CN112798497A - 一种渗流场下的三维注浆模拟试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种渗流场下的三维注浆模拟试验系统及试验方法，该系统包括：模型主体，包括相互连接的注水部和介质填充部，注水部能够将水注入到介质填充部中，介质填充部内填充有被注土体材料；且介质填充部上设有水位控制单元和渗漏模拟孔，水位控制单元能够控制介质填充部内的水位，渗漏模拟孔设置在水位控制单元的下方，介质填充部内的水能够经渗漏模拟孔渗漏至外部，使介质填充部内形成渗流场；其还包括应力加载装置和注浆控制装置。本发明能有效模拟不同地质条件、注浆条件、浆液特性情况下浆液扩散规律，可为工程应用提供理论依据。同时，本发明还具有结构简单、操作简易等优点。
Description
技术领域
本发明涉及注浆模型试验技术领域，尤其涉及一种渗流场下的三维注浆模拟试验系统及试验方法。
背景技术
城市化进程不断推进，城市地下空间的开发建设进入蓬勃发展阶段。超深地下工程存在地下水环境复杂、施工质量难以控制等诸多不可预见等不利因素，其建设及使用过程中时常出现渗漏水、流砂问题，甚至发生突涌水安全事故。注浆封堵是治理地下工程渗漏问题常用的技术手段，在各类工程中广泛地应用。
传统的水泥基注浆材料存在难渗透、扰动大等问题，而丙烯酰胺、环氧树脂等化学注浆材料成本高、有毒性。随着纳米技术和多学科交叉应用的迅速发展，一系列创新性的注浆材料及方法相继被提出。Gallagher提出纳米层状硅酸盐材料，如硅溶胶，可以保持土体骨架不变的前提下通过固化孔隙流体加固土体；黄雨等也提出了一种基于纳米级层状硅酸盐材料的砂土液化防治方法。
纳米层状硅酸盐材料应用于注浆堵漏的潜力巨大，目前的研究现状看，虽然取得了一定成果，但仍存在以下不足：该注浆新材料的研究主要集中在液化防止领域，对于注浆封堵的方法及效果的研究还较少。现有研究手段主要是小尺度的室内单元试验、土柱试验以及离心机模型试验，基于模型试验的新材料注浆模拟，尤其是动水条件下浆液的扩散封堵机理及应用研究尚欠缺。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种渗流场下的三维注浆模拟试验系统及试验方法，其可有效模拟不同地质条件、注浆条件、浆液特性情况下浆液扩散规律，可为工程应用提供理论依据。
一种渗流场下的三维注浆模拟试验系统，其包括：
模型主体，包括相互连接的注水部和介质填充部，所述注水部能够将水注入到所述介质填充部中，所述介质填充部内填充有被注土体材料；且所述介质填充部上设有水位控制单元和渗漏模拟孔，所述水位控制单元能够控制所述介质填充部内的水位，所述渗漏模拟孔设置在所述水位控制单元的下方，所述介质填充部内的水能够经所述渗漏模拟孔渗漏至外部，使所述介质填充部内形成渗流场；
应力加载装置，用于对所述被注土体材料施加压力，模拟不同深度的上覆地层压力；
注浆控制装置，用于将浆液注入到所述被注土体材料中。
在其中一个实施例中，所述注水部包括水箱，所述水箱上设有进水孔及溢流孔，所述进水孔与水源相连接，所述溢流孔能够控制所述水箱内的水位，所述水箱上还设有至少一个出水孔，所述水箱内的水经所述出水孔流入到所述介质填充部中。
在其中一个实施例中，所述水位控制单元包括沿所述介质填充部的高度方向依次间隔设置的多个水位控制阀。
在其中一个实施例中，所述出水孔、所述水位控制阀和所述渗漏模拟孔处均设置有过滤网。
在其中一个实施例中，所述应力加载装置包括底座、加载油缸和加压盖板，所述底座固定在所述介质填充部的顶部，所述加载油缸安装在所述底座上，所述加压盖板与所述加载油缸的活塞杆相连接，且所述加压盖板压附在所述被注土体材料的上表面。
在其中一个实施例中，所述加压盖板的形状与所述介质填充部的内部形状相匹配。
在其中一个实施例中，所述注浆控制装置包括空压机、压力桶、高压气管和注浆管，所述空压机经所述高压气管与所述压力桶相连接，所述压力桶经所述注浆管将浆液注入到所述被注土体材料中。
在其中一个实施例中，所述浆液为纳米层状硅酸盐材料浆液。
一种渗流场下的三维注浆模拟试验系统的试验方法，其包括以下步骤：
S1、在介质填充部内填充被注土体材料，并同时预埋注浆管；
S2、制备纳米层状硅酸盐材料浆液；
S3、通过应力加载装置对所述被注土体材料施加压力，模拟实际地层受力情况；
S4、模拟动水条件，使所述介质填充部内形成渗流场；
S5、渗透注浆堵漏模拟；
