CN112630007A - 层状围岩注浆加固室内模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层状围岩注浆加固室内模型试验装置，包括可旋转试验台、顶升机构、地应力加载系统、注浆系统和监测系统，顶升机构设于地面上，可旋转试验台包括可容纳层状围岩的试验箱，试验箱底部一端铰接于地面上，另一端支撑在顶升机构上，地应力加载系统包括三个气囊和气压加载装置，试验箱的相邻两个侧壁的内侧以及顶壁的内侧各设一个气囊，注浆系统包括储浆装置、注浆管和注浆器，注浆器埋设于层状围岩内，监测系统包括预埋在层状围岩内的传感器。本发明顶升机构可为试验箱提供反力，模拟不同产状的层状围岩；三个气囊分别与气压加载装置单独相连并且可单独控制压力，可以模拟地层所有的三向地应力状态。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程建设领域，尤其涉及一种层状围岩注浆加固室内模型试验装置。
背景技术
随着国民经济的发展，土木工程建设等开始向地下进军。大规模的地下工程建设正面临着复杂的地质环境，例如断层、岩溶、软岩、破碎岩体等不良地质情况。不良地质地段如若处置不当，极易产生突水突泥、隧道坍塌、地表沉降等地质灾害。造成重大经济损失和人员伤亡，严重影响工程建设和后期运行安全，是地下工程建设中的主要灾害源。
多年以来的工程实践证明，注浆是处理不良地质，改善围岩条件的有效手段。目前注浆已在铁路、公路、水利、矿山等多个领域得到广泛应用。注浆可以加固隧道周边岩土体，治理断层破碎带，封堵隧道突涌水，治理岩溶和地下暗河等不良地质构造。保证隧道及其它地下工程施工和运营安全。但由于浆液运移过程极其复杂，涉及浆液特性、地层特性以及二者的流固耦合作用，其理论研究进展相对缓慢，无法有效指导注浆工程实践。模型试验是研究浆液在地层中扩散规律及加固机理的一种重要方法，在国内外得到了广泛应用。
但是，目前大多数的模型试验都采用均质的岩土体进行试验，无法考虑层状岩体中层面倾角对浆液扩展的影响及浆液加固机理。同时考虑到袖阀管注浆时，出浆口的位置与层状岩体层理面相对位置对浆液扩展具有重要作用。亟需设计相关模型试验装置开展相关研究，以厘清层状围岩注浆加固机理。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可模拟不同产状的层状围岩，以及可模拟地层所有的三向地应力状态的层状围岩注浆加固室内模型试验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种层状围岩注浆加固室内模型试验装置，包括可旋转试验台、顶升机构、地应力加载系统、注浆系统和监测系统，所述顶升机构设于地面上，所述可旋转试验台包括可容纳层状围岩的试验箱，所述试验箱底部一端铰接于地面上，另一端支撑在顶升机构上，所述地应力加载系统包括三个气囊和气压加载装置，所述试验箱的相邻两个侧壁的内侧以及顶壁的内侧各设一个气囊，所述气囊通过进气管与气压加载装置连接，所述注浆系统包括储浆装置、注浆管和注浆器，所述注浆器埋设于层状围岩内，所述注浆器通过注浆管与储浆装置连接，所述监测系统包括预埋在层状围岩内的传感器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述顶升机构包括千斤顶和支座，所述试验箱通过支座与千斤顶连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述层状围岩内设有竖直钻孔，所述注浆器设于竖直钻孔内。
作为上述技术方案的进一步改进，所述注浆器包括外层管和内层管，所述外层管套在内层管上，所述外层管上设有一组外层注浆孔，一组外层注浆孔设置N个外层注浆孔，且N个外层注浆孔在轴向上间隔分布，所述内层管上设有N组内层注浆孔，N组内层注浆孔沿内层管的圆周方向分布，每一组内层注浆孔沿轴向上间隔分布，第一组内层注浆孔有一个内层注浆孔，所述内层注浆孔可与任一个外层注浆孔对应，第二组内层注浆孔有二个内层注浆孔，二个内层注浆孔可分别与任两个外层注浆孔对应，第N-1组内层注浆孔有N-1个内层注浆孔，N-1个内层注浆孔可分别与N-1各外层注浆孔一一对应，第N组内层注浆孔有N个内层注浆孔，N个内层注浆孔可与N个外层注浆孔一一对应。
作为上述技术方案的进一步改进，所述注浆管与内层管连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述注浆管上设有注浆泵、注浆压力表和两个注浆控制阀，两个注浆控制阀分设于注浆泵的两侧。
