CN113777281A - 一种黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，包括：步骤S1，确定模型箱尺寸；步骤S2，确定注浆参数和注浆设备参数；步骤S3，确定室内模型试验注浆总时间T；步骤S4，确定模型箱的数量，并确定各模型箱的注浆时间；步骤S5，分别对每个模型箱进行黄土体填筑；步骤S6，按计算的注浆时间分别对各模型箱进行注浆；步骤S7，在注浆完成后，拆开模型箱，观测模型箱内的浆脉形态；步骤S8，对浆脉形态进行图像采集；步骤S9，对采集到的图像进行处理，得到劈裂注浆浆液扩散的全过程。解决了土体劈裂注浆过程中浆脉形成以及扩展难以观测的问题，为劈裂注浆机理的深入研究提供了一条全新的思路，亦有助于实际工程注浆工艺和注浆参数的优化。
Description
技术领域
本发明属于黄土注浆技术领域，具体涉及一种黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法。
背景技术
注浆包括渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆，而劈裂注浆是目前应用最为广泛的一种注浆方法，它在软土地基加固、隧道注浆加固堵水和堤坝加固等工程领域中都有广泛应用。劈裂注浆过程浆液扩散和浆脉形态发展规律是研究劈裂注浆机理的重要支撑，也是评价劈裂注浆效果的重要依据。然而，劈裂注浆过程及其复杂，注浆过程浆液劈裂土体发生和发展的过程很难可视化，尤其是在三维注浆模型试验中，难以得到劈裂注浆过程浆液扩散和浆脉形态发展规律。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，提供一种可以实现注浆过程浆脉再现的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，包括：
步骤S1，根据试验所需的注浆量确定模型箱尺寸；
步骤S2，确定注浆参数和注浆设备参数；
步骤S3，按步骤S1所确定的模型箱尺寸和步骤S2中所确定的参数进行预注浆，以确定室内模型试验注浆总时间T；
步骤S4，确定模型箱的数目，并对各模型箱的注浆时间进行确定；将注浆总时间进行分配，使注浆时间分别对应浆泡出现阶段、起劈阶段以及浆脉扩展阶段，以在各模型箱内形成对应不同注浆阶段的浆脉形态，各模型箱注浆时间分配原则为：细分浆泡出现以及起劈阶段注浆时间，粗分浆脉扩展阶段注浆时间；
步骤S5，分别对每个模型箱进行黄土体填筑，保证每个模型箱内的土体参数相同；
步骤S6，按步骤S4中所确定的注浆时间分别对各模型箱进行注浆；
步骤S7，注浆完成48小时后拆开模型箱，观测各模型箱内的浆脉形态；
步骤S8，对浆脉形态进行图像采集；
步骤S9，对采集到的图像进行处理，得到劈裂注浆浆液扩散的全过程。
优选的，步骤S1中，模型箱的注浆量不小于8L，模型箱的尺寸根据试验所需注浆量进行确定，模型箱长×宽×高均不小于1000mm。
优选的，模型箱的箱壁以可拆卸的方式进行连接，并设置有对应各箱壁的三向围压加载装置。
优选的，模型箱的箱壁为环氧树脂基玻璃纤维增强复合材料或透明陶瓷。
优选的，步骤S2中，所述注浆参数包括：浆液配合比、浆液凝固时间、注浆压力等。
所述注浆设备参数包括：注浆泵的输出压力和再次启动压力、注浆泵流量、高压管的安全范围、开关阀的安全范围、牛油头的安全范围。
优选的，注浆泵流量以2～5L/min为宜。
优选的，步骤S3中，室内模型试验注浆总时间T为完整注浆时间，注浆总时间T的取得标准为：对步骤S1所确定的模型箱进行预注浆，在注浆量满足设计要求、注浆效果良好的情况下，浆液扩散至模型箱的内壁或浆液冒出的时间即为室内模型试验注浆总时间T。
优选的，步骤S4中，模型箱数量根据注浆总时间T确定，模型箱数量控制在10-30个，各模型箱的注浆时间tn由下述公式确定：
kn＝n/N；
ηn＝2.2kn 4-3.4kn 3+2.2kn 2+0.01；
tn＝Tηn；
式中，n为模型箱序号；N为总模型箱个数；ηn为第n个模型箱注浆时间与注浆总时间的比值；tn为第n个模型箱的注浆时间。