S6、渗漏封堵后，停止注水，一段时间后挖开砂土，取出结石体，观察浆液扩散情况，综合评判考虑渗流场的三维注浆效果。
在其中一个实施例中，所述步骤S2中，制备所述纳米层状硅酸盐材料浆液方法包括：选择合成锂藻土，按照质量浓度3％制备低初始粘度的浆液，然后，将配制好的3％合成锂藻土注浆材料倒入压力桶后，密封所述压力桶。
在其中一个实施例中，所述步骤S4中，模拟动水条件包括：打开进水孔及某个高度的水位控制阀，使水流流入到介质填充部内，并从水位控制阀和渗漏模拟孔中流出；静置一段时间，水流从溢流孔流出，使整个试验系统达到稳定状态。
在其中一个实施例中，所述步骤S5中，所述渗透注浆堵漏模拟包括：通过压力表监测所述压力桶的注浆压力，缓慢调节注浆压力的大小，使注浆速率为0.8L/min，注浆压力为0.1-0.2MPa；观察并记录注入3％合成锂藻土注浆材料前后渗漏位置水量的变化，同时记录相应的注浆量和注浆压力，以及渗漏封堵的最终时间。
上述渗流场下的三维注浆模拟试验系统及试验方法，通过将水注入到介质填充部内，通过渗漏模拟孔和水位控制单元，使所述介质填充部内形成渗流场，然后，应力加载装置对介质填充部内的被注土体材料施加压力，模拟不同深度的上覆地层压力，最后，通过注浆控制装置将浆液注入到被注土体材料中，从而能有效模拟不同地质条件、注浆条件、浆液特性情况下浆液扩散规律，可为工程应用提供理论依据。同时，本发明还具有结构简单、操作简易等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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他的附图。
图1是本发明的渗流场下的三维注浆模拟试验系统的结构示意图；
图2是本发明的渗流场下的三维注浆模拟试验系统的部分结构示意图；
图3是本发明的渗流场下的三维注浆模拟试验系统的应力加载装置的结构示意图；
图4是本发明的渗流场下的三维注浆模拟试验系统的试验方法的方法流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参阅图1-2所示，本发明一实施例提供一种渗流场下的三维注浆模拟试验系统，其包括模型主体1、应力加载装置2和注浆控制装置3。
具体地，模型主体1包括相互连接的注水部11和介质填充部12，所述注水部11能够将水注入到所述介质填充部12中，所述介质填充部12内填充有被注土体材料，本实施例中，所述被注土体材料为一定级配的砂土。且所述介质填充部12上设有水位控制单元13和渗漏模拟孔14，所述水位控制单元13能够控制所述介质填充部11内的水位，所述渗漏模拟孔14设置在所述水位控制单元13的下方，所述介质填充部12内的水能够经所述渗漏模拟孔14渗漏至外部，使所述介质填充部12内形成渗流场。本实施例中，所述介质填充部12为长度1000mm，宽度300mm，高度700mm的长方体空间，在本发明其他实施例中，该介质填充部12的长、宽和高可以根据使用场合的不同进行合理设定。可选地，为了便于直观的观测不同条件下整个浆液的立体扩散规律及最后的形态特征，所述介质填充部12的前后侧壁可采用有机玻璃板等透明材料制作。
在本发明一实施例中，所述注水部11包括水箱，所述水箱上设有进水孔111及溢流孔112，所述进水孔111与水源相连接，所述溢流孔112能够控制所述水箱内的水位，所述水箱上还设有至少一个出水孔113，所述水箱内的水经所述出水孔113流入到所述介质填充部12中。本实施例中，所述水箱为长度100mm，宽度300mm，高度2000mm的长方体空间。在本发明其他实施例中，该水箱的长、宽和高可以根据使用场合的不同进行合理设定。
需要说明的是，本实施例中，出水孔113设置在所述水箱的下部侧壁上，并位于进水孔111及溢流孔112的下方，当出水孔113的数量为多个时，多个出水孔113可以呈陈列状分布，如此，以便于使水均匀地流入到介质填充部12内，减少对介质填充部12内被注土体材料的冲击，从而能模拟出更加真实的环境，提高试验的准确性。
在本发明一实施例中，所述水位控制单元13包括沿所述介质填充部的高度方向依次间隔设置的多个水位控制阀131。通过打开不同高度的水位控制阀131，即可使水从相应位置的水位控制阀131中流出，从而能控制所述介质填充部12内的水位。
可选地，所述出水孔113、所述水位控制阀131和所述渗漏模拟孔14处均设置有过滤网。如此，可以防止介质填充部12内的砂土渗漏。
