CN108204935A - 表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置和实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置和实验方法，包括内部分段填装有不同粒径的充填介质的实验管，所述实验管一端通过注浆管道与注浆设备系统连通，另一端通过导流管连接渗滤液收集杯；不同粒径充填介质所在的实验管上分别设有测试点，所述测试点设有可打开的取样管，用于对实验管内部的充填介质取样测定孔隙度；所述测试点还连通设有三通管，所述三通管一端连通实验管内腔，一端设置压力传感器，一端通过集流阀连通至分段渗滤液收集杯。本发明是一种通过控制注浆参数(注浆压力、浆液粘度、注浆时间)，测定渗滤液的特性、充填介质的孔隙度和各测点的扩散压力来研究浆液在多孔隙介质扩散过程中压力变化微观机理的实验装置和实验方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置和实验方法。
背景技术
近年来，我国的高速公路迅猛发展，截止到2013年12月，我国高速公路总里程已突破10万公里。然而在高速公路高速发展的同时，高速公路上的工程灾害也在不断涌现，如路基变形，路基沉陷以及坍塌等不良现象。传统的公路路面找平处治方式没有从源头上根除工程灾害；路基开挖治理方式，虽然可以从根本上解决路基灾害问题，但是成本消耗过高。由此看来注浆技术是处理高速公路工程灾害的最具有优势的治理方法。
浆液在多孔介质扩散过程中，由于注浆工程的隐蔽性，很难通过其他注浆参数来衡量注浆效果的好坏，目前最常用的是通过注浆源头的注浆压力和注浆量的大小来度量浆液充填的效果。这主要是由于随着浆液不断被充填到多孔介质中，会造成多孔介质的孔隙度减小，从而使得多孔介质的孔隙无法容纳后续源源不断的浆液，而外界注浆泵具有恒定的功率(提供恒定注浆流量)，此时注浆泵处的压力会逐渐升高。但是注浆压力增加到什么程度才对应最佳的注浆效果难以确定。
在工程实践中，一般根据经验来确定注浆结束时的注浆压力，一般取值为0.5MPa-1MPa。这使得注浆结束压力和注浆量没有具体的评判标准，使得注浆效果的评定具有很大的不确定性。若注浆结束压力设定值较小，会使得浆液扩散不到所需加固的区域或者加固强度不够；若注浆结束压力设定值过大，会使得土体应变过大，从而使得土体新产生的裂隙与原有的裂隙连通，造成浆液沿着原有的裂隙向不需要加固的地方流动，这在一定程度会造成不必要的浪费以及环境污染。因此，研究在不同注浆参数下浆液在多孔介质中扩散压力变化的微观机理对注浆理论的发展具有重大的意义，也会给注浆工程设计提供技术支撑。
然而，由于多孔介质的滤过效应和水泥浆液流体特性的影响，使得浆液扩散压力的变化规律变得更复杂。为此，大量学者对此开展了研究，如申请号为200610021638.9的中国专利文件公开的一种注浆扩散测试装置，申请号为201410805907.5的中国专利文件公开的一种岩土体中注浆浆液扩散范围测控方法，但是这些方法均不能从渗滤液流体特性和孔隙介质的结构特征方面体现浆液扩散压力演变的微观机理。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种通过测定注浆参数(注浆压力、浆液粘度、注浆时间)下，渗滤液粘度、试样的孔隙度以及不同点的扩散压力来研究在注浆过程中浆液扩散压力变化的微观机理，从而实现从微观角度来表征浆液扩散压力变化微观机理的实验装置和实验方法。
本发明采用如下技术方案实现：
表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置，包括内部分段填装有不同粒径的充填介质9的实验管3，所述实验管3一端通过注浆管道13与注浆设备系统11连通，另一端通过导流管15连接渗滤液收集杯6；
