CN110186814A - 三维注浆扩散机理试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维注浆扩散机理试验装置及试验方法，试验装置包括注浆机、进浆管、试验腔体、出浆管和数据采集仪，其中，所述试验腔体的两端分别设置有进浆口盖板和出浆口盖板，所述进浆管穿过所述进浆口盖板并延伸至所述试验腔体内，所述出浆管穿过所述出浆口盖板并与所述试验腔体连通；所述试验腔体内填充试验材料，所述试验材料为待被注浆的材料；所述注浆机与所述进浆管连通并能够向所述试验腔体内注入浆液；所述试验腔体内设置有若干温度测点，每个所述温度测点上均设置有温度测量装置。利用该试验装置进行试验的方法能够实现对注浆进行模拟并生成三维图形，得到浆液的扩散状况及扩散的动态过程。

Description

三维注浆扩散机理试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及注浆技术领域，特别涉及一种三维注浆扩散机理试验装置及试验方法。

背景技术

我国基础建设迅猛发展，地下工程日益增多。同时，工程建设中面临的地质条件更加复杂、各类灾害越发频繁。为防治工程建设中的各类地质灾害，通常采用比较成熟的注浆法对岩土介质进行治理，以达到加固岩土体结构、封堵水力通道、避免产生次生灾害等目的。注浆模型试验是研究利用注浆法堵水加固机理的重要手段之一。目前，现有注浆模型试验有两种，一种方法只能研究注浆压力与注浆深度的关系(即沿着浆液流动方向)，而不能研究与浆液扩散的关系(即垂直浆液流动方向)；另一种方法是待注浆完成后对注浆体进行剥离分析，探究注浆扩散半径的机理，试验繁琐工作量大。

鉴于以上原因，急需一种结构简单，可操作性强的三维注浆扩散机理试验装置及试验方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维注浆扩散机理试验装置。利用该试验装置进行试验的方法能够实现对注浆进行模拟并生成三维图形，得到浆液的扩散状况及扩散的动态过程，能够同时探究对注浆扩散时的深度和半径问题，并即时反映浆液扩散时的时空关系，从而研究浆液在注浆体中的扩散机理，即探究注浆压力、浆液黏度与扩散半径、扩散速率之间的关系。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维注浆扩散机理试验装置，包括注浆机、进浆管、试验腔体、出浆管和数据采集仪，其中，所述试验腔体的两端分别设置有进浆口盖板和出浆口盖板，所述进浆管穿过所述进浆口盖板并延伸至所述试验腔体内，所述出浆管穿过所述出浆口盖板并与所述试验腔体连通；所述试验腔体内填充试验材料，所述试验材料为待被注浆的材料；所述注浆机与所述进浆管连通并能够向所述试验腔体内注入浆液；所述试验腔体内设置有若干温度测点，每个所述温度测点上均设置有温度测量装置，所述温度测量装置通过数据采集线与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪能够实时采集所述温度测点的温度。

进一步地，在上述试验装置中，所述试验材料为石子、煤、砂子中的一种；优选地，所述试验材料的粒径均匀。

进一步地，在上述试验装置中，所述进浆管上设置有压力表；所述进浆口盖板、所述试验腔体的侧壁和所述出浆口盖板通过螺杆连接并使所述试验腔体形成密闭空间；优选地，所述螺杆设置有四根，四根所述螺杆在所述试验腔体的侧壁上均匀分布。

进一步地，在上述试验装置中，所述进浆口盖板和所述试验腔体的侧壁之间、所述出浆口盖板和所述试验腔体的侧壁之间均设置有密封橡胶圈。

进一步地，在上述试验装置中，所述温度测量装置为康铜-铜热电偶。

进一步地，在上述试验装置中，所述进浆管设置在所述进浆口盖板的中心位置处，所述出浆管设置在所述出浆口盖板的中心位置处；

进一步地，在上述试验装置中，所述试验腔体为圆柱体，所述试验腔体的半径为R，所述进浆管位于所述试验腔体内的长度为a，所述出浆管在所述试验腔体内的管口与所述出浆口盖板的内侧平齐，所述进浆管在所述试验腔体内的管口与所述出浆管在所述试验腔体内的管口之间的距离为b，R、a和b满足公式R＝a>0.8b。

