CN210742254U - 一种可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，传统的室内注浆试验装置一种是在一个围压不变的土样内注浆，测试静力条件下注浆对土质特性的影响；另外一种是在一个轴向可以加载的圆柱形试样内注浆，可以测试在不同上覆土压力下注浆特性的不同，但是这种情况下水平各方向的应力状态是相同的，此时土样的应力状态显然和实际状态下的土是不同的。本实用新型采用X轴、Y轴和Z轴三向独立加载，采用流体进行柔性加载，在模型箱体的底部开孔加入注浆管，用于模拟不同应力路径下注浆对周围土样产生的影响，同时土样可以采用人工制备的透明土材料，结合PIV技术对土的位移场进行监测。本实用新型小巧方便易用，特别适合实验室内使用。

Description

一种可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种地基与基础工程领域的试验装置，特别涉及一种可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置。

背景技术

随着我国社会经济的迅猛发展，现代化城市建设进度不断加快，大型综合多功能建筑群不断涌现，基础设施建设也在日趋完善。目前城市地下隧道越来越多地投入运营，加之城市用地紧张，基坑周边的环境条件变得越来越复杂，并且基坑对周边环境所产生影响的变形控制标准也日益严格。在基坑开挖过程中，邻侧土体的卸荷作用导致基坑周围土的应力状态分成了不同的区域，包括壁后主动区土体、坑底角处被动区土体以及过渡区土体。不同区域的土体有着不同的应力历史和应力状态。但是对于不同应力状态下土体的注浆特性却鲜有试验装置可以进行室内试验模拟。

注浆技术在实际工程中广泛的应用使得这一课题有着很强的工程实际意义，目前国内外已经有一部分学者开始研究不同侧压力系数、不同上覆土压力以及不同超固结比对注浆特性的影响，但是由于试验设备的局限性导致不能进行更深一步的研究工作。

实用新型内容

本实用新型主要涉及一种可独立控制土体三向应力状态的注浆试验装置，采用三向柔性加载，实现三向应力的独立控制。通过压力伺服系统来再现基坑周围土体中不同区域的应力状态，然后通过定体积或定压力注浆来模拟不同应力路径下土体的注浆特性、研究注浆对土体周围位移场、应力场以及超孔隙水压力场的影响。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，包括模型箱体、注浆管、土体试样、两台相机和一台计算机；所述模型箱体是一个六面体，所述模型箱体的顶面板为箱体盖，所述模型箱体的前面板和后面板均为边长为L的正四边形，所述模型箱体的顶面板、底面板、左面板和右面板均为长边为L、短边为L/2 的矩形；所述前面板的材料为透明的有机玻璃；

所述模型箱体的后面板、顶面板、左面板和右面板的内侧均设有加压囊，所述后面板、顶面板、左面板和右面板上、且位于每个面板对角线的相交点处的加压孔；

后面板内侧的加压囊通过该面板上的加压孔连接至用于控制充入该加压囊内流体的压力的第一压力伺服控制系统；左面板内侧的加压囊和右面板内侧的加压囊均通过所在面板上的加压孔连接至用于控制充入这两个加压囊内流体的压力的第二压力伺服控制系统，顶面板内侧的加压囊通过该面板上的加压孔连接有用于控制充入该加压囊内流体的压力的第三压力伺服控制系统；

在所述底面板上紧贴着前面板的内侧设有一个用于通过注浆管的通孔；所述注浆管的前端设有四个出浆孔，自位于出浆孔的后侧3mm处依次设有间隔为3mm的三道凹槽，所述注浆管的一端自所述通孔伸入至所述前面板对角线的相交点处，所述注浆管的另一端连接至用于控制注浆压力或体积的压力伺服系统，所述注浆管上设有开关；还设有与所述注浆管的末端配合的薄壁气囊；

所述模型箱体的底面板上设有排水孔，所述底面板上自下而上的设有一层滤纸和透水石及土体试样，将所述土体试样填满至模型箱体，所述土体试样采用人工制备的透明土材料；所述前面板上画有网格线，并涂覆有一层彩色沙粒；所述模型箱体内设有孔隙水压计，所述孔隙水压计连接至所述计算机。

