CN112985999B - 一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置及方法 - Google Patents

一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置，包括：圆柱体钢筒，竖直设置，其内用于装填岩石或土体；在其内的上部同轴设置有一活塞，活塞的外壁与圆柱体钢筒的内壁紧密贴合，活塞向下移动时，用于挤压岩石或土体。恒温水储存罐，用于向圆柱体钢筒内输送恒温水，填充岩石或土体的孔隙裂隙；供应力装置，用于提供活塞向下移动挤压岩石或土体的动力；浆液供给系统，用于向圆柱体钢筒内输送浆液，以驱替挤压后的岩石或土体孔隙裂隙中的余量水。使用用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置可模拟破碎岩石、砂性土在不同水温、注浆参数下的注浆情况，进而分析浆液扩散机理、注浆加固机理与效果。

Description

一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置及方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置及方法
背景技术
注浆是把围岩孔、裂隙中固有的空气和水分用浆液进行驱替，进而将断裂的岩土体重新粘结起来，增强岩土体的强度、抗渗和隔热性能等。注浆前要对注浆对象的性质、选取什么样的浆材、采用什么样的注浆方法及注浆后会达到怎样的注浆效果做一个预判，以增加注浆过程的可控性与可靠性。
由于实际注浆现场环境和地质条件的复杂性，很难在注浆前对注浆方法、注浆材料和注浆效果做一个定性的评判。室内注浆试验是注浆技术的重要研究方法，室内注浆实验既可以对注浆理论开展研究，也可以对注浆参数进行设计验证。
注浆室内模型的研发与浆液扩散机理的研究是相互联系的，室内实验模型考虑的不周之处，直接影响浆液扩散范围影响因子作用程度的判断。
模型试验方法可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造，为建立新的理论和数学模型提供依据，是研究注浆理论的一种重要手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种考虑多场环境耦合作用下的三维注浆模型试验装置及试验方法，考虑高温水环境下室内注浆模型试验研究，可模拟破碎岩石、砂性土在不同水温、注浆参数、浆液参数条件下的注浆情况，进一步分析浆液扩散机理、注浆加固机理与效果，以实现对注浆技术的深入研究。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置，包括：
圆柱体钢筒，竖直设置，其内用于装填岩石或土体介质；在其内的上部同轴设置有一活塞，活塞的外壁与圆柱体钢筒的内壁紧密贴合，活塞向下移动时，用于挤压岩石或土体。
在活塞上轴向贯通开设有至少一通孔，在通孔外设置有排水口流量计；通孔作为圆柱体钢筒内水流出的流通通道，并由排水口流量计测定岩石或土体被挤压后流出水的量；
恒温水储存罐，与圆柱体钢筒管路连接，用于向圆柱体钢筒内输送恒温水，填充岩石或土体的孔隙裂隙；
供应力装置，用于提供活塞向下移动挤压岩石或土体，使岩石或土体的孔隙裂隙中的水流出的动力；
浆液供给系统，与圆柱体钢筒管路连接，用于向圆柱体钢筒内输送浆液，用于驱替挤压后的岩石或土体孔隙裂隙中的余量水。
进一步地，该供应力装置包括反力架，反力架为“门”字形，横跨于圆柱体钢筒；在反力架的横杆的下部设置有竖直向的液压千斤顶，液压千斤顶位于圆柱体钢筒的正上方，用于提供活塞向下移动时的动力。
进一步地，反力架设置于水平固定于地面的反力架底座上，反力架底座的中心开设有一直径与圆柱体钢筒相一致的凹槽，用于放置圆柱体钢筒
进一步地，该浆液供给系统包括储浆罐，储浆罐与注浆泵相连接，注浆泵通过注浆管与圆柱体钢筒的侧壁相连接；在注浆管上设置有压力表、浆液供给流量计和浆液供给控制阀，且压力表位于靠近储浆罐处。
