CN111175186B - 配置流体注入管的离心机试验流体注入装置 - Google Patents

配置流体注入管的离心机试验流体注入装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种配置新型流体注入管的离心机试验流体注入装置，它包括装置框架、动力液压系统、流体注入系统和影像系统；动力液压系统为离心实验室提供的土工离心机装置自带液压系统，从而本发明中的油缸配套接口接入离心机自带液压系统来实现高压，相比于其它方式获得高压，设备更简化，操作更简单。流体注入系统中的注入管注入效果与高压旋喷设备工作时喷口提升与旋转产生的效果相当。本发明在超重力状态下，结合离心实验室提供的土工离心机装置、动力液压系统、流体注入系统以及影像系统并配合透明土可以模拟污染场地修复剂注入与迁移的过程，揭示注入液体压力与影响半径的关系，以及观察修复剂溶液的长期迁移效果。

Description

配置流体注入管的离心机试验流体注入装置
技术领域
本发明涉及岩土离心机技术领域，具体为配置新型流体注入管的离心机试验流体注入装置。
背景技术
原位化学氧化是有机污染场地修复技术中的一种，原位化学氧化修复所用的现场设备为高压旋喷设备，高压旋喷技术最早由日本提出，在静压灌浆的基础上，利用射流作用切割地层，改变原先地层的结构，同时灌入水泥浆液形成凝胶体，从而形成连续水泥加固体，以达到防渗和加固地基的目的。
将高压旋喷注浆技术应用于土壤修复，使用钻机将带有喷嘴的注浆管钻至土体预定深度，利用高压将化学试剂喷射出来，土体在喷射流的作用下，与药剂搅拌混合，化学反应结束后达到减少污染物的目的。虽然高压旋喷技术应用已久，但目前对喷射的有效半径和流场分布的理论研究较少。国内外研究者常用室内土柱试验进行污染物迁移与修复的机理探讨，但是常重力下的缩尺模型应力水平与实际现场应力水平不符，而且在常重力下流体迁移的速率很慢，短时间内难以得到流体长期迁移信息。离心机模型试验可产生超重力场，在缩尺情况下可以重现原型场地应力水平，且能够加速流体在土体中的迁移，节省了大量时间，可以快速采集到数据，因此它对污染物迁移与污染场地修复的研究就显得特别便利。目前离心试验在污染物迁移与污染场地修复的研究中广泛应用。在离心机中真实还原原位高压旋喷存在困难，为了简化，采用注入方式代替旋喷方式，两种方式注入修复剂形成的影响区域近似相同，而操作方式得以简化。
离心模拟技术在近年来不断发展完善，离心机设备也不断升级改造，性能越来越稳定，能模拟的工况越来越复杂。然而，在实践中的原位高压旋喷却很难在高速旋转的离心机中模拟，本发明结合高压旋喷原位修复施工特点开发出一种将流体注入土体的离心机试验流体高压注入装置，以填补离心试验模拟在高压旋喷原位修复模拟方面的空白。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种配置新型流体注入管的离心机试验流体注入装置，设备更简化，操作更简单。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种配置新型流体注入管的离心机试验流体注入装置，其特征在于：它包括装置框架、动力液压系统、流体注入系统和影像系统；
所述装置框架包括模型箱、流体储存箱、第一钢制框架、第二钢制框架和注入管；所述模型箱上部开口，前面安装透明有机玻璃，其余四面采用厚钢板制成；第一钢制框架安装在模型箱上部，流体储存箱固定在第一钢制框架内，第二钢制框架安装在模型箱前部，所述注入管前端从模型箱上部开口处插入土体，用于将流体注入土体，其中；
所述动力液压系统包括第一活塞、第二活塞、第一接头、第二接头和推杆；第一活塞和第二活塞固定于第一钢制框架上，第一活塞与第二活塞相对安装，第一活塞的活塞杆通过推杆与第二活塞的活塞杆连接，第一活塞上的两个第二接头连接离心机油压接口使活塞杆往返运动，通过第一活塞推杆的往复运动，带动第二活塞的活塞杆运动；第一活塞上的两个第一接头其中一个不连接管路；
