CN105043938B - 一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型及其应用，包括试验箱、注浆泵，空压机，注浆管，搅拌桶、渗压计和应变仪；在试验箱的前侧面开设通孔、后侧面开设集线孔、左侧面和右侧面上开设排水孔；空压机、搅拌桶分别与注浆泵连接，注浆泵连接注浆管，注浆管的一端***通孔，在试验箱内放置所述的渗压计，渗压计通过数据传输线贯穿集线孔后与所述的应变仪相连。利用本试验模型可进行饱水砂/土层的试验研究，增加了对饱水砂/土层渗透注浆的有效模拟；能够有效测量沿程液压并定量研究其规律；可按照需要改变几乎所有影响渗透注浆效果的参数；且该试验模型结构设计巧妙，操作方便，试验效果好。

Description

一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型及其应用

技术领域

本发明涉及一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型及其应用，属于岩土工程技术领域。

背景技术

注浆是工程中为了加固地层或者防渗堵漏而采用的一种施工方法。其原理是先预制一定配比的可凝固的浆液，然后利用注浆泵或者其他注浆器材将其灌入地层中。浆液在地层中扩散，并与地层介质颗粒胶结在一起，在一定时间内发生固化，使土层或者建筑物的力学性能得到改善。渗透注浆是指在不改变原来土体物理和力学性质的前提下，浆液在压力的作用下充填到土层的孔隙和岩石的裂隙中，并且将存在的自由水和气体排挤出孔隙，这种注浆方法所应用的注浆压力相对较小。

渗透注浆理论研究注浆过程中注浆压力、流量、扩散半径与注浆时间之间的关系，能够为注浆设计和岩土工程的现场施工提供科学依据，揭示浆液在岩土缝隙中的流动规律，同时也能反映工艺技术、浆材性质和地质情况之间的关系。目前在渗透注浆领域，理论方面的研究滞后于工程实践，这主要是因为地质构造复杂，地层的孔隙分布难于模拟，且浆液运动扩散过程难于直接观察。因此通过试验的方法研究渗透注浆理论是科学有效的。

国内学者进行过一些研究浆液在砂层介质中扩散过程的试验，推导了注浆过程中扩散半径与其他各种主要影响因素之间的关系，如李慎刚等通过室内模拟试验提出了渗流压力与浆液粘度间的定性关系。但是这些试验并没有模拟在饱水砂层中注浆的情况，也未能研究出浆液的压力耗散及传递机理。随着地下工程建设的蓬勃发展，社会对工程安全及经济、环保等综合效益的要求越来越高，相关的理论探索已迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型。

本发明还提供一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型的使用方法。

本发明的技术方案如下：

一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型，包括试验箱、注浆泵、空压机、注浆管、搅拌桶、渗压计和应变仪；所述试验箱为一密闭的方形箱体，在试验箱的前侧面开设一通孔、后侧面开设多个集线孔、左侧面和右侧面上开设多个排水孔；所述空压机、搅拌桶分别与注浆泵连接，注浆泵通过注浆管与所述通孔相连，在试验箱内放置所述的渗压计，渗压计通过数据传输线贯穿集线孔后与所述的应变仪相连。