作为上述技术方案的进一步改进，所述进气管上设有进气控制阀和气压表。
作为上述技术方案的进一步改进，所述监测系统还包括数据采集仪，所述传感器设置多个，各传感器通过线缆与数据采集仪连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述试验箱由六个钢板围成，相邻两个钢板之间通过螺栓连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述储浆装置为浆液池。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，层状围岩采用C20水泥砂浆和土石混合体，分别模拟层状围岩中硬岩部分和软弱岩层部分，更加的符合工程实际；顶升机构可为试验箱提供反力，根据抬升高度的不同模拟层状围岩岩层产状；三个气囊分别与气压加载装置单独相连并且可单独控制压力，模拟地层所有的三向地应力状态，且三个气囊的压力可自由设置，并且压力的设置根据地应力资料确定，更能反映实际情况；监测系统包括预埋在层状围岩内的传感器，实时监测层状围岩试样在注浆前后内部的应力场和注浆过程中层状岩体的层面变形情况。
(2)本发明的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，包含有可变注浆孔的注浆器，可模拟袖阀管注浆时不同注浆孔的情况，更符合实际。
(3)本发明的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，采用内部监控系统和外部监控系统相结合的方式，能够准确获知注浆过程中的浆液扩散规律。
附图说明
图1是本发明的试验装置的结构示意图。
图2是本发明中试验箱的俯视图。
图3是本发明中外层管和内层管的结构示意图。
图中各标号表示：
1、层状围岩；2、试验箱；21、钢板；3、顶升机构；31、千斤顶；32、支座；41、气囊；42、气压加载装置；43、进气管；44、进气控制阀；45、气压表；501、外层注浆孔；502、内层注浆孔；51、注浆管；52、注浆器；521、外层管；522、内层管；53、注浆泵；54、注浆压力表；55、注浆控制阀；56、浆液池；61、传感器；62、数据采集仪；63、线缆；7、铰接点。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本实施例的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，包括可旋转试验台、顶升机构3、地应力加载系统、注浆系统和监测系统，顶升机构3设于地面上，可旋转试验台包括可容纳层状围岩1的试验箱2，试验箱2底部一端铰接于地面上，另一端支撑在顶升机构3上。顶升机构3作升降运动以驱动试验箱2绕铰接点7上下摆动，根据抬升高度的不同模拟层状围岩的岩层产状。地应力加载系统包括三个气囊41和气压加载装置42，试验箱2的相邻两个侧壁的内侧以及顶壁的内侧各设一个气囊41，每个气囊41通过进气管43与气压加载装置42连接，单个气囊41的压力可单独控制。三个气囊41设置在层状围岩1与试验箱2之间，模拟地层所有的三向地应力状态。注浆系统包括储浆装置、注浆管51和注浆器52，注浆器52埋设于层状围岩1内，注浆器52通过注浆管51与储浆装置连接。监测系统包括预埋在层状围岩1内的传感器61，实时监测层状围岩1试样在注浆前后内部的应力场和注浆过程中层状岩体的层面变形情况。
本实施例中，层状围岩1采用C20水泥砂浆和土石混合体，分别模拟层状围岩1中硬岩部分和软弱岩层部分，更加的符合工程实际。顶升机构3可为试验箱2提供反力，根据抬升高度的不同模拟层状围岩1岩层产状。三个气囊41分别与气压加载装置42单独相连并且可单独控制压力，模拟地层所有的三向地应力状态，三个气囊41的压力可自由设置，并且压力的设置根据地应力资料确定，更能反映实际情况。监测系统包括预埋在层状围岩1内的传感器61，实时监测层状围岩1试样在注浆前后内部的应力场和注浆过程中层状岩体的层面变形情况。
本实施例中，顶升机构3包括千斤顶31和支座32，试验箱2通过支座32与千斤顶31连接。
本实施例中，层状围岩1内设有竖直钻孔，注浆器52设于竖直钻孔内。注浆器52为垂直插入层状围岩1试样中，其插入深度及相对硬岩和软弱岩层的位置可控，为模拟现场注浆出浆孔与裂隙相对位置不同对注浆效果的影响创造了条件。
