CN107782641A - 一种松散体渗透注浆模拟试验装置 - Google Patents

一种松散体渗透注浆模拟试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种松散体渗透注浆模拟试验装置。注浆***包括注浆泵、储浆罐以及注浆管路，注浆泵将储浆罐中的浆液输送至围压加载***；围压加载***包括双胶套围压加载器和手动围压泵，外部水囊胶套与围压泵连接，提供围压环境，内部瓣膜胶套包裹松散介质；监测***包括监测主机、泵压传感器、注浆口压力传感器、围压传感器和电阻率感应元件。本发明通过瓣膜胶套包裹松散体，借助水囊胶套对松散体加压模拟地应力环境；调节恒压围压泵和注浆泵压力使围压大于注浆压力，能够模拟松散体渗透注浆过程；注浆结束后，瓣膜胶套包裹的固结松散体能够完整取出进行研究；本发明的方法操作方便、得到的试验结果对实际工程设计具有指导意义。

Description

一种松散体渗透注浆模拟试验装置
技术领域
本发明涉及一种松散体渗透注浆模拟试验装置，适用于实验室模拟松散体渗透注浆。
背景技术
松散体渗透注浆加固是岩土工程中常见的问题，注浆过程中浆液扩散规律和注浆加固后松散体力学性能是松散体注浆加固实践的关键。现场施工过程中，松散体多是在一定的地应力场中，尤其是深部岩土工程，因此，实现松散体注浆试验实验室模拟，对实际松散体注浆工程具有很重要的意义。
但是，现有的实验室松散体注浆模拟试验装置多采用填充注浆试验，不能重现地应力环境，注浆固结后的松散体固结形态分析过程也很困难。如中国专利CN105527384A公开的一种注浆模拟试验装置及其试验方法，其存在无法施加地应力、浆液扩散过程监测困难且不方便取出注浆加固松散体的问题。因此如何真实再现现场地应力环境，实现浆液示踪和方便注浆固结后的松散体固结形态分析，是急需解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够真实模拟渗透注浆加固松散体应力状态，可以实现浆液示踪并方便注浆固结后的松散体整体取出进行浆液扩散规律和强度分析的松散体渗透注浆模拟试验装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种松散体渗透注浆模拟试验装置，包括注浆***、围压加载***和监测***，
所述围压加载***包括恒压围压泵和双胶套围压加载器，所述双胶套围压加载器包括柱筒、设在柱筒注浆口一端的紧固螺母Ⅰ、设在柱筒出浆口一端的紧固螺母Ⅱ，所述柱筒中设有瓣膜胶套，瓣膜胶套外壁与柱筒内壁之间环绕设有水囊胶套，所述紧固螺母Ⅰ和紧固螺母Ⅱ从两端旋入柱筒中且端部分别顶住水囊胶套，水囊胶套两端的端翼分别置于紧固螺母Ⅰ、紧固螺母Ⅱ端部的弧形卡槽中，一注浆口螺杆从双胶套围压加载器的注浆口一端沿轴线旋入紧固螺母Ⅰ中，且注浆口螺杆中心设有注浆通道，一出浆口螺杆从双胶套围压加载器的出浆口一端沿轴线旋入紧固螺母Ⅱ中，且出浆口螺杆中与其轴线平行设有多个出浆通道，所述注浆口螺杆和出浆口螺杆的外径皆与瓣膜胶套的外径相同，所述水囊胶套为双层空心圆筒结构，且双层空心圆筒中部设有水孔，恒压围压泵的出口通过围压管路连接至水孔；
所述注浆***包括储浆罐，储浆罐与双胶套围压加载器的注浆口螺杆之间通过注浆管路连接，且注浆管路上设有注浆泵，储浆罐中设有搅拌机；
所述监测***包括监测主机、泵压传感器、注浆口压力传感器、围压传感器和多个电阻率感应元件，所述泵压传感器设在注浆泵出口处，注浆口压力传感器设在双胶套围压加载器的注浆口处，围压传感器设在恒压围压泵的出口，多个电阻率感应元件沿瓣膜胶套的长度方向均布在瓣膜胶套内壁面，依次间隔80mm，泵压传感器、注浆口压力传感器、围压传感器分别与监测主机通过数据传输线路电连接，且电阻率感应元件通过电阻率传输线路连接至监测主机。