进一步地，在圆柱体钢筒内的两相对侧分别设置有温度传感器和压力传感器，温度传感器和压力传感器均为多个，且随装填岩石或土体时埋设于其中，多个温度传感器和压力传感器均各沿竖直方向间隔设置。
进一步地，在活塞上绕其一周间隔开设有两个密封圈凹槽，用于放置“O”型密封圈。
本发明还公开了上述的一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置的试验方法，该试验方法如下：
步骤一、圆柱体钢筒内装填有用水浸泡至饱和的岩石或土体介质，恒温水储存罐中的恒温水通过管路注入圆柱体钢筒6，直至有水从排水阀门溢出，且在温度传感器显示圆柱体钢筒内的整体温度已达到设定温度，通过供水流量计计量通过管路的水的体积，通过排水口流量计计量由排水阀门溢出的水的体积，两体积之差，即为注入圆柱体钢筒内岩石或土体介质中的水的体积，由注入水的体积计算得出岩石或土体介质的孔隙率；
步骤二、反力架2带动液压千斤顶3向下运动，液压千斤顶3的下端作用于活塞9上，活塞9对岩石或土体介质施加压力，岩石或土体介质经压力作用体积会产生压缩，引起活塞9的下移和温水从排水阀门7排出，通过排水口流量计8记录排出水的体积；由排出水的体积计算得出岩石或土体介质的孔隙率；
步骤三、在注浆压力一定的条件下，储浆罐内的浆液通过注浆管向圆柱体钢筒内进行注浆，由浆液驱替岩石或土体介质中孔隙裂隙中的余量水，同时由排水阀门排出被替代的水，当排出的水变浑浊时停止注浆。
步骤四、实时采集注浆过程注浆压力和注浆量的动态变化，绘制P-Q-t曲线，以确定岩石或土体介质的注浆状态；连续监测注浆过程中岩石或土体介质的温度，得到注浆过程中浆岩混合体温度随时间的变化规律；
步骤五、浆液初凝后，查看浆液扩散半径；凝固后，浆岩混合体用于抗压强度、渗透性和导热性实验分析。
本发明具有如下优点：1.实现了室内注浆模型试验中考虑高温水、地应力多场环境对浆液扩散和注浆效果的影响，保证开展的试验条件更加切合现场的环境。2.实时采集注浆过程岩土体内部物理场的变化，通过多组试验揭示不同注浆压力、不同注浆量、不同孔隙率和不同动水温度耦合作用下浆液扩散演化机制，可得到每个影响因子的权重，构建其本构关系式。3.通过测试对比注浆前后岩样抗压强度、渗透系数及导热系数的变化，可定量评价注浆材料选取的合理性及综合注浆效果，进而更好的指导实际工程。
附图说明
图1为本发明考虑多场环境耦合作用下的三维注浆模型试验装置的结构示意图；
图2为本发明中供应力装置的反力架示意图；
图3为本发明中注浆系统示意图；
图4为本发明中可移动活塞示意图；
图5为本发明中圆柱体钢筒示意图；
图6为本发明中底部法兰示意图；
图7为本发明中圆柱体钢筒底座示意图；
图8为本发明中圆柱体钢筒、法兰和活塞组装示意图；
图9为本发明中圆柱体钢筒、活塞、法兰和底座组装剖面示意图。
其中：1、反力架底座；2、反力架；3、液压千斤顶；4、压盘；5、垫块；6、圆柱体钢筒；7、排水阀门；8、排水口流量计；9、活塞；10、“O”型密封圈；11、温度传感器；12、压力传感器；13、钢筒法兰；14、钢筒底座；15、螺栓；16、恒温水控制阀；17、供水流量计；18、恒温水供给管；19、恒温水储存罐；20、空压机；21、压力表；22、注浆管；23、浆液供给流量计；24、浆液供给控制阀；25、注浆泵；26、储浆罐；27、底座“O”型密封圈。
具体实施方式
本发明公开了一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置，如图1、2和3所示，包括：圆柱体钢筒6，竖直设置，其内用于装填岩石或土体介质；在其内的上部同轴设置有一活塞9，活塞9的外壁与圆柱体钢筒6的内壁紧密贴合，活塞9向下移动时，用于挤压岩石或土体。在活塞上轴向贯通开设有至少一通孔，在通孔外设置有排水口流量计8；通孔作为圆柱体钢筒6内水流出的流通通道，并由排水口流量计8测定岩石或土体被挤压后流出水的量。在活塞9上绕其一周间隔开设有两个密封圈凹槽，用于放置“O”型密封圈10。活塞9采用一定厚度的实心钢板，凹槽的宽度为“O”型密封圈10的直径，深度为“O”型型密封圈10直径的三分之二，同时每个凹槽加设“O”型密封圈10，达到密封的效果。
恒温水储存罐19，与圆柱体钢筒6管路连接，用于向圆柱体钢筒6内输送恒温水，填充岩石或土体的孔隙裂隙。
