CN116429585A - 一种严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置及试验方法，该装置包括模型箱以及设置在所述模型箱上方的注浆模块，两者安装在同一钢质支架上。所述模型箱的侧壁夹层空间内设有冷浴管，并在所述冷浴管外填充有防冻液，所述冷浴管螺旋缠绕式设置在所述侧壁夹层空间内，所述模型箱的侧壁和箱底的外部均套设有保温棉。本发明适用于严寒地区公路路基注浆性能测试，深入研究低地温条件下注浆液扩散特征、建立严寒地区公路注浆处治效果评价体系、形成公路施工速度快、成本低、处治效果好的最优注浆技术方案，对科学认识寒区路基注浆规律、指导公路病害防治工作、以及提升我国公路路基结构建造理论和养护技术水平，具有重要的理论意义和工程价值。

Description

一种严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于仪器设备研制领域，尤其涉及一种严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置及试验方法。

背景技术

公路建设与养护，是推动交通发展的关键基础。在长期冻融循环、干湿交替和交通荷载耦合作用下，严寒地区不少公路线路在运营5—10年后普遍发生冻胀融沉、翻浆冒泥病害，由此造成路基结构裂损、路面平顺性变差，给公路运营安全性和舒适性带来严重挑战，且极大增加了线路的养护成本。因此，开展严寒地区公路路基冻胀融沉、翻浆冒泥病害处治防控技术研究已刻不容缓。

作为公路路基冻胀融沉、翻浆冒泥病害的主要处治方式，注浆技术及配套施工工艺目前已在国内外获得普遍应用。传统注浆具有操作方便、经济高效、施工处理过程不易受行车状况和天气影响等优点。然而，在我国北方和青藏高原等严寒地区，冬季地表温度低、多年冻土和季节性冻土分布广泛，造成公路基础对外界环境和气候变化十分敏感。工程实践表明，严寒地区公路路基在采用注浆进行病害处治时，其修复效果在注浆初期能够发挥较好作用，但中长期效果则不甚理想。根本原因在于，对严寒地区公路路基注浆性能及演变规律认识不清，从而导致制定注浆设计及施工时带有很大的盲目性，如注浆控制参数选择主要依赖于实践经验等。随着我国北方及青藏高原交通基础设施建设的大规模发展，复杂的地质条件、气候及施工环境对公路注浆技术提出了更高要求，迫切需要开展针对严寒地区公路路基注浆性能及处治效果追踪评价相关的基础科学及应用研究。

现阶段，***、深入地研究严寒地区低地温条件或冻土公路路基内注浆设计理论与检测评估方法尚未见诸于报道。中国实用新型专利CN212336116U公开了一种注浆实验设备，其包括地基环境装置、注浆装置和数据采集***，用于记录注浆液在模拟地基内的扩散规律与浆脉分布特征。但不足之处是，该设备的注浆口位置固定，无法灵活调节注浆深度；其次浆液容纳箱由木板、角钢和钢管多种组件拼接而成，不易开展重复试验，且方形的模型箱造成土体边界约束作用十分显著；最后传感器的种类与布设形式也较为简单，如土体变形只测量了顶座位移，无法准确表征近注浆区域的变形特征。此外，中国发明专利CN112697652A和CN111006951A分别公开了室内注浆的实验装置及测试方法，它们在注浆流量、注浆压力等参数上无法做到实时精确调控；同时模型箱采用的是圆柱形有机玻璃桶，虽然能够避免土体内产生应力集中现象，但这些装置均未考虑土体内温度场影响，即不能实现模拟复杂温度及地下水环境对注浆性能的耦合作用，因而无法针对严寒地区公路路基注浆理论与设计方法提供科学有效的检测平台。

基于此，迫切需要研发试验设备开展严寒地区低地温或冻土公路路基内注浆性能（如流动性、渗透性、凝固时间、强度）、注浆压力下路基结构-填料-浆液相互作用的力学机制、以及注浆全过程对周围土体变形及邻近路基结构承载力和沉降影响等研究。相关成果为推动我国北方及青藏高原等严寒地区公路路基冻胀融沉、翻浆冒泥病害的注浆设计方法进步，加快形成注浆修复效果评价体系，制定施工工期短、成本低、修复效果好的最优防治方案提供理论支撑与决策依据。

发明内容

为弥补严寒地区公路路基注浆理论及技术研究的不足，本发明旨在提供一种适用于严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置及试验方法，该试验装置具有温度可控度高、适用范围广、试验数据时间相关性强等多项优点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置，该装置包括模型箱以及设置在所述模型箱上方的注浆模块，所述注浆模块通过注浆管与所述模型箱的内腔连通；

