结管与所述加压塞的接触处通过密封圈密封。

进一步地，在上述试验装置中，所述高压注水装置包括空气压缩机和储水容器，所述空气压缩机通过供压管路与所述储水容器连接，所述供压管路上安装有调压阀门，所述储水容器上安装有压力表，所述储水容器通过供水管路与位于所述筒体上部的所述渗流接头在筒体外的部分连接；

优选地，在所述供水管路上且与所述渗流接头连接的端部设置有固定端头和固定螺帽，所述固定螺帽的一端的内径与所述供水管路的外径相同，所述固定螺帽的另一端的内径与所述固定端头的外径相同，所述渗流接头上制有外螺纹，所述固定螺帽与所述渗流接头螺纹连接并放置密封垫圈进行密封。

进一步地，在上述试验装置中，所述高压出水装置包括空气压缩机和储水容器，所述空气压缩机通过供压管路与所述储水容器连接，所述供压管路上安装有调压阀门，所述储水容器上安装有压力表，所述储水容器通过出水管路与位于所述筒体下部的所述渗流接头在筒体外的部分连接；

优选地，在所述出水管路上且与所述渗流接头连接的端部设置有固定端头和固定螺帽，所述固定螺帽的一端的内径与所述出水管路的外径相同，所述固定螺帽的另一端的内径与所述固定端头的外径相同，所述渗流接头上制有外螺纹，所述固定螺帽与所述渗流接头螺纹连接并放置密封垫圈进行密封；

优选地，位于所述筒体下部的所述渗流接头在筒体内的部分连接有出水口过滤筛网。

进一步地，在上述试验装置中，所述供水板上纵横分布有供水板凹槽，在所述供水板的靠近所述筒体侧壁方向的侧面的上端部连接有固定端头和固定螺帽，所述固定螺帽的一端的内径与所述供水板的入口处的外径相同，所述固定螺帽的另一端的内径与所述固定端头的外径相同，所述渗流接头上制有外螺纹，所述固定螺帽与所述渗流接头在筒体内的部分螺纹连接并放置密封垫圈进行密封；

优选地，在所述供水板的靠近所述筒体中心方向的侧面上放置有供水过滤筛网。

进一步地，在上述试验装置中，在所述加压杆的上端还安装有位移计。

进一步地，在上述试验装置中，所述传感器均设置在所述带孔隔圈的内侧，所述传感器沿竖直方向分别组成三个测量平面；

优选地，所述传感器在一个所述测量平面上呈45°米字形分布，即每一个圆周上均匀分布有八个所述传感器，所述传感器在一个所述测量平面上共设置有三十二个，并均匀分布在四个圆周上，即由所述带孔隔圈的圆心引出的每个半径上均匀分布有四个所述传感器；

优选地，所述传感器通过数据线经引线孔引出所述筒体，所述数据线在所述筒体外的部分连接有数据显示器。

利用上述任一种试验装置进行水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验的方法，包括以下步骤：

(1)开启所述高压注水装置和所述高压出水装置，通过控制所述高压注水装置的所述调压阀门调节所述试验装置的内部水压，通过调节所述高压出水装置的调压阀门调节所述土体中水的渗流速度，通过所述加压系统对所述试验装置内部的土体施加竖向应力，直至竖向位移保持不变；

(2)开启所述冻结系统，进行水热力三场耦合作用下所述土体的冻结试验，通过所述传感器记录所述试验装置内部的温度和水压，稳定所述加压系统的压力，记录冻结过程中所述土体的竖向位移；

(3)停止所述冻结系统，让所述试验装置内部的所述土体自然降温，进行融沉试验，记录融沉过程中所述土体的竖向位移。

进一步地，根据所述的方法，在所述融沉试验过程中开启所述注浆系统，进行注浆试验，记录注浆过程中所述试验装置内部的温度和注浆压力。

进一步地，根据所述的方法，待所述融沉试验结束后，开启所述注浆系统，进行注浆试验，记录注浆过程中所述试验装置内部的温度和注浆压力。

从以上的描述中，可以看出，本发明能够实现了如下技术效果：

本发明提供的水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置与方法填补了目前尚无考虑冻结扰动后土体注浆效果和性能的试验装置和方法的空白，既可以实现水热力(即渗流-温度-应力)三场耦合下土体的冻结和融沉过程中温度场和应力场等参数分布情况的研究，进一步可分析出三场耦合下冻结壁交圈与融化规律，又可以实现三场耦合作用下土体冻结融沉扰动后的注浆效果的研究。

