CN109975177B - 一种水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验装置，包括受灌体、围压荷载控制系统、渗流水压加载控制系统、注浆控制系统、数据采集系统和废液回收箱；所述受灌体可转动设置且在内部设有工程地质力学模型，所述受灌体包括用于压紧模型的活动盖板、用于连接渗流水压加载控制系统和废液回收箱的渗流水进出口、用于连接注浆控制系统的注浆口，所述围压荷载控制系统与活动盖板联动设置，所述数据采集系统包括设置在模型内的多个压力传感器、多个水压及流量传感器以及与各个传感器连接的数据收集器；本发明还提供了一种利用上述装置进行模拟试验的方法。本发明适用于对复杂渗水条件下注浆扩散形态的规律性研究，适用范围广，模拟效果更贴近实际。
Description
技术领域
本发明涉及地质工程养护技术领域，特别地，涉及一种水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验装置及方法，能较好地模拟注浆浆液在有节理的、破碎的围岩体地层中面对不同地下水流向时的扩散形态。
背景技术
在地质工程的建设过程中，经常面临围岩裂隙渗水的情况，为了解决这一问题，我们通常在裂隙处采用注浆加固技术以实现有效堵水。近年来，注浆加固技术由于具备施工方便、技术可行、社会效益好等优点，在地质工程建设中得到了广泛的应用。注浆加固技术可实现非开挖、无障碍、全天候施工，作业效率高，注浆工艺成熟，对周围结构影响小，避免了传统补漏重建作业对地质结构扰动大、耗时长等缺点，具有极高的社会经济价值。
但由于注浆作业具有隐蔽性，目前尚缺乏有效手段来检测并反馈浆液的扩散形态及分布状况，因此很难直接对注浆效果进行有效且直观的评价，从而导致这一方面的理论研究滞后于工程应用，尤其是缺乏在地下水丰富且地层围岩复杂的施工环境下，对不同地下水流向影响最终注浆加固效果的分析和系统性研究，难以有效指导施工。
事实上，注浆浆液在复杂渗水情况下的扩散形态的规律仍未研究清楚。地层的渗流水情况分为多种，其中以隧道施工为例，按水体的流动方向可分为沿隧道长度方向的水流、垂直于隧道长度方向的水流以及其他方向的水流。目前，国内外对于动水条件下注浆试验的模拟装置及模拟方法均存在一定局限性，大多数只适用于某一类简单渗流水体系的研究，而真实情况下的渗流水体系更为复杂，涉及到围岩应力、不同渗流水与注浆口间的角度及方位、各渗流水的流量及压力等因素。
综上所述，业内需要一种可模拟不同角度及方向的地下水对于水平注浆口浆液扩散形态影响的试验平台。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不同地下水流向中水平注浆口注浆加固效果的模拟实验装置及方法，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验装置，包括受灌体、围压荷载控制系统、渗流水压加载控制系统、注浆控制系统、数据采集系统和废液回收箱；
所述受灌体包括箱体、设置在所述箱体内部的工程地质力学模型、设置在所述箱体上部并用于实现所述工程地质力学模型压紧的活动盖板以及设置在所述箱体侧壁上的注浆口和多个渗流水进出口，所述活动盖板与箱体内壁的尺寸匹配设置；
所述围压荷载控制系统包括动力源以及连接动力源输出轴和活动盖板的传动件，所述围压荷载控制系统通过联动设置的活动盖板向工程地质力学模型施加压力，所述渗流水压加载控制系统通过部分渗流水进出口向工程地质力学模型中注入不同流量及压力的渗流水，所述注浆控制系统通过注浆口向工程地质力学模型中注入不同流量及压力的浆体，所述废液回收箱通过其他部分渗流水进出口收集来自工程地质力学模型中的废水，所述数据采集系统包括多个压力传感器、多个水压及流量传感器以及与各个传感器连接的数据收集器，所述压力传感器设置在工程地质力学模型中的不同水平面上，所述水压及流量传感器沿工程地质力学模型的高度分层设置。