优选的，步骤S5中，分别对每个模型箱进行黄土体填筑时，确保每个模型箱内的土体参数相同，即填筑时所有模型箱的填筑方式相同。具体地，模型箱黄土体填筑时采用分层填筑，每层100-200mm，不同模型箱每层土体的土性和填筑厚度相同，每层土体填筑后需进行整平压密。
优选的，步骤S6中，在对每个模型箱进行注浆时，每个模型箱按照步骤S4中所确定的注浆时间进行注浆，每个注浆时间均为该模型箱的单独注浆时间。
优选的，步骤S7中，注浆完成后，拆模时间为注浆完成48小时后。拆模后去除浆液未到达部分的土体，浆脉出露后用毛刷清理干净浆脉表面浮土。
优选的，步骤S8中，浆脉形态的图像采集方式为拍照或三维扫描，确保采集到的图像清晰可靠。
优选的，步骤S9中，用视频剪辑的方式对步骤S8中所采集到的图像进行处理，得到劈裂注浆浆液扩展的全过程。
有益效果：本发明所采用的研究方法简便、成本较低，有效解决了土体劈裂注浆过程中浆脉形成以及扩展过程难以观测的问题，为劈裂注浆机理的深入研究提供了一条全新的思路。试验结果准确可靠，有助于工程现场注浆工艺和注浆参数的优化。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明具体实施例中所提供试验方法的流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1：一种黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，包括：步骤S1，根据试验所需的注浆量确定模型箱尺寸；步骤S2，确定注浆参数和注浆设备参数；步骤S3，按步骤S1所确定的模型箱尺寸和步骤S2中所确定的参数进行预注浆，在注浆量满足设计要求的情况下确定室内模型试验注浆总时间T；步骤S4，根据步骤S3中确定的预注浆注浆量和注浆总时间T，确定模型箱总数量N，并确定各模型箱的注浆时间；使注浆时间分别对应浆泡出现阶段、起劈阶段以及浆脉扩展阶段，以在各模型箱内形成对应不同注浆阶段的浆脉形态；其中，各模型箱注浆时间分配原则为：细分浆泡出现以及起劈阶段注浆时间，粗分浆脉扩展阶段注浆时间；步骤S5，分别对每个模型箱进行黄土体填筑，保证每个模型箱内的土体参数相同；步骤S6，按步骤S4中所确定的注浆时间分别对各模型箱进行注浆；步骤S7，注浆完成48小时后拆开模型箱，观测各模型箱内的浆脉形态；步骤S8，对浆脉形态进行图像采集；步骤S9，对采集到的图像进行处理，得到劈裂注浆浆液扩散的全过程。采用多个模型箱细分劈裂注浆过程，结合注浆过程浆脉图像采集，可以得到注浆过程不同注浆阶段的浆脉扩展过程和浆脉形态；进而可为现场注浆工艺和注浆参数的优化提供技术支撑。
在步骤S1中，模型箱的尺寸根据试验所需注浆量进行确定；其中，模型箱的注浆量应不小于8L，模型箱内部空间的长、宽、高均不小于1000mm。具体地，模型箱内部空间为立方体或长方体，其边长在1000-2000mm之间。步骤S5中，土体参数包括土性、含水率、级配和压实度等。
在本实施例中，模型箱的箱壁以可拆卸的方式进行连接，并设置有对应各箱壁的三维围压加载装置。通过三维围压加载装置对模拟箱外壁加压，能够使模拟箱体更为真实的模拟实际工程中的三维地应力场。箱壁可拆卸，可在注浆完成后拆开，以便观测其内部浆脉形态；其中，模型箱的箱壁为环氧树脂基玻璃纤维增强复合材料或透明陶瓷，具有较高的强度和透明度，便于进行观察注浆情况。
在本实施例中，步骤S2中，所述注浆参数包括：浆液配合比、浆液凝固时间、注浆压力、注浆量等。所述注浆设备参数包括：注浆泵的输出压力和再次启动压力、注浆泵流量、高压管的安全范围、开关阀的安全范围、牛油头的安全范围；其中，注浆泵流量以2～5L/min为宜。
在本实施例中，步骤S3中，室内模型试验注浆总时间T为完整注浆时间，注浆总时间T的取得标准为：对步骤S1所确定的模型箱进行预注浆，在注浆量满足设计要求且注浆效果良好的情况下，浆液扩散至模型箱的内壁或浆液冒出的时间即为室内模型试验注浆总时间T。注浆完成48小时后，拆开模型箱对浆脉进行观察，浆脉状态良好即认为注浆效果良好。
在本实施例中，步骤S4中，模型箱数量根据注浆总时间T确定，模型箱数目控制在10-30个，各模型箱的注浆时间由下述公式确定：
kn＝n/N；
ηn＝2.2kn 4-3.4kn 3+2.2kn 2+0.01；
