CN210775128U - 用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性的装置，包括基座、栅板、支撑板、岩体碎屑层、压力传感器；栅板包括第一栅板以及第二栅板，第一栅板以及第二栅板固定设置在基座上；支撑板包括第一支撑板以及第二支撑板，第一支撑板、第二支撑板分别与第一栅板、第二栅板连接；岩体碎屑层包括第一岩体碎屑层以及第二岩体碎屑层，第一岩体碎屑层、第二岩体碎屑层分别附着在第一支撑板、第二支撑板；垫片嵌在第一岩体碎屑层以及第二岩体碎屑层两端侧之间，第一岩体碎屑层、第二岩体碎屑层以及垫片围成竖向裂隙；压力传感器设置在支撑板上。可以模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性，确保注浆施工质量。

Description

用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性的装置

技术领域

本实用新型涉及岩体加固技术领域，尤其涉及用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性的装置。

背景技术

岩石由于在风蚀、水蚀、冻融及重力侵蚀交互作用下，常常呈现出复合侵蚀模式。

岩体通常发生块体状侵蚀存在大量竖向裂隙，裂隙构成了水流下渗的通道，在冻融循环和水侵蚀作用下，裂隙不断下切，裂隙面两侧咬合力丧失，使临坡面的砒砂岩块体与母体完全分离，产生下坠、倾覆趋势，当达到一定极限状态时即突然发生崩塌，形成块体状重力侵蚀。

临坡面岩体崩塌常常会造成严重的后果，例如：公路两旁的临坡面岩体崩塌会造成公路中断，更甚至会危害行人的生命财产安全。

以砒砂岩为例：我国鄂尔多斯高原地区分布着一种特殊泥沙岩—砒砂岩，面积约1.67万km2，其土壤侵蚀模数最高达76000t/km².a。虽然砒砂岩区仅占黄土高原地区总面积的2.6％，但产沙量却占到整个黄土高原地区输入黄河粗泥沙的30％左右，是黄河中游水土保持工作的重点地区。

导致高产沙量的主要原因在于砒砂岩特殊的岩性。由于颗粒间胶结程度差、结构强度低，蒙脱石含量高，遇水膨胀泥化，加上冻融循环作用，岩石结构极易遭到破坏，在风蚀、水蚀、冻融及重力侵蚀交互作用下，呈现出复合侵蚀模式。其中重力侵蚀占总侵蚀量的30％以上，重力侵蚀产生的松散堆积物，是黄河中游土壤侵蚀产沙的主要来源。因此，加强对砒砂岩区重力侵蚀的治理，对于控制土壤侵蚀、减少入黄泥沙具有重要意义。

重力侵蚀主要有泻溜、崩塌、滑塌等表现形式，其中以崩塌为主要形式的块体状重力侵蚀现象十分突出，其发生具有突然性，所产生的侵蚀量和破坏性往往比较大。

通常发生块体状侵蚀的砒砂岩层中存在大量竖向裂隙，裂隙构成了水流下渗的通道，在冻融循环和水侵蚀作用下，裂隙不断下切，裂隙面两侧咬合力丧失，使临坡面的砒砂岩块体与母体完全分离，产生下坠、倾覆趋势，当达到一定极限状态时即突然发生崩塌，形成块体状重力侵蚀。

通过注浆充填临坡面砒砂岩体中的竖向裂隙、从而封堵水流通道、避免水流下渗、阻止裂隙下切趋势，同时借助浆液固化后所产生的粘结力，使裂隙两侧岩块粘接在一起，从而提高临坡面岩块的稳定性、避免崩塌是防治块体状重力侵蚀的重要措施之一，然而由于砒砂岩岩性特殊，对水敏感，传统的注浆材料如水泥浆、水玻璃等，由于均以水作为溶剂或主要反应成分，会对砒砂岩结构造成破坏，使得加固效果被严重削弱甚至完全丧失加固作用。

现有常常通过注入非水反应浆料，例如：高聚物浆液，浆液固化后所产生的粘结力，使裂隙两侧岩块粘接在一起，提高临坡面岩块的稳定性。同时由于高聚物浆液不以水作为溶剂或主要反应成分，因此不会对砒砂岩体结构产生附加侵蚀破坏。但是，在实际注浆施工过程中，高聚物具有自膨胀特性，浆液膨胀过程中会对裂隙面产生膨胀压力，在裂隙开度一定的情况下，如果单孔浆液注入量过多，将使裂隙面受到过大的膨胀压力，会导致临坡面砒砂岩块体倾覆，发生崩塌，因此需要合理控制浆液单孔注入量以避免对裂隙面产生过大的膨胀压力；另一方面，由于高聚物浆液反应速度快，一定量浆液从注浆孔注入后迅速膨胀固化，形成一定扩散范围，为保证从不同注浆孔注入的高聚物浆液固化后能够相互搭接，有效充填裂隙；即需要知道浆料在竖向裂隙中的扩散及膨胀特性。

