一种室内砂土注浆模拟试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及水利工程技术领域，特别涉及一种室内砂土注浆模拟试验装置及其试验方法。

背景技术：

水利工程建设中需要应对各种基础问题，其中，砂土地层由于渗透性大而处理难度很大。注浆技术的应用可显著降低砂土地层的渗透系数，提高地基承载力，但注浆浆液在砂土地层中的扩散形态及扩散过程是隐蔽不可见的，浆液与土体间的渗透、压密或劈裂等作用方式的发展进程无法直接观测，这使得以室内试验为基础的注浆理论研究远落后于工程实践的需要^[1-3]，也使得注浆工艺更多依赖于经验，提升、改进空间有限。室内注浆研究的相对滞后严重制约着复杂地层中水利工程建设，因此亟需开展此方面的相关室内试验研究^[4]。

为了进一步阐述并完善注浆方面的相关理论，国内外诸多学者从不同角度出发，进行了大量的现场试验及室内试验研究与探讨，同时也研发出各式各样、各有所长的试验装置，如梅志荣等^[5]研发了模拟施工现场注浆的室内加压注浆试验装置，尹会永等^[6]研发了弱胶结岩体定向劈裂注浆试验系统，阳恩慧等^[7]研发了一种路基压力注浆试验模拟设备，白云等^[8]研发了盾构同步注浆试验用模拟系统及其试验方法，虽然各类注浆装置层出不穷，但针对于砂土地层注浆来说，室内模拟试验装置仍需深入考虑以下注浆方面的问题：(1)如何准确的模拟高地下水压力作用对砂土地层注浆的影响；(2)如何精确的模拟高地应力作用对砂土地层注浆的影响；(3)如何直观的描述注浆浆液在砂土颗粒中的扩散过程以及砂土颗粒在不同注浆压力、不同地下水压力、不同地应力作用下的运动形态。

参考文献：

[1]hernqvistl,fransson,gustafsong,etal.analysesofthegroutingresultsforasectionoftheapsetunnelathardrocklaboratory[j].internationaljournalofrockmechanics&miningsciences,2009,46(3):439-449.

[2]gustafsong,stilleh.predictionofgroutabilityfromgroutpropertiesandhydrogeologicaldata[j].tunnelling&undergroundspacetechnology,1996,11(3):325-332.

[3]franssona.nonparametricmethodfortransmissivitydistributionsalongboreholes[m]//groundwater:201–204.

[4]秦鹏飞.砂土注浆的颗粒流细观力学数值模拟[j].土木工程与管理学报,2017,34(4):30-38.

[5]梅志荣,李斯海,杜俊,等.模拟施工现场注浆的室内加压注浆试验装置:,cn202145207u[p].2012.

[6]尹会永,张伟杰,魏久传,等.弱胶结岩体定向劈裂注浆试验系统:,cn105510559a[p].2016.

[7]阳恩慧,邱延峻,艾长发,等.一种路基压力注浆试验模拟设备:,cn202814967u[p].2013.

[8]白云,吴世明,戴志仁,等.盾构隧道同步注浆试验用模拟系统及其试验方法:,cn103913289a[p].2014.

技术实现要素：

为综合解决上述砂土地层注浆方面的相关问题，本发明提供一种室内砂土注浆模拟试验装置及其试验方法，能够模拟不同地下水压力、不同地应力、不同注浆压力、不同颗粒级配与及不同注浆管径等多种实验工况；另外本实验将使用由熔融石英砂和一定配比的矿物油来制作透明砂土，再运用piv技术实现注浆试验过程中浆液及砂土运动形态的可视化。

