CN109030317A - 一种防渗材料渗透注浆室内试验装置 - Google Patents

一种防渗材料渗透注浆室内试验装置 Download PDF

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CN109030317A CN201811029395.2A CN201811029395A CN109030317A CN 109030317 A CN109030317 A CN 109030317A CN 201811029395 A CN201811029395 A CN 201811029395A CN 109030317 A CN109030317 A CN 109030317A
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陈继平
彭琦
黎学优
王刚强
李炳秋
李峰
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Abstract

本发明公开一种防渗材料渗透注浆室内试验装置，由带搅拌器的储浆装置、注浆泵、电磁流量计、压力传感器、压力室、浆液收集罐、pH值测定仪、电导率仪、电子秤、图像采集***、计算机***组成。计算机***自动采集相关数据，节省人力，数据记录完整，便于试验研究。计算机***内置软件可以自动处理数据，实时显示渗透系数，实现了渗透系数快速测定和实时显示，便于开展室内试验研究。压力室有机玻璃筒上等间距布置有3个压力传感器。通过沿压力室不同高度布置的压力传感器，可以计算出土样在压力传感器之间渗透系数，能准确的反映注浆后渗透系数的降低情况。为了避免注浆过程中土样进入压力传感器，在有机玻璃筒内侧位置安装有滤网。

Description

一种防渗材料渗透注浆室内试验装置
技术领域
本发明涉及注浆施工试验技术领域，特别是涉及一种防渗材料渗透注浆室内试验装置。
背景技术
注浆就是利用液压、气压或其它方法，通过注浆泵将具有胶凝能力的浆液注入土层(或岩层)中的裂隙、孔隙与空洞中，以填充、渗透、压密等方式挤走土颗粒间或岩石裂隙中的水分，将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个抗渗性能好、强度较高的整体，以达到改善土(岩)层性能为目的的一种施工方法。
在岩土工程、地下工程的注浆施工中，注浆机理主要有三种：渗透注浆、劈裂注浆和压密注浆。渗透注浆是指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙，排挤出孔隙中存在的自由水和气体，通过物理化学反应，浆液在孔隙中形成具有一定强度和低透水性的结石体，堵塞或充填孔隙，起到加固和防渗作用。渗透注浆基本不改变原状土的结构和体积，所用的注浆压力相对较小。适用于中砂以上的砾、砂性土。
减渗效果和可注性是评价一种防渗材料性能的最重要指标。减渗效果即防渗材料的防渗效果一般用渗透系数来评估。
传统的实验室测定渗透系数方法包括常水头试验法和变水头试验法两种。常水头法就是在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。试验时，在透明塑料筒中装填饱和试样，打开阀门，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出。待水头差和渗出流稳定后，量测经过一定时间内流经试样的水量，根据达西定可计算渗透系数。常水头试验适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数。粘性土由于渗透系数很小，渗透水量很少，用这种试验不易准确测定，须改用变水头试验。变水头就是试验过程中水头差一直在随时间而变化。水流从一根直立的带有刻度的玻璃管和u形管自下而上流经土样。试验时，将玻璃管充水至需要的高度后，开动秒表，测记起始水头差，经过一定时间后，再测记终了水头差，通过建立瞬时达西定律，即可推出渗透系数的表达式。
除了防渗材料本身的防渗效果，在防渗材料的研究和应用中，浆液的可注性也非常重要。