但是，现在的注浆主要依赖操作人员的经验，存在极大不确定性，主观性强，难以保证注浆施工质量。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性的装置，本装置可以模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性，然后通过模拟得到的扩散及膨胀特性数据指导实际注浆，为岩体竖向裂隙注浆参数合理设计奠定基础，从而实现注浆参数科学化和精细化，确保注浆施工质量。

一种用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性的装置，包括基座、栅板、支撑板、用于模拟岩体岩裂隙表面状态的岩体碎屑层、用于调节裂隙开度的垫片以及用于量测浆液对岩体碎屑层壁面膨胀压力的压力传感器；

所述栅板包括第一栅板以及第二栅板，所述第一栅板以及第二栅板固定设置在基座上；

所述支撑板包括第一支撑板以及第二支撑板，所述第一支撑板、第二支撑板分别与第一栅板、第二栅板连接；

所述岩体碎屑层包括第一岩体碎屑层以及第二岩体碎屑层，所述第一岩体碎屑层、第二岩体碎屑层分别附着在第一支撑板、第二支撑板；

所述垫片嵌在第一岩体碎屑层以及第二岩体碎屑层两端侧之间，所述第一岩体碎屑层、第二岩体碎屑层以及垫片围成竖向裂隙；

所述压力传感器设置在支撑板上。

优选地，所述第一栅板与第二栅板固定连接。

优选地，所述第一栅板与第二栅板通过螺栓固定连接。

优选地，所述第一岩体碎屑层、第二岩体碎屑层通过粘合剂分别附着在第一支撑板、第二支撑板。

优选地，所述岩体碎屑层中的岩体碎屑为待测的目标岩体碎屑，所述岩体为砒砂岩体。

优选地，所述栅板上开有注浆孔，所述注浆孔横向依次贯穿栅板、支撑板以及岩体碎屑层与竖向裂隙连通。

优选地，所述注浆孔设置在靠近底座端的栅板下端部。

优选地，所述支撑板为亚克力支撑板。

优选地，所述压力传感器为多个，多个压力传感器均匀分布在支撑板上。

优选地，所述多个压力传感器均匀分布在支撑板上，并穿透岩体碎屑层与岩体碎屑层表面平齐。

本实用新型提供了用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性的装置，本装置可以模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性，然后通过模拟得到的扩散及膨胀特性数据指导实际注浆，为岩体竖向裂隙注浆参数合理设计奠定基础，从而实现注浆参数科学化和精细化，确保注浆施工质量；且本装置结构简单，便于组装拆卸，测试过程操作简便、快捷，可以模拟测试不同裂隙开度、不同注浆量、不同浆液在不同岩体竖向裂隙中的扩散特性和膨胀压力特性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例的效果表征图，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为用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性装置的左视半剖图；

图2为用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性装置的主视图；

图3为用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性装置的俯视图；

图4为用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性装置的立体图。

附图标记

11 基座 12 栅板

13 支撑板

15 注浆孔 16 螺栓

17 垫片 18 压力传感器

121 第一栅板 122 第二栅板

131 第一支撑板 132 第二支撑板

141 第一岩体碎屑层 142 第二岩体碎屑层

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参看图1、图2、图3以及图4，一种用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性的装置，包括基座11、栅板12、支撑板13、用于模拟岩体岩裂隙表面状态的岩体碎屑层、用于调节裂隙开度的垫片17以及用于量测浆液对岩体碎屑层壁面膨胀压力的压力传感器18；

栅板12包括第一栅板121以及第二栅板122，第一栅板121以及第二栅板 122固定设置在基座11上；支撑板13包括第一支撑板131以及第二支撑板132，第一支撑板131、第二支撑板132分别与第一栅板121、第二栅板122连接；岩体碎屑层包括第一岩体碎屑层141以及第二岩体碎屑层142，第一岩体碎屑层 141、第二岩体碎屑层142分别附着在第一支撑板131、第二支撑板132上；垫片17嵌在第一岩体碎屑层141以及第二岩体碎屑层142两端侧之间，第一岩体碎屑层141、第二岩体碎屑层142以及垫片17围成竖向裂隙；压力传感器18 设置在支撑板13上。通过岩体碎屑层模拟真实的岩体结构，然后通过两岩体碎屑层之间的竖向裂隙模拟真实的岩体竖向裂隙，往竖向裂隙注浆，通过压力传感器18量测浆液对岩体碎屑层壁面膨胀压力，从而模拟出实际注浆时浆料对岩体的膨胀压力，固化后，打开支撑板13，即将第一支撑板131以及第二支撑板 132分开，观察测量浆液在竖向裂隙中的扩散形态和范围。当需要改变竖向裂隙开度时，只需将不同厚度的垫片17进行更换；当需要改变注浆量时，只需控制往竖向裂隙注浆量；变量注浆量以及裂隙开度，获得对应变量下的膨胀压力以及扩散形态和范围，一般情况下，扩散形态为近似圆形。