不同粒径充填介质所在的实验管3上分别设有测试点300，所述测试点300设有可打开的取样管16，用于对实验管内部的充填介质取样测定孔隙度；
所述测试点300还连通设有三通管17，所述三通管17一端连通实验管3内腔，一端设置压力传感器4，一端通过集流阀5连通至分段渗滤液收集杯6’。
进一步的，所述实验管3由若干段同轴的不锈钢筒拼接，每段不锈钢筒内填装同粒径分布的充填介质9，相邻不锈钢筒之间通过法兰1和封闭套环8密封固定，两端的不锈钢筒通过具有连接管口的法兰盘1’密封，并通过连接管口分别连接至注浆管道13和导流管15。
进一步的，所述测试点300分别设置在每段不锈钢筒的中间位置。
进一步的，所述实验管3和导流管15之间设置过滤网7。
进一步的，所述注浆管道13上设有截止阀10。
进一步的，所述取样管16通过螺纹连接实验管，且取样管16的管口设有螺塞14。
在本发明的实验装置中，所述实验管3内部设置有连续的凹凸结构302。
本发明还公开了采用上述表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置进行实验的方法，包括如下步骤：
步骤一：配置不同粘度的浆液，组配不同粒径分布的多孔隙介质作为充填介质9，然后将充填介质9分段装填到实验管3内，并将实验管3两端分别连接注浆设备系统11和渗滤液收集杯6；
步骤二：当注浆设备系统11的压力桶中的压力达到设定压力时，开启注浆管道13上的截止阀10；
步骤三：浆液在充填介质9中发生流动，隔一段时间T利用压力传感器(4)测得各测试点的扩散压力，同时在集流阀5处利用分段渗滤液收集杯6’收集各测试点的渗滤液并利用粘度计测试浆液粘度，接着打开取样管16对充填介质进行取样，测定对应测试点的充填介质孔隙度；
步骤四：重新更换充填介质并重复步骤一至步骤三，其中步骤三的测试时间应当逐步超过T，直至在设定的若干时段内，各测试点的扩散压力、浆液粘度以及充填介质孔隙度收集完毕；
步骤五：通过分析渗滤液的粘度和各个测试点的充填介质孔隙的变化特征，分析各测试点扩散压力演变的微观机理。
进一步的，所述充填介质9按照质量分维数原理组配成不同粒径分布的多孔隙介质。本发明的质量分维数原理具体按照如下公式进行组配充填介质：
其中，是组成孔隙介质颗粒粒径小于的质量，MT是组成孔隙介质颗粒的总质量，是第i种颗粒的平均粒径，是组成多孔介质中最大颗粒的平均粒径，Dm是多孔介质的质量分形维数。
进一步的，步骤一中实验管3的分段装填充填介质的步骤如下：将位于实验管3末端的不锈钢筒末端通过法兰盘1’封闭，然后放置滤孔直径不超过充填介质的过滤网7，填充该段不锈钢筒对应的充填介质；接着通过法兰1和封闭套环8连接相邻的不锈钢筒，然后在连接的该段不锈钢筒填充对应的充填介质，直至所有不锈钢筒全部组装并填装充填介质完毕，接着将最后连接的不锈钢筒端部通过法兰盘1’封闭并固定，从而完成多孔隙的充填介质分段密封装填，最后连接实验管两端以及各个不锈钢筒测试点的管道。
本发明采用上述技术方案的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置和方法，其有益效果是：通过测定多种注浆参数(恒压、恒流、浆液粘度和注浆时间)下、不同时空条件内的渗滤液的特性、充填介质的孔隙度和各测点的扩散压力，实现研究浆液在扩散过程中压力变化的微观机理，填补了这类实验技术的空白，从而为注浆工程设计提供技术支撑。
综上所述，本发明是一种通过测定注浆参数(注浆压力、浆液粘度、注浆时间)下，渗滤液的特性和充填介质的孔隙度和各测点的扩散压力来研究浆液在扩散过程中压力变化微观机理的实验装置和实验方法。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为实施例中的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置结构示意图。