在一般地层中注浆时，要取得良好的注浆效果，要求浆液在可泵期内保持很好的流动性，粘度增长不大，这就是所谓的可注性，这有利于浆液充分注入地层孔隙和裂隙中。浆液在缝隙中流动，浆液内部及浆液与孔壁之间将产生一定的摩擦阻力，这种阻力的形式和大小，也就是浆液的流变特性，是影响可注性的重要因素。浆液的可注性可以用注浆试验来研究和验证。
室内注浆试验是研究岩土体注浆的必不可少的必要手段。
上述传统的常水头试验法和变水头试验法对于渗透系数测定的时间较长，无法自动采集、记录数据，不利于开展实验研究；而且不能模拟防渗材料的可注性。另外，常水头试验法和变水头试验法测出的是整个土样的平均渗透系数，不能准确的反映某段注浆区域的渗透系数。
发明内容
本发明的目的是提供一种防渗材料渗透注浆室内试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，通过测定试验前后试样渗透系数的变化，定量评估防渗材料的减渗效果，还可实现渗透系数的准确、自动、快速测定；也可以开展防渗材料可注性研究，定性评估防渗材料的适用性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种防渗材料渗透注浆室内试验装置，包括储浆装置、注浆泵、压力室、浆液收集罐和计算机***，所述储浆装置通过注浆泵与所述压力室的注入孔连接，所述压力室的流出孔与所述浆液收集罐管连接；所述浆液收集罐和储浆装置分别放置在与所述计算机***联结的第一电子秤和第二电子秤上，所述注浆泵与所述压力室的连接管上、所述压力室与浆液收集罐的连接管上分别设置有与所述计算机***联结的第一电磁流量计和第二电磁流量计；所述注入孔与流出孔处分别安装有与所述计算机***联结的下压力传感器和上压力传感器；试验土样放置于所述压力室中，防渗材料溶液放置于所述储浆装置中。
优选的，所述储浆装置包括储浆罐、储浆罐顶盖、微型直流电机和搅拌叶片，所述微型直流电机固定在所述储浆罐顶盖上，连接轴一端穿过所述储浆罐顶盖与所述微型直流电机的输出端连接，另一端与设置于所述储浆罐内部的搅拌叶片固定；所述储浆罐的底侧通过出口阀门与所述注浆泵的连接管连接。
优选的，所述储浆装置与所述注浆泵采用耐压注浆管连接。
优选的，所述压力室为圆筒状压力室，所述压力室包括从下至上依次密封连接的底座、有机玻璃筒和顶盖，所述底座上与有机玻璃筒接触部位、所述顶盖上与有机玻璃筒接触部位分别设置有一圈O型槽，所述O型槽内安装有O 型垫圈；所述底座和顶盖也为透明有机玻璃。
优选的，螺杆从上至下依次穿过所述顶盖、有机玻璃筒和底座进行固定。
优选的，所述有机玻璃筒上等间距布置有3个孔，3个孔中从下至上分别设置与所述计算机***联结的压力传感器A、压力传感器B和压力传感器C。
优选的，所述有机玻璃筒内靠近各个压力传感器的一侧设置有滤网；所述底座上方位于所述有机玻璃筒内设置有注浆分布板。注浆分布板可以保证注浆的均匀性。
优选的，所述注入孔上安装有下三通阀，所述下三通阀的另两个口分别通过下三通阀接口A和下三通阀接口B与所述注浆泵和下压力传感器连接；所述流出孔上安装上三通阀，所述上三通阀的另两个口分别通过上三通阀接口A 和上三通阀接口B与所述浆液收集罐和上压力传感器连接。
优选的，所述浆液收集罐上配置有与所述计算机***联结的pH值测定仪和电导率仪。
优选的，所述试验装置还包括图像采集***，所述图像采集***包括与所述计算机***联结的照相机和摄像机，所述照相机和摄像机的镜头对准所述压力室。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、试验装置由带搅拌器的储浆装置、注浆泵、电磁流量计、压力传感器、压力室、浆液收集罐、pH值测定仪、电导率仪、电子秤、图像采集***、计算机***组成。计算机***自动采集相关数据，节省人力，数据记录完整，便于试验研究。计算机***内置软件可以自动处理数据，实时显示渗透系数，实现了渗透系数快速测定和实时显示，便于开展室内试验研究。
2、构成压力室的底座、有机玻璃筒、顶盖材质均为透明机玻璃，实现了试验装置的可视性。保证了图像采集***可以记录试验过程。