进一步讲，本实用新型所述的可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，其中，除了前面板之外的其余面板采用铝板或是合金材料。

所述出浆孔的直径为2mm。

除了顶面板之外的其余面板为一体结构，所述顶面板通过多个螺栓与该一体结构连接，螺栓的直径为10mm。

设置在模型箱体的后面板、顶面板、左面板和右面板内侧的加压囊的材料采用弹性模量为1450kPa±30kPa的橡胶材料。

所述顶面板、底面板、后面板、左面板和右面板的内侧涂抹有一层凡士林。

所述薄壁气囊套在所述注浆管的末端，并用橡皮筋在三道凹槽处将薄壁气囊扎紧。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型可实现三向应力独立加载：通过在加压囊内充入流体的多少来控制施加应力的大小，由于流体的形状不定性，不同方向的加压不受太大的干扰。

(2)本实用新型可实现注浆引起位移的可视化：采用人工制备的透明土可以更直观的观察浆液在土样中的扩散方式。

附图说明

图1是本实用新型注浆试验装置的整体结构的主视图；

图2是图1所示注浆试验装置的俯视图；

图3是本实用新型中的注浆管端口的构造示意图。

图中：1-第一压力伺服控制系统，2-第二压力伺服控制系统，3-第三压力伺服控制系统，4-用于控制注浆压力或体积的压力伺服系统，5-计算机，61、62、63、64-加压囊，7-土体试样，8-孔隙水压计，9-薄壁气囊，10-滤纸和透水石，11-相机，12-出水孔，13-开关，14-顶面板，15-后面板，16-底面板，17-前面板，18-左面板，19-右面板，21、22、23、24-加压孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。

如图1和图2所示，本实用新型提出的一种可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，包括模型箱体、注浆管30、土体试样7、两台相机11和一台计算机5；所述模型箱体是一个六面体，所述模型箱体的顶面板14为箱体盖，所述模型箱体的前面板17和后面板 15均为边长为L的正四边形，除了顶面板14之外的其余面板为一体结构，所述顶面板14 通过多个螺栓与该一体结构连接，螺栓的直径为10mm，所述模型箱体的顶面板14、底面板16、左面板18和右面板19均为长边为L、短边为L/2的矩形；所述前面板17的材料为透明的有机玻璃，除了前面板17之外的其余面板采用铝板或是合金材料。所述模型箱体的后面板15、顶面板14、左面板18和右面板19的内侧均设有加压囊，加压囊的材料采用弹性模量为1450kPa±30kPa的橡胶材料。所述后面板15、顶面板14、左面板18和右面板 19上、且位于每个面板对角线的相交点处的加压孔，即所述后面板15上的加压孔21，顶面板14上的加压孔24，左面板18上的加压孔22，右面板19上的加压孔23。后面板15内侧的加压囊61通过该面板上的加压孔21连接至用于控制充入该加压囊内流体的压力的第一压力伺服控制系统1；左面板18内侧的加压囊62和右面板19内侧的加压囊63均通过所在面板上的加压孔22和23连接至用于控制充入这两个加压囊内流体的压力的第二压力伺服控制系统2，顶面板14内侧的加压囊64通过该面板上的加压孔24连接有用于控制充入该加压囊内流体的压力的第三压力伺服控制系统3。在所述底面板16上紧贴着前面板17的内侧设有一个用于通过注浆管30的通孔。如图3所示，所述注浆管30的前端设有四个出浆孔31，所述出浆孔31的直径为2mm，自位于出浆孔31的后侧3mm处依次设有间隔为 3mm的三道凹槽32，如图1所示，所述注浆管30的一端自所述通孔伸入至所述前面板17 对角线的相交点处，所述注浆管30的另一端连接至用于控制注浆压力或体积的压力伺服系统4，所述注浆管30上设有开关13；还设有与所述注浆管30的末端配合的薄壁气囊9，所述薄壁气囊9套在所述注浆管30的末端，并用橡皮筋在三道凹槽32处将薄壁气囊9扎紧。