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发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明的一个实施例的整体结构示意图；

图2为图1中的上盖的上表面的结构示意图；

图3为图1中的高压注水系统的结构示意图；

图4为图1中的高压出水系统的结构示意图；

图5为图1中的供水板和供水过滤筛网的结构示意图；

图6为图1中的可压缩垫圈和带孔隔圈的结构示意图；

图7为图1中的A处的放大结构示意图；

图8为图1中的B处的放大结构示意图；

图9为图1中的筒体俯视结构示意图；

图10为图1中的传感器布置示意图。

附图标记说明：1筒体、2上盖、201加压杆孔、202注浆管孔、203冻结管孔、204螺栓孔、3底盖、4高压注水装置、401空气压缩机、402储水容器、403供压管路、404供水管路、405调压阀门、406压力表、5高压出水装置、501空气压缩机、502储水容器、503供压管路、504出水管路、505调压阀门、506压力表、6注浆管、7冻结管、8密封圈、9加压杆、10加压塞、11加压装置、12位移计、13螺栓、14底盖凹槽、15可压缩垫圈、16带孔隔圈、17供水板、18供水过滤筛网、19数据显示器、20供水板凹槽、21固定端头、22固定螺帽、23密封垫圈、24渗流接头、25出水口过滤筛网、26传感器、27圆孔、28引线孔、29环氧树脂。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图10所示，根据本发明的实施例，提供了一种水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置，试验装置包括高压容器、加压系统、高压注水装置4和高压出水装置5，其中：高压容器由圆柱形的筒体1、上盖2和底盖3组成，上盖2和底盖3分别覆盖筒体1的两端部，筒体1的内部用于容纳需要冻结与注浆的土体，上盖2开有多个孔，分别供加压系统、注浆管6和冻结管7进入筒体1的内部，注浆管6外连注浆系统，冻结管7外连冻结系统。加压系统由加压装置11、加压杆9和加压塞10组成，加压装置11位于筒体1的外部，加压杆9的上端与加压装置11连接，加压杆9的下端与加压塞10连接，加压塞10位于筒体1的内部并覆盖筒体1的整个横截面。筒体1的上部和下部均安装有一个渗流接头24，位于筒体1上部的渗流接头24(作为该实验装置的进水口)在筒体1外的部分连接于高压注水装置4、在筒体1内的部分连接有供水板17，位于筒体1下部的渗流接头24(作为该实验装置的出水口)在筒体1外的部分连接于高压出水装置5。土体的内部埋设有传感器26，传感器26通过数据线经设置在筒体1上的引线孔28引出筒体1。

本发明的实施例提供的水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置可实现水热力(即渗流-温度-应力)三场耦合下土体的冻结和冻结融沉扰动后土体的注浆效果的研究。

在本实施例中，作为优选方案，上盖2为中部较厚且外周较薄的圆盘，上盖2的圆心处设置有一个加压杆孔201，加压杆孔201供加压杆9穿过，由加压杆孔201沿所述上盖的半径向外依次分布有两圈孔，两圈所述孔中的内圈孔为注浆管孔202、外圈孔为冻结管孔203。在其他的实施例中，可将注浆管孔202和冻结管孔203(注浆管和冻结管)的位置进行调换，通过调换两管的位置分别进行试验，可以对不同工况下的试验结果进行对比分析，为实践中冻结管和注浆管的相对位置的选定提供参考依据。优选地，上盖2的外周开有多个螺栓孔204，筒体1的上端部向筒外延伸形成凸台，凸台上也开有多个螺栓孔，螺栓13依次穿过外周和凸台的螺栓孔将上盖2与筒体1固定。优选地，每个孔及上盖2与筒体1的接触处均通过密封圈8进行密封，且每个孔在筒体1和上盖2的表面处使用环氧树脂29进行二次密封。优选地，底盖3为等厚度圆盘(即：厚度一致的圆盘)，底盖3与筒体1焊接密封。上盖2设置为中部比外周较厚一方面可提高高压容器的承载力，另一方面又可以使加压杆9、注浆管6和冻结管7与上盖2有充足的接触面积，通过密封圈8及环氧树脂29提高接触处的密封性。上盖2的中部与外周的连接处圆弧过渡，提高上盖2的整体强度。