tn＝Tηn；
式中，n为模型箱序号；N为总模型箱个数；ηn为第n个模型箱注浆时间与注浆总时间的比值；tn为第n个模型箱的注浆时间。
步骤S6中，在对每个模型箱进行注浆时，每个模型箱按照步骤S4中所确定的注浆时间进行注浆，上述得出的每个注浆时间tn均为第n个模型箱的的单独注浆时间。
在本实施例中，步骤S5中，填筑时，所有模型箱的填筑方式相同，确保每个模型箱内的土体参数相同，即填筑时所有模型箱的填筑方式相同，减少因填土导致的每个模型箱注浆效果的离散。模型箱黄土体填筑时采用分层填筑，每100-200mm为一层，每层土体的厚度和土质相同，每层土体填筑后需进行整平压密，每层土体的厚度根据箱体尺寸及土质参数进行选择。
在本实施例中，步骤S7中，注浆完成后，拆模时间为注浆完成48小时后。拆模后去除浆液未到达部分的黄土，以露出浆脉，并对每个浆脉用毛刷进行清理，保证浆脉能够清楚完整的被观测和拍照。
在本实施例中，步骤S8中，浆脉形态的图像采集方式为拍照或三维扫描，确保采集到的图像清晰可靠，可选用CCD相机，具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性。
在本实施例中，步骤S9中，用视频剪辑的方式对步骤S8中所采集到的图像进行处理，得到劈裂注浆浆液扩散的全过程。
在一些实施例中，可根据实际设计需求，通过以下步骤及参数进行试验：
1)确定注浆模型箱的尺寸：试验拟定注浆量为8-15L，模型箱的尺寸初步选择为1500mm×1500mm×1500mm(长×宽×高)。
2)确定注浆参数：浆液水灰比为0.8的水泥浆液；注浆压力控制在0.3MPa。
3)确定注浆设备参数：注浆泵的输出压力11000PSI，再次启动小于7500PSI；注浆泵的流量为4L/min；高压管的安全范围小于11000PSI；开关阀的安全范围小于15000PSI；牛油头的安全范围小于16000PSI。
4)对初步选择的模型箱按所确定的参数进行预注浆，预注浆时间为180s，注浆量为12L，注浆量满足要求；注浆完成48小时后，经拆模观测注浆效果良好，因此确定室内模型试验注浆总时间T＝180s。
5)根据预注浆结果，选择采用15个模型箱进行注浆试验；
则kn依次为：
k1＝1/15，k2＝2/15，k3＝3/15，k4＝4/15，k5＝5/15，k6＝6/15，k7＝7/15，k8＝8/15，
k9＝9/15，k10＝10/15，k11＝11/15，k12＝12/15，k13＝13/15，k14＝14/15，k15＝15/15。
tn＝Tηn＝T×(2.2kn 4-3.4kn 3+2.2kn 2+0.01)
则各个模型箱的注浆时间tn依次为：t1＝3.4s，t2＝7.5s，t3＝13.4s，t4＝20.35，t5＝28.0s，t6＝36.1s，t7＝44.6s，t8＝53.6s，t9＝63.5s，t10＝74.7s，t11＝87.9s，t12＝104.1s，t13＝124.2s，t14＝149.7s，t15＝180s。
上述每个计算所得的注浆时间均为第n个模型箱的单独注浆时间。
6)在模型箱内填筑含水率为13％、压实度为80％的土体。填筑时每层厚度为150mm，每层土体填筑后进行整平压密，每个模型箱的填土保证均匀，所有模型箱以相同的土体和填筑方式进行填筑。
7)按照所计算得出注浆时间对各模型箱进行分别注浆。
8)注浆完成48小时后拆开模型箱，拆模后去除浆液未到达部分的黄土，以露出浆脉，并对每个浆脉用毛刷进行清理；清理后观测模型箱内的浆脉形态。
9)对所观测到的浆脉形态进行拍照，确保拍摄的照片清晰可靠。
10)对所拍摄的照片进行视频剪辑，得到劈裂注浆浆液扩展的全过程。
综上所述，本发明解决了土体劈裂注浆过程中浆脉形成以及扩展难以观测的问题，为劈裂注浆机理的深入研究提供了一条全新的思路；注浆模型箱可以进行三维围压加载，试验结果准确可靠，有助于现场注浆工艺和注浆参数的优化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (11)
1.一种黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，包括：
