CN107121371B - 一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统及方法，包括动力装置、承压储浆桶、注浆管路和注浆试验装置，其中，所述动力装置向承压储浆桶施加压力，使得承压储浆桶内的浆液通过注浆管路输送至注浆试验装置；注浆实验装置包括实验架，实验架具有一承载被注介质的容纳空间，所述容纳空间上端具有注浆口，下端设置有排浆口，以测试压入的浆液在被注介质的渗透过程。本发明通过装配式的装置设计，从而以较小的经费、时间及劳动力投入，进行砂层渗透性注浆性能的模拟试验，便于取得较为理想的效果。

Description

一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统及方法。

背景技术

注浆法系将具有凝结能力的浆液注入松散地层或软弱破碎围岩中以填充、渗透、压密等方式挤走空气或水分，待浆液凝结后使被加固体形成一个抗渗性能较好，强度较高的整体，以达到堵水并加固岩体或土体的目的。

其中针对渗透注浆理论，我国学者开展了一系列的大型模型试验研究工作，获得了一定的经验及成果，然而盲目地追求大型模型试验一方面增加了影响实验结果的各种不利因素引入的可能性，同时试验装置的可重复性差，试验周期长，不便于进行大批次试验组的开展，另外也造成了资源及人力不必要的浪费。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统及方法，本发明通过装配式的装置设计，从而以较小的经费、时间及劳动力投入，进行砂层渗透性注浆性能的模拟试验，便于取得较为理想的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统，包括动力装置、承压储浆桶、注浆管路和注浆试验装置，其中，所述动力装置向承压储浆桶施加压力，使得承压储浆桶内的浆液通过注浆管路输送至注浆试验装置；

所述注浆实验装置包括实验架，所述实验架具有一承载被注介质的容纳空间，所述容纳空间上端具有注浆口，下端设置有排浆口，以测试压入的浆液在被注介质的渗透过程。

进一步的，所述动力装置包括储气瓶和高压管路，所述储气瓶通过高压管路连通于承压储浆桶的顶端，储气瓶向承压储浆桶内注射高压气体。

优选的，所述气体为氮气。

进一步的，所述储气瓶压力大于10MPa，瓶外设置气压调节阀控制输出气体压力。同时可辅以承压储浆桶上设置的控压填料阀门进行调控。

进一步的，所述承压储浆桶为具有高压管路连接口的封闭空间，其顶部布设有压力表。

进一步的，所述承压储浆桶采用钢制圆桶，储浆桶设置有可拆卸顶盖，顶盖与桶之间采用橡胶密封垫配合螺栓进行密封；承压储浆桶顶部中心开设高压管连接口，并对称布置压力表及控压填料阀门，储浆桶外侧设置球形阀门作为浆液出口。

进一步的，所述注浆管路包括设置于承压储浆桶底侧的若干主支路和每个主支路上连通的若干分支路。

各主支路管尾端通过三通连接浆液出口处设置的横向阀门所在支路，首端通过对丝三通相互连接，每两个分支路与一个主支路节段组成一单元，呈预制可拼装式，各单元由球形阀相互连接，可根据实际需要进行加装或拆卸以满足不同试验组的要求。通过注浆管路的灵活变化，一次试验可以连接多个注浆试验装置，进行不同的试样体的实验。

进一步的，所述注浆试验装置由顶盖、中部承压管和底盘三部件构成，顶盖的上方及底盘下方开口处均连接对丝及球形阀，顶盖及底盘内侧同时设置环形凹槽，以作为中部承压管的卡槽。

进一步的，所述中心承压管内部盛放待注浆砂样，砂样上方设置滤网，砂样下方设置透水石，砂样尺寸为标准试件尺寸；中心承压管上下表面均成内槽型，设置橡胶密封垫以保证装置的密封性，注浆装置各组件通过螺栓连接并紧固。

基于上述系统的工作方法，动力装置向承压储浆桶施加压力，使得承压储浆桶内的预调制的浆液通过注浆管路输送至注浆试验装置，直至浆液穿透注浆试验装置内部的试样体，记录注浆时间并进行养护，待养护完毕后，将浆液替换为清水，重复试验，记录渗透过程所需时间和水量，计算渗透系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、各注浆管路可根据试验安排进度批量化加工制作，成预制装配式；可根据同一批次所需进行的试验组数灵活控制注浆管工作段数，特别适合于各试验组由单一变量来区分的试验进行，实现多个试验组同一时刻或同一时段注浆，因此试验周期较短，试验效率高。

2、一套设备多种用途，各注浆试验装置中被注试样尺寸为标准试样尺寸，既可完成注浆模拟试验，又能进行后续的渗透性试验，所得试样亦可直接用于单轴抗压试验。同时该装置的卡槽及凹槽设计能够保证试验过程中的气密性达到要求。

3、设置多组球形阀门，便于试验的及时操作控制，便于排除注浆过程中由于管路中残余气体对试验效果的影响，便于进行较高输出压力的重新矫正，便于检查整个试验装置管路是否畅通，以保证试验的顺利进行。