3、压力室有机玻璃筒上等间距布置有3个压力传感器。通过沿压力室不同高度布置的压力传感器，可以计算出土样在压力传感器之间渗透系数，能准确的反映注浆后渗透系数的降低情况。为了避免注浆过程中土样进入压力传感器，在有机玻璃筒内侧位置安装有滤网。
4、底座上布置有注浆分布板，保证了注浆的均匀性。
5、通过pH值和电导率的变化可以得到防渗材料注满土样的突破点。对图像采集***记录的照片和图像进行后期处理，可得到随时间防渗材料的注入情况。通过综合分析(注入高度，渗透系数变化，流速等)，可以研究防渗材料的扩散原理。
6、通过数据和图像，可以综合评估浆液的可注性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为防渗材料渗透注浆室内试验装置示意图；
图2为带搅拌器的储浆装置示意图；
图3为注浆分布板示意图；
图4为渗透系数数据处理图；
图5为pH值数据处理图；
图6为电导率数据处理图；
其中，1底座；2有机玻璃筒；3顶盖；4O型槽；5O型圈；6注入孔；7 流出孔；8下三通阀；9下三通阀接口A；10下三通阀接口B；11上三通阀；12上三通阀接口A；13上三通阀接口B；14螺杆；15注浆泵；16储浆装置； 17防渗材料溶液；18耐压注浆管；19浆液收集罐；20计算机***；21土样； 22下压力传感器；23上压力传感器；24第一电磁流量计；25第二电磁流量计；26第一电子秤；27第二电子秤；28pH值测定仪；29电导率仪；30压力传感器A；31压力传感器B；32压力传感器C；33滤网；34注浆分布板；35图像采集***；36出口阀门；37微型直流电机；38储浆罐顶盖；39储浆罐；40 连接轴；41搅拌叶片；42阀门。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种防渗材料渗透注浆室内试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，通过测定试验前后试样渗透系数的变化，定量评估防渗材料的减渗效果，还可实现渗透系数的准确、自动、快速测定和防渗材料可注性研究；也可以开展防渗材料可注性研究，定性评估防渗材料的适用性。
本发明提供的防渗材料渗透注浆室内试验装置，包括储浆装置、注浆泵、压力室、浆液收集罐和计算机***，储浆装置通过注浆泵与压力室的注入孔连接，压力室的流出孔与浆液收集罐管连接；浆液收集罐和储浆装置分别放置在与计算机***联结的第一电子秤和第二电子秤上，注浆泵与压力室的连接管上、压力室与浆液收集罐的连接管上分别设置有与计算机***联结的第一电磁流量计和第二电磁流量计；注入孔与流出孔处分别安装有与计算机***联结的下压力传感器和上压力传感器；试验土样放置于压力室中，防渗材料溶液放置于储浆装置中。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-6，其中，图1为防渗材料渗透注浆室内试验装置示意图；图 2为带搅拌器的储浆装置示意图；图3为注浆分布板示意图；图4为渗透系数数据处理图；图5为pH值数据处理图；图6为电导率数据处理图。
如图1-6所示，本发明提供一种防渗材料渗透注浆室内试验装置，包括储浆装置16、注浆泵15、压力室、浆液收集罐19和计算机***20，储浆装置 16通过注浆泵15与压力室的注入孔6连接，压力室的流出孔7与浆液收集罐 19管连接；浆液收集罐19和储浆装置16分别放置在与计算机***20联结的第一电子秤26和第二电子秤27上，注浆泵15与压力室的连接管上、压力室与浆液收集罐19的连接管上分别设置有与计算机***20联结的第一电磁流量计24和第二电磁流量计25；注入孔6与流出孔7处分别安装有与计算机*** 20联结的下压力传感器22和上压力传感器23；试验的土样21放置于压力室中，防渗材料溶液17放置于储浆装置16中。