供应力装置，用于提供活塞9向下移动挤压岩石或土体，使岩石或土体的孔隙裂隙中的水流出的动力。
浆液供给系统，与圆柱体钢筒6管路连接，用于向圆柱体钢筒6内输送浆液，用于驱替挤压后的岩石或土体孔隙裂隙中的余量水。圆柱体钢筒6用一定厚度的无缝钢筒，内部做抛光处理，以实现活塞在反力架作用下的移动，如图8和9所示。
如图2所示，上述供应力装置包括反力架2，反力架2为“门”字形，横跨于圆柱体钢筒6；在反力架2的横杆的下部设置有竖直向的液压千斤顶3，液压千斤顶3位于圆柱体钢筒6的正上方，用于提供活塞9向下移动时的动力。反力架2设置于水平固定于地面的反力架底座1上，反力架底座1的中心开设有一直径与圆柱体钢筒6相一致的凹槽，用于放置圆柱体钢筒6。
如图4、5、6和7所示反力架底座1为底座采用一定厚度的钢板，在上部开设一定深度，且直径与圆柱体钢筒6一致的凹槽平面，并在凹槽平面上再开设一个比圆柱体钢筒6外径小2mm的环形凹槽，并在环形凹槽内加设“O”型圈，环形凹槽的宽度为“O”型圈的直径，深度为“O”型圈直径的三分之二，以保证密封性。圆柱体钢筒6的底部套设有一环形法兰13，法兰13采用一定厚度的实心钢板，做成与圆柱体钢筒6外径一致的圆环，在高于圆柱体钢筒6底部一小段距离处焊接在一起，同时设置若干一定直径的轴向螺孔。圆柱体钢筒6放置于凹槽内，法兰13通过螺钉安装固定于反力架底座1上。
上述浆液供给系统包括储浆罐26，储浆罐26与注浆泵25相连接，注浆泵25通过注浆管22与圆柱体钢筒6的侧壁相连接；在注浆管22上设置有压力表21、浆液供给流量计23和浆液供给控制阀24，且压力表21位于靠近储浆罐26处。
在圆柱体钢筒6内的两相对侧分别设置有温度传感器11和压力传感器12，温度传感器11和压力传感器12均为多个，且随装填岩石或土体时埋设于其中，多个温度传感器11和压力传感器12均各沿竖直方向间隔设置。
上述一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置的试验方法，其特征在于，该试验方法如下：
步骤一、圆柱体钢筒6内装填有用水浸泡至饱和的岩石或土体介质，恒温水储存罐19中的恒温水通过管路18注入圆柱体钢筒6，直至有水从排水阀门7溢出，且在温度传感器11显示圆柱体钢筒6内的整体温度已达到设定温度，通过供水流量计17计量通过管路18的水的体积，通过排水口流量计8计量由排水阀门7溢出的水的体积，两体积之差，即为注入圆柱体钢筒6内岩石或土体介质中的水的体积，由注入水的体积计算得出岩石或土体介质的孔隙率；
步骤二、反力架2带动液压千斤顶3向下运动，液压千斤顶3的下端作用于活塞9上，活塞9对岩石或土体介质施加压力，岩石或土体介质经压力作用体积会产生压缩，引起活塞9的下移和温水从排水阀门7排出，通过排水口流量计8记录排出水的体积；由排出水的体积计算得出岩石或土体介质的孔隙率；
步骤三、在注浆压力一定的条件下，储浆罐26内的浆液通过注浆管22向圆柱体钢筒6内进行注浆，由浆液驱替岩石或土体介质中孔隙裂隙中的余量水，同时由排水阀门7排出被替代的水，当排出的水变浑浊时停止注浆；
步骤四、实时采集注浆过程注浆压力和注浆量的动态变化，绘制P-Q-t曲线，以确定岩石或土体介质的注浆状态；连续监测注浆过程中岩石或土体介质的温度，得到注浆过程中浆岩混合体温度随时间的变化规律；
步骤五、浆液初凝后，查看浆液扩散半径；凝固后，浆岩混合体用于抗压强度、渗透性和导热性实验分析。
在本实施例中，反力架2由Q235钢组装焊接而成；圆柱体钢筒6由直径600mm、厚度10mm的无缝钢筒制成，内部做抛光处理；“O”型密封圈10由氟胶材质制成，尺寸为内径580mm，线径7mm；活塞9由直径598mm、厚度50mm的实心钢板制成，分别在厚度10mm和40mm处绕其一周开设两圈直径7mm、深度5.5mm的凹槽；钢筒法兰13由厚度10mm的实心钢板制成，内径600mm、外径630mm，在内外径尺寸中间沿周长方向均匀开设4个直径为22mm的圆孔；螺栓15为直径22mm的高强螺栓；钢筒底座14由厚度50mm、直径630mm的实心钢板制成，在底座中心开设深度5mm、直径600mm的凹槽，在凹槽底部开设直径595mm、线径7mm、深度5.5mm的环形凹槽，用以铺设底座“O”型密封圈27，同时在底座14上开设4个与法兰尺寸、位置对应的圆孔；底座“O”型密封圈27的材质为氟胶，尺寸为内径595mm，线径7mm；其余部件均为成品元件。