所述模型箱上设有水位计，所述水位计与所述模型箱的内腔连通，所述模型箱内腔的底部为补水室，所述补水室的上方为土体试样室，所述注浆管的端部伸入所述土体试样室内，所述土体试样室与补水室之间通过设置多孔板分隔；

所述模型箱的侧壁夹层空间内设有冷浴管，并在所述冷浴管外填充有防冻液，所述冷浴管螺旋缠绕式设置在所述侧壁夹层空间内，所述冷浴管的上端设有进液管，所述冷浴管的下端设有出液管，所述进液管和出液管均与冷浴仪连通，所述模型箱的侧壁和箱底的外部均套设有保温棉；

所述土体试样室内设有多个传感器组，所述土体试样室的顶部设有表面位移传感器，所述传感器组和表面位移传感器均与处理器电连接，所述表面位移传感器的下端设有内窥镜。

由此，本发明在模型箱的侧壁夹层空间内设置冷浴管，为土体试样室降温，以于模拟严寒地区冻土环境，冷浴管的上端为进液管，冷浴管的下端为出液管，以防止冷浴液在重力作用下回流，为了防止箱体结冰并保证箱体内部温度不受外部温度条件影响，在冷浴管外填充防冻液，所述防冻液为冰点极低的变压器油，并在箱体外部裹上一圈保温棉。通过注浆模块向土体试样室内的冻土进行注浆，再通过内窥镜、传感器组和表面位移传感器将采集的数据和图像发送给处理器，处理器对采集的应力状态、位移数据和图像进行分析。

本发明的试验装置可以模拟严寒地区路基分层注浆过程，对各种水温条件和不同注浆压力下，浆脉体及周围土体的应力应变和表面位移进行监测，分析不同注浆阶段，不同固化时间路基土体内部应力场、表面位移分布特征、对路基结构—填料—浆体体系内部相互作用力学机理加以验证，由此反馈到工程实践，实现对注浆修复效果的精细化控制和最优方案评价比选。

进一步，所述注浆管上设有控制其轴向运动的驱动单元，所述内窥镜和驱动单元均与综合控制台电连接，所述伸缩注浆管设置为双层空心螺杆结构，通过端部的控制头连接综合控制台实现注浆口的旋进式升降。

进一步，还包括支架，所述支架包括支架底板和位于所述支架底板上方的支架隔板，所述支架底板和支架隔板之间通过支架立柱支撑，所述模型箱设置在支架底板上，所述注浆模块设置在支架隔板上，所述注浆管穿过所述支架隔板向模型箱内延伸。

再进一步，所述处理器包括数据采集器和图像分析处理器，所述传感器组和表面位移传感器均与所述数据采集器电连接，所述数据采集器与图像分析处理器电连接。

再进一步，所述补水室的一侧设有进水管，所述补水室的另一侧设有排水管，所述进水管与水箱相连，所述水箱设置在升降台上。

更进一步，所述模型箱的侧壁顶端设有防冻液进口阀和出气阀。

更进一步，所述传感器组包括多组布置在同一深度平面上的土压力盒、温度计、湿度计、孔压传感器。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种采用如上所述的严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置进行试验的方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、保持所述注浆模块的出浆管路在注浆工作前保持关闭状态；

步骤二、向土体试样室内装入试验土样并分层压实，每装填一层试验土样，须在预设位置埋入传感器组，并将最上层的试验土样整平，完成试验土样的装填工作；

步骤三、通过进水管向补水室内注水并观察水位计，当补水室内水位稳定在预期值后，停止注水并关闭进水阀；

步骤四、开启冷浴仪，并设置好冷浴温度，对模型箱内的试验土样降温冻结；

步骤五、将注浆管竖直***土体试样室的正中位置，在模型箱的顶部布设好表面位移传感器和内窥镜；

步骤六、开启注浆模块，待注浆压力稳定后向模型箱内每一层试验土样分层注浆，每层注浆完成后对数据进行记录，待完成最后一层注浆后，关闭注浆模块，待处理器中的数据稳定后，操作内窥镜，沿多条径向路径记录注浆完成后土体表面沉降变形图像；

步骤七、关闭试验装置，清除试验土样完成试验装置清理工作。

进一步，进行步骤二之前还包括：在所述土体试样室的侧壁上厚涂一层凡士林。

再进一步，在步骤五之后还包括：开启处理器，当处理器接收到的数值稳定并达到预设值后，将表面位移传感器数据复位归零。

本发明的一种严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置及试验方法具有以下优点：

1）、利用本发明装置可以开展模拟水位、温度组合条件下严寒地区路基注浆修复的模型试验研究，可实现模拟不同土性，不同的冻结温度、不同地下水位，多种注浆压力和分层注浆方法等。