优选的，所述空压机与注浆泵之间还连接有调压阀。

优选的，所述试验箱包括底座、结构架和钢化玻璃板组成的箱体，在底座上设置所述的结构架，在结构架的外部设置所述的钢化玻璃板。

进一步优选的，所述试验箱的上侧面的钢化玻璃板为可拆式钢化玻璃板。此设计的好处在于，将试验箱上方的钢化玻璃板设计成可拆卸的，方便向试验箱内填料和卸料。

优选的，所述通孔位于试验箱前侧面的几何中心位置。

优选的，所述试验箱的尺寸为：长160cm×宽160cm×高160cm。

优选的，所述通孔的半径为1.1-2cm，所述集线孔的数量为3-5个，集线孔的半径为1-2cm，所述两侧排水孔的总量为4-8个，排水孔的半径为1-2cm。

优选的，所述结构架及底座均选用Q345B钢板制作而成。

优选的，所述试验箱的前侧面、后侧面、左侧面和右侧面均设置有钢板肋。

优选的，所述注浆泵选用型号为QBK-215的多用途气动隔膜泵。

优选的，所述空压机选用型号为Y112M-2的三相异步电动机。

优选的，所述注浆管选用半径为1cm的塑料管。

优选的，所述渗压计选用振弦式渗压计。

一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型的使用方法，包括以下步骤，

(1)制定试验方案，试验方案选正交试验或均匀试验；

(2)依照步骤(1)选取的试验方案配合好所需要的砂子，充分均匀地混合并测量其渗透系数、密度、比重，以备后用；

(3)将配合好的砂子分层填入试验箱中，并在相应的高度砂层平面上按照计划的尺寸填埋渗压计及注浆管，填埋好砂层后静置5小时以上；

(4)对试验箱中的砂层进行饱水，并静置1-2小时；

(5)按照现有技术在搅拌桶中配置与步骤(2)中砂子的渗透系数所对应的水灰比的水泥浆液，将注浆泵的进浆管***水泥浆液中；

(6)将进浆管、出浆管与注浆泵连接起来，然后将注浆泵与空压机连接起来，最后将渗压计通过数据传输线与应变仪连接；

(7)利用空压机向所述试验箱进行注浆，同时计时，按照试验需要控制注浆时间，在注浆的同时，记录应变仪的数据变化情况；

(8)注浆结束1-2天后，部分砂子与水泥浆液形成结石体，将试验箱内的砂层挖开，测量结石体沿每个方向的扩散半径并取其平均值；

(9)清理试验箱，根据试验方案改变试验参数，重复步骤(1)-(8)，继续下一组试验直至所选方案的试验全部做完。

优选的，步骤(9)中，所述试验参数包括：注浆压力、渗透系数、水灰比、注浆时间。

本发明的有益效果在于：

1、本发明渗透注浆试验模型结构设计巧妙，应用该试验模型能够模拟地层的渗透注浆过程，且该试验模型操作方便，结构简单，造价低，可重复使用，试验效果好。

2、利用本发明的渗透注浆试验模型可进行饱水砂层、饱水土层的试验研究，对渗透注浆机理研究方法与传统方法比较，增加了对饱水砂层渗透注浆的有效模拟；能够有效测量沿程液压并定量研究其规律；可按照需要改变几乎所有影响渗透注浆效果的参数；流程简单，数据可靠，能广泛应用于各类渗透注浆理论研究。

附图说明

图1为本发明渗透注浆试验模型示意图；

图2为本发明渗透注浆试验模型中试验箱的立面图；

图3为本发明渗透注浆机理研究方法中渗压计埋设正视图；

图4为本发明渗透注浆机理研究方法中渗压计埋设俯视图；

图5为本发明渗透注浆机理研究方法中一次注浆试验的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所示，一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型，包括试验箱、注浆泵、空压机、注浆管、搅拌桶、渗压计和应变仪；所述试验箱为一密闭的方形箱体，在试验箱的前侧面开设一通孔、后侧面开设多个集线孔、左侧面和右侧面上开设多个排水孔；所述空压机、搅拌桶分别与注浆泵连接，注浆泵还连接所述的注浆管，注浆管的一端***通孔，在试验箱内放置所述的渗压计，渗压计通过数据传输线贯穿集线孔后与所述的应变仪相连。

其中，试验箱是由钢化玻璃板、结构架、底座三部分组成的正方形箱体，其外观尺寸长×宽×高为160cm×160cm×160cm，试验箱尺寸的设计主要应该考虑选用的水泥浆液在试验设计的注浆压力下所能扩散的最大的范围，并且浆液的扩散还具有各向同性的特点，前期经过实际工程的数据试算，尺寸是能够满足试验要求的。

结构架及底座均选用Q345B钢板制作而成，在底座上设置所述的结构架，在结构架的外部即结构架的六个侧面上设置所述的钢化玻璃板，钢化玻璃板相互连接将结构架围成一个密闭的箱体，在四周的棱上，均用钢板焊接或者用螺栓连接。其中试验箱的上侧面的钢化玻璃板设计成可拆卸的，方便向试验箱内填料和卸料。

试验箱上通孔的半径为2cm，通孔位于试验箱前侧面的中心位置；集线孔的数量为5个，集线孔呈“十”字排列，集线孔的半径为2cm，集线孔的间距为40cm；试验箱左侧面和右侧面上对称开设4个半径为2cm的排水孔，用于在注浆过程中将水自由排出。

另外，注浆泵选用型号为QBK-215的多用途气动隔膜泵适用气源为压缩空气，适用气压为2-7kg/cm²，泵进口直径为25mm，泵出口直径为25mm；

空压机选用型号为Y112M-2的三相异步电动机，型号为W-0.6/8，功率为4KW，电压为380V，最大压力为0.8Mpa(115Psi)；

注浆管选用半径为1cm的塑料管；

渗压计采用振弦式渗压计，型号为XHX-7XX，量程为0.4MPa，灵敏度≤0.05％F·S，直径为32mm，长度为16cm。

应变仪采用力&应变综合参数测试仪，型号为XL2118A，测量范围为0～±1999με，分辨率为1με，平衡方式为自动扫描平衡，接桥方式为全桥，半桥，1/4桥(公共补偿)，显示窗口为8窗口，扫描速度为16点/秒，工作模式可采用本机自控/计算机监控/计算机外控。