在本实施例中，作为优选方案，底盖3的上端部设置有一圈底盖凹槽14，底盖凹槽14用于放置可压缩垫圈15，可压缩垫圈15的上端连接带孔隔圈16的下端，带孔隔圈16的上端连接加压塞10，优选地，带孔隔圈16上均匀的开有多个圆孔27，可压缩垫圈15的厚度大于带孔隔圈16的厚度。在底盖3上放置可压缩垫圈15，使得加压塞10施加竖向荷载时，带孔隔圈16可以发生竖向位移，采用底盖凹槽14固定可压缩垫圈15可避免在试验过程中可压缩垫圈15的水平偏移，确保试验的土体和传感器26分布的稳定性。

在本实施例中，作为优选方案，加压塞10上分布有与上盖2相对应的注浆管孔和冻结管孔以便注浆管6和冻结管7穿过加压塞10，注浆管6和冻结管7与加压塞10的接触处通过密封圈8密封来提高接触处的密封性。

在本实施例中，作为优选方案，高压注水装置4包括空气压缩机401和储水容器402，空气压缩机401通过供压管路403与储水容器402连接，供压管路403上安装有调压阀门405，储水容器402上安装有压力表406，储水容器402通过供水管路404与位于筒体1上部的渗流接头24在筒体1外的部分连接，优选地，在供水管路404上且与渗流接头24连接的端部设置有固定端头21和固定螺帽22，固定螺帽22的一端的内径与供水管路404的外径相同，固定螺帽22的另一端的内径与固定端头21的外径相同，渗流接头24上制有外螺纹，固定螺帽22与渗流接头24螺纹连接并放置密封垫圈23进行密封。由空气压缩机401产生高压气体，高压气体可以为50KPa-10MPa，并通过调压阀门405使高压气体的压力保持为稳定值，经过供压管路403给储水容器402内部的水提供气压，挤压储水容器402内部的水进供水管路404流进供水板17，通过压力表406的读数可以精确控制高压注水装置4的注水压力，注水压力可以达到50KPa-10MPa。渗流接头24优选为在筒体1的相应位置开孔后焊接在筒体1上，避免后续试验时渗流接头24与筒体1之间存在密封性不好等问题。

在本实施例中，作为优选方案，高压出水装置5包括空气压缩机501和储水容器502，空气压缩机501通过供压管路503与储水容器502连接，供压管路503上安装有调压阀门505，储水容器502上安装有压力表506，储水容器502通过出水管路504与位于筒体1下部的渗流接头24在筒体1外的部分连接。优选地，在出水管路504上且与渗流接头24连接的端部设置有固定端头21和固定螺帽22，固定螺帽22的一端的内径与出水管路504的外径相同，固定螺帽22的另一端的内径与固定端头21的外径相同，渗流接头24上制有外螺纹，固定螺帽22与渗流接头24螺纹连接并放置密封垫圈23进行密封。优选地，位于筒体1下部的渗流接头24在筒体1内的部分连接有出水口过滤筛网25。

由于固定螺帽22的两端直径不同，在使用之前，固定螺帽22始终固定在供水管路404(出水管路504)上，可以在供水管路404(出水管路504)上滑动，但无法从供水管路404(出水管路504)中滑出，避免了普通连接螺帽在使用过程中容易丢失的问题。使用时，固定端头21尽量靠近固定螺帽22直径较小的一侧，然后在固定端头21上放置圆环型密封垫圈23，最后通过固定螺帽22的内螺纹与渗流接头24的外螺纹进行螺纹连接，保证了接头处的密封性。

高压出水装置5的连接方式与高压注水装置4的连接方式相同，由于试验装置的进水口和出水口都采用相同的高压装置，可精确的调节两者的压力值，令高压进水装置4的压力值大于高压出水装置5的压力值，二者的压力值可都限定在50KPa-10MPa之间，使得一端进行高压下进水，另一端进行高压下出水，且进出口的水压可调，这样既保证满足了渗流的条件，又保证了筒体1内的土体始终处于稳定的高水压状态，符合实际立井冻结与注浆时的高水压环境。