参阅图3所示，在本发明一实施例中，应力加载装置2用于对所述被注土体材料施加压力，模拟不同深度的上覆地层压力。具体地，所述应力加载装置2包括底座21、加载油缸22和加压盖板23，所述底座21固定在所述介质填充部12的顶部，所述加载油缸22安装在所述底座21上，所述加压盖板23与所述加载油缸22的活塞杆相连接，且所述加压盖板23压附在所述被注土体材料的上表面。当所述加载油缸22施加不同的压力时，其可以通过加压盖板23传递至所述被注土体材料上，从而能模拟不同深度的上覆地层压力。
可选地，为了使加压盖板23能均匀地、准确地对所述被注土体材料施加压力，所述加压盖板23的形状与所述介质填充部12的内部形状相匹配，例如：所述介质填充部12的内部形状为矩形，则所述加压盖板23的形状也为矩形。
在本发明一实施例中，注浆控制装置3用于将浆液注入到所述被注土体材料中。具体地，所述注浆控制装置3包括空压机31、压力桶32、高压气管33和注浆管34，所述空压机31经所述高压气管33与所述压力桶32相连接，所述压力桶32经所述注浆管34将浆液注入到所述被注土体材料中。本实施例中，所述空压机31能产生高压气体，高压气体通过高压气管33进入到压力桶32中，对压力桶32内的浆液进行加压，使浆液通过注浆管34压入所述介质填充部12的被注土体材料中。可选地，为了方便观察压力桶32的压力变化，压力桶32上可加装压力表，通过压力表记录整个注浆过程中的压力变化。在本发明一实施例中，所述浆液为纳米层状硅酸盐材料浆液。
参阅图4所示，本发明一实施例提供一种渗流场下的三维注浆模拟试验系统的试验方法，其包括以下步骤：
S1、在介质填充部12内填充被注土体材料，并同时预埋注浆管34；具体地，可将一定级配的砂土分层均匀铺洒在介质填充部12内，在分层铺砂土时，同步将注浆管34预埋进砂土中，保持注浆管34和砂土的紧密接触，防止后续注浆过程返浆。
S2、制备纳米层状硅酸盐材料浆液；具体地，可选择合成锂藻土，按照质量浓度3％制备低初始粘度的浆液，然后，将配制好的3％合成锂藻土注浆材料倒入压力桶32后，密封所述压力桶32。
S3、通过应力加载装置2对所述被注土体材料施加压力，模拟实际地层受力情况；
S4、模拟动水条件，使所述介质填充部12内形成渗流场；具体地，模拟动水条件包括：打开进水孔111及某个高度的水位控制阀131，使水流入到介质填充部12内，并从水位控制阀131和渗漏模拟孔14中流出；静置一段时间，水流从溢流孔112流出，使整个试验系统达到稳定状态。
S5、渗透注浆堵漏模拟；具体地，通过压力表监测所述压力桶32的注浆压力，缓慢调节注浆压力的大小，使注浆速率为0.8L/min，注浆压力为0.1-0.2MPa；观察并记录注入3％合成锂藻土注浆材料前后渗漏位置水量的变化，同时记录相应的注浆量和注浆压力，以及渗漏封堵的最终时间。
S6、渗漏封堵后，停止注水，一段时间后挖开砂土(如：48小时)，取出结石体，观察浆液扩散情况，综合评判考虑渗流场的三维注浆效果。
综上，上述渗流场下的三维注浆模型的试验系统及试验方法，通过将水注入到介质填充部内，通过渗漏模拟孔和水位控制单元，使所述介质填充部内形成渗流场，然后，应力加载装置对介质填充部内的被注土体材料施加压力，模拟不同深度的上覆地层压力，最后，通过注浆控制装置将浆液注入到被注土体材料中，从而能有效模拟不同地质条件、注浆条件、浆液特性情况下浆液扩散规律，可为工程应用提供理论依据。同时，本发明还具有结构简单、操作简易等优点。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (12)
1.一种渗流场下的三维注浆模拟试验系统，其特征在于，包括：
模型主体，包括相互连接的注水部和介质填充部，所述注水部能够将水注入到所述介质填充部中，所述介质填充部内填充有被注土体材料；且所述介质填充部上设有水位控制单元和渗漏模拟孔，所述水位控制单元能够控制所述介质填充部内的水位，所述渗漏模拟孔设置在所述水位控制单元的下方，所述介质填充部内的水能够经所述渗漏模拟孔渗漏至外部，使所述介质填充部内形成渗流场；
应力加载装置，用于对所述被注土体材料施加压力，模拟不同深度的上覆地层压力；
注浆控制装置，用于将浆液注入到所述被注土体材料中。
2.如权利要求1所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统，其特征在于，所述注水部包括水箱，所述水箱上设有进水孔及溢流孔，所述进水孔与水源相连接，所述溢流孔能够控制所述水箱内的水位，所述水箱上还设有至少一个出水孔，所述水箱内的水经所述出水孔流入到所述介质填充部中。