4、整个试验系统采用模块化的组装方式，方便安装与拆卸,可重复性强。

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：渗透注浆模拟试验原理图；

图2：注浆试验装置剖视图；

图3：注浆试验装置上部顶盖及下部底盘平面图；

图4：注浆管路干路节段示意图；

图5：注浆管路支路末端示意图；

图6：承压储浆桶平面图；

图7：承压储浆桶剖面图；

1——注浆试验装置，2——支路注浆管路，3——干路注浆管路，4——承压储浆桶，5——高压软管，6——高压氮气瓶，7——钢制顶盖，8——钢制底盘，9——钢制承压管，10——螺杆，11——螺帽，12——4分对丝，13——球形阀门，14——活接，15——环形凹槽，16——橡胶制密封垫，17——注浆管路单元，18——三通，19——高压注浆管，20——进气口，21——压力表，22——M3内六角螺栓，23——环形橡胶密封垫圈。

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。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，试验装置由动力装置、承压储浆桶、注浆管路、注浆试验装置四部分构成。

注浆试验装置。注浆试验装置由顶部钢制顶盖、中部钢制承压管、底部钢制底盘三部分构成，顶盖与底盘均为圆盘状，中心开圆孔。顶盖上方及底盘下方开口处连接对丝及球形阀，该阀门能够保证注浆后缸筒内维持注浆过程中恒定的压力。为严密连接试验装置各部件，在顶盖及底盘内侧同时设置环形凹槽，以作为中部承压管的卡槽，方便与承压管紧密连接。中心钢制承压管内部盛放待注浆砂样，砂样上方设置滤网，防止松散的砂颗粒移动，砂样下方设置透水石，限制砂样的整体移动，同时为注浆过程中的自由水提供排泄通道。砂样尺寸为标准试件尺寸，便于进行后续的单轴抗压试验及渗透试验。钢制承压管上下表面均成内槽型，在与上顶盖、下底盘接触位置设置橡胶密封垫以保证装置的密封性，注浆装置各组件通过螺栓连接并紧固。注浆过程中浆液由上部顶盖进入砂层中，注浆过程中多余的水分通过下部底盘排出。

注浆管路。注浆管路由干路注浆管和支路注浆管装置构成，一般为每两个支路管联合一个干路节段组成一单元，成预制可拼装式，中间由球形阀连接，可根据同批次需要进行的实验组数进行单元的加装或拆卸，以满足不同目的的试验要求，可模拟不同工况试验组在一次注浆总量下的试验情况，提高试验效率。在各支路注浆管末端设置一个横向阀门，以便确定试验过程中有无管路堵塞情况，并且可以排出管中初始残留的空气以免影响实验结果。支路注浆管末端与试验装置通过活接连接。

承压储浆桶。承压储浆桶采用钢制圆桶，储浆桶设置有可拆卸顶盖，方便注浆结束后对桶内进行清理，顶盖与桶之间采用橡胶密封垫配合螺栓进行密封；承压储浆桶顶部与高压软管连接，顶盖部位对称布置压力表及控压填料阀门，方便浆液的填入，实时监测注浆压力以及进行桶内压力的微调整，从而保证流入试验架压力的稳定性及均匀性；储浆桶内下部为浆液，上部为氮气。试验时氮气瓶输出的空气压力转换为浆液压力，为注浆过程提供动力。

动力装置。动力装置采用压缩氮气瓶提供注浆动力，压缩氮气瓶为已有装置，其中所储存的氮气压力大于10MPa，瓶外设置气压调节阀控制输出氮气压力，其输出压力最大可达到3MPa，而对于其中任意度量的压力都能进行较为精确的输出，同时对于超过需要的压力值可辅以储浆桶上的控压填料阀门进行调控。

一种渗透注浆室内模拟试验系统试验方法，包括以下步骤：

(1)组装注浆试验装置。将钢制承压管底部放入透水石，透水石的作用体现在两个方面，一方面限制砂样的整体移动，另一方面为注浆过程中的自由水提供排泄通道。后布置橡胶圈与下部钢制底盘连接。根据试验所需的颗粒级配，密实度等指标所确定的填筑每个承压管模具钢管(直径5cm，高10cm)所需的级配砂及粘性土的用量，填料，分层压实。之后在填料顶部放置滤网，防止松散的砂颗粒移动。最后，钢质承压管顶部铺设橡胶垫，并与上顶板紧密连接，由螺杆将钢制承压管与上顶盖、下底盘连接并紧固。底盖下部阀门保持打开状态。顶盖上部暂时处于关闭状态。将组装好的注浆试验装置放置于试验台架上。

(2)接连注浆管路与各注浆试验装置。根据实际需求确定注浆管路单元节数，并依次连接各节段。然后依顺序将注浆管路与各注浆试验装置通过活接紧密连接，并将各注浆管末端阀门打开。完成后将防护篷布包裹于试验架侧壁。