优选地，所述模拟试验装置还包括用于放置所述受灌体的试验台架以及设置在所述受灌体下方的仰角调节机构，所述仰角调节机构包括用于推动受灌体向一侧转动的动力源以及用于测量受灌体转过角度的角度刻度盘，所述箱体位于转动方向一侧的底边与试验台架可转动连接，所述角度刻度盘设置在该转动连接处。
优选地，在所述活动盖板周边与箱体内壁的接触位置设置密封条以防止液体渗出。
优选地，多个渗流水进出口分别设置在所述箱体的各个侧面上，每个侧面上的渗流水进出口均呈阵列排布且间隔均匀。
优选地，所述围压荷载控制系统设置在受灌体的上方，在所述围压荷载控制系统中，动力源为液压加载装置，传动件为垂向作动器且与活动盖板垂直连接。
优选地，所述渗流水压加载控制系统包括增压泵、承压水罐、输水管和渗流水压力控制仪，通过所述输水管实现水源、增压泵、承压水罐和受灌体间的相互连接，所述渗流水压力控制仪设置在承压水罐上且用于采集承压水罐内的压力值；所述注浆控制系统包括注浆泵、注浆管和注浆压力控制仪，通过所述注浆管连接浆源、注浆泵和注浆口。
优选地，所述水压及流量传感器位于各渗流水进出口附近。
优选地，在所述箱体内侧面的渗流水进出口位置处设置过滤隔网。
优选地，所述数据采集系统还包括与数据收集器连接的计算机。
本发明还提供了一种利用上述模拟试验装置对水平注浆口的注浆扩散形态进行模拟试验的方法，包括如下步骤：
1)将模拟试验装置的各部分组装好，并根据工程的实际情况在受灌体内设置工程地质力学模型；
2)启动围压荷载控制系统，通过活动盖板对工程地质力学模型密闭施压并逐级施加垂直荷载直至预设定值，同时通过压力传感器监测应力数据；
3)设置不同方向的渗流水：当模拟与注浆方向平行的渗流水对注浆扩散形态的影响时，选择位于注浆口所在侧面上的渗流水进出口连接渗流水压加载控制系统或废液回收箱，同时选择位于注浆口相对侧面上的渗流水进出口连接废液回收箱或渗流水压加载控制系统，其余渗流水进出口封闭；当模拟与注浆方向垂直的渗流水对注浆扩散形态的影响时，选择位于箱体另外两相对侧面上的渗流水进出口分别连接渗流水压加载控制系统和废液回收箱，其余渗流水进出口封闭；通过仰角调节机构调节受灌体的转动角度；
4)启动渗流水压加载控制系统，按照设定的流量及水压力向工程地质力学模型中通入连续的渗流水；
5)启动注浆控制系统，按照设定的流量和注浆压力对工程地质力学模型进行注浆作业，同时采集工程地质力学模型的应力参数并根据地层应力和渗流水压力、流量的变化情况对注浆参数进行调整或停止注浆；
6)停止注浆，打开受灌体，拆除工程地质力学模型，拍照记录模型中的浆液扩散范围及地层加固情况；
7)修改试验参数，重复步骤2)～6)；
8)根据采集到的试验数据，分析在不同地下水流向的地层结构模型中浆液的扩散形态，提出浆液在不同地下水流向情况下的扩散机理，对注浆堵水的加固效果进行评价。
本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：
本发明提供了一种水平注浆口在不同地下水流向中的注浆扩散形态的模拟试验装置及方法，可有效模拟复杂地层条件下的注浆施工效果，相比于现有的针对单一地下水流向对注浆扩散影响的研究，本发明通过对角度设置、方向设置、应力设置、水压设置等参数调整，使得整个模拟试验更贴近实际情况，进而有效认识和揭示出浆液在不同因素作用下的扩散与固结特征，得出的结论更加符合工程的实际特点，进而为注浆施工提供可靠的参数依据，也能更真实地评价注浆加固效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明实施例1中模拟试验装置的结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是图1中仰角调节机构的俯视图；
图4是图1中渗流水压加载控制系统的结构示意图，