本发明所采用的技术方案是：一种室内砂土注浆模拟试验装置，包括空气压缩机、储浆桶、注浆桶、水箱、ccd相机、激光器、同步器、计算机；

所述储浆桶分别连接所述空气压缩机和所述注浆桶；

所述水箱与所述注浆桶的进水口相连接，为所述注浆桶注水以模拟地下水；

所述注浆桶内储存有试验用透明砂土；

所述ccd相机设置有两台，分别设置在所述注浆桶的正下方和侧向，所述ccd相机分别与所述同步器、所述计算机相连接；

所述同步器分别与所述计算机、所述激光器相连接；

所述激光器设置有两台，两台所述激光器的投影面分别与两台所述ccd相机的拍摄方向垂直。

进一步的，所述注浆桶包括圆柱形的内桶体和外桶体，所述内桶体和所述外桶体之间形成注水腔；所述注浆桶的顶部、位于所述注水腔的位置对称开设有两个进水口，两个所述进水口通过输水管与所述水箱相连接，所述内桶体的两侧对称处开设有两列进水孔；所述注浆桶的顶部设置有用于模拟不同地应力的压力加载板，所述压力加载板与所述注浆桶内壁之间接触处设置有使得所述压力加载板具有活动性同时保证透明砂土中的水流不外渗的橡胶圈，所述压力加载板连接有给所述压力加载板施加预设压力的液压装置。

其中，所述内桶体和所述外桶体均采用透明有机玻璃制成。

其中，每列所述进水孔设置有若干个，沿所述内桶体高度方向均匀布置；所述进水孔处设置有防止透明砂土流出的过滤网。

其中，所述内桶体的壁面沿竖向设置有主刻度和次刻度。

进一步的，所述水箱靠近底部处开设有两个输水孔，两个所述输水孔通过输水管与所述注浆桶顶部的进水口相连接；两条所述输水管上、靠近所述水箱处设置有控制所述水箱中水流出入的阀门；所述水箱的顶部设置有通气孔、进水口以及用于实时观察所述水箱中压力的第一压力表。

进一步的，所述水箱的底部设置有用于调节所述水箱高度以模拟不同埋深地下水的活动支架。

进一步的，所述储浆桶的顶部开设有三处孔口：一处为进浆口，一处通过第一管线与所述空气压缩机相连接，另一处通过第二管线与所述注浆桶相连接，所述第一管线上设置有用于使所述空气压缩机提供稳定注浆压力的稳压器，所述第二管线上设置有用于测试注浆压力的第二压力表。

其中，所述储浆桶桶体采用透明有机玻璃制成。

本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述室内砂土注浆模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，将注浆桶放置于距离地面一高度且平稳处，注浆桶通过输水管连接水箱、通过第二管线连接储浆桶，注浆桶的压力加载板连接液压装置，储浆桶通过第一管线连接空气压缩机，然后进行密闭性测试，密闭性测试通过后进行下一步操作；

步骤2，按试验方案筛选出预设颗粒级配的熔融石英砂，分层铺填并夯实至注浆桶内，再加入矿物油完成透明砂土的制作；

步骤3，调节水箱下方活动支架使水箱位于试验方案预设的地下水压力相对应的高程位置，将输水管上的阀门打开使水流顺利下流并通过进水孔进入透明砂土中直至透明砂土饱和，饱和后将水箱出口处阀门关闭；

步骤4，配置注浆浆液，并将浆液通过储浆桶进浆口缓慢倒入，调整稳压器及第二压力表；

步骤5，ccd相机分别设置在注浆桶的正下方和侧向，激光器的投影面与ccd相机的拍摄方向垂直，ccd相机通过数据线分别与同步器、计算机相连，同步器分别与计算机与激光器相连；关闭实验室光源后，将激光器打开并调节投影面，直至在预设位置形成稳定且清晰的投影面后，再将计算机及ccd相机打开，设置ccd相机数据采集频率进行数据采集；