其试验方法为：根据模拟裂隙开度，选用相应厚度的垫片17，组装试验装置。

往竖向裂隙注入一定量浆液，借助压力传感器18量测高聚物浆液扩散过程中对裂隙面产生的膨胀压力并记录其最大值，待浆液固化后，拆卸试验装置，观察浆液在竖向裂隙中的扩散形态和范围。

更换不同厚度垫片17模拟不同开度竖向裂隙，采用不同浆液注入量，重复上述步骤。

对不同裂隙开度、不同注浆量情况下得到的最大膨胀压力和扩散范围进行数据拟合，建立裂隙开度、注浆量与膨胀压力之间关系以及裂隙开度、注浆量与浆液扩散范围之间的关系。

将模拟得到的特性关系指导实际注浆，为岩体竖向裂隙注浆参数合理设计奠定基础，从而实现注浆参数科学化和精细化，确保注浆施工质量。且本装置结构简单，便于组装拆卸，测试过程操作简便、快捷，可以模拟测试不同裂隙开度、不同注浆量、不同浆液在不同岩体竖向裂隙中的扩散特性和膨胀压力特性。

装置中，第一栅板121与第二栅板122固定连接，一般通过螺栓16固定连接，因为通过螺栓16固定连接固定性好，拆卸时也方便。

由于第一岩体碎屑层141以及第二岩体碎屑层142的岩体为碎屑状，所以碎屑状的岩体碎屑层为通过粘合剂分别附着在支撑板13上。

岩体碎屑层中的岩体碎屑为待测的目标岩体碎屑，岩体最常见为砒砂岩体。

栅板12上开有注浆孔15，注浆孔15横向依次贯穿栅板12、支撑板13以及岩体碎屑层与竖向裂隙连通；通过横向设置的注浆孔15，往竖向裂隙注浆，更符合实际过程的灌浆，得到的膨胀压力、扩散形态以及扩散范围更加真实。一般地，注浆孔15设置在靠近底座端的栅板12下端部，这样注浆高度不高，便于注浆，且又不是最底端，可以得到完整的浆料扩散形态及范围。且栅板12 一般采用钢格栅板12，钢格栅板12与底座11焊接固定。

支撑板13可为木板，金属板，塑料板，但是为了较为清楚地、直接明了地观测到浆料的扩散形态以及扩散范围，支撑板13一般采用亚克力支撑板13。

压力传感器18为多个，多个压力传感器18可多方位对压力进行检测，获取最真实的最大膨胀压力，减少误差。且压力传感器18均匀分布在支撑板13 上，并穿透岩体碎屑层与岩体碎屑层表面平齐，使获取的数据更加地准确。

本装置可对很多岩体进行模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性，最为常见的岩体为砒砂岩体；且浆液也可以为多种，例如：水泥浆液、水玻璃浆液，但是常见于高聚物的浆液，高聚物一般为具有自膨胀特性的双组分聚氨酯高聚物注浆材料，这种高聚物注浆材料有自膨胀特性，在空气中自由膨胀率可达25-30倍。

本实用新型实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本文进行了详细的介绍，应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种用于模拟浆液在岩体竖向裂隙中扩散及膨胀特性的装置，其特征在于，包括基座、栅板、支撑板、用于模拟岩体岩裂隙表面状态的岩体碎屑层、用于调节裂隙开度的垫片以及用于量测浆液对岩体碎屑层壁面膨胀压力的压力传感器；

所述栅板包括第一栅板以及第二栅板，所述第一栅板以及第二栅板固定设置在基座上；

所述支撑板包括第一支撑板以及第二支撑板，所述第一支撑板、第二支撑板分别与第一栅板、第二栅板连接；

所述岩体碎屑层包括第一岩体碎屑层以及第二岩体碎屑层，所述第一岩体碎屑层、第二岩体碎屑层分别附着在第一支撑板、第二支撑板；

所述垫片嵌在第一岩体碎屑层以及第二岩体碎屑层两端侧之间，所述第一岩体碎屑层、第二岩体碎屑层以及垫片围成竖向裂隙；

所述压力传感器设置在支撑板上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一栅板与第二栅板固定连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一栅板与第二栅板通过螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一岩体碎屑层、第二岩体碎屑层通过粘合剂分别附着在第一支撑板、第二支撑板。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述岩体碎屑层中的岩体碎屑为待测的目标岩体碎屑，所述岩体为砒砂岩体。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述栅板上开有注浆孔，所述注浆孔横向依次贯穿栅板、支撑板以及岩体碎屑层与竖向裂隙连通。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述注浆孔设置在靠近底座端的栅板下端部。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑板为亚克力支撑板。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力传感器为多个，多个压力传感器均匀分布在支撑板上。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述多个压力传感器均匀分布在支撑板上，并穿透岩体碎屑层与岩体碎屑层表面平齐。

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