图中：1受灌体，11箱体，12活动盖板，13注浆口，14渗流水进出口，2围压荷载控制系统，3渗流水压加载控制系统，31增压泵，32承压水罐，33输水管，34渗流水压力控制仪，4注浆控制系统，51压力传感器，52水压及流量传感器，53数据收集器，6废液回收箱，7仰角调节机构，71液压千斤顶，72角度刻度盘，73转动连接件，8试验台架。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1～图4，一种水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验装置，包括受灌体1、围压荷载控制系统2、渗流水压加载控制系统3、注浆控制系统4、数据采集系统、废液回收箱6、仰角调节机构7和试验台架8。
所述受灌体1包括箱体11、活动盖板12、注浆口13和渗流水进出口14。所述箱体11为1800mm×1800mm×1500mm(长×宽×高)的刚性框架结构且在箱体内部设有工程地质力学模型，所述箱体11的最高耐压强度为200MPa，所述活动盖板12位于工程地质力学模型的上方且用于实现对工程地质力学模型压紧操作，所述活动盖板12设置在箱体11上部且四周与箱体11内壁的尺寸匹配设置，所述注浆口13设置在箱体11的侧壁上，所述渗流水进出口14的数量为多个且分别设置在箱体11的各个侧面上。
在本实施例中，在所述活动盖板12周边与箱体内壁的接触位置设置密封条，以防止挤压工程地质力学模型时有液体从缝隙渗出进而影响实验效果；在箱体的每个侧面上，多个渗流水进出口14按照4×4的阵列排布间隔均匀设置。
所述围压荷载控制系统2设置在受灌体1的正上方且包括液压加载装置和垂向作动器，所述垂向作动器的一端与活动盖板12垂直连接而另一端连接液压加载装置的动力输出轴，以液压加载装置作为动力源带动活动盖板12上下运动进而实现对工程地质力学模型的压紧操作。
在本实施例中，所述垂向作动器的最大推力为1000kN，最大拉力为200kN，最大运动行程为300mm。
所述渗流水压加载控制系统3用于向工程地质力学模型中注入不同流量及压力的渗流水，所述渗流水压加载控制系统3包括增压泵31、承压水罐32、输水管33和渗流水压力控制仪34，通过所述输水管33连接水源、增压泵31、承压水罐32和受灌体1上的部分渗流水进出口14，所述渗流水压力控制仪34设置在承压水罐32上并用于采集承压水罐内的压力值。
所述注浆控制系统4用于向工程地质力学模型中注入不同流量及压力的浆体，所述注浆控制系统4包括注浆泵、注浆管和注浆压力控制仪，通过所述注浆管连接浆源、注浆泵和受灌体1上的注浆口13，所述注浆压力控制仪设置在注浆管上。
在本实施例中，所述渗流水压加载控制系统3的最大供水压力为0.5MPa，所述注浆控制系统4提供的注浆压力可在0～15MPa之间调整，注浆流量可在5～16L/min之间调整。
所述废液回收箱6通过其他部分渗流水进出口与受灌体1连通，并用于收集来自工程地质力学模型中的废水。所述数据采集系统包括多个压力传感器51、多个水压及流量传感器52、与各个传感器连接的数据收集器53、以及与数据收集器53连接的计算机，所述压力传感器51设置在工程地质力学模型中的不同水平面上，所述水压及流量传感器52设置在工程地质力学模型中的不同高度层。
在本实施例中，所述水压及流量传感器52位于各渗流水进出口14的附近以确保采集到的数据准确可靠；同时，在所述箱体1内侧面的渗流水进出口14位置处还设置有过滤隔网。
所述受灌体1放置在试验台架8上，所述仰角调节机构7设置在受灌体1下方并用于实现所述受灌体1向一侧倾斜转动，所述仰角调节机构7包括液压千斤顶71、角度刻度盘72和转动连接件73，所述液压千斤顶71的底部通过轴承与底座相连而顶部支撑机构通过轴承与受灌体1的底面连接，所述转动连接件73的数量为两个且均位于受灌体1转动方向一侧的底边上，通过所述转动连接件73实现受灌体1与试验台架8间的可转动连接，所述角度刻度盘72设置在受灌体1与试验台架8的侧面且位于二者的转动连接处，以用于测量受灌体1转过的角度。
