专利名称：模拟复杂应力作用下室内灌浆试验装置及其试验方法
技术领域：
本发明属于深部岩土工程领域，具体涉及ー种岩土体在不同应カ水平、不同水压作用下的灌浆试验装置及其试验方法，主要用于解决深部岩土工程领域中由于复杂应カ和地下水压カ耦合作用下岩土体灌浆工程中浆液扩散半径与灌浆后结石体滲透系数值，及其与岩土体介质结构、灌浆压力、灌浆时间、水灰比，浆液粘度等參数之间函数关系的研究。
背景技术：
浆液扩散半径与灌浆后结石体滲透系数是反映灌浆效果的重要指标，它直接影响灌浆孔孔距的布置与防渗加固效果，不仅受到岩土体介质结构、灌浆压力、注浆时间、水灰比，浆液粘度等不同程度的影响，还要考虑岩土体受不同应カ水平、不同水压作用的影响，是国际岩土体防渗加固的热门课题之一，也是核废料地下处置、地下能源储存、地下ニ氧化碳储存、地热开发、石油开采、水利水电，核电、边坡、铜室等众多与灌浆工程相关岩石工程 的最基础性研究课题。若灌浆失败，则不仅浪费大量的人力物力，且会危及人员财产安全，污染环境与地下水资源等。目前，现场试验投入的人力物カ大，且仅是为现场施工提供试探性的定性试验，试验数据极少，远不能全面研究；室内试验多是利用临时拼凑的设备做ー些简单的研究，很不成熟，人工操作，功能単一，且没有考虑复杂应カ的影响等，试验数据的缺乏(特别是全面、综合的试验数据)不仅限制了岩土体灌浆理论体系的发展，而且严重制约了岩土体介质中固、液、气相互作用与多场藕合的灌浆模型以及岩土体灌浆理论的发展以及预测结果准确性。故亟需ー种模拟复杂应力作用下室内灌浆试验的装置及其试验方法，来有效地填补这方面的空白。
发明内容
本发明的目的之ー在于提供一种对岩土体在不同应カ水平、不同水压作用下，浆液扩散半径与灌浆后结石体滲透系数及其与相关灌浆參数等进行实时观测和监测的试验装置，以克服己有技术中存在的不考虑试样复杂应力水平，测试时间长、可靠性低、试验数据精度低、使用不便，功能単一，花费大等缺点。本发明的第一个目的是通过如下的技术方案来实现的该模拟复杂应力作用下室内灌浆试验装置，它包括底座，底座与安装其上的圆筒形有机玻璃密封罩以及上盖形成一个密封的周围压カ室，围压管从底座一侧穿过与周围压カ室联通，其外端与周围压カ系统连接；圆柱形的岩土试样固定于周围压カ室的底座中心上，岩土试样上、下面分别设有上透水石和下透水石，岩土试样外面包裹有橡皮膜；上透水石上面设有加压塞，加压塞连接有传カ杆，传カ杆密封穿过上盖中心与轴向加压装置连接，轴向加压装置安装于反カ架上；反压力管从底座一侧穿过进入周围压カ室后，再穿过加压塞与上透水石连接，反压カ管的外端与反压カ系统连接；在岩土试样轴心设有灌浆滤管，灌浆滤管上端封闭，下端于下透水石处与灌浆管联通，岩土试样与灌浆滤管处于密封环境；灌浆管从底座一侧穿出依次与压カ传感器、流量计、灌浆泵和浆桶连接，在压カ传感器之前的灌浆管上设有管道接头。
更进一歩，为便于控制，在所述围压管和反压カ管上设有阀门。在所述灌浆泵与流量计之间的灌浆管与浆桶通过ー根短路管连接，短路管上设有阀门。当打开短路管上的阀门时，多余的浆液回流到浆桶中。本发明的目的之ニ在于提供上述模拟复杂应力作用下室内灌浆试验装置的试验方法，该方法包括如下顺序的步骤(I)将岩土试样与其轴心的灌浆滤管安装在周围压カ室的底座中心上，沿岩土试样外壁长度方向均匀贴若干滤纸条后，再包裹橡皮膜；岩土试样上、下面分别安装上透水石和下透水石，橡皮膜与底座中心凸块和上透水石用橡皮筋扎紧，使岩土试样与灌浆滤管置于密封环境；安装上盖及有机玻璃密封罩后，将加压塞压住并固定岩土试样与灌浆滤管；(2)通过周围压カ系统及围压管给岩土试样周围的周围压カ室注满水，并施加压力。