进一步地，在上述试验装置中，在所述试验腔体内同一竖向截面上设置有多个环向测点布置环并形成测试面，多个所述环向测点布置环以同心圆设置，每个所述环向测点布置环上均设置有若干个所述温度测点，同一竖向截面上的多个所述环向测点布置环通过径向测网连接杆连接；多个所述测试面沿所述试验腔体的轴向依次设置形成空间测量网络，多个所述测试面通过轴线测网连接杆连接。

进一步地，在上述试验装置中，同一竖向截面上的两个相邻的所述环向测点布置环之间的距离为50～80mm；

所述环向测点布置环上的所述温度测点等距分布，两个相邻的所述温度测点之间的距离为50～80mm；

两个相邻的所述测试面之间的距离为80～100mm。

进一步地，在上述试验装置中，所述试验材料的粒径在4.75～10.00mm之间。

另一方面，提供了一种利用上述的试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

1)将多个环向测点布置环以同心圆的方式形成测试面，将多个测试面依次设置形成空间测量网络，在空间测量网络内的温度测点上设置温度测量装置；

2)将空间测量网络固定至试验腔体内并通过数据采集线与数据采集仪连接，然后将进浆口盖板与试验腔体连接；

3)利用试验材料填充试验腔体，将出浆口盖板与试验腔体连接，通过螺杆对进浆口盖板和出浆口盖板进行固定；

4)将进浆管安装至进浆口盖板上并使进浆管的一端深入试验腔体内，在进浆管上安装压力表，将注浆机、注浆管和进浆管依次连接；

5)打开注浆机开始注浆，利用数据采集仪对温度测点的温度进行采集，当有浆液从出浆管流出时停止注浆；

6)对测量数据进行分析，选取注浆时间段内的某一时刻，根据温度测点的温度和温度测点的位置数据绘制三维图形，三维图形的表面即为浆液扩散边缘，从而获得扩散状况，进而研究扩散机理；

7)选取注浆时间段内多个时间点并重复步骤6)，得到多个三维图形，进而能够获得浆液扩散的动态过程；

8)待浆液稳定固结后打开试验腔体，清除未含浆液的试验材料，即可得到浆液扩散的最终形状，对注浆区域进行钻芯取样，取样结果可用于研究注浆的力学特性等其他参数。

分析可知，本发明公开一种三维注浆扩散机理试验装置及试验方法，试验装置包括注浆机、进浆管、试验腔体、出浆管和数据采集仪，试验腔体内设置有三维的空间测量网络，空间测量网络内设置有若干温度测点。注浆机能够向试验腔体内注入温度较高的浆液。该试验装置进行试验能够根据有温度变化的温度测点的位置数据以及时间能够绘制三维图形，进而获得浆液扩散状况和浆液扩散的动态过程。该试验装置和试验方法获得的数据准确可靠，利用注浆的浆液温度较高，通过测定高温区判断浆液扩散位置，从而研究注浆扩散机理。对稳定固结后浆液进行钻芯取样，取样结果可用于研究注浆的力学特性等其他参数。

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为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的进浆口盖板或出浆口盖板的结构示意图。

图3为本发明一实施例的试验腔体的结构示意图。

图4为本发明一实施例的温度测点在测试面上布置示意图。

图5为本发明一实施例的空间测量网络结构示意图。

附图标记说明：1注浆机；2注浆管；3压力表；4进浆管；5进浆口盖板；6螺杆；7试验腔体；8引线孔；9数据采集线；10数据采集仪；11显示器；12电脑主机；13出浆管；14出浆口盖板；15密封橡胶圈；16温度测点；17径向测网连接杆；18环向测点布置环；19轴线测网连接杆；20螺孔；21进浆管孔；22出浆管孔。

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。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“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”、“设置”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；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，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3所示，根据本发明的实施例，提供了一种三维注浆扩散机理试验装置，包括注浆机1、进浆管4、试验腔体7、出浆管13和数据采集仪10，其中，试验腔体7的两端分别设置有进浆口盖板5和出浆口盖板14，进浆口盖板5上设置有进浆管孔21，进浆管4通过进浆管孔21穿过进浆口盖板5并延伸至试验腔体7内。出浆口盖板14上设置有出浆管孔22，出浆管13通过出浆管孔22穿过出浆口盖板14并与试验腔体7连通。试验腔体7内填充试验材料，注浆机1通过注浆管2与进浆管4连通，注浆机1能够向试验腔体7内注入浆液，试验腔体7内设置有若干温度测点16，每个温度测点16上均设置有温度测量装置，温度测量装置通过数据采集线9与数据采集仪10连接，数据采集仪10能够采集温度测点16的温度。数据采集仪10设置在试验腔体7外，数据采集仪10与计算机连接，计算机包括有显示器11和电脑主机12，数据采集仪10能够通过温度测量装置实时采集温度测点16的温度并将数据存储在计算机中。