优选的，所述瓣膜胶套由对称设置的两个半筒套组成，所述半筒套通过环向密封圆弧和径向密封圆弧拼接到一起。半筒套的接缝采用双圆弧结构，在围压作用下实现密封，能够避免渗流通道的产生，瓣膜胶套被压缩变形，能够消除形成的固结松散体与瓣膜胶套内壁面接触位置的边界效应。
优选的，瓣膜胶套的长度小于水囊胶套的长度，注浆口螺杆长度大于紧固螺母Ⅰ的长度，出浆口螺杆的长度大于紧固螺母Ⅱ的长度，能够借助水囊胶套的压力实现更好的密封。
优选的，水囊胶套内径尺寸为Φ120mm×230mm，瓣膜胶套外径尺寸为Φ120mm×200mm。
优选的，所述水囊胶套为圆筒形，其端翼为5mm厚、15mm宽的实体胶。
优选的，所述瓣膜胶套的外径与水囊胶套内径相同，且瓣膜胶套的厚度为5mm。
优选的，电阻率感应元件通过埋置在瓣膜胶套内壁中的柔性电流传输线连接至电阻率传输线路。电阻率监测时，各电阻率感应元件监测依次替换，确保形成单一通道电流。
优选的，注浆泵为恒压恒流泵，能够实现恒压、恒流两种注浆模式，恒压稳压范围为0～6MPa，恒流稳流范围为0～600ml/min；恒压围压泵稳压范围0～25MPa，可以提供0～25MPa的恒定围压。
进一步的，围压管路上设有手动开关阀。手动开关阀在注浆过程中关闭，注浆结束后开启泄压，从而可以模拟深部散体应力环境，能够满足围压大于注浆压力，确保模拟试验为渗透注浆。
优选的，柱筒的内径尺寸为Φ150mm×300mm，壁厚20mm。能够确保固结松散体可以满足沿着径向取Φ50mm×100mm标准岩样进行力学分析的要求，又能尽量缩小尺寸，简化试验难度。
相对于现有技术，本发明具有如下优势：
(1)本发明采用高压水提供围压，加压稳定，成本低，水囊胶套可以将加压流体与注浆流体彻底隔绝，操作简单，稳定性好。
(2)采用瓣膜胶套预包裹松散体，消除了边界效应，在围压紧固和注浆固结的作用下，松散体和瓣膜胶套形成一个整体，注浆完成后能够取出完整注浆试件，对渗透注浆效果的强度分析十分有利。
(3)本发明实现了模拟松散体在围压条件下渗透注浆，恒压围压泵通过水孔向水囊胶套中注入高压水提供围压，其提供的围压大于注浆压力；瓣膜胶套借助围压紧密包裹松散体，在围压大于注浆压力的条件下，确保松散体注浆为渗透注浆，避免了压密注浆和劈裂注浆等注浆方式对注浆效果的影响。本发明的方法操作方便、能够真实模拟松散体渗透注浆加固松散体、得到的试验结果对实际工程设计具有指导意义。
(4)本发明瓣膜胶套内表面布置对称的电阻率感应元件，能够获得松散试件沿着直径方向上电阻值的实时变化规律，通过不同位置电阻值的变化表征浆液在不同时刻的渗透位置，实现了对渗透注浆扩散过程的动态示踪。
附图说明
图1是松散体渗透注浆模拟试验装置整体示意图；
图2是双胶套围压加载器剖面图；
图3是瓣膜胶套圆弧形密封结构示意图；
图4是埋置柔性电流传输线的示意图；
图中：1、双胶套围压加载器；2、恒压围压泵；3、高压水源；4、围压管路；5、手动开关阀；6、注浆泵；7、储浆罐；8、搅拌机；9、注浆管；10、监测主机；11、泵压传感器；12、注浆口压力传感器；13、围压传感器；14、电阻率感应元件；15、电阻率传输线路；16、数据传输线路；17a、紧固螺母Ⅰ；17b、紧固螺母Ⅱ；18、注浆口螺杆；18a.注浆通道，19、出浆口螺杆；19a.出浆通道；20、柱筒；21、水囊胶套；21a、端翼；22、瓣膜胶套；23、水孔；24、环向密封圆弧；25、径向密封圆弧；26、柔性电流传输线；27、固结松散体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图所示，一种松散体渗透注浆模拟试验装置，包括注浆***、围压加载***和监测***，