步骤6，打开空气压缩机按试验方案预设的注浆压力将储浆桶中的浆液注入注浆桶中的透明砂土中，注浆过程中时刻注意第二压力表中的读数；

步骤7，试验结束后，在计算机中运用pivview2c软件对ccd相机采集的图片进行分析与处理。

本发明的有益效果是：传统的室内砂土注浆实验研究设备很难捕捉注浆浆液在砂土注浆过程中的流动形态，更难以重现砂土在不同浆液压力、不同地下水压力及不同地应力作用下的运动特性，为综合解决上述众多问题，本发明引入了一种用于模拟室内砂土注浆的试验装置及其试验方法。为了真实反映砂土在注浆过程中的运动特性并重现注浆浆液的运动扩散过程，该室内注浆实验装置能够综合模拟不同地下水压力、不同地应力、不同注浆压力、不同颗粒级配与及不同注浆管径等多种实验工况；另外实验通过熔融石英砂和一定配比的矿物油来制作透明砂土，再运用piv技术实现注浆试验过程中浆液及砂土运动形态的可视化。总之，该室内注浆实验装置及试验方法将为进一步丰富、发展及完善注浆理论提供一条合理有效的途径，也将对优化注浆参数、工序工法等方面具有一定实用性的参考价值及依据。

附图说明

图1：本发明室内砂土注浆模拟试验装置结构示意图；

图2：本发明注浆桶顶部俯视图；

图3：ccd相机与激光器布置示意图。

附图标注：1、空气压缩机；2、稳压器；3、第一管线；4、第二管线；5、进浆口；6、储浆桶；7、第二压力表；8、压力加载板；9、进水口；10、透明砂土；11、激光器；12、进水孔；13、投影面；14、ccd相机；15、阀门；16、水箱；17、活动支架；18、注浆孔；19、橡胶玻璃盖；20、内桶体；21、外桶体；22、活动支架；23、注浆桶。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

目前，传统的室内砂土注浆实验研究设备很难捕捉注浆浆液在砂土注浆过程中的流动形态，更难以重现砂土在不同浆液压力、不同地下水压力及不同地应力作用下的运动特性，因此，对室内砂土注浆试验的研究仍然较为抽象。为了真实反映砂土在注浆过程中的运动特性并重现注浆浆液的运动扩散过程，本发明引入了一种新开发的用于模拟室内砂土注浆的试验装置及其试验方法，该室内注浆试验装置能够模拟不同地下水压力、不同地应力、不同注浆压力、不同颗粒级配与及不同注浆管径等多种实验工况；另外本实验将使用由熔融石英砂和一定配比的矿物油来制作透明砂土，再运用piv技术实现注浆试验过程中浆液及砂土运动形态的可视化。

如附图1所示，一种室内砂土注浆模拟试验装置，包括储浆桶6、注浆桶23、水箱16、空气压缩机1、稳压器2、第一压力表、第二压力表7、活动支架17、ccd相机14、激光器11、同步器、计算机等。

(1)注浆桶23：所述注浆桶23内储存有试验用透明砂土10。所述注浆桶23包括圆柱形的内桶体20和外桶体21，所述内桶体20和所述外桶体21之间形成注水腔。所述内桶体20和所述外桶体21均采用5mm厚的透明有机玻璃制成，为创造可视化有利条件，其中，所述内桶体20为内径30cm、高80cm的圆柱形，此外，所述注浆桶23的底部同样为5mm厚的透明有机玻璃制成。所述注浆桶23的顶部、位于所述注水腔的顶部设置有环形橡胶玻璃盖19，所述橡胶玻璃盖19上对称开设有两个进水口9，两个所述进水口9通过输水管与所述水箱16相连接。所述内桶体20的两侧对称处开设有两列圆形进水孔12，每列所述进水孔12设置有8个，半径为1cm，沿所述内桶体20高度方向均匀布置；为防止透明砂土10从进水孔12流出，在各进水孔12处设置一层稳固的过滤网。所述内桶体20壁面按竖向每5cm设置主刻度，并每隔1cm设置次刻度。室内模拟实验时，水箱16中水流将从这些进水孔12进入透明砂土10，未进入透明砂土10中的水流将保存于注水腔内，实现地下水的模拟。此外，为模拟不同地应力，所述注浆桶23的顶部封盖将制成中间开圆形注浆孔18的压力加载板8，所述压力加载板8与所述注浆桶23内壁之间接触处设置有橡胶圈，使得所述压力加载板8具有一定的活动性同时保证透明砂土10中的水流不外渗；所述压力加载板8与液压装置相连接，通过液压装置给压力加载板8施加预设的压力来实现地应力的模拟。注浆桶23顶部俯视图如图2所示。