3 ； (3)若试验设计不要求岩土试样中有水压力，则反压力管接通大气压，若试验设计要求岩土试样中有水压カ存在，则通过反压カ系统及反压カ管给岩土试样施加一定的水压力Pw，并在试验过程中保持稳定；(4)通过轴向加压装置、传カ杆和加压塞给岩土试样施加主应カ差Ac，则垂直方向的王应カC I = C ^ 1 Ac，(5)通过灌浆泵、灌浆管及灌浆滤管在一定灌浆压力P作用下把一定水灰比的水泥浆液灌注入岩土试样中，形成一定扩散半径R的注浆体，浆液扩散半径R小于岩土试样半径，同时通过压カ传感器和流量计分别记录相应的灌浆压カP和灌浆量V ；(6)卸去灌浆压力，旋开管道接头，断开灌浆管与灌浆泵等其它设备的连接，在灌浆管与灌浆滤管内插入冲水管冲洗里面的残余浆液，14天以后，重新接通管道接头，使灌浆管与灌浆泵等其它设备重新连接，通过灌浆泵、灌浆管及灌浆滤管在一定压カPw作用下向岩土试样中压水，待压水呈稳定状态的流量Q，通过压カ传感器与流量计分别记录相应的水压カPw与稳定流量Q ；(7)根据达西定律与水利水电工程钻孔压水试验规程SL31-2003，采用q=Q/L -Pw,计算岩土试样的透水率；式中，q为试样的透水率，单位是Lu ；L为试样的长度，单位是m ；Q为稳定流量，单位是L/min ；PW为试验压カ，单位是Mpa ；(8)卸去轴向主应カ差A c，通过轴向加压装置、传カ杆使加压塞上移，然后通过周围压カ系统卸去周围的压力C3，通过围压管排除周围压カ室内的水，取出岩土试样，測量浆液扩散半径R ；(9)采用试验设计安排中的不同的岩土试样，采用不同的灌浆压力、水灰比、轴向应カC1以及周围压カC3，按照步骤(I)至步骤(8)重复进行，将数据输入计算机处理与分析，得出浆液扩散半径与灌浆后透水率与介质结构即孔隙度和滲透系数，灌浆压力，注浆时间，水灰比等參数在复杂应力条件下的函数关系式。本发明与现有技术相比具有如下优点(I)可开展不同应カ水平、不同种类浆液(包括水泥浆液，化学浆液，多种搀和料的浆液等)、不同水压カ耦合作用下岩土体的灌浆试验。可真实模拟深部岩土工程中由于复杂应カ和地下水压カ耦合作用下岩土体灌浆中浆液扩散半径与灌浆后结石体滲透系数值。(2)可开展复杂应カ条件下岩土体灌浆中浆液扩散半径与灌浆后结石体滲透系数与岩土体介质结构、灌浆压力、灌浆时间、水灰比与浆液黏度等參数之间的函数关系的研究。(3)由于对岩土试样侧壁米取柔性排水方式,有别于现有技术常规试样排水方法，使得本发明可很好的解决水泥土试样侧壁排水问题，对试样外表面存在粗糙和不平整也不影响排水效果。(4)由于对岩土样中间的灌浆孔布置柔性滤管，有别于现有技术常规试样灌浆方法，使得本发明可很好的解决岩土试样灌浆孔内壁灌浆界面问题，避免了灌浆或注水过程中孔壁造成冲刷、塌落等影响。(5)由于对反压カ系统不仅能提供反压カ及稳定反压カ功能，且在不需要压カ的时候反压カ管道也可接通大气压具排气功能，缩短试验所需时间，使之便捷、可靠和准确。
图1是本发明灌浆试验装置的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进ー步详细的描述。參见图1，本发明实施例的灌浆试验装置包括底座20，底座20与安装其上的圆筒形有机玻璃密封罩13以及上盖12形成ー个密封的周围压カ室14。围压管17从底座20的左侧穿过与周围压カ室14联通，其外端与周围压カ系统16连接，在围压管17上设有阀门23。圆柱形的岩土试样5固定于周围压カ室14的底座20中心上,岩土试样5的上、下面分别设有上透水石701和下透水石702，岩土试样5外面包裹有橡皮膜6。上透水石701上面设有加压塞8，加压塞8连接有传カ杆11，传カ杆11密封穿过上盖12的中心与轴向加压装置10连接，轴向加压装置10安装于反カ架9上。反压カ管15从底座20的左侧穿过进入周围压カ室14后，再穿过加压塞8与上透水石701连接，反压カ管15的外端与反压カ系统21连接，在反压カ管15上设有阀门24。