2）、试验装置在模型箱径向的不同层位分别布设了一系列土壤物理参数测定传感器组，包括：表面位移传感器、土压力盒、温度计、湿度计、孔压传感器，实现实时监测记录注浆过程中模拟冻土路基土层内应力场分布、孔隙水压力、土体表面位移的发展规律和特性。

3）、试验装置中的注浆控制模块与上述模型箱布置在同一竖直方向上，还原了路基注浆现场的实际注浆方向；伸缩注浆管经控制台可即时调整注浆深度，可最大化模拟不同的注浆方案；利用布置的传感器组实现注浆过程与土体表面、内部应力应变状态发展有机统一，为后续研究注浆方案全过程路基工程力学特性演变规律提供了更为可靠的数据基础。

4）、试验装置采用多层温度控制体系，利用小直径冷浴铜管环绕箱体，并将铜管浸润在冰点极低的变压器油中，实现低温冻结模拟的同时保证模型箱土室外其他部件不结冰，使试验装置其他模块保持稳定工作。

5）、本发明通过应用一套冻土路基注浆和检测***不仅实现了便捷、即时、精确地测量不同注浆施工方案、不同浆体固化时间的力学及工程特性指标，同时在检测后实现快速清洗、循环使用模型箱土样检测室，提高了检测效率，减少相当大的资源浪费，遵循着绿色环保的设计理念。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中模型箱I-I剖面及内部传感器布置的俯视图。

图中标记说明：1、支架底板；2、支架立柱；3、支架；4、滑轨；5、模型箱；6、防冻液进口阀；7、防冻液；8、保温棉；9、出气阀；10、水位计；11、水位计阀门；12、多孔板；13、水箱进水阀；14、水箱出水阀；15、升降台控制器；16、升降台；17、水位控制台；18、升降台控制仪；19、进水管；20、补水室；21、排水管；22、出液管；23、进液管；24、冷浴管；25、冷浴仪；26、内窥镜；27、综合控制台；28、驱动单元；29、表面位移传感器；30、土压力盒；31、温度计；32、湿度计；33、孔压传感器；34、防渗接头；35、数据采集器；36、图像分析处理器；37、电机；38、传动齿轮；39、曲轴；40、连杆；41、拉杆；42、活塞；43、进浆管；44、泄压阀；45、油压室；46、压力表；47、排浆阀；51、注浆模块；54、土体试样室；55、处理器；56、传感器组；57、注浆管；59、支架隔板；60、水箱。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。

如图1和图2所示，本实施例的一种严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置包括支架3、模型箱5以及设置在所述模型箱5上方的注浆模块51，所述模型箱5和注浆模块51安装在支架3上，模型箱5和支架3都由钢材质构成，一方面为了保证足够的强度、刚度和稳定性，另一方面是因为金属材质具有更好的导热性能。模型箱5横截面设计为圆形，以保证试样土体约束条件一致性。为观测注浆后土体表面位移，箱顶不施加约束，设计为开放式。所述支架3包括支架底板1和位于所述支架底板1上方的支架隔板59，所述支架底板1和支架隔板59之间通过支架立柱2支撑，所述模型箱5设置在支架底板1上，所述注浆模块51设置在支架隔板59上，所述注浆模块51通过注浆管57与所述模型箱5的内腔连通。

具体地，所述注浆模块51包括电机37、曲轴39、连杆40、拉杆41和活塞42等，通过压力表46、泄压阀44实现注浆压力的控制，并通过控制排浆阀47来调节注浆流量。所述注浆控制模块利用螺栓固定在支架隔板59上。

所述注浆管57穿过所述支架隔板59向模型箱5内延伸，所述注浆管57上设有控制其轴向运动的驱动单元28，所述驱动单元28可根据测试需要调整注浆管57的注浆深度，所述驱动单元28均与综合控制台27电连接，通过综合控制台27调节伸缩注浆管28***模型箱内土体的深度，以模拟分层注浆方法，驱动单元28设置为双层空心螺杆结构，通过端部的控制头连接综合控制台27实现注浆口的旋进式升降，所述综合控制台27通过钢制桁架悬挂固定在支架隔板59底部。为减弱或消除注浆管57道与支架隔板59打孔间的磨损，打孔孔径应比注浆管57外径大3-5mm，并用硅胶软垫卡在缝隙间。