所述围压加载***包括恒压围压泵2和双胶套围压加载器1，所述双胶套围压加载器1包括柱筒20、设在柱筒20注浆口一端的紧固螺母Ⅰ17a、设在柱筒20出浆口一端的紧固螺母Ⅱ17b，所述柱筒20中设有瓣膜胶套22，瓣膜胶套22外壁与柱筒20内壁之间环绕设有水囊胶套21，所述紧固螺母Ⅰ17a和紧固螺母Ⅱ17b从两端旋入柱筒20中且端部分别顶住水囊胶套21，水囊胶套21两端的端翼21a分别置于紧固螺母Ⅰ17a、紧固螺母Ⅱ17b端部的弧形卡槽中，从而使水囊胶套21的固定更加稳固，一注浆口螺杆18从双胶套围压加载器1的注浆口一端沿轴线旋入紧固螺母Ⅰ17a中，且注浆口螺杆18中心设有注浆通道18a，一出浆口螺杆19从双胶套围压加载器1的出浆口一端沿轴线旋入紧固螺母Ⅱ17a中，且出浆口螺杆19中与其轴线平行设有多个出浆通道19a，所述注浆口螺杆18和出浆口螺杆19的外径皆与瓣膜胶套22的外径相同，所述水囊胶套21为双层空心圆筒，且双层空心圆筒中部设有水孔23，恒压围压泵2的出口通过围压管路4连接至水孔23，恒压围压泵2通过水孔23向水囊胶套21中注入高压水提供围压，其提供的围压大于注浆压力，确保注浆为渗透注浆，瓣膜胶套22借助围压紧密包裹松散体；
所述注浆***包括储浆罐7，储浆罐7与双胶套围压加载器1的注浆口螺杆18之间通过注浆管路9连接，且注浆管路9上设有注浆泵6，储浆罐7中设有搅拌机8，注浆泵6将储浆罐7中的浆液通过注浆管路9输送到双胶套围压加载器1中心的空间内；
所述监测***包括监测主机10、泵压传感器11、注浆口压力传感器12、围压传感器13和多个电阻率感应元件14，所述泵压传感器11设在注浆泵6出口处，注浆口压力传感器12设在双胶套围压加载器1的注浆口处，围压传感器13设在恒压围压泵2的出口，多个电阻率感应元件14沿瓣膜胶套22的长度方向均布在瓣膜胶套22内壁面，依次间隔80mm，泵压传感器11、注浆口压力传感器12、围压传感器13分别与监测主机10通过数据传输线路16电连接，且电阻率感应元件14通过电阻率传输线路15连接至监测主机10，泵压传感器11、注浆口压力传感器12和围压传感器13分别检测注浆泵6出口压力、双胶套围压加载器1入口压力和恒压围压泵2出口压力，多个电阻率感应元件14沿长度方向均布在瓣膜胶套22内壁面且与松散体贴合，可以检测浆液渗流过程中松散体的不同位置处的电阻率变化，并通过电阻率传输线路15实时传至监测主机10，从而确定浆液扩散过程。上述泵压传感器11、注浆口压力传感器12和围压传感器13均可以采用扩散硅压力变送器。
优选的，所述瓣膜胶套22由对称设置的两个半筒套组成，所述半筒套通过环向密封圆弧24和径向密封圆弧25拼接到一起。半筒套的接缝采用双圆弧结构，在围压作用下实现密封，能够避免渗流通道的产生，瓣膜胶套22被压缩变形，能够消除形成的固结松散体27与瓣膜胶套22内壁面接触位置的边界效应。
优选的，瓣膜胶套22的长度小于水囊胶套21的长度，注浆口螺杆18长度大于紧固螺母Ⅰ17a的长度，出浆口螺杆19的长度大于紧固螺母Ⅱ17b的长度，能够借助水囊胶套21的压力实现更好的密封。
优选的，水囊胶套21内径尺寸为Φ120mm×230mm，瓣膜胶套22外径尺寸为Φ120mm×200mm。
优选的，所述水囊胶套21为圆筒形，其端翼21a为5mm厚、15mm宽的实体胶。
优选的，所述瓣膜胶套22的外径与水囊胶套21内径相同，且瓣膜胶套22的厚度为5mm。
优选的，电阻率感应元件14通过埋置在瓣膜胶套22内壁中的柔性电流传输线26连接至电阻率传输线路15。电阻率监测时，各电阻率感应元件14监测依次替换，确保形成单一通道电流。