在岩土试样5的轴心处设有灌浆滤管4，灌浆滤管4上端封闭，下端于下透水石702处与灌浆管3联通，岩土试样5与灌浆滤管4处于密封环境。灌浆管3从底座20的右侧穿出依次与压カ传感器19、流量计18、灌浆泵2和浆桶I连接，在压カ传感器19之前的灌浆管3上设有管道接头22。灌浆泵2与流量计18之间的灌浆管3与浆桶I通过ー根短路管连接，短路管上设有阀门25。基于图1所示模拟复杂应力作用下室内灌浆试验装置的试验方法如下(I)将岩土试样5与其轴心的灌浆滤管4安装在周围压カ室14的底座20中心上，沿岩土试样5外壁长度方向均勻贴若干滤纸条后,再包裹橡皮膜6 ;岩土试样5的上、下面分别安装上透水石701和下透水石702，橡皮膜6与底座20的中心凸块和上透水石701用橡皮筋扎紧，使岩土试样5与灌浆滤管4置于密封环境；安装上盖12及有机玻璃密封罩13后，将加压塞8压住并固定岩土试样5与灌浆滤管4 ；(2)通过周围压カ系统16及围压管17给岩土试样5周围的周围压カ室14注满水，并施加压カC3 ；(3)若试验设计不要求岩土试样中有水压力，则反压力管15接通大气压，若试验设计要求岩土试样中有水压カ存在，则通过反压カ系统21及反压カ管15给岩土试样施加一定的水压カPw，并在试验过程中保持稳定；(4)通过轴向加压装置10、传カ杆11和加压塞8给岩土试样5施加主应カ差Ac,则垂直方向的主应カe, =C3-Ac ；(5)通过灌浆泵2、灌浆管3及灌浆滤管4在一定灌浆压力P作用下把一定水灰比的水泥衆液灌注入岩土试样5中，形成一定扩散半径R的注衆体，衆液扩散半径R小于岩土试样5的半径，同时通过压カ传感器19和流量计18分别记录相应的灌浆压カP和灌浆量V；(6)卸去灌浆压力，旋开管道接头22，断开灌浆管3与灌浆泵2等其它设备的连接，在灌浆管3与灌浆滤管4内插入冲水管冲洗里面的残余浆液，14天以后，重新接通管道接头22，使灌浆管3与灌浆泵2等其它设备重新连接，通过灌浆泵2、灌浆管3及灌浆滤管
4在一定压カPw作用下向岩土试样中压水，待压水呈稳定状态的流量Q，通过压カ传感器19与流量计18分别记录相应的水压カPw与稳定流量Q ；(7)根据达西定律与水利水电工程钻孔压水试验规程SL31-2003，采用q=Q/L -Pw,计算岩土试样的透水率；式中，q为试样的透水率，单位是Lu ；L为试样的长度，单位是m ；Q为稳定流量，单位是L/min ；PW为试验压カ，单位是Mpa ；(8)卸去轴向主应カ差A c，通过轴向加压装置10、传カ杆11使加压塞8上移，然后通过周围压カ系统16卸去周围的压力C3，通过围压管17排除周围压カ室14内的水，取出岩土试样5，測量浆液扩散半径R ；(9)采用试验设计安排中的不同的岩土试样，采用不同的灌浆压力、水灰比、轴向应カC1以及周围压カC3，按照步骤(I)至步骤(8)重复进行，将数据输入计算机处理与分析，得出浆液扩散半径与灌浆后透水率与介质结构即孔隙度和滲透系数，灌浆压力，注浆时间，水灰比等參数在复杂应力条件下的函数关系式。
权利要求
1.一种模拟复杂应力作用下室内灌浆试验装置，其特征在于它包括底座，底座与安装其上的圆筒形有机玻璃密封罩以及上盖形成一个密封的周围压力室，围压管从底座一侧穿过与周围压力室联通，其外端与周围压力系统连接；圆柱形的岩土试样固定于周围压力室的底座中心上，岩土试样上、下面分别设有上透水石和下透水石，岩土试样外面包裹有橡皮膜；上透水石上面设有加压塞，加压塞连接有传力杆，传力杆密封穿过上盖中心与轴向加压装置连接，轴向加压装置安装于反力架上；反压力管从底座一侧穿过进入周围压力室后，再穿过加压塞与上透水石连接，反压力管的外端与反压力系统连接；在岩土试样轴心设有灌浆滤管，灌浆滤管上端封闭，下端于下透水石处与灌浆管联通，岩土试样与灌浆滤管处于密封环境；灌浆管从底座一侧穿出依次与压力传感器、流量计、灌浆泵和浆桶连接，在压力传感器之前的灌浆管上设有管道接头。