所述模型箱5上设有水位计10，所述水位计10与所述模型箱5的内腔连通，所述模型箱5内腔的底部为补水室20，所述补水室20的上方为土体试样室54，所述注浆管57的端部伸入所述土体试样室54内，所述土体试样室54与补水室20之间通过设置多孔板12分隔，多孔板12应具有一定厚度以保证强度和刚度且下端补水室20可设置支撑块加以补充。所述多孔板12配以透水石和滤纸，防止土颗粒进入补水室20。所述补水室20的一侧设有进水管19，所述补水室20的另一侧设有排水管21，所述进水管19与水箱60相连，所述水箱60设置在升降台16上。

所述模型箱5的侧壁夹层空间内设有冷浴管24，并在所述冷浴管24外填充有防冻液7，所述模型箱5的侧壁顶端设有防冻液进口阀6和出气阀9。所述冷浴管24螺旋缠绕式设置在所述侧壁夹层空间内，所述冷浴管24的上端设有进液管23，所述冷浴管24的下端设有出液管22，所述进液管23和出液管22均与冷浴仪25连通，所述模型箱5的侧壁和箱底的外部均套设有保温棉8。所述土体试样室54内设有多个传感器组56，所述传感器组56包括多组布置在同一深度平面上的土压力盒30、温度计31、湿度计32、孔压传感器33。所述土体试样室54的顶部设有表面位移传感器29，所述传感器组56和表面位移传感器29均与处理器55电连接，所述处理器55包括数据采集器35和图像分析处理器36，所述传感器组56和表面位移传感器29均与所述数据采集器35电连接，所述数据采集器35与图像分析处理器36电连接。所述表面位移传感器29的下端设有内窥镜26，所述内窥镜26以活动探头与综合控制台27电连接，可以多角度地获取表面位移图像，所有获取到的图像数据和数字信号传输到数据采集器35，并最终反映到图像分析处理器36上进一步整合分析。更优选地，传感器表面及数据线外涂覆有耐腐蚀涂层，防止传感器受到浆体污染；靠近箱底的两组传感器组导线经由箱壁防渗接头引出，以减少对土体结构的扰动。

一种采用本实施例的严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置进行试验的方法包括如下步骤：

步骤一、管路检查。保持注浆模块51的注浆管57在注浆工作前保持关闭状态，泄压阀门44保持打开状态。保持模型箱的防冻液进口阀6和出气阀9打开状态，充填满防冻液7后，关闭防冻液进口阀。

步骤二、土体试样装填及传感器组埋设。在模型箱底铺设好透水石和滤纸，模型箱5在土体试样室54的侧壁上厚涂一层凡士林，方便试验后脱模。自下而上分五层装入试验土样并分层压实，整平试样表面，完成试样的装填工作。同时，每装填一层土样，须在预设位置埋入传感器组56，传感器组56的线缆从模型箱5侧壁安装的防渗接头34中引出。土体内传感器布设完成后，将模型箱5沿滑轨4移入支架3的既定位置。

步骤三、水位控制模块准备。将水箱出水阀14与进水管19用软管相连。打开水位计阀门11，关闭排水管21，打开水箱进水阀13、水箱出水阀14和进水管19，对模型箱5补水，当水位稳定在预期值后，关闭进水管19，试验过程中按需要通过升降台16来调整水头高度。

步骤四、打开出液管22、进液管23的阀门，并开启冷浴仪25对模型箱内土体降温冻结，当传感器指示温度达到预期值时，维持此时冷浴温度。

步骤五、数据采集准备工作。将注浆管57竖直***箱体正中位置，并将驱动单元28连接综合控制台27。沿模型箱径向布设好表面位移传感器29和内窥镜26，并与前述传感器组56一同将数据线连接到数据采集器35。打开数据采集器和图像分析处理器36，完成数据采集处理模块的布设。开启数据采集***，观察传感器温度和水位数据，当数值达到预设值并稳定后，将表面位移传感器29数据复位归零。

步骤六、关闭泄压阀44，打开排浆阀47；开动电机37，待注浆压力稳定后开始供料注浆，当模型箱内土体开始注浆后，开始路基注浆修复的原位性能试验。具体步骤为：通过驱动单元28驱动注浆管57端口的位置分层注浆，每层注浆完成后测定一组应力、孔压和表面位移数据，并记录对应的温湿度条件。最后一层注浆完成后，关闭电机37和排浆阀47，停止注浆。待传感器数据稳定后，通过综合控制台27操作内窥镜26，沿多条径向路径记录注浆完成后土体表面沉降变形图像。