所述模型箱体的底面板16上设有排水孔12，所述顶面板14、底面板16、后面板15、左面板18和右面板19的内侧涂抹有一层凡士林。所述底面板16上自下而上的设有一层滤纸和透水石10及土体试样7，将所述土体试样7填满至模型箱体，所述土体试样7采用人工制备的透明土材料；所述前面板17上画有网格线，并涂覆有一层彩色沙粒；所述模型箱体内设有用来测量超孔隙水压力的孔隙水压计8，所述孔隙水压计8的另一端连接至所述计算机5用于数据采集。

利用本实用新型所述的注浆试验装置进行试验是，所需要的各向压力分别由控制σ_x的第一压力伺服控制系统，控制σ_y的第二压力伺服控制系统2和控制σ_z的第三压力伺服系统 3提供，模型箱体的除了前面板之外的其余面板上都开有加压所用的加压囊和加压孔，由于柔性加载流体的变形特性，各方向的加载干扰较小。在注浆管30的尽头连接用于控制注浆压力或体积的压力伺服系统4，注浆管30的另一端处为一个薄壁气囊9，也可以不加气囊直接将浆液注入土体试样7中，模型箱底面土样试样的上方铺设一层滤纸和透水石10。

本实用新型的设计思路是，采用三向柔性加载，实现三向应力的独立控制。通过压力伺服系统来再现基坑周围土体中不同区域的应力状态，然后通过定体积或定压力注浆来模拟不同应力路径下土体的注浆特性、研究注浆对土体周围位移场、应力场以及超孔隙水压力场的影响。

实施例：

所述模型箱体尺寸的大小、壁厚，都可以根据实际设计的试验进行选择，本实施例中，选择长宽高为400*200*400mm，壁厚为20mm，材质除前面板17采用透明的有机玻璃外，其余五个面板均采用钢材。模型箱体的顶面板14是在放入土样试样7后再用六个螺栓连接固定的，螺栓是直径为10mm的普通螺栓。每个加压囊均为弹性相对较小的橡胶囊，这样在施加压力时土样表面各点的位移不会相差较大。所述注浆管30采用外径为6mm、内径为4mm的钢制细管，如图3所示，注浆管30末端处均匀的分布着四个直径为2mm的出浆口，为了固定薄壁气囊9，在出浆孔下部间隔3mm设置三处凹槽，凹槽的宽度为1mm，深1mm，以便在薄壁气囊9外部用细橡皮筋扎紧，既要保证严密性，又要减小与土体的摩擦力。橡皮筋的直径为1mm，长为200mm。所述土体试样7采用人工制备的透明土材料，并在有机玻璃面板上用记号笔打上网格线，再涂上一层容易识别的彩色砂粒，以方便相机 11捕捉土体位移。所述孔隙水压计8要尽量采用体积最小的仪器，以减少其对土的性质的干扰。所述注浆管30的出浆孔是紧贴前面板17的对角线交点的，自上而下来看理论上的注浆体是个半圆，如图2所示。所述相机11应优先选择像素高、体积小的机型。

如图1中孔隙水压计8和注浆管9是预先固定在模型箱内的，故土样试样7是在模型箱内直接制备的，先将配置好的土体浆液倒入模型箱，通过现有的固结排水设备将土样处理成预定的状态。

利用本实用新型进行试验的方法包括如下步骤：

1、准备工作：

安装注浆管30，并将注浆管固定在底部透水石之上175mm处。通过注射器缓慢往注浆管30内注满蒸馏水，注射过程中尽可能避免管内存在气泡，以减少初始注浆量的损失。在所述注浆管30的端部包裹一层止水胶带，以防在安装薄壁气囊过程以及注射过程扎破气囊。在注浆管30的末端设置四个出浆孔31。