空压机与注浆泵之间还额外连接有一调压阀，调压阀采用日本SMC高精密调压阀IR2000-02BG，调压范围为0-0.4MPa。

搅拌桶内设置有电动搅拌机，搅拌机和搅拌桶是配套设备，所述搅拌桶容量为200L，以满足试验注浆量的需求为准。

本实施例提供的渗透注浆试验模型，在试验箱内填入砂子或土，能够模拟不同的地层情况，通过在搅拌桶内拌和水泥浆液，利用空压机和注浆泵将水泥浆液泵入到试验箱内，对参数设定后，通过渗压计和应变仪进行试验数据的观察和记录，利用本渗透注浆试验模型可有效进行相关渗透注浆理论的研究。

实施例2：

一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型，结构如实施例1所述，其不同之处在于：试验箱的前侧面、后侧面、左侧面和右侧面均设置有钢板肋。增加设计的钢板筋加强了试验箱的承载压力，保障试验的顺利进行。

试验箱上通孔的半径为1.1cm，通孔位于试验箱前侧面的中心位置；集线孔的数量为3个，集线孔呈“十”字排列，集线孔的半径为1cm，集线孔的间距为40cm；试验箱左侧面和右侧面上对称开设8个半径为1cm的排水孔，用于在注浆过程中将水自由排出。

实施例3：

一种利用上述实施例所述的可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型进行球形渗透注浆机理研究的使用方法，包括以下步骤：

(1)试验方案选均匀试验，按照U6*(64)设计表安排为三因素六水平均匀试验。三因素分别选取为注浆压力、水灰比及渗透系数；

(2)依照步骤(1)选取的试验方案配合好所需要的砂子，充分均匀地混合并测量其渗透系数、密度、比重，以备后用；

(3)将配合好的砂子分层填入试验箱中，并在相应的高度砂层平面上按照计划的尺寸填埋渗压计及注浆管，其中，分别在试验箱内上、下、前、后、左五个方向上分别渗压计，每个方向上渗压计的间距均为10cm，埋设位置如图3和图4所示，填埋好砂层后静置24小时；

(4)对试验箱内的砂层进行饱水，并静置2小时；

(5)在搅拌桶中配置与填入砂子的渗透系数所对应的水灰比的水泥浆液，充分搅拌后将注浆泵的进浆管***水泥浆液中；

(6)将进浆管、出浆管与注浆泵连接起来，然后将注浆泵与空压机连接起来，最后将渗压计通过数据传输线与应变仪连接；

(7)利用空压机向试验箱内进行注浆，同时利用秒表计时，注浆时间控制在200秒，在注浆的同时，记录应变仪的数据变化情况；

(8)注浆结束1天后，部分砂子与水泥浆液形成结石体，将试验箱内的砂层挖开，测量结石体沿每个方向的扩散半径并取其平均值；

(9)清理试验箱，根据试验方案改变试验参数，试验参数包括：注浆压力、渗透系数、水灰比、注浆时间；重复步骤(1)-(8)，继续下一组试验直至所选方案的试验全部做完。

试验流程如图5所示，待试验完成后，需对记录的数据进行分析，其分析过程按照本领域的常规分析手段进行即可，如采用多元线性回归分析结石体扩散半径与注浆压力、砂层渗透系数、浆液水灰比及注浆时间之间的关系，以及沿程浆液压力(随着浆液扩散，浆液在整个扩散范围内的压力分布)与注浆压力、砂层渗透系数、浆液水灰比、距注浆点的距离及注浆时间之间的关系。

实施例4：

一种利用上述实施例所述的可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型进行球形渗透注浆机理研究的使用方法，包括以下步骤：

(1)试验方案选均匀试验，按照U6*(64)设计表安排为三因素六水平均匀试验。三因素分别选取为注浆压力、水灰比及渗透系数；

(2)依照步骤(1)选取的试验方案配合好所需要的砂子，充分均匀地混合并测量其渗透系数、密度、比重，以备后用；

(3)将配合好的砂子分层填入试验箱中，并在相应的高度砂层平面上按照计划的尺寸填埋渗压计及注浆管，其中，分别在试验箱内上、下、前、后、左五个方向上分别渗压计，每个方向上渗压计的间距均为10cm，埋设位置如图3和图4所示，填埋好砂层后静置24小时；