步骤七、完成上述土体注浆修复性能原位性能检测工作后，关闭本实施例的试验装置，排出注浆管57中残余的浆体，取出土体式样后，注清水洗净模型箱5与传感器测量端头；切断电源，关闭冷浴仪25及本试验装置的阀门，完成仪器整理工作。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置，其特征在于，包括模型箱（5）以及设置在所述模型箱（5）上方的注浆模块（51），所述注浆模块（51）通过注浆管（57）与所述模型箱（5）的内腔连通；

所述模型箱（5）上设有水位计（10），所述水位计（10）与所述模型箱（5）的内腔连通，所述模型箱（5）内腔的底部为补水室（20），所述补水室（20）的上方为土体试样室（54），所述注浆管（57）的端部伸入所述土体试样室（54）内，所述土体试样室（54）与补水室（20）之间通过设置多孔板（12）分隔；

所述模型箱（5）的侧壁夹层空间内设有冷浴管（24），并在所述冷浴管（24）外填充有防冻液（7），所述冷浴管（24）设置在所述侧壁夹层空间内，所述冷浴管（24）的上端设有进液管（23），所述冷浴管（24）的下端设有出液管（22），所述进液管（23）和出液管（22）均与冷浴仪（25）连通；

所述土体试样室（54）内设有多个传感器组（56），所述土体试样室（54）的顶部设有表面位移传感器（29），所述传感器组（56）和表面位移传感器（29）均与处理器（55）电连接，所述表面位移传感器（29）的下端设有内窥镜（26）。

2.根据权利要求1所述的严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置，其特征在于，所述注浆管（57）上设有控制其轴向运动的驱动单元（28），所述内窥镜（26）和驱动单元（28）均与综合控制台（27）电连接。

3.根据权利要求1所述的严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置，其特征在于，还包括支架（3），所述支架（3）包括支架底板（1）和位于所述支架底板（1）上方的支架隔板（59），所述支架底板（1）和支架隔板（59）之间通过支架立柱（2）支撑，所述模型箱（5）设置在支架底板（1）上，所述注浆模块（51）设置在支架隔板（59）上，所述注浆管（57）穿过所述支架隔板（59）向模型箱（5）内延伸。

4.根据权利要求1所述的严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置，其特征在于，所述处理器（55）包括数据采集器（35）和图像分析处理器（36），所述传感器组（56）和表面位移传感器（29）均与所述数据采集器（35）电连接，所述数据采集器（35）与图像分析处理器（36）电连接。

5.根据权利要求1所述的严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置，其特征在于，所述补水室（20）的一侧设有进水管（19），所述补水室（20）的另一侧设有排水管（21），所述进水管（19）与水箱（60）相连，所述水箱（60）设置在升降台（16）上。

6.根据权利要求1所述的严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置，其特征在于，所述模型箱（5）的侧壁顶端设有防冻液进口阀（6）和出气阀（9）。

7.根据权利要求1所述的严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置，其特征在于，所述传感器组（56）包括多组布置在同一深度平面上的土压力盒（30）、温度计（31）、湿度计（32）、孔压传感器（33）。

8.一种采用如权利要求1至7所述的严寒地区公路路基注浆性能检测试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、保持所述注浆模块（51）的出浆管路在注浆工作前保持关闭状态；

步骤二、向土体试样室（54）内装入试验土样并分层压实，每装填一层试验土样，须在预设位置埋入传感器组（56），并将最上层的试验土样整平，完成试验土样的装填工作；

步骤三、通过进水管（19）向补水室（20）内注水并观察水位计（10），当补水室（20）内水位稳定在预期值后，停止注水并关闭进水阀；

步骤四、开启冷浴仪（25），并设置好冷浴温度，对模型箱（5）内的试验土样降温冻结；

步骤五、将注浆管（57）竖直***土体试样室（54）的正中位置，在模型箱（5）的顶部布设好表面位移传感器（29）和内窥镜（26）；

步骤六、开启注浆模块（51），待注浆压力稳定后向模型箱（5）内每一层试验土样分层注浆，每层注浆完成后对数据进行记录，待完成最后一层注浆后，关闭注浆模块（51），待处理器（55）中的数据稳定后，操作内窥镜（26），沿多条径向路径记录注浆完成后土体表面沉降变形图像；

步骤七、关闭试验装置，清除试验土样并完成试验装置清理工作。

9.根据权利要求8所述的严寒地区公路路基注浆性能检测试验方法，其特征在于，进行步骤二之前还包括：在所述土体试样室（54）的侧壁上厚涂一层凡士林。

10.根据权利要求8所述的严寒地区公路路基注浆性能检测试验方法，其特征在于，在步骤五之后还包括：开启处理器（55），当处理器（55）接收到的数值稳定并达到预设值后，将表面位移传感器（29）数据复位归零。

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