3.如权利要求2所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统，其特征在于，所述水位控制单元包括沿所述介质填充部的高度方向依次间隔设置的多个水位控制阀。
4.如权利要求3所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统，其特征在于，所述出水孔、所述水位控制阀和所述渗漏模拟孔处均设置有过滤网。
5.如权利要求1所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统，其特征在于，所述应力加载装置包括底座、加载油缸和加压盖板，所述底座固定在所述介质填充部的顶部，所述加载油缸安装在所述底座上，所述加压盖板与所述加载油缸的活塞杆相连接，且所述加压盖板压附在所述被注土体材料的上表面。
6.如权利要求5所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统，其特征在于，所述加压盖板的形状与所述介质填充部的内部形状相匹配。
7.如权利要求1所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统，其特征在于，所述注浆控制装置包括空压机、压力桶、高压气管和注浆管，所述空压机经所述高压气管与所述压力桶相连接，所述压力桶经所述注浆管将浆液注入到所述被注土体材料中。
8.如权利要求1所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统，其特征在于，所述浆液为纳米层状硅酸盐材料浆液。
9.一种使用如权利要求1-8任一项所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在介质填充部内填充被注土体材料，并同时预埋注浆管；
S2、制备纳米层状硅酸盐材料浆液；
S3、通过应力加载装置对所述被注土体材料施加压力，模拟实际地层受力情况；
S4、模拟动水条件，使所述介质填充部内形成渗流场；
S5、渗透注浆堵漏模拟；
S6、渗漏封堵后，停止注水，一段时间后挖开砂土，取出结石体，观察浆液扩散情况，综合评判考虑渗流场的三维注浆效果。
10.如权利要求9所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统的试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，制备所述纳米层状硅酸盐材料浆液方法包括：选择合成锂藻土，按照质量浓度3％制备低初始粘度的浆液，然后，将配制好的3％合成锂藻土注浆材料倒入压力桶后，密封所述压力桶。
11.如权利要求9所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统的试验方法，其特征在于，所述步骤S4中，模拟动水条件包括：打开进水孔及某个高度的水位控制阀，使水流流入到介质填充部内，并从水位控制阀和渗漏模拟孔中流出；静置一段时间，水流从溢流孔流出，使整个试验系统达到稳定状态。
12.如权利要求10所述的渗流场下的三维注浆模拟试验系统的试验方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述渗透注浆堵漏模拟包括：通过压力表监测所述压力桶的注浆压力，缓慢调节注浆压力的大小，使注浆速率为0.8L/min，注浆压力为0.1-0.2MPa；观察并记录注入3％合成锂藻土注浆材料前后渗漏位置水量的变化，同时记录相应的注浆量和注浆压力，以及渗漏封堵的最终时间。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114527039A (zh) * | 2022-01-17 | 2022-05-24 | 哈尔滨工业大学 | 一种模块化袖阀管注浆模拟试验系统及方法 |
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2021
- 2021-02-08 CN CN202110170699.6A patent/CN112798497A/zh active Pending
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