该试验装置利用注浆的浆液温度较高，通过测定高温区判断浆液扩散位置，从而研究注浆扩散机理。在试验过程中，利用注浆机1向试验腔体7内注入浆液，当浆液由进浆管4进入试验腔体7内后，在注浆压力的作用下，浆液在试验腔体7内由进浆管4的管口向四周扩散，温度较高的浆液使温度测点16的温度升高，数据采集仪10通过温度测量装置测量有温度变化的温度测点16的温度并将时间以及温度测点的位置数据存储在计算机中，当有浆液从出浆管13流出时停止注浆，由计算机处理数据并形成三维图形，从而获得扩散状况，进而研究扩散机理。

进一步地，试验材料为石子、煤、砂子中的一种，一般为使试验效果良好只选择石子、煤、砂子中的一种，也可依据试验条件按相应级配进行混合。进一步优选地，为保证注浆效果，选择粒径均匀的试验材料。一般选用粒径在4.75～10.00mm之间的，依据试验要求配制相应颗粒级配。

进一步地，进浆管4上设置有压力表3。压力表3能够提供压力数据，压力表3用于测试注浆压力，方便对注浆压力进行调整。进浆口盖板5、试验腔体7的侧壁和出浆口盖板14上相对应的位置均设置有多个螺孔20，螺孔20内设置有螺杆6，进浆口盖板5、试验腔体7的侧壁和出浆口盖板14通过螺杆6连接并使试验腔体7形成密闭空间。优选地，螺杆6设置有四根，四根螺杆6在试验腔体7的侧壁上均匀分布。如此设置能够使进浆口盖板5、试验腔体7的侧壁和出浆口盖板14的连接更加牢固。

进一步地，进浆口盖板5和试验腔体7的侧壁之间、出浆口盖板14和试验腔体7的侧壁之间均设置有密封橡胶圈15。密封橡胶圈15能够对试验腔体7进行密封，避免高压浆液从连接处溢出，保证试验效果。

进一步地，温度测量装置为康铜-铜热电偶。康铜-铜热电偶通过数据采集线9连接到数据采集仪10上，康铜-铜热电偶能够测量对应温度测点16的温度变化。康铜-铜热电偶的灵敏度高、稳定可靠、抗震抗摔、互换性好、价格低廉，使试验数据准确可靠。

进一步地，进浆管4设置在进浆口盖板5的中心位置处，出浆管13设置在出浆口盖板14的中心位置处，进浆管4和出浆管13相对设置；优选地，试验腔体7为圆柱体，试验腔体7的半径为R，进浆管4位于试验腔体7内的长度为a，出浆管13在试验腔体7内的管口与出浆口盖板14的内侧平齐，进浆管4在试验腔体7内的管口与出浆管13在试验腔体7内的管口之间的距离为b，R、a和b满足公式R＝a>0.8b。如此设置能够保证试验腔体7有足够的边界条件，即浆液由进浆管4注入试验腔体7内后，当浆液从出浆管13流出时浆液不会到达试验腔体7的侧壁或进浆口盖板5，保证试验结束时注浆区域内的浆液保持扩散状态。

进一步地，在试验腔体7内同一竖向截面上设置有多个环向测点布置环18并形成测试面，多个环向测点布置环18以同心圆设置，每个环向测点布置环18上均设置有若干个温度测点16，同一竖向截面上的多个环向测点布置环18通过径向测网连接杆17连接。多个测试面沿试验腔体7的轴向依次设置形成三维的空间测量网络，多个测试面通过轴线测网连接杆19连接。三维的空间测量网络能够对试验区的温度进行监测，根据三维的空间测量网络能够判断浆液扩散的空间位置。竖向截面指的是垂直于试验腔体7轴向的截面，试验腔体7的轴向指的是由进浆管4在试验腔体7内的管口至出浆口盖板14的方向或者由出浆管13在试验腔体7内的管口至进浆口盖板5的方向，当进浆管4和出浆管13相对时，试验腔体7的轴向指的是由进浆管4指向出浆管13。