图2为实施例中的测试点结构示意图。
图3为实施例中的实验管内部结构示意图。
图4a、4b、4c、4d为实施例在进行注浆实验过程中浆液粘度，多孔介质的孔隙度以及浆液的扩散压力随注浆距离的变化规律。
图中标号：1-法兰，1’-法兰盘，2-螺栓，3-实验管，300-测试点，302-凹凸结构，4-压力传感器，5-集流阀，6-渗滤液收集杯，6’-分段渗滤液收集杯，7-过滤网，8-封闭套环，9-充填介质，10-截止阀，11-注浆设备系统，12-渗滤液，13-注浆管道，14-螺塞，15-导流管，16-取样管，17-三通管。
具体实施方式
实施例
参见图1，图示中的实验装置为本发明用于表征注浆过程中扩散压力微观机理实验的优选方案，具体包括实验管3、注浆设备系统11以及设置在实验管3连接的若干浆液扩散实验测试系统。
其中实验管3由六个不锈钢筒拼接而成，六个不锈钢桶之间同轴固定拼接，每个不锈钢筒内分别填装不同粒径的充填介质9，拼接成整体后的实验管3首端连接注浆管道13，并通过注浆管道13与注浆设备系统11连通，提供注浆扩散实验的浆液；实验管3的末端连接导流管15，通过导流管15与渗滤液收集杯6连通，使得渗滤液12能够通过充填介质9，保证浆液在实验管3内的充填介质之间的顺利流通。
注浆设备系统11采用现有的注浆设备，本实施例在此不对其结构进行赘述，在注浆管道13上设有截止阀10，截止阀10在注浆设备系统注浆开始前关闭，当注浆设备系统11的压力桶中的压力达到所设定的压力时，打开截止阀10，将达到压力的浆液注入实验管3内部进行实验。
不锈钢筒的两端分别设置有法兰结构，通过法兰结构进行对接。相邻不锈钢筒之间通过法兰1和螺栓固定连接，端部的不锈钢筒两端法兰通过法兰盘1’和螺栓2封闭并固定，法兰1之间、法兰1和法兰盘1’之间设置封闭套环8进行密封。在法兰盘1’上设置连接管口，分别用于连接注浆管道13和导流管15。
实验管3末端的法兰盘1’的内侧设有防止充填介质通过的过滤网7，过滤网7的网孔直径小于末端不锈钢筒内填装的充填介质粒径，避免小颗粒的充填介质9通过导流管15随渗滤液一起流出。
为了提高充填介质9在实验管3内部的摩擦力，本实施例将不锈钢筒的内壁加工设置连续的凹凸结构302，提高充填介质在不锈钢筒内部的稳定性。
六个不锈钢筒的中间位置上均设有测试点300，分别对应不同不锈钢筒内部进行取样测试。具体的测试包括对实验管内部的渗滤液扩散压力、渗滤液导流收集以及对充填介质的孔隙度取样。
其中，测试点300所在位置的一侧开孔并设置可打开的取样管16，取样管16的端部设有内螺纹，在实验注浆过程中通过在取样管16端部螺接螺塞14进行封闭，螺塞14采用不锈钢材质，在外圈设有与取样管16的内螺纹匹配的外螺纹，取样时，将螺塞14打开，通过取样管16连接的实验管进行取样。
测试点300的另一侧开孔连接设置三通管17，三通管17的一端与不锈钢筒的内腔连通，一端设置压力传感器4，通过压力传感器4检测该段不锈钢筒内部充填介质的渗滤液扩散压力，三通管17的另一端设置集流阀5，通过集流阀5连通分段渗滤液收集杯6’，对该段不锈钢筒内部充填介质的渗滤液收集，并最终对渗滤液的粘度进行检测。实验管3的末端连接的导流管15上也可设置集流阀进行渗滤液12的收集。
以下对本实施例的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置进行实验的方法，具体包括如下步骤：
步骤一：配置不同粘度的水泥浆液，按照质量分维数原理组配成不同粒径分布的多孔隙介质作为充填介质9，然后将充填介质9分段装填到实验管3的每段不锈钢筒内，并将实验管3两端分别连接注浆设备系统11和渗滤液收集杯6；