在本实施例中，作为优选方案，供水板17上纵横分布有供水板凹槽20，在供水板17的靠近筒体1中心方向的侧面上放置有供水过滤筛网18，在供水板17的靠近筒体1侧壁方向的侧面的上端部连接有固定端头21和固定螺帽22，固定螺帽22的一端的内径与供水板17的入口处的外径相同，固定螺帽22的另一端的内径与固定端头21的外径相同，渗流接头24上制有外螺纹，固定螺帽22与渗流接头24在筒体1内的部分螺纹连接并放置密封垫圈23进行密封。通过在供水板17上设置的纵横分布的供水板凹槽20，使得水流在供水板17的侧面内先迅速流动，并结合供水过滤筛网18，令水流以一个平面渗流的形式向土体中进行注水，避免了直接采用渗流接头24而产生的点渗流的注水形式，平面渗流更加的符合实际情况。

在本实施例中，作为优选方案，所述加压杆9的上端与加压装置11连接，并且安装有位移计12，其下端与加压塞10连接，所述加压塞10上分布有与上盖上的注浆管孔202和冻结管孔203相对应的孔，注浆管6和冻结管7与加压塞10的接触处通过密封圈8密封，加压塞10的下表面与带孔隔圈16接触，加压装置11通过加压杆9给加压塞10传递压力，试验时，加压装置11通过加压杆9顶压加压塞10，从而对试验土体施加压力，当达到试验所设定的竖向地层压力值(0-15MPa)后停止加压，使土体的围压应力场与实际地下环境所处位置的应力场相同，从而模拟实际应力场的冻结与注浆环境。位移计12安装在加压杆9上，通过稳定加压装置11的压力，在水热力三场耦合作用的冻结、融沉和注浆过程中，可实时的检测试验土体位移的精确变化。

在本实施例中，作为优选方案，传感器26均设置在带孔隔圈16的内侧，传感器26沿竖直方向分别组成三个测量平面。优选地，传感器26在一个测量平面上呈45°米字形分布，即每一个圆周上均匀分布有八个传感器26，传感器26在一个测量平面上共设置有三十二个并均匀分布在四个圆周上，即由带孔隔圈16的圆心引出的每个半径上均匀分布有四个传感器26。优选地，传感器26通过数据线经引线孔28引出筒体1，数据线在筒体1外的部分连接有数据显示器19，数据显示器19实时显示传感器26测得的数值。

将传感器26铺设成三个水平的测量平面可测量出在试验过程中沿着竖直方向土体内部温度和应力等参数的分布规律，传感器26在水平方向呈45°米字形分布可测量出同一水平面内各方向的径向以及渗流方向土体内部温度和应力等参数的分布规律，以及可对渗流过程中冻结壁的交圈、融化以及渗流下浆液扩散情况进行多方位分析。

下面对本实验装置的安装方法进行简单描述：

(1)在底盖凹槽14内安装可压缩垫圈15，在可压缩垫圈15上水平放置带孔隔圈16，在筒体1与带孔隔圈16之间的空间中将供水板17安装在作为进水口的渗流接头24上，并在供水板17的内表面上固定供水过滤筛网18，同时将出水口过滤筛网25放置在作为出水口的渗流接头24位于筒体1内的表面上；

(2)在带孔隔圈16内部以及带孔隔圈16与筒体1之间的空间装填砂土，形成实验用土体，装填到第一个测量平面时，进行传感器26的铺设并通过引线孔28引出筒体1，用环氧树脂29对引线孔28进行密封，第一个测量平面上的传感器26铺设完成后继续装填砂土，直至三个测量平面的传感器26全部铺设完成且砂土刚好填至带孔隔圈16的上缘；

(3)将加压塞10水平放置在已装填好的砂土上，盖好上盖2，上紧螺栓13，上盖2与筒体1接触处通过密封圈8进行密封，将加压杆9穿过上盖2抵在加压塞10上，将注浆管6和冻结管7依次穿过上盖2和加压塞10插入装填好的砂土中，各孔均通过密封圈8和环氧树脂29进行密封；

(4)将渗流接头24分别接上高压注水装置4和高压出水装置5，将加压杆9与加压装置11连接，并安装位移计12，将注浆管6和冻结管7分别外接上相应的注浆系统和冻结系统，将传感器26的数据线接上数据显示器19。