优选的，注浆泵6为恒压恒流泵，能够实现恒压、恒流两种注浆模式，恒压稳压范围为0～6MPa，恒流稳流范围为0～600ml/min；恒压围压泵2稳压范围0～25MPa，可以提供0～25MPa的恒定围压。
进一步的，围压管路4上设有手动开关阀5。注浆过程中关闭，注浆结束后开启泄压，从而可以模拟深部散体应力环境，能够满足围压大于注浆压力，确保模拟试验为渗透注浆。
优选的，注浆管9内径12mm，较大的内径能够进行颗粒型浆液注浆而不发生堵管。
优选的，柱筒20的内径尺寸为Φ150mm×300mm，壁厚20mm。能够确保固结松散体27可以满足沿着径向取Φ50mm×100mm标准岩样进行力学分析的要求，又能尽量缩小尺寸，简化试验难度。
利用上述装置进行的松散体渗透注浆模拟试验方法包括以下步骤：
(1)松散体充填、加压：固定出浆口螺杆19，将双胶套围压加载器1竖直放置使出浆口螺杆19与地面贴合，在组成瓣膜胶套22的半筒套环向密封圆弧24和径向密封圆弧25上涂抹凡士林用于加强密封效果，将瓣膜胶套22缓慢放入双胶套围压加载器1内部，使其外壁与水囊胶套21内壁贴合；将现场取样的松散体缓缓放入瓣膜胶套22内部至与瓣膜胶套22的顶部平齐，拧紧注浆口螺杆18；现场实测垂直地应力为10MPa，启动恒压围压泵2，恒压围压泵2将高压水源3中的水泵出并通过围压管路4输入水囊胶套21中，根据现场地应力水平施加围压σ1＝10MPa，稳压10min；
(2)调试监测：启动监测主机10，确保监测主机10能够获得泵压传感器11、注浆口压力传感器12、围压传感器13和电阻率感应元件14的数据；
(3)设置注浆参数：将制备超细水泥浆液(水灰比1:1，超细水泥为1250目)的浆液倒入储浆罐7内，开启搅拌机8持续搅拌；启动注浆泵6，按照现场注浆压力1MPa设置注浆泵6的压力P＝1MPa，恒压围压泵2的压力σ1与注浆泵6的压力P需要满足公式一的关系：
σ1-P>1MPa公式一
才能确保双胶套围压加载器1密封安全，注浆过程为渗透注浆，本次实施例中σ1＝10MPa，P＝1MPa，是满足渗透注浆要求的。
(4)注浆：开启注浆泵6，并同时启动监测主机10开始监测，通过泵压传感器11获得注浆结束过程中注浆泵6出口压力、通过注浆口压力传感器12获得双胶套围压加载器1的入口处压力、通过围压传感器13获得恒压围压泵2的出口压力、通过各个电阻率感应元件14获得不同位置的松散体电阻变化。
(5)停止注浆：对于孔隙率较大的压实松散体，当浆液在从出浆口流出时刻为停止注浆时刻；对于粒径较小、孔隙率较小的压实松散体，浆液扩散距离有限，当电阻率感应元件14获得的电阻率值稳定不变后为停止注浆时刻，此时先停注浆泵6，静置5min，然后停止恒压围压泵2，开启手动开关阀5泄压、放出高压水。
(6)取样分析：完全泄压后，将瓣膜胶套22包裹的固结松散体27取出，待浆液完全固结后将瓣膜胶套22轻轻取下，固结松散体27加固形成一个140mm左右高的类圆柱体，对固结松散体27进行扩散形式、标准岩样强度分析；取Φ50mm×100mm标准岩样进行单轴压缩试验，最终确定单轴压缩强度为2.98MPa，弹性模量为239.09MPa。
(7)清洗：清洗储浆罐7、搅拌机8，洗净的储浆罐7中倒入清水(化学浆倒入溶解剂)，用注浆泵6抽注两次，并清洗注浆泵6和注浆管9。

Claims (10)

1.一种松散体渗透注浆模拟试验装置，其特征在于，包括注浆***、围压加载***和监测***，