2.根据权利要求1所述的模拟复杂应力作用下室内灌浆试验装置，其特征在于在所述围压管和反压力管上设有阀门。
3.根据权利要求1或2所述的模拟复杂应力作用下室内灌浆试验装置，其特征在于在所述灌浆泵与流量计之间的灌浆管与浆桶通过一根短路管连接，短路管上设有阀门。
4.一种如权利要求1所述模拟复杂应力作用下室内灌浆试验装置的试验方法，其特征在于包括如下顺序的步骤 (1)将岩土试样与其轴心的灌浆滤管安装在周围压力室的底座中心上，沿岩土试样外壁长度方向均匀贴若干滤纸条后，再包裹橡皮膜；岩土试样上、下面分别安装上透水石和下透水石，橡皮膜与底座中心凸块和上透水石用橡皮筋扎紧，使岩土试样与灌浆滤管置于密封环境；安装上盖及有机玻璃密封罩后，将加压塞压住并固定岩土试样与灌浆滤管； (2)通过周围压力系统及围压管给岩土试样周围的周围压力室注满水，并施加压力C3； (3)若试验设计不要求岩土试样中有水压力，则反压力管接通大气压，若试验设计要求岩土试样中有水压力存在，则通过反压力系统及反压力管给岩土试样施加一定的水压力Pw，并在试验过程中保持稳定； (4)通过轴向加压装置、传力杆和加压塞给岩土试样施加主应力差Ac，则垂直方向的主应力c = CiI Ac ； (5)通过灌浆泵、灌浆管及灌浆滤管在一定灌浆压力P作用下把一定水灰比的水泥浆液灌注入岩土试样中，形成一定扩散半径R的注浆体，浆液扩散半径R小于岩土试样半径，同时通过压力传感器和流量计分别记录相应的灌浆压力P和灌浆量V ； (6)卸去灌浆压力，旋开管道接头，断开灌浆管与灌浆泵等其它设备的连接，在灌浆管与灌浆滤管内插入冲水管冲洗里面的残余浆液，14天以后，重新接通管道接头，使灌浆管与灌浆泵等其它设备重新连接，通过灌浆泵、灌浆管及灌浆滤管在一定压力Pw作用下向岩土试样中压水，待压水呈稳定状态的流量Q，通过压力传感器与流量计分别记录相应的水压力Pw与稳定流量Q ； (7)根据达西定律与水利水电工程钻孔压水试验规程SL31-2003，采用q=Q/L*PW，计算岩土试样的透水率；式中，q为试样的透水率，单位是Lu ；L为试样的长度，单位是m ；Q为稳定流量，单位是L/min ；PW为试验压力，单位是Mpa ； (8)卸去轴向主应力差Λc，通过轴向加压装置、传力杆使加压塞上移，然后通过周围压力系统卸去周围的压力C3，通过围压管排除周围压力室内的水，取出岩土试样，测量浆液扩散半径R ； (9)采用试验设计安排中的不同的岩土试样，采用不同的灌浆压力、水灰比、轴向应力C1以及周 围压力C3，按照步骤(I)至步骤(8)重复进行，将数据输入计算机处理与分析，得出浆液扩散半径与灌浆后透水率与介质结构即孔隙度和渗透系数，灌浆压力，注浆时间，水灰比等参数在复杂应力条件下的函数关系式。
全文摘要
本发明公开了一种模拟复杂应力作用下室内灌浆试验装置及其试验方法。本发明主要是将岩土试样包裹橡皮膜，其上、下面分别设上透水石和下透水石，放置在密闭的周围压力室内；上透水石上设有加压塞，加压塞通过传力杆连接到轴向加压装置上；围压管与周围压力室联通，其外端与周围压力系统连接；反压力管与上透水石连接，其外端与反压力系统连接；置于岩土试样轴心的灌浆滤管通过灌浆管与灌浆泵和浆桶等设备连接。通过真实模拟深部复杂应力和地下水压力耦合作用，得出岩土体灌浆中浆液扩散半径与灌浆后结石体渗透系数值及与相关参数间的函数关系。本发明缩短了试验所需时间，便捷、可靠和准确。
文档编号G01N15/08GK103018152SQ20121055890
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者陈伟, 贺建清, 戴习东, 朱建群, 王志斌, 崔大田 申请人:湖南科技大学