在模拟压密注浆时，在注浆管30上对应部位开孔后，将薄壁气囊9套入注浆管30的上部末端，然后用橡皮筋在三道凹槽32处将薄壁气囊9绑紧、密封；安装完薄壁气囊9后，需要对注浆管系统密闭性进行检测。打开用于控制注浆压力或体积的压力伺服系统4和注浆管上的开关13，注射少许蒸馏水使与压力伺服系统4连接的注浆管30内充满蒸馏水，检查注浆管和压力伺服系统的注浆管的连接处，且尽量避免存在有气泡，将所述注浆管30的带有薄壁气囊9的前端自设置在所述底面板16上紧贴着前面板17的内侧的通孔伸入至所述前面板17对角线的相交点处，然后将注浆管30的后端和压力伺服系统4的注浆管连接在一起，以0.5ml/s的注浆速率向注浆管30中注射1ml的蒸馏水，监测并记录注浆压力，如果注浆压力在2分钟内几乎保持不变，则认为该注浆系统的密闭性良好，最后，通过压力伺服系统4排除该1ml的蒸馏水。在所有加压囊表面及有机玻璃的前面板17上均贴有特氟龙胶带，并涂抹一层凡士林，以减少内壁摩擦；在有机玻璃的前面板17上用醒目的记号笔打上标定用的网格线，根据要监测的区域大小调整两台相机11的摆放位置，并做好相机的焦距调节和位置固定。在模拟劈裂注浆时，将薄壁气囊9从注浆管30末端取下即可。

2、制备土体试样

以粒径为2000目即6.5μm的无定形硅石粉末模拟固体颗粒，以15号白矿油、正十二烷的混合液模拟孔隙液体，将无定形硅石粉末和15号白矿油、正十二烷混合后制备成透明的土体浆液；将该土体浆液置于模型箱体中，土体浆液的初始液面是通过反复尝试性试验精确控制的，使土体试样在初始上覆压力作用下固结完成后的试样高度为150mm。通过固结杠杆分级施加上覆压力，一般加载顺序为：5kPa、10kPa、25kPa、50kPa、75kPa、100 kPa、200kPa；前六级的压力固结为2h，最后一级的压力固结大于72h，直至固结完成，达到稳定状态，即当竖向位移变化率小于0.002mm/h时，对注浆后的固结沉降的影响可以忽略，土体试样制作完成。

3、不同应力路径下的注浆

通过第一压力伺服控制系统1、第二压力伺服控制系统2和第三压力伺服控制系统3实现，在注浆开始之前按照预先设计好的应力路径，用计算机5根据要实现的应力路径设定好第一压力伺服控制系统1、第二压力伺服控制系统2和第三压力伺服控制系统3的工作参数，通过给不同方位的板内侧的加压囊施加不同的压力来实现土体试样7三向应力的独立控制。

包括压密注浆试验和劈裂注浆试验，可以选择是否加薄壁气囊9来选择模拟压密或者劈裂注浆。

以压密注浆为例，试样制作完成后，首先打开压力伺服系统4，将与其相连的注浆管 30放入空杯，清空压力伺服系统4的蒸馏水，然后，将注浆管30放入盛满蒸馏水的杯子，将压力伺服系统4充满，为了减少压力伺服系统4内的气泡，将上述过程操作两遍。清空压力伺服系统4的压力和体积，连接注浆管30和压力伺服系统4。然后通过压力伺服系统 4设定注浆量和注浆速率，将蒸馏水注射进入薄壁气囊9，当达到目标体积时，关闭注浆管上的开关13；上述注浆过程中记录注浆压力的变化，注浆过程中土体试样7位移变化由计算机5中的数字图像处理程序监测。本实用新型中，所述数字图像处理程序采用基于PIV (ParticleImage Velocimetry，又称粒子图像测速法)技术的Matlab软件，该软件是一款非常成熟的软件，属于本领域惯用的技术手段，在此不再赘述。

进行劈裂注浆试验与上述压密注浆的不同仅为，将薄壁气囊9从注浆管30末端取下，将压力伺服系统4充满的蒸馏水换为环氧树脂浆液，不加薄壁气囊9直接将环氧树脂浆液注入土体试样7，注浆结束后，将土体试样7中凝固的环氧树脂浆液剥离出来，观察劈裂注浆在土体试样7产生的裂缝。

