CN113376057B - 黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统，其中测试系统包括注浆测试系统、可视化观测系统、控温加压系统、隔热系统以及收集系统。该试验系统可根据实际情况，通过控温加压系统调节浆液温度以控制注浆浆液的凝固状态，同时注浆系统的可视化模型用来监测浆液注入岩石裂隙后随温度变化的具体凝固情况。通过试验并结合可视化技术，能够直接观察注入模拟岩石裂隙中的浆液随着温度改变的凝固过程。本试验系统结构简单、操作方便、易于观察控制，对工程实践中岩石裂隙注浆提高抗渗能力及增加岩土的完整性和结构的整体性，达到改善岩体的承载力和密封性具有重要实际意义。
Description
技术领域
本发明涉及岩体工程中注浆性能测试技术领域，具体涉及一种黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统。
背景技术
近年来，随着地下工程开发建设项目的日益增长，如何处理施工过程中高压地下水的危害已成为关键的工程技术问题之一。利用注浆手段对裂隙岩体进行加固以封堵地下水的危害是目前广泛采用的一种工程措施。在地下高地压、高水压，且温度变化的复杂条件下，浆液的凝固特性受到扰动，难以精确控制。尤其是在高压地下水注浆处理中如果未充分凝固，则浆液易被高压水流稀释冲走，达不到预期的效果。因此，有必要在实验室中模拟深部地下的复杂条件，详细研究浆液的扩散凝固规律。
公开号为CN 109610427A的中国专利《岩溶地基探灌结合、浆液可控、实时监控的注浆工法》提出一种可以实现凝胶时间和析水率可控的双控水泥浆注浆法，做到了将水泥浆压入岩溶地基后的短时间内丧失流动性；还采用了在钻孔内安放微型摄像头技术，对溶洞内浆液的充填和流失进行实时监控，为施工人员及时处理浆液流失提供了信息保障。但该方法并不适用于对岩石裂隙内浆液扩散的精细化试验研究。
公开号为CN 1970900A的中国专利《用于封堵高压地下水的混合灌浆装置及其混合法灌浆工艺》提出一种利用水泥浆液和水玻璃孔外混合技术来控制浆液的凝固时间的方法，该方法可以改善浆液被高压地下动水冲散的问题，但是其在裂隙岩体中的扩散和封堵机理尚未得到有效的验证。
水泥浆液在裂隙中扩散时逐渐凝固，该连续过程受到地下水的扰动，封堵机理十分复杂，亟需高精度的室内模型试验研究。考虑到实际水泥浆液或其模拟材料的黏度和凝固特性受温度的直接影响，因此可以利用调节温度来改变浆液的性质，从而模拟具有不同性质的浆液在裂隙岩体中的流动和凝固特性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种测试单裂隙岩体中浆液凝固过程的黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统。
为达成上述目的，本发明提供如下技术方案：黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统，包括：
注浆测试系统，所述注浆测试系统包括试验装置和注浆系统，所述试验装置包括多个依次连通的试验模块，所述注浆系统用于向试验模块内注入浆液，所述浆液的黏度能够随温度改变；
可视化观测系统，所述可视化观测系统用于观察试验装置中浆液的流动情况以及凝固程度随温度变化的全过程；
控温加压系统，所述控温加压系统用于控制所述试验模块的温度和法向压力；
收集系统，所述收集系统用于回收试验所用浆液。
进一步地，所述试验装置包括一个首端试验模块、多个中间试验模块以及一个末端试验模块，所述首端试验模块的外端部设有注浆口，所述末端试验模块的外端部设有浆液排出口；所述注浆系统包括柱塞泵和转换活塞，所述柱塞泵通过管道与转换活塞连接，所述转换活塞通过管道与所述注浆口连接。