所述流体注入系统包括第一电磁阀、第二电磁阀、三通转接头和分支管路；所述三通转接头与第一活塞上的无杆腔端第一接头连接，三通转接头的一端通过分支管路与流体储存箱的底部接口相连，三通转接头的另一端通过分支管路与注入管尾部接口相连；
所述影像系统包括摄像机和固定板；摄像机通过固定板固定在第二钢制框架上，在离心机高速旋转做离心运动时采集流体注入土体过程中的信息。
所述注入管包括管头、管身、管帽、孔隙水压力传感器、密封圈；所述管头内设有孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器和管头上端部通过密封圈密封，所述管帽、管身和管头之间均通过螺纹连接且它们的同一侧设有凹槽，管头底部内设有穿线孔用于穿过孔隙水压力传感器的导线，穿出的导线置于管头、管身和管帽侧部的凹槽内，所述管身均匀开喷射孔，每段长5cm，可根据长度需要进行装配。
所述的配置流体注入管的离心机试验流体注入装置，其特征在于：所述管帽下端为外螺旋接口用于连接管身，上端连接输送流体的注液管线；所述管身两端分别为内螺旋接口与外螺旋接口，其中内螺旋接口用于连接管帽，外螺旋接口用于连接管头。
所述的配置新型流体注入管的离心机试验流体注入装置，其特征在于：所述第一钢制框架、第二钢制框架采用高碳钢材料制成。
所述的配置新型流体注入管的离心机试验流体注入装置，其特征在于：所述注入管整体为空心柱状，前部为实心圆锥状。
所述的配置新型流体注入管的离心机试验流体注入装置，其特征在于：所述的第一活塞与第二活塞相互配合的目的是为了将离心机液压系统的液压放大以达到试验要求，假设第一活塞缸径为S1，第二活塞缸径为S2，离心机液压最大为P0，第二活塞缸内压力为P，则他们之间满足该关系式：S1×P0＝S2×P。
本发明的有益效果是：本发明通过在离心机试验流体注入装置上配置新型流体注入管，配合透明土可以模拟污染场地修复剂注入与迁移的过程，实现在高速运转离心机上模拟污染物迁移及污染场地修复中液体修复剂注入土体的试验目的，揭示注入液体压力与影响半径的关系，以及观察修复剂溶液的长期迁移效果。
动力液压系统由离心实验室提供的土工离心机装置自带液压系统，从而本发明的油缸配套接口接入离心机自带液压系统来实现高压，相比于其它方式形成高压，设备更简化，操作更简单。
流体注入系统中的注入管注入效果与高压旋喷设备工作时喷口提升与旋转产生的效果相当。
在超重力状态下，结合离心实验室提供的土工离心机装置、动力液压系统、流体注入系统以及影像系统并配合透明土可以模拟污染场地修复剂注入与迁移的过程，揭示注入液体压力与影响半径的关系，以及观察修复剂溶液的长期迁移效果。
实现在高速运转离心机上模拟污染物迁移及污染场地修复中液体修复剂注入土体的试验目的，为正确揭示试验机理，对比优化试验方案提供了切实可行的途径。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为注入管的示意图。
图3为注入管的主视方向示意图。
图4为管头的剖面示意图。
图中，模型箱1，第二电磁阀2，第一电磁阀3，三通转接头4，分支管路5，第二活塞6，第一接头7，推杆8，第一活塞9，第二接头10，第一钢制框架11，流体储存箱12，透明有机玻璃13，第二钢制框架14，摄像机15，固定板16，注入管17，凹槽18，管帽19，喷射孔20，管身21、孔隙水压力传感器22、管头23、密封圈24，穿线孔25。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的离心机试验流体高压注入装置的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。
本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。