注入孔6上安装有下三通阀8，下三通阀8的另两个口分别通过下三通阀接口A9和下三通阀接口B10与注浆泵15和下压力传感器23连接；流出孔7 上安装上三通阀11，上三通阀11的另两个口分别通过上三通阀接口A12和上三通阀接口B13与浆液收集罐19和上压力传感器22连接。压力传感器用导线连接到计算机***20，用来持续监测注入试验过程中的入口和出口压力。为确保密封性，注入孔6和流出孔7设置有内螺纹，三通阀旋入安装。
储浆装置16包括储浆罐39、储浆罐顶盖38、微型直流电机37和搅拌叶片41，微型直流电机37固定在储浆罐顶盖38上，连接轴40一端穿过储浆罐顶盖38与微型直流电机37的电机轴连接，另一端与设置于储浆罐39内部的搅拌叶片41固定；搅拌叶片41为3片式，共有3片；储浆罐39的底侧通过出口阀门36与注浆泵15的连接管连接，该连接管为耐压注浆管18。储浆罐 39内放置防渗材料溶液17，用耐压注浆管18将注浆泵15和储浆罐39连接。储浆罐39出口安装有出口阀门36，并依次连接第一电磁流量计24和下三通阀接口A9，浆液收集罐19依次连接第二电磁流量计25和上三通阀接口A12。第一电磁流量计24和第二电磁流量计25可以测得流入和流出的浆液量，并可以测量瞬时流速。第一电磁流量计24和第二电磁流量计25接入计算机*** 20，可以实时记录累计流量和流速。
浆液收集罐19和储浆罐39分别放在第一电子秤26和第二电子秤27上，电子秤和计算机***20连接，可以自动记录注入和流出浆液的质量。浆液收集罐19配备有pH值测定仪28和电导率仪29，pH值测定仪28和电导率仪29 连接到计算机***20，可以实时监测和记录流出浆液的pH值和电导率，通过 pH值和电导率可以揭示注浆突破点。
压力室为圆筒状，由底座1、有机玻璃筒2和顶盖3组成密封室。为了保证压力室的密封性，底座1和有机玻璃筒2，顶盖3和有机玻璃筒2接触部位分别设置有一圈O型槽4，O型槽4内安装有O型圈5。然后底座1、有机玻璃筒2和顶盖3三者通过螺杆固定。
有机玻璃筒2上等间距布置有3个孔，分别连接压力传感器A30、压力传感器B31和压力传感器C32。为确保密封性，3个孔内设置有内螺纹，阀门42 旋入安装。通过沿压力室不同高度布置的压力传感器，可以计算出土样21每段的渗透系数，能准确的反映注浆后渗透系数的降低情况。为了避免注浆过程中土样21进入压力传感器，在有机玻璃筒2内侧布置有滤网33。
为了保证注浆的均匀性，在底座1上方放置注浆分布板34，注浆分布板34厚度3mm，设置有直径4mm的小孔，具体见图2注浆分布板34示意图。
为了保证试验装置的可视性，底座1、压力室侧环、顶盖3的材质均为透明有机玻璃。图像采集***35由照相、摄像机器组成，并连接到计算机*** 20。鉴于试验装置的可视性，图像采集***35可以拍照，观测和记录注浆过程(注浆高度和注浆速度)。
注浆泵15为试验提供动力源，是本试验装置的重要设备。本装置选用连续无脉冲循环、能恒速、恒压工作的双缸泵。该泵最高工作压力3MPa，流速 0.01-30mL/min，具有压力保护及位置上下限保护。
本发明的试验方法包括以下步骤：
1、试样安装
在透明有机玻璃的底座1上安装O型圈5和注浆分布板34，将有机玻璃筒2放入底座上1的O型槽4内。安装滤网33。往有机玻璃筒2内装入试样，试样装入完毕后，将装有O型圈5的顶盖3安装在有机玻璃筒2上，并装入螺杆14。
2、防渗溶液调制
调制防渗溶液，并将溶液装入储浆罐39。
3、试验装置连接
按照上述试验装置介绍并参照图1连接防渗材料室内注入试验装置。为确保密封性，在下三通阀8、上三通阀11和阀门42安装时，可以使用生胶带。
4、启动注浆泵15，首先以一定的速率将去气蒸馏水注入试样，测量浆液收集罐19内流出水的pH值、电导率和土样渗透系数，作为基准值。
5、然后将防渗材料浆液17注入到有机玻璃筒2内的试样中，浆液注入前启动储浆装置的搅拌器，使浆体搅拌均匀。
6、试验过程中计算机***自动采集各传感器和仪表的读数，包括：下压力传感器22、上压力传感器23、压力传感器A30、压力传感器B31和压力传感器C32；pH值测定仪28；电导率仪29；电磁流量计；电子秤。图像采集***35自动记录试验过程中土样的状态。
7、试验结束时下压力传感器22和上压力传感器23测得的注入和流出溶液的流体压力为P1、P2；电磁流量计自动记录试验过程中流量q(m3)。