本发明的实施例还公开一种利用上述试验装置进行水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验的方法，包括以下步骤：

(1)开启高压注水装置4和高压出水装置5，通过控制高压注水装置4的调压阀门405调节试验装置的内部水压，通过调节高压出水装置5的调压阀门505调节土体中水的渗流速度，通过加压系统对试验装置内部的土体施加竖向应力直至竖向位移保持不变；

(2)开启冻结系统，进行水热力三场耦合作用下土体的冻结试验，通过传感器26记录试验装置内部的温度和水压，稳定加压系统的压力，记录冻结过程中土体的竖向位移；

(3)停止冻结系统，让试验装置内部的土体自然升温或者解冻，进行融沉试验，记录融沉过程中土体的竖向位移。

(4)在融沉试验过程中开启注浆系统，进行注浆试验，记录注浆过程中试验装置内部的温度和注浆压力。“融沉试验过程中开启注浆系统”即停止冻结后，立即进行注浆试验。

在本步骤中，融沉过程中注浆的土体还未完全解冻。

或者，

待融沉试验结束后，开启注浆系统，进行注浆试验，记录注浆过程中试验装置内部的温度和注浆压力。

在本步骤中，融沉完成后注浆的土体已经完全解冻。

上述两种注浆试验的差异主要是根据注浆的土体的力学性能不同，两种注浆试验分别模拟解冻期和完全解冻后的土体注浆。进一步为井壁施工期和井壁投产后的注浆修复提供依据。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明实施例提供的水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置与方法填补了目前尚无考虑冻结扰动后土体注浆效果和性能的试验装置和方法的空白，既可以实现水热力(即渗流-温度-应力)三场耦合下土体的冻结和融沉过程中温度场和应力场等参数分布情况的研究，进一步可分析出三场耦合下冻结壁交圈与融化规律，又可以实现三场耦合作用下土体冻结融沉扰动后的注浆效果的研究。

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

Claims (10)

1.一种水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置，其特征在于，所述试验装置包括高压容器、加压系统、高压注水装置和高压出水装置，其中：

所述高压容器包括筒体、上盖和底盖，所述上盖和底盖分别覆盖所述筒体的两端部，所述筒体的内部用于容纳需要冻结与注浆的土体，所述上盖开有多个孔，分别供所述加压系统、注浆管和冻结管进入所述筒体的内部，所述注浆管外连注浆系统，所述冻结管外连冻结系统；

所述加压系统包括加压装置、加压杆和加压塞，所述加压装置位于所述筒体的外部，所述加压杆的上端与所述加压装置连接，所述加压杆的下端与所述加压塞连接，所述加压塞位于所述筒体的内部并覆盖所述筒体的整个横截面；

所述筒体的上部和下部均安装有一个渗流接头，位于所述筒体上部的所述渗流接头在所述筒体外的部分连接于所述高压注水装置、在所述筒体内的部分连接有供水板，位于所述筒体下部的所述渗流接头在所述筒体外的部分连接于所述高压出水装置；

所述土体的内部埋设有传感器，所述传感器通过数据线经设置在所述筒体上的引线孔引出所述筒体。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述高压容器为圆柱体，所述上盖为中部较厚外周较薄的圆盘，所述上盖的圆心处设置有一个加压杆孔，所述加压杆孔供所述加压杆穿过，由所述加压杆孔沿所述上盖的半径向外依次分布有两圈孔，两圈所述孔中的内圈孔为注浆管孔、外圈孔为冻结管孔；

优选地，在所述加压杆的上端还安装有位移计；

优选地，所述上盖的外周开有多个螺栓孔，所述筒体的上端部向筒外延伸形成凸台，所述凸台上也开有多个螺栓孔，螺栓依次穿过所述外周和所述凸台的螺栓孔将所述上盖与所述筒体固定；

优选地，每个所述孔及所述上盖与所述筒体的接触处均通过密封圈进行密封，且每个所述孔在所述筒体和所述上盖的表面处使用环氧树脂进行二次密封；

优选地，所述底盖为等厚度圆盘，所述底盖与所述筒体焊接密封。

3.根据权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于，所述底盖的上端部设置有一圈底盖凹槽，所述底盖凹槽用于放置可压缩垫圈，所述可压缩垫圈的上端连接带孔隔圈的下端，所述带孔隔圈的上端连接所述加压塞；