在本实施例中，所述转动连接件73为轴承或销轴或合页；所述受灌体1通过液压千斤顶71顶升的高度来调节自身仰起的角度，所述液压千斤顶71顶升的最大高度值为750mm，所述受灌体1仰起最大角度值为80°。
利用上述装置对水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验方法，包括如下步骤：
1)根据工程的实际情况，将与地质岩层物理性质相似的材料铺设在受灌体1中以形成符合要求的工程地质力学模型，在模型中埋设好压力传感器51和水压及流量传感器52，通过数据收集器53将检测到的数据实时反馈到计算机上；
2)启动围压荷载控制系统2，通过活动盖板12对工程地质力学模型密闭施压并逐级施加垂直荷载直至预设定值，同时通过压力传感器51监测应力数据；
3)设置不同方向的渗流水：当模拟与注浆方向平行的渗流水对注浆扩散形态的影响时，选择位于注浆口13所在侧面上的渗流水进出口14连接渗流水压加载控制系统3或废液回收箱6，同时选择位于注浆口13相对侧面上的渗流水进出口14对应连接废液回收箱6或渗流水压加载控制系统3，其余渗流水进出口封闭；当模拟与注浆方向垂直的渗流水对注浆扩散形态的影响时，选择位于箱体1另外两相对侧面上的渗流水进出口14分别连接渗流水压加载控制系统3和废液回收箱6，其余渗流水进出口封闭；通过仰角调节机构7调节受灌体1的转动角度；
4)启动渗流水压加载控制系统3，按照设定的流量及水压力向工程地质力学模型中通入连续的渗流水；
5)启动注浆控制系统4，按照设定的流量和注浆压力对工程地质力学模型进行注浆作业，同时采集工程地质力学模型的应力参数并根据地层应力和渗流水压力、流量的变化情况对注浆参数进行调整或停止注浆；
6)停止注浆，打开受灌体1，拆除工程地质力学模型，拍照记录模型中的浆液扩散范围及地层加固情况；
7)修改试验参数，重复步骤2)～6)；
8)根据采集到的试验数据，分析在不同地下水流向的地层结构模型中浆液的扩散形态，提出浆液在不同地下水流向情况下的扩散机理，对注浆堵水的加固效果进行评价。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，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。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种模拟试验装置对水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将模拟试验装置的各部分组装好，并根据工程的实际情况在受灌体(1)内设置工程地质力学模型；
2)启动围压荷载控制系统(2)，通过活动盖板(12)对工程地质力学模型密闭施压并逐级施加垂直荷载直至预设定值，同时通过压力传感器(51)监测应力数据；
3)设置不同方向的渗流水：当模拟与注浆方向平行的渗流水对注浆扩散形态的影响时，选择位于注浆口(13)所在侧面上的渗流水进出口(14)连接渗流水压加载控制系统(3)或废液回收箱(6)，同时选择位于注浆口(13)相对侧面上的渗流水进出口(14)连接废液回收箱(6)或渗流水压加载控制系统(3)，其余渗流水进出口封闭；当模拟与注浆方向垂直的渗流水对注浆扩散形态的影响时，选择位于箱体(11)另外两相对侧面上的渗流水进出口(14)分别连接渗流水压加载控制系统(3)和废液回收箱(6)，其余渗流水进出口封闭；通过仰角调节机构(7)调节受灌体(1)的转动角度；
4)启动渗流水压加载控制系统(3)，按照设定的流量及水压力向工程地质力学模型中通入连续的渗流水；
5)启动注浆控制系统(4)，按照设定的流量和注浆压力对工程地质力学模型进行注浆作业，同时采集工程地质力学模型的应力参数并根据地层应力和渗流水压力、流量的变化情况对注浆参数进行调整或停止注浆；
6)停止注浆，打开受灌体(1)，拆除工程地质力学模型，拍照记录模型中的浆液扩散范围及地层加固情况；
7)修改试验参数，重复步骤2)～6)；