(3)将注浆桶盖与桶体通过六角螺栓连接，在连接处设置橡胶垫。

(4)将注浆支路管路首端与储浆桶通过活接紧密连接，并关闭注浆桶底部阀门。

(5)根据试验需要，调制一定水灰比的水泥浆液。待浆液充分搅拌后，将浆液由填料阀门通过漏斗引入储浆桶内。

(6)关闭填料阀门，将储浆桶与氮气瓶通过高压软管连接，并确定其气密性满足要求。完成试验前各部件的连接工作。

(7)根据试验需要确定注浆管干路段上所需打开的阀门数。(如12号试件需要压力0.5MPa，34号试件需要压力1MPa，则应先关闭2号与3号之间的阀门，继续升压稳定后再打开)

(8)打开氮气瓶，使其提供的气压进入储浆桶。

(9)待注浆桶顶部压力表显示气压稳定于所需值时，打开注浆桶底部阀门，使浆液流入各实验装置内，观察各注浆管尾部阀门出浆后立即关闭该阀门。

(10)观察各试验装置底部阀门，有水滴出时即表明浆液已传统整个试样体，关闭注浆装置下方阀门，并开始记录时间。

(11)根据试验要求依次完成同批次其他试验装置的注浆过程。

(12)待达到要求的注浆时间，即关闭各注浆装置上方阀门，注浆过程结束。

(13)模拟试验结束，进行各连接件的拆卸工作。各注浆试验装置保持密闭状态放入养护箱中养护。

(14)渗透试验：待养护到额定天数后，取出各试验装置，并拆卸各装置的顶盖及底盘部分，疏通并清洗上下阀门后，与中心管重新连接。

(15)向注浆桶内注入清水，重新将各部件依次连接完整。在各试件的试验装置下放置量筒。

(15)打开氮气阀门，待储浆桶内压力为1MPa时保持稳定，打开各分流管路阀门及各注浆装置上下阀门。

(16)打开储浆桶底部阀门，待各注浆试验装置底部阀门水滴均匀后开始记录时间和水量。

(17)计算渗透系数，完成渗透试验。

(18)单轴抗压试验：将试件完整脱模，即得单轴抗压试验标准试样。

(19)在压力机上进行抗压试验，并绘制应力-应变曲线及应力-时间曲线，完成抗压试验。

本发明中的氮气瓶为现有设备，在此不再赘述。

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 (6)

1.一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统，其特征是：包括动力装置、承压储浆桶、注浆管路和注浆试验装置，其中，所述动力装置向承压储浆桶施加压力，使得承压储浆桶内的浆液通过注浆管路输送至注浆试验装置；

所述注浆试验装置包括实验架，所述实验架具有一承载被注介质的容纳空间，所述容纳空间上端具有注浆口，下端设置有排浆口，以测试压入的浆液在被注介质的渗透过程；

所述动力装置包括储气瓶和高压管路，所述储气瓶通过高压管路连通于承压储浆桶的顶端，储气瓶向承压储浆桶内注射高压气体；

所述注浆管路包括设置于承压储浆桶底侧的若干主支路和每个主支路上连通的若干分支路；各主支路管尾端通过三通连接浆液出口处设置的横向阀门所在支路，首端通过对丝三通相互连接，每两个分支路与一个主支路节段组成一单元，呈预制可拼装式，各单元由球形阀相互连接；所述分支路注浆管末端与注浆试验装置通过活接连接；

所述注浆试验装置由顶盖、中部承压管和底盘三部件构成，顶盖的上方及底盘下方开口处均连接对丝及球形阀，顶盖及底盘内侧同时设置环形凹槽，以作为中部承压管的卡槽；

所述中部承压管内部盛放待注浆砂样，砂样上方设置滤网，砂样下方设置透水石，砂样尺寸为标准试件尺寸；中部承压管上下表面均成内槽型，设置橡胶密封垫以保证装置的密封性，注浆试验装置各组件通过螺栓连接并紧固。

2.如权利要求1所述的一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统，其特征是：所述高压气体为氮气。

3.如权利要求1所述的一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统，其特征是：所述储气瓶压力大于10MPa，瓶外设置气压调节阀控制输出气体压力。

4.如权利要求1所述的一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统，其特征是：所述承压储浆桶为具有高压管路连接口的封闭空间，其顶部布设有压力表。

5.如权利要求1所述的一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统，其特征是：所述承压储浆桶采用钢制圆桶，储浆桶设置有可拆卸顶盖，顶盖与桶之间采用橡胶密封垫配合螺栓进行密封；承压储浆桶顶部中心开设高压管连接口，并对称布置压力表及控压填料阀门，储浆桶外侧设置球形阀门作为浆液出口。

6.基于如权利要求1所述的系统的工作方法，其特征是：动力装置向承压储浆桶施加压力，使得承压储浆桶内的预调制的浆液通过注浆管路输送至注浆试验装置，直至浆液穿透注浆试验装置内部的试样体，记录注浆时间并进行养护，待养护完毕后，将浆液替换为清水，重复试验，记录渗透过程所需时间和水量，计算渗透系统。

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