本发明提供一种将流体注入土体的配置新型流体注入管的离心机试验流体高压注入装置。
如图1所示：一种离心机试验流体注入装置，包括装置框架、动力液压系统、流体注入系统和影像系统；
模型箱1可采用土工离心机试验室配套模型箱，外部尺寸为900mm×400mm×600mm(长×宽×高)，上部开口，前面安装有高强度有机玻璃13，其他四面用厚钢板制作，有较好的密封性，能确保土样及流体在高应力作用下不从中渗出。模型制作完成后，采用离心机实验室室内吊机将模型箱1连同安装在其上的流体高压注入装置吊至离心机吊篮上安装固定。第一钢制框架11安装在模型箱上部，为减小变形，框架选用高碳钢材料制作，用来固定流体储存箱12、动力系统油缸活塞(第一活塞)9、流体注入系统油缸活塞(第二活塞)6、第一电磁阀3以及第二电磁阀2。流体储存箱12由有机玻璃制成，固定于模型箱的第一钢制框架11上。底部安装有接口，通过分支管路5与第二活塞6上三通转接头4连接，为流体注入系统提供流体补充。动力系统由第一活塞9配合离心机自带液压系统组成，第一活塞9固定于模型箱1的第一钢制框架11上，活塞行进方向垂直于离心机产生的超重力方向，通过控制活塞两室的油压大小，可实现活塞杆的往复运动以及运动速度的调整。流体注入系统由第二活塞6与注入管17组成，第二活塞6固定于模型箱的第一钢制框架11上，第二活塞6活塞杆通过推杆8与第一活塞9活塞杆连接，通过第一活塞9活塞杆的往复运动配合电磁阀的开关达到注入与补充流体的目的。第二活塞6的油缸两室中，仅使用一室，即第二活塞第一接头7不连接管路，保持畅通，而另一接头安装三通转接头4。三通转接头4的一端通过分支管路5与流体储存箱12相连，另一端通过分支管路5与注入管17相连。注入管整体为空心柱状，前部为实心圆锥状，方便插入土体，尾部为安装接头。补充流体时，第一电磁阀3打开，第二电磁阀2关闭，将流体注入土体时，第一电磁阀3关闭，第二电磁阀2打开。实时监测系统由第二钢制框架14、固定板16和摄像机15组成，模型箱前壁为透明有机玻璃13，第二钢制框架14安装在模型箱1前部，摄像机15通过固定板16固定在第二钢制框架14上，实时监测系统在试验期间用来观察透明土中染色流体的分布情况。
各主要部件尺寸为：第一电磁阀3和第二电磁阀2使用上海华韩实业有限公司ZH(DF.ZCS)316/304系列不锈钢流体电磁阀，工作压力：0.02～15Mpa，电压：DC24V，功率小于90W，电磁阀连接在分支管路5上实现修复剂流体的补充与注入功能。第一活塞9使用乐清市兴德气动液压有限公司MOB系列液压油缸，缸径：100mm，行程：200mm，压力范围：0.3～7MPa。第二活塞6使用乐清市兴德气动液压有限公司HOB系列重型液压油缸，缸径：63mm，行程：200mm，压力范围：0.3～14Mpa。流体储存箱12的外部设计尺寸为：400mm×200mm×300mm(长×宽×高)，采用高强度有机玻璃制作，壁厚10mm。。
如图2-图4所示：所述注入管包括管头23、管身21、管帽19、孔隙水压力传感器22、密封圈24；所述管头内设有孔隙水压力传感器22，用来监测管身开孔后流体压力的衰减趋势，孔隙水压力传感器22和管头上端部通过密封圈密封，所述管帽、管身和管头之间均通过螺纹连接且它们的同一侧设有凹槽18，管头底部内设有穿线孔25用于穿过孔隙水压力传感器的导线，穿出的导线置于管头、管身和管帽侧部的凹槽内而不影响注入管压入土体中，所述管身均匀开喷射孔20，则流体注入到土体中的影响区域为近似柱状。
进一步的，所述管帽下端为外螺旋接口用于连接管身，上端连接输送流体的注液管线；所述管身两端分别为内螺旋接口与外螺旋接口，其中内螺旋接口用于连接管帽，外螺旋接口用于连接管头。
注入管管身21设计尺寸为：长50mm，内径20mm，外径26mm，喷射孔直径1.8mm，管身均匀分布50个孔，保证注入管向各方向均匀喷射流体。