实验管3的分段装填充填介质的方法如下：将位于实验管3末端的不锈钢筒末端通过法兰盘1’封闭，然后放置滤孔直径不超过充填介质的过滤网7，填充该段不锈钢筒对应的充填介质；接着通过法兰1和封闭套环8连接相邻的不锈钢筒，然后在连接的该段不锈钢筒填充对应的充填介质，直至所有不锈钢筒全部组装并填装充填介质完毕，接着将最后连接的不锈钢筒端部通过法兰盘1’封闭并固定，从而完成多孔隙的充填介质分段密封装填，最后连接实验管两端以及各个不锈钢筒测试点的管道。
步骤二：当注浆设备系统11的压力桶中的压力达到设定压力时，开启注浆管道13上的截止阀10，浆液扩散压力测定实验开始；
步骤三：水泥浆液在充填介质9中发生流动，隔一段时间T利用压力传感器4测得各测试点的扩散压力，同时在集流阀5处利用分段渗滤液收集杯6’收集各测试点的渗滤液并利用粘度计测试浆液粘度，同时打开取样管16的螺塞14，通过取样管16对充填介质进行取样，测定对应测试点的充填介质孔隙度；
步骤四：由于测试孔隙度导致实验管内压力变化，应当重新充填介质并重复步骤一至步骤三，每次步骤一的充填介质组配应当保持一致，其中每次步骤三的测试时间应当逐步超过前次实验步骤三中的时间T，直至在设定的若干时段内，各测试点的扩散压力、浆液粘度以及充填介质孔隙度收集完毕；
步骤五：通过分析渗滤液的粘度和各个测试点的充填介质孔隙的变化特征，分析各测试点扩散压力演变的微观机理。
本实施例根据上述步骤，装配六段实验管3组成附图1所示的浆液扩散装置，设定注浆压力为0.8MPa，配置一定粘度的浆液，对质量分形维数分别为1.5，1.7，1.9，2.1和2.3的充填介质9组配后，对每超过10s进行一次进行恒压力注浆实验，即每次实验的时间段按照公差为10s的等差数列分布，并分别在各个时间段的实验最后打开各测试点300的集流阀5，并记录压力传感器4监测的压力示数和取样的孔隙度。
由于记载次数过多，本实施例这里限于篇幅仅展示部分数据实验数据。其中，
图4a为在不同时刻下各测点浆液的粘度随扩散距离的变化规律，由图4a可知，注浆初期，浆液粘度随扩散距离的增加基本无变化，而注浆后期，浆液的粘度随注浆距离的增加呈现先快速下降后趋向于零的趋势；
图4b为不同质量分维数下(不同多孔介质下)浆液的粘度随扩散距离的变化规律，由图4b可以得出，在小质量分维数(1.5)下，浆液的粘度随着扩散距离的增加变化较小，而在质量分维数较大时，浆液的粘度随着注浆距离的增加呈现先迅速下降后趋向于零的趋势；
图4c为在不同时刻下各测点孔隙度随扩散距离的变化规律，由图4c可知，在注浆初期，各测点的孔隙度随着扩散距离的增加无明显变化，随着注浆过程的持续进行，靠近注浆口处测试点的孔隙度迅速下降，而离注浆口较远测试点的孔隙度基本无变化；
图4d为不同时刻下浆液的扩散压力随扩散距离的变化规律，由图4d可以看出，在注浆初期，浆液的扩散压力随着扩散距离的增加呈现缓慢下降的趋势，而在注浆后期，浆液的扩散压力随着扩散距离的增加呈现先迅速下降后趋向于零的趋势。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：所属领域技术人员应该明白，在不脱离本发明原理的前提下，本领域的技术人员不需要创造性做出的若干改进和润饰，这些改进和润饰仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置，其特征在于：包括内部分段填装有不同粒径的充填介质(9)的实验管(3)，所述实验管(3)一端通过注浆管道(13)与注浆设备系统(11)连通，另一端通过导流管(15)连接渗滤液收集杯(6)；
不同粒径充填介质所在的实验管(3)上分别设有测试点(300)，所述测试点(300)设有可打开的取样管(16)，用于对实验管内部的充填介质取样测定孔隙度；
所述测试点(300)还连通设有三通管(17)，所述三通管(17)一端连通实验管(3)内腔，一端设置压力传感器(4)，一端通过集流阀(5)连通至分段渗滤液收集杯(6’)。