将圆柱体钢筒6放置于凹槽内，钢筒法兰13同轴套设在圆柱体钢筒6外，在竖直方向上，使其位于距离圆柱体钢筒6底部5mm处，并通过焊接实现钢筒法兰13与圆柱体钢筒6的连接，钢筒法兰13与圆柱体钢筒6通过螺栓15实现与钢筒底座14的连接。
本实施例一种考虑多场环境耦合作用下的三维注浆模型的试验方法，包括以下步骤：
(1)将岩石或土体介质用水浸泡至饱和后，装入圆柱体钢筒6内，并填充满。在装样过程中，将注浆管22的头端一起埋入岩石或土体介质中，同时在岩石或土体介质中安装试验用温度传感器11和压力传感器12。温度传感器11和压力传感器12均为多个，温度传感器11和压力传感器12位于圆柱体钢筒6内的两对侧；多个温度传感器11在竖直方向上间隔排布，多个压力传感器12在竖直方向上间隔排布。温度传感器11和压力传感器12一般选择为3～4个，它们的数据线通过预制钻孔输出，保证密封性。
(2)打开恒温水控制阀16，恒温水储存罐19中的恒温水通过管路18注入圆柱体钢筒6，直至有水从排水阀门7溢出，通过供水流量计17计量通过管路18的水的体积，通过排水口流量计8计量由排水阀门7溢出的水的体积，两体积之差，即为注入圆柱体钢筒6内岩石或土体介质中的水的体积。
(3)打开排水阀门7和恒温水控制阀16，使圆柱体钢筒6内的恒温水实现循环，具体为，空压机20提供动力，使恒温水储存罐19中的恒温水通过管路18和恒温水控制阀16，向圆柱体钢筒66内持续注入温度恒定的热水，当热水达到圆柱体钢筒6的高度后从排水阀门7流出，但此时不关闭排水阀门7，直到温度传感器11显示圆柱体钢筒6的整体温度已达到预定温度，即与恒温水的温度一致，稳定后，关闭恒温水控制阀16。
(4)反力架2带动液压千斤顶3向下运动，液压千斤顶3的下端作用于活塞9上，活塞9对岩石或土体介质施加压力，岩石或土体介质经压力作用体积会产生压缩，引起活塞9的下移和温水从排水阀门7排出，通过排水口流量计8记录排出水的体积；由排出水的体积计算岩土体孔隙率的变化；
(5)打开压力表21、浆液供给流量计23、温度传感器11和压力传感器12，储浆罐26的浆液在注浆泵25的作用下，在注浆压力一定的条件下，通过注浆管22向圆柱体钢筒6内进行注浆，用浆液驱替岩石或土体介质中孔隙裂隙中的余量水，同时缓慢打开排水阀门7排出被替代的水，当排出的水变浑浊时停止注浆。
(6)注浆过程中通过浆液供给流量23和压力表21实时采集注浆过程注浆压力和注浆量的动态变化，绘制P-Q-t曲线。
(7)通过压力传感器12实时监测整个注浆过程中岩石或土体介质内部压力的变化，统计压力与时间的变化规律，通过压力传感器12连续监测岩石或土体介质内压力的变化，以确定岩石或土体介质的注浆状态。
(8)利用温度传感器11，连续监测注浆过程中岩石或土体介质的温度，同时统计注浆过程中浆岩混合体温度随时间的变化规律。
(10)浆液初凝后，查看浆液扩散半径，同时对浆岩混合体的抗压强度、渗透性和导热性做实验室分析。
(11)关闭注浆泵25，清洗注浆管路22。
本发明中，通过分析不同注浆压力、不同注浆量、不同孔隙率、不同水灰比和不同动水温度耦合作用下对浆液扩散演化机制的影响，通过多组试验回归得到相应的本构关系式，得到每个影响因子的权重。通过测试对比注浆前后岩样抗压强度、渗透系数及导热系数的变化，定量评价综合注浆效果和注浆材料选取的合理性，进而更好的指导实际工程。

Claims (6)

1.一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置，其特征在于，包括：
圆柱体钢筒(6)，竖直设置，其内用于装填岩石或土体介质；在其内的上部同轴设置有一活塞(9)，所述活塞(9)的外壁与所述圆柱体钢筒(6)的内壁紧密贴合，所述活塞(9)向下移动时，用于挤压岩石或土体；
在所述活塞上轴向贯通开设有至少一通孔，在所述通孔外设置有排水口流量计(8)；所述通孔作为圆柱体钢筒(6)内水流出的流通通道，并由所述排水口流量计(8)测定岩石或土体被挤压后流出水的量；