本发明的工作过程：根据试验方案，在模型箱中制作好污染场地土样，其中污染物用染色剂染色，固定好钢制框架并将各系统安装好，通过室内吊机将模型箱吊装至土工离心机吊篮上，固定模型箱，将第一活塞上的两个第二接头通过管路与离心机液压系统油路接口相连接，并连接好电磁阀和摄像机的电路，并根绝注入管长度需要，组装合适长度的注入管，并连接好注入管内压力传感器的电路，然后将注入管插入土样预定位置与深度。启动离心机，在离心机运行至预定转速后，关闭第二电磁阀，打开第一电磁阀，通过控制离心机液压系统，使第一活塞带动第二活塞将流体储存箱中的流体吸入第二活塞缸体的无杆腔内，此为补充流体过程。之后关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀，调整离心机油路接口液压大小，使得第一活塞反向运动，通过推杆推动第二活塞将流体经由注入管注入到土体，如此重复作业。本试验装置需结合土工离心机在离心机试验室内操作才能实现其设计功能，在进行上述试验时，试验人员需熟悉土工离心机的工作原理并具备操作相关知识。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种配置流体注入管的离心机试验流体注入装置，其特征在于：它包括装置框架、动力液压系统、流体注入系统和影像系统；
所述装置框架包括模型箱、流体储存箱、第一钢制框架、第二钢制框架和注入管；所述模型箱上部开口，前面安装透明有机玻璃，其余四面采用厚钢板制成，内部装有透明土；第一钢制框架安装在模型箱上部，流体储存箱固定在第一钢制框架内，第二钢制框架安装在模型箱前部，所述注入管前部从模型箱上部开口处插入箱体中的土体用于将流体注入土体；
所述动力液压系统包括第一活塞、第二活塞、第一接头、第二接头和推杆；第一活塞和第二活塞固定于第一钢制框架上，第一活塞与第二活塞相对安装，第一活塞的活塞杆通过推杆与第二活塞的活塞杆连接，第一活塞上的两个第二接头连接离心机油压接口使活塞杆往返运动，通过第一活塞推杆的往复运动，带动第二活塞的活塞杆运动；第一活塞上的两个第一接头其中一个不连接管路；
所述流体注入系统包括第一电磁阀、第二电磁阀、三通转接头和分支管路；所述三通转接头与第一活塞上的无杆腔端第一接头连接，三通转接头的一端通过分支管路与流体储存箱的底部接口相连，三通转接头的另一端通过分支管路与注入管尾部接口相连；
所述影像系统包括摄像机和固定板；摄像机通过固定板固定在第二钢制框架上，在离心机高速旋转做离心运动时采集流体注入土体过程中的信息；
所述注入管包括管头、管身、管帽、孔隙水压力传感器、密封圈；所述管头内设有孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器和管头上端部通过密封圈密封，所述管帽、管身和管头之间均通过螺纹连接且它们的同一侧设有凹槽，管头底部内设有穿线孔用于穿过孔隙水压力传感器的导线，穿出的导线置于管头、管身和管帽侧部的凹槽内，所述管身均匀开喷射孔。
2.根据权利要求1所述的配置流体注入管的离心机试验流体注入装置，其特征在于：所述管帽下端为外螺旋接口用于连接管身，上端连接输送流体的注液管线；所述管身两端分别为内螺旋接口与外螺旋接口，其中内螺旋接口用于连接管帽，外螺旋接口用于连接管头。
3.根据权利要求1所述的配置流体注入管的离心机试验流体注入装置，其特征在于：所述第一钢制框架、第二钢制框架采用高碳钢材料制成。
4.根据权利要求1所述的配置流体注入管的离心机试验流体注入装置，其特征在于：所述注入管整体为空心柱状，前部为实心圆锥状。
5.根据权利要求1所述的配置流体注入管的离心机试验流体注入装置，其特征在于：所述的第一活塞与第二活塞相互配合的目的是为了将离心机液压系统的液压放大以达到试验要求，假设第一活塞缸径为S1，第二活塞缸径为S2，离心机液压最大为P0，第二活塞缸内压力为P，则它们之间满足关系式：S1×P0＝S2×P。
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