步骤S1，根据试验所需的注浆量确定模型箱尺寸；
步骤S2，确定注浆参数和注浆设备参数；
步骤S3，按步骤S1所确定的模型箱尺寸和步骤S2中所确定的参数进行预注浆，以确定室内模型试验注浆总时间T；
步骤S4，确定模型箱的数量，并对各模型箱的注浆时间进行确定；将注浆总时间进行分配，使注浆时间分别对应浆泡出现阶段、起劈阶段以及浆脉扩展阶段，以在各模型箱内形成对应不同注浆阶段的浆脉形态；
步骤S5，分别对每个模型箱进行黄土体填筑，且每个模型箱内的土体参数相同；
步骤S6，按步骤S4中所确定的注浆时间分别对各模型箱进行注浆；
步骤S7，在注浆完成48小时后拆开模型箱，观测模型箱内的浆脉形态；
步骤S8，对浆脉形态进行图像采集；
步骤S9，对采集到的图像进行处理，得到劈裂注浆浆液扩散的全过程。
2.根据权利要求1所述的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，步骤S1中，模型箱的注浆量不小于8L，模型箱的尺寸根据试验所需注浆量进行确定，相对应的，模型箱内部空间的长、宽、高均不小于1000mm。
3.根据权利要求1所述的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，模型箱的箱壁以可拆卸的方式进行连接，并设置有对应各箱壁的三维围压加载装置；模型箱的箱壁为环氧树脂基玻璃纤维增强复合材料或透明陶瓷。
4.根据权利要求1所述的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，步骤S2中，所述注浆参数包括：浆液配合比、浆液凝固时间、注浆压力、注浆量；
所述注浆设备参数包括：注浆泵的输出压力和再次启动压力、注浆泵的流量、高压管的安全范围、开关阀的安全范围、牛油头的安全范围。
5.根据权利要求1所述的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，步骤S3中，室内模型试验注浆总时间T为完整注浆时间：注浆总时间T的取得标准为：对步骤S1所确定的模型箱进行预注浆，在注浆量满足设计要求、注浆效果良好的情况下，浆液扩散至模型箱的内壁或浆液冒出的时间即为室内模型试验注浆总时间T。
6.根据权利要求1所述的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，步骤S4中，模型箱的数量根据注浆总时间T确定，模型箱数量控制在10-30个，各模型箱的注浆时间由下述公式确定：
kn＝n/N；
ηn＝2.2kn 4-3.4kn 3+2.2kn 2+0.01；
tn＝Tηn；
式中，n为模型箱序号；N为总模型箱个数；ηn为第n个模型箱注浆时间与注浆总时间的比值；tn为第n个模型箱的注浆时间。
7.根据权利要求1所述的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，步骤S5中，模型箱黄土体填筑时采用分层填筑，每100-200mm为一层，每层土体的厚度和土质相同，每层土体填筑后需进行整平压密。
8.根据权利要求1所述的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，步骤S6中，在对每个模型箱进行注浆时，每个模型箱按照步骤S4中所确定的注浆时间进行注浆，每个注浆时间均为该模型箱的单独注浆时间。
9.根据权利要求1所述的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，步骤S7中，拆模后去除浆液未到达部分的黄土，以露出浆脉，并对每个浆脉用毛刷进行清理。
10.根据权利要求1所述的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，步骤S8中，浆脉形态的图像采集方式为拍照或三维扫描，确保采集到的图像清晰可靠。
11.根据权利要求1所述的黄土劈裂注浆过程模型试验观测方法，其特征在于，步骤S9中，用视频剪辑的方式对步骤S8中所采集到的图像进行处理，得到劈裂注浆浆液扩展的全过程。
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