进一步地，所述首端试验模块和中间试验模块远离注浆口的一端设有承插口-凸，所述中间试验模块和末端试验模块靠近注浆口的一端设有承插口-凹，所述承插口-凸与承插口-凹匹配；相邻的所述试验模块之间通过承插口-凸和承插口-凹连通。
进一步地，所述试验模块包括透明外框以及设置于透明外框内的试验模型，所述透明外框在所述试验模型前、后、上、下四个方向的外围形成透明导热油腔室，所述透明外框的前后两侧分别设有与所述透明导热油腔室连通的透明导热油注入口和透明导热油排出口；所述试验模型包括3D打印的下裂隙面和上裂隙面，所述上裂隙面可拆卸地盖于下裂隙面的上方，使得所述上裂隙面和下裂隙面之间形成裂隙通道；所述试验模块的前后两侧分别设有与裂隙通道连通的注水口和出水口，所述注水口与柱塞泵连接，所述出水口与收集系统连接，所述注水口和出水口分别设有阀门；每个所述试验模块配备一套控温加压系统，所述控温加压系统包括加热泵、加压泵和阀门，所述加热泵、加压泵和阀门依次通过管道与透明导热油注入口和透明导热油排出口连接。
进一步地，所述透明外框包括框体和可拆卸的盖合于框体顶部的顶盖板，所述顶盖板的底部和所述上裂隙面的底部分别设有橡胶垫圈。
进一步地，所述试验装置通过固定钢架固定于试验台上，所述固定钢架能够使所述顶盖板压合在框体上。
进一步地，还包括隔热系统，所述隔热系统包括分别设置于相邻的试验模块之间的隔热板。
进一步地，所述浆液为聚丙烯酸钠溶液。
进一步地，所述浆液中添加有示踪剂。
进一步地，所述可视化观测系统包括计算机和高速摄像机，所述高速摄像机设置于所述试验装置的上方，所述高速摄像机通过数据线与计算机连接。
本发明与现有技术相对比，其有益效果在于：
1、整套实验系统可以基于3D扫描仪扫描得到的天然岩石表面，针对裂隙面和隔热板使用两种高强耐高温透明材料，结合3D打印、拓模、激光雕刻等技术，制成可视化3D模型，实现注浆过程的可视化。
2、试验中所采用的浆液为一种黏度随温度变化的浆液，预先根据黏度实验通过旋转流变仪确定所用浆液的温度黏度曲线，即可获取在某特定温度下浆液的黏度；该浆液具有在同等温度条件下黏度稳定的特点，便于试验结果的分析。
3、相比较而言，实际的水泥浆液可视化性能较差，无法观察水泥浆的凝固过程；且水泥浆注浆的试验模型只能一次性使用，试验耗材量大、成本高。
4、模型主体外围的控温加压系统可根据不同试验要求改变内部浆液的温度，如需要对50℃的浆液进行研究，则只需注入温度为50℃的冷却液即可，这种做法相比于在模型上下面铺冷凝管对浆液进行温度控制的优点是：若铺冷凝管会遮挡住模型上下主体部分，影响观察浆液的凝固过程，而透明导热油是透明的，结合3D可视化模型不影响观测，真正实现了系统可视化。
5、可通过实验模块前后两侧的注水口和出水口在每个试验模块中设置不同的水压，模拟现场动水压力对浆液扩散凝固过程的扰动。
6、可在所采用浆液中加入染色或荧光显示剂，结合PIV等观测技术直观地获取浆液在裂隙中的流动过程以及随温度变化的凝固规律。
7、收集系统可分别收集每个模块流出的液体，通过分析，可以得到流出各个模块的液体中水和浆液的比例。
附图说明
图1是可视化测试系统的总体结构示意图。
图2是试验台正视结构示意图。
图3是试验台俯视结构示意图。
图4是中间试验模块正等轴测结构示意图。
图5是中间试验模块俯视结构示意图。
图6是中间试验模块正视结构示意图。
图7是中间试验模块左视结构示意图。
图8是中间试验模块右视结构示意图。
图9是末端试验模块正等轴测结构示意图。
图10是末端试验模块俯视结构示意图。
图11是末端试验模块正视结构示意图。
图12是末端试验模块左视结构示意图。