(4)对试验箱内的砂层进行饱水，并静置1小时；

(5)在搅拌桶中配置与填入砂子的渗透系数所对应的水灰比的水泥浆液，充分搅拌后将注浆泵的进浆管***水泥浆液中；

(6)将进浆管、出浆管与注浆泵连接起来，然后将注浆泵与空压机连接起来，最后将渗压计通过数据传输线与应变仪连接；

(7)利用空压机向试验箱内进行注浆，同时利用秒表计时，注浆时间控制在200秒，在注浆的同时，记录应变仪的数据变化情况；

(8)注浆结束2天后，部分砂子与水泥浆液形成结石体，将试验箱内的砂层挖开，测量结石体沿每个方向的扩散半径并取其平均值；

(9)清理试验箱，根据试验方案改变试验参数，试验参数包括：注浆压力、渗透系数、水灰比、注浆时间；重复步骤(1)-(8)，继续下一组试验直至所选方案的试验全部做完。

待试验完成后，需对记录的数据进行分析，其分析过程按照本领域的常规分析手段进行即可，如采用多元线性回归分析结石体扩散半径与注浆压力、砂层渗透系数、浆液水灰比及注浆时间之间的关系，以及沿程浆液压力与注浆压力、砂层渗透系数、浆液水灰比、距注浆点的距离及注浆时间之间的关系。

Claims (7)

1.一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型，其特征在于，包括试验箱、注浆泵、空压机、注浆管、搅拌桶、渗压计和应变仪；所述试验箱为一密闭的方形箱体，在试验箱的前侧面开设一通孔、后侧面开设多个集线孔、左侧面和右侧面上开设多个排水孔；所述空压机、搅拌桶分别与注浆泵连接，注浆泵通过注浆管与所述通孔相连，在试验箱内放置所述的渗压计，渗压计通过数据传输线贯穿集线孔后与所述的应变仪相连；

所述空压机与注浆泵之间还连接有调压阀；

所述试验箱包括底座、结构架和钢化玻璃板组成的箱体，在底座上设置所述的结构架，在结构架的外部设置所述的钢化玻璃板；

所述试验箱的尺寸为：长160cm×宽160cm×高160cm。

2.如权利要求1所述的可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型，其特征在于，所述试验箱的上侧面的钢化玻璃板为可拆式钢化玻璃板。

3.如权利要求1所述的可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型，其特征在于，所述通孔位于试验箱前侧面的几何中心位置。

4.如权利要求1所述的可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型，其特征在于，所述通孔的半径为1.1-2cm，所述集线孔的数量为3-5个，集线孔的半径为1-2cm，所述两侧排水孔的总量为4-8个，排水孔的半径为1-2cm。

5.如权利要求1所述的可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型，其特征在于，所述结构架及底座均选用Q345B钢板制作而成；所述试验箱的前侧面、后侧面、左侧面和右侧面均设置有钢板肋；所述注浆泵选用型号为QBK-215的多用途气动隔膜泵；所述空压机选用型号为Y112M-2的三相异步电动机；所述注浆管选用半径为1cm的塑料管；所述渗压计选用振弦式渗压计。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型的使用方法，包括以下步骤，

（1）制定试验方案，试验方案选正交试验或均匀试验；

（2）依照步骤（1）选取的试验方案配合好所需要的砂子，充分均匀地混合并测量其渗透系数、密度、比重，以备后用；

（3）将配合好的砂子分层填入试验箱中，并在相应的高度砂层平面上按照计划的尺寸填埋渗压计及注浆管，填埋好砂层后静置5小时以上；

（4）对试验箱中的砂层进行饱水，并静置1-2小时；

（5）按照现有技术在搅拌桶中配置与步骤（2）中砂子的渗透系数所对应的水灰比的水泥浆液，将注浆泵的进浆管***水泥浆液中；

（6）将进浆管、出浆管与注浆泵连接起来，然后将注浆泵与空压机连接起来，最后将渗压计通过数据传输线与应变仪连接；

（7）利用空压机向所述试验箱进行注浆，同时计时，按照试验需要控制注浆时间，在注浆的同时，记录应变仪的数据变化情况；

（8）注浆结束1-2天后，部分砂子与水泥浆液形成结石体，将试验箱内的砂层挖开，测量结石体沿每个方向的扩散半径并取其平均值；

（9）清理试验箱，根据试验方案改变试验参数，重复步骤（1）-（8），继续下一组试验直至所选方案的试验全部做完。

7.如权利要求6所述的可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型的使用方法，其特征在于，步骤（9）中，所述试验参数包括：注浆压力、渗透系数、水灰比、注浆时间。