进一步地，同一竖向截面上的两个相邻的环向测点布置环18之间的距离为50～80mm，比如50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm，优选为50mm。环向测点布置环18上的温度测点16等距分布，两个相邻的温度测点16之间的距离为50～80mm，比如50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm，优选为50mm。两个相邻的测试面之间的距离为80～100mm，比如80mm、83mm、85mm、90mm、93mm、95mm、100mm，优选为80mm。环向测点布置环18之间的距离、两个相邻的温度测点16之间的距离以及两个相邻的测试面之间的距离均是越小越好，距离越小测量精度增加，但是距离越小会工作量越大，需要兼顾测量精度和工作量，将距离设定为上述数值时，测量精度能够满足试验要求，工作量也控制在合理范围内。

本发明还公开了一种利用该三维注浆扩散机理试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

1)将多个环向测点布置环18以同心圆的方式通过径向测网连接杆17连接形成测试面，在环向测点布置环18上设置多个温度测点16并安装温度测量装置，将多个测试面依次设置并通过轴线测网连接杆19连接形成空间测量网络，对每一个温度测点16进行唯一编码，以便后期进行数据分析。

2)将空间测量网络固定至试验腔体7内，将数据采集线9与温度测量装置连接，数据采集线9通过引线孔8引出并连接到数据采集仪10上，将数据采集仪10与计算机连接，然后将进浆口盖板5与试验腔体7连接；

3)利用试验材料填充试验腔体7，将出浆口盖板14与试验腔体7连接，通过螺杆6对进浆口盖板5和出浆口盖板14进行固定；试验材料可以选择石子、煤、砂子等，为保证注浆效果，优选粒径较为均匀的试验材料。

4)将进浆管4安装至进浆口盖板5上并使进浆管4的一端深入试验腔体7内，将注浆管2与注浆机1连接，在注浆管2上安装压力表3并与进浆管4连接；

5)打开注浆机1开始注浆，利用数据采集仪10对温度测点16的温度进行采集，当浆液从出浆管13流出时停止注浆；

6)对测量数据进行分析，选取注浆时间段内的某一时刻，绘制温度测点16的三维图形(温度等值面图)，温度高于初始温度1℃的等温面即为浆液扩散边界，从而获得扩散状况，进而研究扩散机理；应用时，三维图形可以基于等值面模型绘制。

7)选取注浆时间段内多个时间点并重复步骤6)，得到多个三维图形，进而能够获得浆液扩散的动态过程；

8)待浆液稳定固结后打开试验腔体7，清除未含浆液的试验材料，即可得到浆液扩散的最终形状，对注浆区域进行钻芯取样，取样结果可用于研究注浆的力学特性等其他参数。

进一步地，在步骤1)中，测试面选用I、II、III……进行编号、环向测点布置环18选用A、B、C……进行编号、温度测点16选用1、2、3……进行编号，此种编号方式可使每一个温度测点16的编码不会出现重复，并且可以迅速定位温度测点16的位置。例如I-A1，就表示I测试面A环向测点布置环18上的1号温度测点16。

进一步地，在步骤5)中，待浆液稳定固结后当温度测点16的温度恢复到初始温度时，温度测量装置停止测量，温度测量装置对温度测点16的温度测量的时间间隔为30秒。测点温度超过初始温度1℃即认为浆液扩散到此处了，测量所得的温度数据用于探究浆液在扩散中的温度变化。初始温度为室温。在本申请的一实施例中，温度测点16的温度数据为：初始温度(室温)14.3℃，最高温度96.5℃，平均温度64.7摄氏度。

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：

一种三维注浆扩散机理试验装置及试验方法，试验装置包括注浆机1、进浆管4、试验腔体7、出浆管13和数据采集仪10，试验腔体7内设置有三维的空间测量网络，空间测量网络内设置有若干温度测点。注浆机1能够向试验腔体7内注入温度较高的浆液。该试验装置进行试验能够根据有温度变化的温度测点16的位置数据以及时间能够绘制三维图形，进而获得浆液扩散状况和浆液扩散的动态过程。该试验装置和试验方法获得的数据准确可靠，利用注浆的浆液温度较高，通过测定高温区判断浆液扩散位置，从而研究注浆扩散机理。对稳定固结后浆液进行钻芯取样，取样结果可用于研究注浆的力学特性等其他参数。