图13是末端试验模块右视结构示意图。
图14是首端试验模块正等轴测结构示意图。
图15是首端试验模块俯视结构示意图。
图16是首端试验模块正视结构示意图。
图17是首端试验模块左视结构示意图。
图18是首端试验模块右视结构示意图。
图中：1—柱塞泵、2—管道、3—转换活塞、4—试验台、5—试验装置、6—加压泵、7—阀门、8—加热泵、9—废液回收池、10—高速摄像机、11—计算机、12—透明导热油注入口、13—注浆口、14—顶盖板、15—隔热板、16—浆液排出口、17—橡胶垫圈、18—上裂隙面、19—透明导热油排出口、20—下裂隙面、21—承插口-凸、22—承插口-凹、23—固定钢架、24—螺母、25—螺栓、26—螺栓孔、27—试验模块、28—透明导热油腔室、29—注水口、30—出水口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统，参照图1-18，包括：
1、注浆测试系统
注浆测试系统由试验装置5、柱塞泵1和转换活塞3组成。
试验装置5由多个依次连通的试验模块27组成，具体为一个首端试验模块、多个中间试验模块、一个末端试验模块，其中首端试验模块远离中间试验模块的外端部设有注浆口13，末端试验模块远离中间试验模块的外端部设有浆液排出口16。
试验模块27包括透明外框以及设置于透明外框内的试验模型，透明外框在所述试验模型前、后、上、下四个方向的外围形成透明导热油腔室28，透明外框的前后两侧分别设有与透明导热油腔室连通的透明导热油注入口12和透明导热油排出口19。试验模型包括3D打印且透明的下裂隙面20和上裂隙面18，上裂隙面18可拆卸地盖于下裂隙面20的上方，使得上裂隙面18和下裂隙面20之间形成裂隙通道；注浆口13和浆液排出口16分别与相应的裂隙通道连通。透明外框包括框体和可拆卸的盖合于框体顶部的顶盖板14，为了保证各个试验模块27的密封，上裂隙面18和顶盖板14的底面上设有凹槽，用于放置橡胶垫圈17保证装置密封性。
上述结构中，首端试验模块和中间试验模块远离注浆口13的一端设有承插口-凸21，中间试验模块和末端试验模块靠近注浆口13的一端设有与承插口-凸21匹配的承插口-凹22，承插口-凸21与承插口-凹22分别与试验模型的裂隙通道连通，本实施例中承插口-凸21为宽度略小于试验模型宽度的扁平状；相邻的试验模块27之间通过承插口-凸21和承插口-凹22连通。在安装前涂抹密封胶以保障密封效果。
本实施例中试验装置4通过固定钢架23、螺栓25和螺母24固定在试验台4上，各个试验模块27组装完成后，通过固定钢架23将顶盖板14固定压合在外框上，并通过螺栓25和螺母24固定在试验台4上。柱塞泵1出液口通过管道2与转换活塞3相连；所述转换活塞3通过管道2与注浆口13连接，转换活塞3通过管道2与注浆口13连接，将柱塞泵1输出的纯水转换为浆液，柱塞泵1与计算机11相连通过程序控制流量并记录数据，由柱塞泵1提供一定的液压将转换活塞3内的浆液以一定流速流入试验装置5内所采用的试验模型中，直至所有试验模型中的浆液饱和停止注浆。
本发明中，浆液需具备黏性随温度改变的特性，本实施例选用聚丙烯酸钠溶液，并且为了更直观地对其进行观测，在聚丙烯酸钠溶液中添加有示踪剂，本实施例中示踪剂可选用紫色的显示剂。
此外，本实施例还在试验模块的前后两侧分别设有与裂隙通道连通的注水口29和出水口30，注水口29通过管道与柱塞泵1连接，出水口30通过管道与下述收集系统中的废液回收池9连接，注水口29和出水口30上分别设有阀门。通过打开或关闭注水口29与出水口30的阀门，能够模拟现场动水压对浆液扩散凝固过程的扰动。具体的，当注水口29与出水口30上的阀门同时关闭时，可模拟无水压情形时的浆液扩散凝固过程；当注水口29与出水口30上的阀门同时打开，柱塞泵1输出的水经注水口29流入裂隙通道，模拟动水水压情形时的浆液扩散凝固过程，且水流能够从出水口30流出或流入下一试验模块中，最终流入收集系统。并通过调节阀门大小，可以调节模拟的动水水压，以及动水的流向。