(2)水箱16及活动支架17：所述水箱16由透明有机玻璃制成。所述水箱16靠近底部处开设有两个输水孔外连两输水管，两条所述输水管又分别与所述注浆桶23顶部预留的两个进水口9相连，两条所述输水管在靠近水箱16处分别设置一个阀门15控制水箱16中水流出入。所述水箱16的顶部设置一通气孔，一可密闭的进水口以及第一压力表，方便实时观察水箱16中的压力。而通过调节水箱16底部活动支架17则可实现不同埋深地下水的模拟。

(3)储浆桶6与空气压缩机1：为方便观察所述储浆桶6内浆液液面变化，所述储浆桶6采用透明有机玻璃制成。所述储浆桶6顶部开三处孔口，一处为进浆口5；一处通过第一管线3与所述空气压缩机1相连，为使所述空气压缩机1提供一个稳定的注浆压力，第一管线3中间设置一个稳压器2；另一处通过第二管线4与所述注浆桶23相连，第二管线4中间设置第二压力表7，测试注浆压力。需特别说明的是，各进出口等关键部位均需进行严格的密闭处理。

(5)ccd相机14、同步器与激光器11：实验时，将注浆桶23置于离地面一定高度且平稳处，注浆桶23正下方与侧向各放置一台ccd相机14，ccd相机14均可通过活动支架调节至合理位置，且ccd相机14通过数据线分别与同步器、计算机相连，同步器又分别与计算机与激光器11相连。另外，激光器投影面13需与ccd相机14拍摄方向相互垂直，激光器11同样也可通过活动支架22调整至合适位置进行投影，形成稳定清晰的投影面13，最后ccd相机14拍摄的照片将传输至计算机，而后在计算机上运用pivview2c软件进行图片分析处理，ccd相机14与激光器11布置图如图3所示。所述ccd相机14的像素和所述激光器11的功率根据实验具体情况进行调节，使得实验结果最清晰化即可。

基于上述室内砂土注浆模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，将注浆桶23放置于距离地面一定高度且平稳处，注浆桶23通过输水管连接水箱16、通过第二管线4连接储浆桶6，注浆桶23的压力加载板8连接液压装置，储浆桶6通过第一管线3连接空气压缩机1，然后进行密闭性测试，密闭性测试通过后进行下一步操作；

步骤2，按试验方案筛选出预设颗粒级配的熔融石英砂，分层铺填并夯实至注浆桶23内，再加入调配好的矿物油完成透明砂土10的制作，其中，矿物油由15#白矿物油和溶剂油混合而制得，其比例是由具体实验工况来确定，不同工况对应的比例不同；

步骤3，调节水箱16下方活动支架17使水箱16位于试验方案预设的地下水压力相对应的高程位置，将输水管上的阀门15打开使水流顺利下流并通过进水孔12进入透明砂土10中直至透明砂土10饱和，饱和后将水箱16出口处阀门15关闭；

步骤4，配置注浆浆液，并将浆液通过储浆桶6进浆口5缓慢倒入，调整稳压器2及第二压力表7；

步骤5，ccd相机14分别设置在注浆桶23的正下方和侧向，激光器投影面13与ccd相机14的拍摄方向垂直，ccd相机14通过数据线分别与同步器、计算机相连，同步器分别与计算机与激光器11相连；关闭实验室光源后，将激光器11打开并调节投影面13，直至在预设位置形成稳定且清晰的投影面13后，再将计算机及ccd相机14打开，设置ccd相机14数据采集频率进行数据采集；其中，投影面13是由激光生成的无数光束所组成的一道光面，激光源直接在预设位置形成投影面13，预设位置为与ccd相机14拍摄方向垂直且在注浆桶23的最大截面位置处，投影面13也须在ccd相机14拍摄范围的正中心位置；

步骤6，打开空气压缩机1按试验方案预设的注浆压力将储浆桶6中的浆液注入注浆桶23中的透明砂土10中，注浆过程中时刻注意第二压力表7中的读数；

步骤7，试验结束后，在计算机中运用pivview2c软件对ccd相机14采集的图片进行分析与处理。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。