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)

1.一种三维注浆扩散机理试验装置，其特征在于，包括注浆机、进浆管、试验腔体、出浆管和数据采集仪，其中，

所述试验腔体的两端分别设置有进浆口盖板和出浆口盖板，所述进浆管穿过所述进浆口盖板并延伸至所述试验腔体内，所述出浆管穿过所述出浆口盖板并与所述试验腔体连通；

所述试验腔体内填充试验材料，所述试验材料为待被注浆的材料；

所述注浆机与所述进浆管连通并能够向所述试验腔体内注入浆液；

所述试验腔体内设置有若干温度测点，每个所述温度测点上均设置有温度测量装置，所述温度测量装置通过数据采集线与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪能够实时采集所述温度测点的温度。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述试验材料为石子、煤、砂子中的一种；

优选地，所述试验材料的粒径均匀。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述进浆管上设置有压力表；

所述进浆口盖板、所述试验腔体的侧壁和所述出浆口盖板通过螺杆连接并使所述试验腔体形成密闭空间；

优选地，所述螺杆设置有四根，四根所述螺杆在所述试验腔体的侧壁上均匀分布。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述进浆口盖板和所述试验腔体的侧壁之间、所述出浆口盖板和所述试验腔体的侧壁之间均设置有密封橡胶圈。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述温度测量装置为康铜-铜热电偶。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述进浆管设置在所述进浆口盖板的中心位置处，所述出浆管设置在所述出浆口盖板的中心位置处；

优选地，所述试验腔体为圆柱体，所述试验腔体的半径为R，所述进浆管位于所述试验腔体内的长度为a，所述出浆管在所述试验腔体内的管口与所述出浆口盖板的内侧平齐，所述进浆管在所述试验腔体内的管口与所述出浆管在所述试验腔体内的管口之间的距离为b，R、a和b满足公式R＝a>0.8b。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

在所述试验腔体内同一竖向截面上设置有多个环向测点布置环并形成测试面，多个所述环向测点布置环以同心圆设置，每个所述环向测点布置环上均设置有若干个所述温度测点，同一竖向截面上的多个所述环向测点布置环通过径向测网连接杆连接；

多个所述测试面沿所述试验腔体的轴向依次设置形成空间测量网络，多个所述测试面通过轴线测网连接杆连接。

8.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于，

同一竖向截面上的两个相邻的所述环向测点布置环之间的距离为50～80mm；

所述环向测点布置环上的所述温度测点等距分布，两个相邻的所述温度测点之间的距离为50～80mm；

两个相邻的所述测试面之间的距离为80～100mm。

9.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述试验材料的粒径在4.75～10.00mm之间。

10.利用权利要求1至9中任一项所述的试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将多个环向测点布置环以同心圆的方式形成测试面，将多个测试面依次设置形成空间测量网络，在空间测量网络内的温度测点上设置温度测量装置；

2)将空间测量网络固定至试验腔体内并通过数据采集线与数据采集仪连接，然后将进浆口盖板与试验腔体连接；

3)利用试验材料填充试验腔体，将出浆口盖板与试验腔体连接，通过螺杆对进浆口盖板和出浆口盖板进行固定；

4)将进浆管安装至进浆口盖板上并使进浆管的一端深入试验腔体内，在进浆管上安装压力表，将注浆机、注浆管和进浆管依次连接；

5)打开注浆机开始注浆，利用数据采集仪对温度测点的温度进行采集，当有浆液从出浆管流出时停止注浆；

6)对测量数据进行分析，选取注浆时间段内的某一时刻，根据温度测点的温度和温度测点的位置数据绘制三维图形，三维图形的表面即为浆液扩散边缘，从而获得扩散状况，进而研究扩散机理；

7)选取注浆时间段内多个时间点并重复步骤6)，得到多个三维图形，进而能够获得浆液扩散的动态过程；

8)待浆液稳定固结后打开试验腔体，清除未含浆液的试验材料，即可得到浆液扩散的最终形状，对注浆区域进行钻芯取样，取样结果可用于研究注浆的力学特性等其他参数。