2、可视化观测系统
基于整个模拟系统均由可视化透明材质组成，包括计算机11和高速摄像机10。计算机11用于控制高速摄像机10，并记录拍摄的图片；所述高速摄像机10置于试验装置5正上方，用于拍摄试验装置5中浆液的流动以及凝固情况；本实施例中试验装置由透明光敏树脂打印而成，能够透过装置观察裂隙中浆液，从而解决了以往“黑盒”操作的弊端，能够配合可视化观测系统进行观测和记录。
3、控温加压系统
控温加压系统由加热泵8、加压泵6和阀门7组成，利用透明导热油和3D打印材料的透明特性，在保证控制各区段温度的前提下，确保整个系统的可视化观测，解决了用其他冷凝管控温等方法的遮挡试验装置的弊端，通过压力泵控制裂隙的法向应力。具体的，加热泵8、加压泵6和阀门7通过管道与透明导热油注入口12和透明导热油排出口19相连，形成透明导热油的循环回路，每一试验模块27配备一套独立的控温加压系统，实现对不同试验模块27的控温和加压。控温加压的具体步骤和原理是，首先打开阀门7并开启加热泵8对试验模块27进行循环加热，至温度恒定后关闭阀门7，随后开启加压泵6对透明导热油腔室28进行加压，实现对上裂隙面18施加法向压力。即每个试验模块27外的透明导热油腔室28彼此独立，形成针对每个试验模块27进行控温加压的独立空间。
4、隔热系统
隔热系统包括包括分别设置于相邻的试验模块27之间的隔热板15，本实施例中试验模块27数量为六个，用来分别模拟六种不同温度下浆液的凝固情况；隔热板15由隔热材料制成，将不同温度的试验模块27隔开，隔断各个试验模块27之间的影响，将试验装置分成不同的温度区间，形成温度梯度。
5、收集系统
收集系统由废液回收池9和管道组成。待一个试验流程结束，将试验装置5置于室温静置一段时间后可通过打开废液排出口16将浆液排出至废液收集池9进行收集处理，再通过从注浆口13注入清水即可对试验模型进行清洗，实现试验模型的重复利用，改变了以往水泥浆注浆模型的一次性使用的浪费问题，大大降低了试验成本并减少试验材料的浪费，符合绿色循环理念。
本实施例在具体实施时，其测试方法如下：
用3D轮廓测量仪扫描获得真实岩体裂隙的数据，采用高强度耐高温透明材料打印制作6个试验模块（包含首端、末端试验模块各一个），在各试验模块的上裂隙面和顶盖板的凹槽处安装橡胶垫圈，组装并保证试验模块的密封性，将各个独立的试验模块通过承插口-凹和承插口-凸连接组成的完整结构，适用于本设备试验的试验模型的标准尺寸是12×200×200mm的长方体裂隙试样；使用六个试验模块组成试验装置，将六个试验模块从首端至尾端依次编号1-6。使用固定钢架、螺栓、螺母将试验装置固定在试验台上，使用管道将试验装置、柱塞泵、转换活塞、阀门、加热泵、加压泵相连。根据黏度实验通过旋转流变仪确定本次所用浆液的温度黏度曲线，根据曲线确定1-6号试验模块需要设定的温度T1-T6,对各独立的控温加压系统设置对应的温度，打开阀门并开启加热泵对试验模块进行循环加热，至温度恒定后关闭阀门，随后开启加压泵对透明导热油腔室进行加压，实现对上裂隙面施加法向压力。架设高速摄像机并连接计算机设置相应参数，将事先调试好的带有显示剂的紫色溶液倒于转换活塞中，启动柱塞泵，将柱塞泵输出的纯水转换为同等流速的浆液，直至所有试验模型中的浆液达到饱和。通过计算机控制高速摄像机，并记录拍摄的图片；对比分析所拍摄图片前后帧的变化，即可得出浆液随温度改变的凝固过程。整套试验完成以后，将透明导热油从透明导热油排出口排出收集起来，将岩石单裂隙模型可视化注浆试验装置置于室温一定时间后，将浆液排入废液回收池进行集中处理。