8、试验数据处理及计算
试样的渗透系数用下式计算
其中：
Q:注入防渗溶液的流量(m3/s)；Q＝q/t
A：试样截面积(m2)；
L:试样长度(m)；
t：试验持续时间(s)
ΔP＝P1-P2
ΔP：试样入口和出口的压差(kPa)；
P1：试样入口的压力(kPa)；
P2：试样出口的压力(kPa)；
9、计算机***内置软件可以自动处理上述数据，实时显示渗透系数，实现了渗透系数的快速测定。
10、通过pH值和电导率的变化得到防渗材料注满土样21的突破点，见图 5pH值数据处理和图6电导率数据处理。
11、对图像采集***35记录的照片和图像进行后期处理，可得到防渗材料在不同时间的注入情况。通过综合分析(注入高度，渗透系数变化，流速等)，可以研究防渗材料的扩散原理。得到图像采集***后期照片处理。
12、通过以上数据和图像，综合评估浆液的可注性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。

Claims (10)

1.一种防渗材料渗透注浆室内试验装置，其特征在于：包括储浆装置、注浆泵、压力室、浆液收集罐和计算机***，所述储浆装置通过注浆泵与所述压力室的注入孔连接，所述压力室的流出孔与所述浆液收集罐管连接；所述浆液收集罐和储浆装置分别放置在与所述计算机***联结的第一电子秤和第二电子秤上，所述注浆泵与所述压力室的连接管上、所述压力室与浆液收集罐的连接管上分别设置有与所述计算机***联结的第一电磁流量计和第二电磁流量计；所述注入孔与流出孔处分别安装有与所述计算机***联结的下压力传感器和上压力传感器；试验土样放置于所述压力室中，防渗材料溶液放置于所述储浆装置中。
2.根据权利要求1所述的防渗材料渗透注浆室内试验装置，其特征在于：所述储浆装置包括储浆罐、储浆罐顶盖、微型直流电机和搅拌叶片，所述微型直流电机固定在所述储浆罐顶盖上，连接轴一端穿过所述储浆罐顶盖与所述微型直流电机的输出端连接，另一端与设置于所述储浆罐内部的搅拌叶片固定；所述储浆罐的底侧通过出口阀门与所述注浆泵的连接管连接。
3.根据权利要求1所述的防渗材料渗透注浆室内试验装置，其特征在于：所述储浆装置与所述注浆泵采用耐压注浆管连接。
4.根据权利要求1所述的防渗材料渗透注浆室内试样装置，其特征在于：所述压力室为圆筒状压力室，所述压力室包括从下至上依次密封连接的底座、有机玻璃筒和顶盖，所述底座上与有机玻璃筒接触部位、所述顶盖上与有机玻璃筒接触部位分别设置有一圈O型槽，所述O型槽内安装有O型垫圈；所述底座和顶盖也为透明有机玻璃。
5.根据权利要求4所述的防渗材料渗透注浆室内试验装置，其特征在于：螺杆从上至下依次穿过所述顶盖、有机玻璃筒和底座进行固定。
6.根据权利要求4所述的防渗材料渗透注浆室内试验装置，其特征在于：所述有机玻璃筒上等间距布置有3个孔，3个孔中从下至上分别设置与所述计算机***联结的压力传感器A、压力传感器B和压力传感器C。
7.根据权利要求6所述的防渗材料渗透注浆室内试验装置，其特征在于：所述有机玻璃筒内靠近各个压力传感器的一侧设置有滤网；所述底座上方位于所述有机玻璃筒内设置有注浆分布板。
8.根据权利要求1所述的防渗材料渗透注浆室内试验装置，其特征在于：所述注入孔上安装有下三通阀，所述下三通阀的另两个口分别通过下三通阀接口A和下三通阀接口B与所述注浆泵和下压力传感器连接；所述流出孔上安装上三通阀，所述上三通阀的另两个口分别通过上三通阀接口A和上三通阀接口B与所述浆液收集罐和上压力传感器连接。
9.根据权利要求1所述的防渗材料渗透注浆室内试验装置，其特征在于：所述浆液收集罐上配置有与所述计算机***联结的pH值测定仪和电导率仪。
10.根据权利要求1所述的防渗材料渗透注浆室内试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括图像采集***，所述图像采集***包括与所述计算机***联结的照相机和摄像机，所述照相机和摄像机的镜头对准所述压力室。
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