本实施例中，注浆器52为套筒结构，包括外层管521和内层管522，外层管521套在内层管522上，外层管521上设有一组外层注浆孔501，一组外层注浆孔501设置N个外层注浆孔501，且N个外层注浆孔501在轴向上间隔分布，内层管522上设有N组内层注浆孔502，N组内层注浆孔502沿内层管522的圆周方向分布，每一组内层注浆孔502沿轴向上间隔分布，第一组内层注浆孔502有一个内层注浆孔502，内层注浆孔502可与任一个外层注浆孔501对应，第二组内层注浆孔502有二个内层注浆孔502，二个内层注浆孔502可分别与任两个外层注浆孔501对应，第N-1组内层注浆孔502有N-1个内层注浆孔502，N-1个内层注浆孔502可分别与N-1各外层注浆孔501一一对应，第N组内层注浆孔502有N个内层注浆孔502，N个内层注浆孔502可与N个外层注浆孔501一一对应。本实施例以N为4为例。外层管521上设有4个外层注浆孔501，如图3所示d部分所示。内层管522分别在沿横截面旋转不同角度的位置开4个、3个、2个和1个孔，对应图3中的e部分、f部分、g部分、h部分。内层管522通过螺纹与外层管521连接，通过旋转内层管522，达到单孔注浆、双孔注浆、三孔注浆及四孔注浆，根据注浆需求来选择。N的取值与外层管521和内层管522的长度以及注浆要求来设定。外套管的注浆孔一一对应，根据注浆需求，该注浆系统中包含有可变注浆孔的注浆器52，可模拟袖阀管注浆时不同注浆孔的情况，更符合实际。
本实施例中，注浆管51与内层管522连接。注浆器52还设有固定螺栓孔，方便注浆时插入螺栓固定。
本实施例中，注浆管51上设有注浆泵53、注浆压力表54和两个注浆控制阀55，两个注浆控制阀55分设于注浆泵53的两侧。储浆装置为浆液池56。
本实施例中，每个进气管43上设有进气控制阀44和气压表45。
本实施例中，监测系统还包括数据采集仪62，传感器61设置多个，各传感器61通过线缆63与数据采集仪62连接。
注浆压力表54和两个注浆控制阀55构成外部监测系统，监测注浆过程中的注浆压力和注浆流量情况，采用内部监控系统和外部监控系统相结合的方式，能够准确获知注浆过程中的浆液扩散规律。
本实施例中，试验箱2由六个钢板21围成，相邻两个钢板21之间通过螺栓连接。
本发明的层状围岩注浆加固室内模型试验装置的制作流程如下：
(一)层状围岩1的制作，主要包括以下步骤：1)制作与试验箱2形状相同的立方形模具，磨具单边尺寸约小于试验箱2尺寸约10cm，以便放置气囊41；2)分层依次浇筑C20水泥砂浆和土石混合物；每一层的厚度依据现场层状围岩情况确定；3)在制样过程中需要将传感器61预埋进试样中；4)对浇筑好的试样进行养护并置于试验箱2的底板。
(二)通过钢板21组装试验箱2的左右两侧及上侧，组装时确保层状围试样贴近左侧及前侧钢板21，钢板21之间通过螺栓连接。
(三)在试样中心部位钻孔，钻孔为竖直钻孔(垂直孔)。将注浆器52埋置于钻孔中，根据试验需求旋钮内层管522使得浆液能够从不同注浆孔渗入层状岩体。
(四)在试验箱2的层状围岩的右侧(a面)、背面(b面)一侧按照气囊41并充气，在顶面(c面)安装气囊41并充气，最后安装顶面钢板21。
(五)向气囊41加压至设定值，充气压力根据现场地应力情况根据相似原理确定。连接传感器连接线至监控设备。
(六)组装注浆管路并将浆液注入注浆池56。
(7)启动注浆泵53，开始注浆，注浆过程中通过计算机实时监测试样内部应力和变形情况，此外，外部监控系统实时记录注浆压力和注浆量。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种层状围岩注浆加固室内模型试验装置，其特征在于：包括可旋转试验台、顶升机构(3)、地应力加载系统、注浆系统和监测系统，所述顶升机构(3)设于地面上，所述可旋转试验台包括可容纳层状围岩(1)的试验箱(2)，所述试验箱(2)底部一端铰接于地面上，另一端支撑在顶升机构(3)上，所述地应力加载系统包括三个气囊(41)和气压加载装置(42)，所述试验箱(2)的相邻两个侧壁的内侧以及顶壁的内侧各设一个气囊(41)，所述气囊(41)通过进气管(43)与气压加载装置(42)连接，所述注浆系统包括储浆装置、注浆管(51)和注浆器(52)，所述注浆器(52)埋设于层状围岩(1)内，所述注浆器(52)通过注浆管(51)与储浆装置连接，所述监测系统包括预埋在层状围岩(1)内的传感器(61)。
2.根据权利要求1所述的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，其特征在于：所述顶升机构(3)包括千斤顶(31)和支座(32)，所述试验箱(2)通过支座(32)与千斤顶(31)连接。