优选地，所述带孔隔圈上均匀的开有多个圆孔，所述可压缩垫圈的厚度大于所述带孔隔圈的厚度；

所述传感器均设置在所述带孔隔圈的内侧，所述传感器沿竖直方向分别组成三个测量平面；

优选地，所述传感器在一个所述测量平面上呈45°米字形分布，即每一个圆周上均匀分布有八个所述传感器，所述传感器在一个所述测量平面上共设置有三十二个，并均匀分布在四个圆周上，即由所述带孔隔圈的圆心引出的每个半径上均匀分布有四个所述传感器；

优选地，所述传感器通过数据线经引线孔引出所述筒体，所述数据线在所述筒体外的部分连接有数据显示器。

4.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述加压塞上分布有与所述上盖相对应的注浆管孔和冻结管孔，以便所述注浆管和所述冻结管穿过所述加压塞，所述注浆管和所述冻结管与所述加压塞的接触处通过密封圈密封。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述高压注水装置包括空气压缩机和储水容器，所述空气压缩机通过供压管路与所述储水容器连接，所述供压管路上安装有调压阀门，所述储水容器上安装有压力表，所述储水容器通过供水管路与位于所述筒体上部的所述渗流接头在筒体外的部分连接；

优选地，在所述供水管路上且与所述渗流接头连接的端部设置有固定端头和固定螺帽，所述固定螺帽的一端的内径与所述供水管路的外径相同，所述固定螺帽的另一端的内径与所述固定端头的外径相同，所述渗流接头上制有外螺纹，所述固定螺帽与所述渗流接头螺纹连接并放置密封垫圈进行密封。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述高压出水装置包括空气压缩机和储水容器，所述空气压缩机通过供压管路与所述储水容器连接，所述供压管路上安装有调压阀门，所述储水容器上安装有压力表，所述储水容器通过出水管路与位于所述筒体下部的所述渗流接头在筒体外的部分连接；

优选地，在所述出水管路上且与所述渗流接头连接的端部设置有固定端头和固定螺帽，所述固定螺帽的一端的内径与所述出水管路的外径相同，所述固定螺帽的另一端的内径与所述固定端头的外径相同，所述渗流接头上制有外螺纹，所述固定螺帽与所述渗流接头螺纹连接并放置密封垫圈进行密封；

优选地，位于所述筒体下部的所述渗流接头在筒体内的部分连接有出水口过滤筛网。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述供水板上纵横分布有供水板凹槽，在所述供水板的靠近所述筒体侧壁方向的侧面的上端部连接有固定端头和固定螺帽，所述固定螺帽的一端的内径与所述供水板的入口处的外径相同，所述固定螺帽的另一端的内径与所述固定端头的外径相同，所述渗流接头上制有外螺纹，所述固定螺帽与所述渗流接头在筒体内的部分螺纹连接并放置密封垫圈进行密封；

优选地，在所述供水板的靠近所述筒体中心方向的侧面上放置有供水过滤筛网。

8.利用权利要求1至7中的任一项所述的试验装置进行水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)开启所述高压注水装置和所述高压出水装置，通过控制所述高压注水装置的所述调压阀门调节所述试验装置的内部水压，通过调节所述高压出水装置的调压阀门调节所述土体中水的渗流速度，通过所述加压系统对所述试验装置内部的土体施加竖向应力，直至竖向位移保持不变；

(2)开启所述冻结系统，进行水热力三场耦合作用下所述土体的冻结试验，通过所述传感器记录所述试验装置内部的温度和水压，稳定所述加压系统的压力，记录冻结过程中所述土体的竖向位移；

(3)停止所述冻结系统，让所述试验装置内部的所述土体自然降温，进行融沉试验，记录融沉过程中所述土体的竖向位移。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，在所述融沉试验过程中开启所述注浆系统，进行注浆试验，记录注浆过程中所述试验装置内部的温度和注浆压力。

10.根据权利要求8所述方法，其特征在于，待所述融沉试验结束后，开启所述注浆系统，进行注浆试验，记录注浆过程中所述试验装置内部的温度和注浆压力。