2.根据权利要求1所述的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置，所述实验管(3)由若干段同轴的不锈钢筒拼接，每段不锈钢筒内填装同粒径分布的充填介质(9)，相邻不锈钢筒之间通过法兰(1)和封闭套环(8)密封固定，两端的不锈钢筒通过具有连接管口的法兰盘(1’)密封，并通过连接管口分别连接至注浆管道(13)和导流管(15)。
3.根据权利要求2所述的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置，所述测试点(300)分别设置在每段不锈钢筒的中间位置。
4.根据权利要求1所述的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置，所述实验管(3)和导流管(15)之间设置过滤网(7)。
5.根据权利要求1所述的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置，所述注浆管道(13)上设有截止阀(10)。
6.根据权利要求1所述的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置，所述取样管(16)通过螺纹连接实验管，且取样管(16)的管口设有螺塞(14)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验装置，所述实验管(3)内部设置有连续的凹凸结构(302)。
8.表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验方法，其特征在于：采用权利要求1-6中任一项所述的实验装置，包括如下步骤：
步骤一：配置不同粘度的浆液，组配不同粒径分布的多孔隙介质作为充填介质(9)，然后将充填介质(9)分段装填到实验管(3)内，并将实验管(3)两端分别连接注浆设备系统(11)和渗滤液收集杯(6)；
步骤二：当注浆设备系统(11)的压力桶中的压力达到设定压力时，开启注浆管道(13)上的截止阀(10)；
步骤三：浆液在充填介质(9)中发生流动，隔一段时间T利用压力传感器(4)测得各测试点的扩散压力，同时在集流阀(5)处利用分段渗滤液收集杯(6’)收集各测试点的渗滤液并利用粘度计测试浆液粘度，接着打开取样管(16)对充填介质进行取样，测定对应测试点的充填介质孔隙度；
步骤四：重新更换充填介质并重复步骤一至步骤三，其中步骤三的测试时间逐步超过T，直至在设定的若干时段内，各测试点的扩散压力、浆液粘度以及充填介质孔隙度收集完毕；
步骤五：通过分析渗滤液的粘度和各个测试点的充填介质孔隙的变化特征，分析各测试点扩散压力演变的微观机理。
9.根据权利要求7所述的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验方法，所述充填介质(9)按照质量分维数原理组配成不同粒径分布的多孔隙介质。
10.根据权利要求7所述的表征注浆过程中扩散压力微观机理的实验方法，步骤一中实验管(3)的分段装填充填介质的步骤如下：将位于实验管(3)末端的不锈钢筒末端通过法兰盘(1’)封闭，然后放置滤孔直径不超过充填介质的过滤网(7)，填充该段不锈钢筒对应的充填介质；接着通过法兰(1)和封闭套环(8)连接相邻的不锈钢筒，然后在连接的该段不锈钢筒填充对应的充填介质，直至所有不锈钢筒全部组装并填装充填介质完毕，接着将最后连接的不锈钢筒端部通过法兰盘(1’)封闭并固定，从而完成多孔隙的充填介质分段密封装填，最后连接实验管两端以及各个不锈钢筒测试点的管道。
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