8)根据采集到的试验数据，分析在不同地下水流向的地层结构模型中浆液的扩散形态，提出浆液在不同地下水流向情况下的扩散机理，对注浆堵水的加固效果进行评价；
其中，所述受灌体(1)包括箱体(11)、设置在所述箱体(11)内部的工程地质力学模型、设置在所述箱体(11)上部并用于实现所述工程地质力学模型压紧的活动盖板(12)以及设置在所述箱体(11)侧壁上的注浆口(13)和多个渗流水进出口(14)，多个渗流水进出口(14)分别设置在所述箱体(11)的各个侧面上，每个侧面上的渗流水进出口均呈阵列排布且间隔均匀，所述活动盖板(12)与箱体(11)内壁的尺寸匹配设置；
所述围压荷载控制系统(2)包括动力源以及连接动力源输出轴和活动盖板(12)的传动件，所述围压荷载控制系统(2)通过联动设置的活动盖板(12)向工程地质力学模型施加压力，所述渗流水压加载控制系统(3)通过部分渗流水进出口(14)向工程地质力学模型中注入不同流量及压力的渗流水，所述注浆控制系统(4)通过注浆口(13)向工程地质力学模型中注入不同流量及压力的浆体，所述废液回收箱(6)通过其他部分渗流水进出口(14)收集来自工程地质力学模型中的废水，数据采集系统包括多个压力传感器(51)、多个水压及流量传感器(52)以及与各个传感器连接的数据收集器(53)，所述压力传感器(51)设置在工程地质力学模型中的不同水平面上，所述水压及流量传感器(52)沿工程地质力学模型的高度分层设置；
所述模拟试验装置还包括用于放置所述受灌体(1)的试验台架(8)以及设置在所述受灌体(1)下方的仰角调节机构(7)，所述仰角调节机构(7)包括用于推动受灌体(1)向一侧转动的动力源以及用于测量受灌体(1)转过角度的角度刻度盘(72)，所述箱体(11)位于转动方向一侧的底边与试验台架(8)可转动连接，所述角度刻度盘(72)设置在该转动连接处。
2.根据权利要求1所述的一种模拟试验装置对水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验方法，其特征在于，在所述活动盖板(12)周边与箱体内壁的接触位置设置密封条以防止液体渗出。
3.根据权利要求2所述的一种模拟试验装置对水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验方法，其特征在于，所述围压荷载控制系统(2)设置在受灌体(1)的上方，在所述围压荷载控制系统(2)中，动力源为液压加载装置，传动件为垂向作动器且与活动盖板(12)垂直连接。
4.根据权利要求3所述的一种模拟试验装置对水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验方法，其特征在于，所述渗流水压加载控制系统(3)包括增压泵(31)、承压水罐(32)、输水管(33)和渗流水压力控制仪(34)，通过所述输水管(33)实现水源、增压泵(31)、承压水罐(32)和受灌体(1)间的相互连接，所述渗流水压力控制仪(34)设置在承压水罐(32)上且用于采集承压水罐内的压力值；所述注浆控制系统(4)包括注浆泵、注浆管和注浆压力控制仪，通过所述注浆管连接浆源、注浆泵和注浆口(13)。
5.根据权利要求3所述的一种模拟试验装置对水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验方法，其特征在于，所述水压及流量传感器(52)位于各渗流水进出口(14)附近。
6.根据权利要求3所述的一种模拟试验装置对水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验方法，其特征在于，在所述箱体(11)内侧面的渗流水进出口(14)位置处设置过滤隔网。
7.根据权利要求3所述的一种模拟试验装置对水平注浆口注浆扩散形态的模拟试验方法，其特征在于，所述数据采集系统还包括与数据收集器连接的计算机。
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