4、固结阶段

注浆结束后的土样位移变化由两台相机11进行记录数据，结合数字图像处理程序进行土体位移场的分析处理。

综上，传统的室内注浆试验装置大致有两种，一种是在一个围压不变的土样内注浆，测试静力条件下注浆对土质特性的影响；另外一种是在一个轴向可以加载的圆柱形试样内注浆，可以测试在不同上覆土压力下注浆特性的不同，但是这种情况下水平各方向的应力状态是相同的，此时土样的应力状态显然和实际状态下的土是不同的。本实用新型采用X 轴、Y轴和Z轴三向独立加载，采用流体进行柔性加载，在模型箱底部开孔加入注浆管，用于模拟不同应力路径下注浆对周围土样产生的影响，同时土样可以采用人工制备的透明土材料，结合数字图像处理技术对土的位移场进行监测。本实用新型小巧方便易用，特别适合实验室内使用。

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (7)

1.一种可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，包括模型箱体、注浆管(30)、土体试样(7)、两台相机(11)和一台计算机(5)；所述模型箱体是一个六面体，所述模型箱体的顶面板(14)为箱体盖，所述模型箱体的前面板(17)和后面板(15)均为边长为L的正四边形，所述模型箱体的顶面板(14)、底面板(16)、左面板(18)和右面板(19)均为长边为L、短边为L/2的矩形；所述前面板(17)的材料为透明的有机玻璃；其特征在于：

所述模型箱体的后面板(15)、顶面板(14)、左面板(18)和右面板(19)的内侧均设有加压囊，所述后面板(15)、顶面板(14)、左面板(18)和右面板(19)上、且位于每个面板对角线的相交点处的加压孔；

后面板(15)内侧的加压囊(61)通过该面板上的加压孔(21)连接至用于控制充入该加压囊内流体的压力的第一压力伺服控制系统(1)；左面板内侧的加压囊(62)和右面板内侧的加压囊(63)均通过所在面板上的加压孔连接至用于控制充入这两个加压囊内流体的压力的第二压力伺服控制系统(2)，顶面板内侧的加压囊(64)通过该面板上的加压孔(24)连接有用于控制充入该加压囊内流体的压力的第三压力伺服控制系统(3)；

在所述底面板(16)上紧贴着前面板(17)的内侧设有一个用于通过注浆管(30)的通孔；所述注浆管(30)的前端设有四个出浆孔(31)，自位于出浆孔(31)的后侧3mm处依次设有间隔为3mm的三道凹槽(32)，所述注浆管(30)的一端自所述通孔伸入至所述前面板(17)对角线的相交点处，所述注浆管(30)的另一端连接至用于控制注浆压力或体积的压力伺服系统(4)，所述注浆管(30)上设有开关(13)；还设有与所述注浆管(30)的末端配合的薄壁气囊(9)；

所述模型箱体的底面板(16)上设有排水孔(12)，所述底面板(16)上自下而上的设有一层滤纸和透水石(10)及土体试样(7)，将所述土体试样(7)填满至模型箱体，所述土体试样(7)采用人工制备的透明土材料；所述前面板(17)上画有网格线，并涂覆有一层彩色沙粒；所述模型箱体内设有孔隙水压计(8)，所述孔隙水压计(8)连接至所述计算机(5)。

2.根据权利要求1所述可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，其特征在于，除了前面板(17)之外的其余面板采用铝板或是合金材料。

3.根据权利要求1所述可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，其特征在于，所述出浆孔(31)的直径为2mm。

4.根据权利要求1所述可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，其特征在于，除了顶面板(14)之外的其余面板为一体结构，所述顶面板(14)通过多个螺栓与该一体结构连接，螺栓的直径为10mm。

5.根据权利要求1所述可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，其特征在于，设置在模型箱体的后面板(15)、顶面板(14)、左面板(18)和右面板(19)内侧的加压囊的材料采用弹性模量为1450kPa±30kPa的橡胶材料。

6.根据权利要求1所述可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，其特征在于，所述顶面板(14)、底面板(16)、后面板(15)、左面板(18)和右面板(19)的内侧涂抹有一层凡士林。

7.根据权利要求1所述可以独立控制三向应力状态的注浆试验装置，其特征在于，所述薄壁气囊(9)套在所述注浆管(30)的末端，并用橡皮筋在三道凹槽(32)处将薄壁气囊(9)扎紧。

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