3.根据权利要求1所述的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，其特征在于：所述层状围岩(1)内设有竖直钻孔，所述注浆器(52)设于竖直钻孔内。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，其特征在于：所述注浆器(52)包括外层管(521)和内层管(522)，所述外层管(521)套在内层管(522)上，所述外层管(521)上设有一组外层注浆孔(501)，一组外层注浆孔(501)设置N个外层注浆孔(501)，且N个外层注浆孔(501)在轴向上间隔分布，所述内层管(522)上设有N组内层注浆孔(502)，N组内层注浆孔(502)沿内层管(522)的圆周方向分布，每一组内层注浆孔(502)沿轴向上间隔分布，第一组内层注浆孔(502)有一个内层注浆孔(502)，所述内层注浆孔(502)可与任一个外层注浆孔(501)对应，第二组内层注浆孔(502)有二个内层注浆孔(502)，二个内层注浆孔(502)可分别与任两个外层注浆孔(501)对应，第N-1组内层注浆孔(502)有N-1个内层注浆孔(502)，N-1个内层注浆孔(502)可分别与N-1各外层注浆孔(501)一一对应，第N组内层注浆孔(502)有N个内层注浆孔(502)，N个内层注浆孔(502)可与N个外层注浆孔(501)一一对应。
5.根据权利要求4所述的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，其特征在于：所述注浆管(51)与内层管(522)连接。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，其特征在于：所述注浆管(51)上设有注浆泵(53)、注浆压力表(54)和两个注浆控制阀(55)，两个注浆控制阀(55)分设于注浆泵(53)的两侧。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，其特征在于：所述进气管(43)上设有进气控制阀(44)和气压表(45)。
8.根据权利要求1至3任意一项所述的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，其特征在于：所述监测系统还包括数据采集仪(62)，所述传感器(61)设置多个，各传感器(61)通过线缆(63)与数据采集仪(62)连接。
9.根据权利要求1至3任意一项所述的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，其特征在于：所述试验箱(2)由六个钢板(21)围成，相邻两个钢板(21)之间通过螺栓连接。
10.根据权利要求1至3任意一项所述的层状围岩注浆加固室内模型试验装置，其特征在于：所述储浆装置为浆液池(56)。
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| CN202011605002.5A CN112630007A (zh) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | 层状围岩注浆加固室内模型试验装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202011605002.5A CN112630007A (zh) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | 层状围岩注浆加固室内模型试验装置 |
Publications (1)
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114001994A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-02-01 | 石家庄铁道大学 | 一种隧道突水突泥模型试验装置及方法 |
| CN114034845A (zh) * | 2021-06-01 | 2022-02-11 | 浙江工业大学 | 模拟管片不同位置注浆孔注浆的可视化试验装置及其试验方法 |
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2020
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