Claims (7)
1.黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统，其特征在于，包括：
注浆测试系统，所述注浆测试系统包括试验装置和注浆系统，所述试验装置包括多个依次连通的试验模块，所述注浆系统用于向试验模块内注入浆液，所述浆液的黏度能够随温度改变；
可视化观测系统，所述可视化观测系统用于观察试验装置中浆液的流动情况以及凝固程度随温度变化的全过程；
控温加压系统，所述控温加压系统用于控制所述试验模块的温度和法向压力；
收集系统，所述收集系统用于回收试验所用浆液；
所述试验装置包括一个首端试验模块、多个中间试验模块以及一个末端试验模块，所述首端试验模块的外端部设有注浆口，所述末端试验模块的外端部设有浆液排出口；所述注浆系统包括柱塞泵和转换活塞，所述柱塞泵通过管道与转换活塞连接，所述转换活塞通过管道与所述注浆口连接；
所述首端试验模块和中间试验模块远离注浆口的一端设有承插口-凸，所述中间试验模块和末端试验模块靠近注浆口的一端设有承插口-凹，所述承插口-凸与承插口-凹匹配；相邻的所述试验模块之间通过承插口-凸和承插口-凹连通；
所述试验模块包括透明外框以及设置于透明外框内的试验模型，所述透明外框在所述试验模型前、后、上、下四个方向的外围形成透明导热油腔室，所述透明外框的前后两侧分别设有与所述透明导热油腔室连通的透明导热油注入口和透明导热油排出口；
所述试验模型包括3D打印的下裂隙面和上裂隙面，所述上裂隙面可拆卸地盖于下裂隙面的上方，使得所述上裂隙面和下裂隙面之间形成裂隙通道；
所述试验模块的前后两侧分别设有与裂隙通道连通的注水口和出水口，所述注水口与柱塞泵连接，所述出水口与收集系统连接，所述注水口和出水口分别设有阀门；
每个所述试验模块配备一套控温加压系统，所述控温加压系统包括加热泵、加压泵和阀门，所述加热泵、加压泵和阀门依次通过管道与透明导热油注入口和透明导热油排出口连接。
2.根据权利要求1所述的黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统，其特征在于，所述透明外框包括框体和可拆卸的盖合于框体顶部的顶盖板，所述顶盖板的底部和所述上裂隙面的底部分别设有橡胶垫圈。
3.根据权利要求2所述的黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统，其特征在于，所述试验装置通过固定钢架固定于试验台上，所述固定钢架能够使所述顶盖板压合在框体上。
4.根据权利要求1所述的黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统，其特征在于，还包括隔热系统，所述隔热系统包括分别设置于相邻的试验模块之间的隔热板。
5.根据权利要求1所述的黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统，其特征在于，所述浆液为聚丙烯酸钠溶液。
6.根据权利要求5所述的黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统，其特征在于，所述浆液中添加有示踪剂。
7.根据权利要求1所述的黏度和凝固特性可控的注浆可视化测试系统，其特征在于，所述可视化观测系统包括计算机和高速摄像机，所述高速摄像机设置于所述试验装置的上方，所述高速摄像机通过数据线与计算机连接。
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