所述围压加载***包括恒压围压泵(2)和双胶套围压加载器(1)，所述双胶套围压加载器(1)包括柱筒(20)、设在柱筒(20)注浆口一端的紧固螺母Ⅰ(17a)、设在柱筒(20)出浆口一端的紧固螺母Ⅱ(17b)，所述柱筒(20)中设有瓣膜胶套(22)，瓣膜胶套(22)外壁与柱筒(20)内壁之间环绕设有水囊胶套(21)，所述紧固螺母Ⅰ(17a)和紧固螺母Ⅱ(17b)从两端旋入柱筒(20)中且端部分别顶住水囊胶套(21)，水囊胶套(21)两端的端翼(21a)分别置于紧固螺母Ⅰ(17a)、紧固螺母Ⅱ(17b)端部的弧形卡槽中，一注浆口螺杆(18)从双胶套围压加载器(1)的注浆口一端沿轴线旋入紧固螺母Ⅰ(17a)中，且注浆口螺杆(18)中心设有注浆通道(18a)，一出浆口螺杆(19)从双胶套围压加载器(1)的出浆口一端沿轴线旋入紧固螺母Ⅱ(17a)中，且出浆口螺杆(19)中与其轴线平行设有多个出浆通道(19a)，所述注浆口螺杆(18)和出浆口螺杆(19)的外径皆与瓣膜胶套(22)的外径相同，所述水囊胶套为双层空心圆筒结构，且双层空心圆筒中部设有水孔(23)，恒压围压泵(2)的出口通过围压管路(4)连接至水孔(23)；
所述注浆***包括储浆罐(7)，储浆罐(7)与双胶套围压加载器(1)的注浆口螺杆(18)之间通过注浆管路(9)连接，且注浆管路(9)上设有注浆泵(6)，储浆罐(7)中设有搅拌机(8)；
所述监测***包括监测主机(10)、泵压传感器(11)、注浆口压力传感器(12)、围压传感器(13)和多个电阻率感应元件(14)，所述泵压传感器(11)设在注浆泵(6)出口处，注浆口压力传感器(12)设在双胶套围压加载器(1)的注浆口处，围压传感器(13)设在恒压围压泵(2)的出口，多个电阻率感应元件(14)沿瓣膜胶套(22)的长度方向均布在瓣膜胶套(22)内壁面，依次间隔80mm，泵压传感器(11)、注浆口压力传感器(12)、围压传感器(13)分别与监测主机(10)通过数据传输线路(16)电连接，且电阻率感应元件(14)通过电阻率传输线路(15)连接至监测主机(10)。
2.根据权利要求1所述的松散体渗透注浆模拟试验装置，其特征在于，所述瓣膜胶套(22)由对称设置的两个半筒套组成，所述半筒套通过环向密封圆弧(24)和径向密封圆弧(25)拼接到一起。
3.根据权利要求1所述的松散体渗透注浆模拟试验装置，其特征在于，瓣膜胶套(22)的长度小于水囊胶套(21)的长度，注浆口螺杆(18)长度大于紧固螺母Ⅰ(17a)的长度，出浆口螺杆(19)的长度大于紧固螺母Ⅱ(17b)的长度。
4.根据权利要求1所述的松散体渗透注浆模拟试验装置，其特征在于，水囊胶套(21)内径尺寸为Φ120mm×230mm，瓣膜胶套(22)外径尺寸为Φ120mm×200mm。
5.根据权利要求1所述的松散体渗透注浆模拟试验装置，其特征在于，所述水囊胶套(21)为圆筒形，其端翼(21a)为5mm厚、15mm宽的实体胶。
6.根据权利要求1所述的松散体渗透注浆模拟试验装置，其特征在于，所述瓣膜胶套(22)的外径与水囊胶套(21)内径相同，且瓣膜胶套(22)的厚度为5mm。
7.根据权利要求1所述的松散体渗透注浆模拟试验装置，其特征在于，电阻率感应元件(14)通过埋置在瓣膜胶套(22)内壁中的柔性电流传输线(26)连接至电阻率传输线路(15)。
8.根据权利要求1所述的松散体渗透注浆模拟试验装置，其特征在于，注浆泵(6)为恒压恒流泵，恒压稳压范围为0～6MPa，恒流稳流范围为0～600ml/min；恒压围压泵(2)稳压范围0～25MPa。
9.根据权利要求1所述的松散体渗透注浆模拟试验装置，其特征在于，围压管路(4)上设有手动开关阀(5)。
10.根据权利要求1所述的松散体渗透注浆模拟试验装置，其特征在于，柱筒(20)的内径尺寸为Φ150mm×300mm，壁厚20mm。
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