恒温水储存罐(19)，与所述圆柱体钢筒(6)管路连接，用于向圆柱体钢筒(6)内输送恒温水，填充岩石或土体的孔隙裂隙；
供应力装置，用于提供所述活塞(9)向下移动挤压岩石或土体，使岩石或土体的孔隙裂隙中的水流出的动力；
浆液供给系统，与所述圆柱体钢筒(6)管路连接，用于向所述圆柱体钢筒(6)内输送浆液，用于驱替挤压后的岩石或土体孔隙裂隙中的余量水；
所述浆液供给系统包括储浆罐(26)，所述储浆罐(26)与注浆泵(25)相连接，所述注浆泵(25)通过注浆管(22)与所述圆柱体钢筒(6)的侧壁相连接；在所述注浆管(22)上设置有压力表(21)、浆液供给流量计(23)和浆液供给控制阀(24)，且所述压力表(21)位于靠近所述储浆罐(26)处。
2.根据权利要求1所述的一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置，其特征在于，所述供应力装置包括反力架(2)，所述反力架(2)为“门”字形，横跨于所述圆柱体钢筒(6)；在所述反力架(2)的横杆的下部设置有竖直向的液压千斤顶(3)，所述液压千斤顶(3)位于所述圆柱体钢筒(6)的正上方，用于提供所述活塞(9)向下移动时的动力。
3.根据权利要求2所述的一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置，其特征在于，所述反力架(2)设置于水平固定于地面的反力架底座(1)上，所述反力架底座(1)的中心开设有一直径与所述圆柱体钢筒(6)相一致的凹槽，用于放置所述圆柱体钢筒(6)。
4.根据权利要求3所述的一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置，其特征在于，在所述圆柱体钢筒(6)内的两相对侧分别设置有温度传感器(11)和压力传感器(12)，所述温度传感器(11)和压力传感器(12)均为多个，且随装填岩石或土体时埋设于其中，多个所述温度传感器(11)和压力传感器(12)均各沿竖直方向间隔设置。
5.根据权利要求4所述的一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置，其特征在于，在所述活塞(9)上绕其一周间隔开设有两个密封圈凹槽，用于放置“O”型密封圈(10)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种用于多场环境耦合作用下的注浆模型试验装置的试验方法，其特征在于，该试验方法如下：
步骤一、圆柱体钢筒(6)内装填有用水浸泡至饱和的岩石或土体介质，恒温水储存罐(19)中的恒温水通过管路(18)注入圆柱体钢筒6，直至有水从排水阀门(7)溢出，且在温度传感器(11)显示圆柱体钢筒(6)内的整体温度已达到设定温度，通过供水流量计(17)计量通过管路(18)的水的体积，通过排水口流量计(8)计量由排水阀门(7)溢出的水的体积，两体积之差，即为注入圆柱体钢筒(6)内岩石或土体介质中的水的体积，由注入水的体积计算得出岩石或土体介质的孔隙率；
步骤二、反力架2带动液压千斤顶3向下运动，液压千斤顶3的下端作用于活塞9上，活塞9对岩石或土体介质施加压力，岩石或土体介质经压力作用体积会产生压缩，引起活塞9的下移和温水从排水阀门7排出，通过排水口流量计8记录排出水的体积；由排出水的体积计算得出岩石或土体介质的孔隙率；
步骤三、在注浆压力一定的条件下，所述储浆罐(26)内的浆液通过注浆管(22)向圆柱体钢筒(6)内进行注浆，由浆液驱替岩石或土体介质中孔隙裂隙中的余量水，同时由排水阀门(7)排出被替代的水，当排出的水变浑浊时停止注浆；
步骤四、实时采集注浆过程注浆压力和注浆量的动态变化，绘制P-Q-t曲线，以确定岩石或土体介质的注浆状态；连续监测注浆过程中岩石或土体介质的温度，得到注浆过程中浆岩混合体温度随时间的变化规律；
步骤五、浆液初凝后，查看浆液扩散半径；凝固后，浆岩混合体用于抗压强度、渗透性和导热性实验分析。
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