一种地层注浆模拟系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地层注浆技术领域，尤其涉及一种地层注浆模拟系统。
【背景技术】
[0002]随着经济全球化的快速发展，作为决定和影响城市竞争力主要因素之一的城市交通基础设施状况是城市发展水平和文明程度的重要支撑，是城市经济和社会协调发展的物质条件。随着城市人口的不断增加，对城市交通基础设施需求也不断增加。我国从建国60年以来，随着城市人口率从10%发展至今天的50%，城市交通基础设施建设发生了翻天覆地的变化，尤其是作为首都的北京更是发生了日新月异的变化，北京城市交通基础设施建设进入了一个大规模的高速发展期，其中地下工程中的地铁在交通基础设施建设中处于了领先的地位，大量的地铁工程的建设有效缓解了大城市地面交通的拥堵状况。由于地下资源的日益紧张，越来越多的地下工程将在深埋条件下进行建设，或在特殊的地层中进行建设，势必将遇到诸多工程问题。如地下工程修建过程中不可避免会遇到松散自稳能力差地层，若遇地下水则易引起塌方事故，从而影响到地面、周边环境的安全。
[0003]注浆技术是一实践性极强的技术，主要解决软弱地层和地下水的处理，是地下工程的灵魂。该技术已经从地下工程领域延伸到建筑物纠偏下沉控制、塌方处理、地基加固、止水帷幕、防渗处理、路面整治、工程抢险等等方面，在各个领域中起到越来越主要的作用。
[0004]在埋深比较大地下工程，将会遇到承压水(甚至多层承压水)、渗透系数极大的卵漂石地层、富水(或具有承压性)的粉细砂地层，这些方面的注浆机理、注浆浆液的选择、注浆工艺等方面均没有很好的解决，另外在注浆效果的检测与评价及如何开挖等方面还存在很多问题。
[0005]注浆是一个复杂的系统工程，它的渗流过程和注浆效果是受注体、浆液和注浆工艺三方面共同作用的结果。目前，注浆渗流理论的研究不能完全反映受注地层的物理特征，大多数研究都是建立在单一牛顿流体稳定渗流的基础上的，难以真实地反映地层注浆过程；另外由于注浆工程的隐蔽性和地下工程围岩结构的复杂性，给注浆参数设计和注浆效果检验带来极大困难。实验室注浆模拟试验是确定注浆工程中注浆参数以及各因素对注浆效果影响规律的有效途径和方法之一。因此，模拟注浆实验是研究岩土体注浆的必不可少的重要手段。
[0006]国内外在注浆领域的研究队伍逐渐扩大，日本研究机构有东京大学、京都大学等；美国从事注浆的研究机构有西北大学、斯坦福大学等；德国从事注浆的研究机构有柏林大学、慕尼黑大学等；另外俄罗斯、英国也有类似的研究机构。国外在注浆技术方面极为先进，但由于成本太高，很难在国内推广应用。
[0007]国内从事注浆方面的研究机构主要集中在水利部门、煤炭部门，清华大学、中国矿业大学、东北大学、中南工业大学也开展了这方面研究工作建立了实验室。如中国水利水电科学院研制开发了平板型注浆实验台，建立了非牛顿流体在水平光滑裂隙面内的扩散方程，得出了扩散半径和注浆压力、浆液粘度及注浆时间之间的关系；在中国矿业大学进行了岩体单裂隙和裂隙网络模拟注浆试验。设计的注浆试验台主要包括有压力机、稳压器、氮气瓶(稳压源)、注浆器、千斤顶以及注浆模拟实验盒。实验盒尺寸为SOcmX40cmX40cm，用玻璃板模拟上下裂隙面的面板；东北大学研制了槽形反扁圆柱状试验台，并用它研究了多孔介质体中注浆渗流过程的压力分布及其随扩散距离而衰减的规律。中南大学进行了砂卵石地层中的注浆模拟试验，试验装置是结合实际情况自行研制的，由五部分组成:钢结构架、可移动板和有机玻璃板、振动台、注浆设备和量测系统。试验模型主要由砂、卵砾石经过不同的配比组合而成，经试验台振动密实，模拟砂卵(砾)石层。淮南矿业学院实验室模具由四块钢板组成，上下钢板厚度为35mm，两侧钢板厚度为40mm,为了增加模具的刚度，在上下钢板上焊接加强槽钢，该模具内尺寸为520mmX400mmX80mm，外观尺寸为600mmX400mmX234mm。注楽器由缸体和活塞组成，装楽量为llOOmL，液压千斤顶的额定承载能力为80kN，注楽花管总长为200mm，注楽段为70mm，内径15mm，外径211mm，射楽孔孔径为8mm，液压稳压器提供模型致裂载荷和注浆压力，固定框架是用于固定模型加载、注浆的
目.ο
[0008]然而，现有的注浆模拟装置尺寸较小，尺寸效应极为明显；无法模拟开挖过程；无法模拟深埋地下环境；无法模拟动水及渗流环境。
【发明内容】
[0009](一 )要解决的技术问题
[0010]本发明要解决的技术问题是提供一种成本较低且可模拟开挖过程、深埋地下环境、动水及渗流环境的地层注浆模拟系统。
[0011](二)技术方案
[0012]为了解决上述技术问题，本发明提供一种地层注浆模拟系统，容纳岩土的模型荷载箱，其侧壁上设置有可拆卸的壁板；从顶端对所述岩土加载以还原地下应力场环境的加载子系统；可控制地向所述岩土注水和从所述岩土排水以模拟静水和动水环境的地下水模拟子系统；向所述岩土中注浆的注浆子系统；量测岩土的应力、应变和位移的数据采集子系统；以及量测所述模型荷载箱的变形、加压压力、注浆压力并具有报警功能的报警子系统。
[0013]根据本发明，模型荷载箱包括位于地面以上的上箱体和位于地面以下的下箱体；上箱体的侧壁由多个独立的块状物可拆卸地拼装而成，上箱体的顶部和底部敞开；下箱体为开设在地面上的凹腔，上箱体与凹腔连通。
[0014]根据本发明，在相邻的两个块状物之间设有密封结构。
[0015]根据本发明，凹腔的深度大于lm，填埋岩土材料，以消除底边界效应；可拆卸的壁板包含在上箱体的一个侧壁中，在上箱体的另外两个相对的侧壁上设有进水孔和排水孔；地下水模拟子系统包括用于向岩土中注水的进水子系统和用于从岩土中排水的排水子系统，其中，进水子系统和排水子系统分别与进水孔和排水孔连通，以向岩土注水和从岩土排水；或地下水模拟子系统包括用于向岩土中注水的进水子系统、用于从岩土中排水的排水子系统、以及将排水子系统和进水子系统连通以使从排水子系统排出的水循环进入进水子系统的循环装置，其中，进水子系统和排水子系统分别与进水孔和排水孔连通，以向岩土注水和从岩土排水。
[0016]根据本发明，进水子系统包括进水水箱、进水总管、第一排水总管、增压栗、第一流量计、第一阀门、第一压力表以及多个注水支管；其中，进水总管连通在增压栗和进水水箱之间，以用于向进水水箱中注水；第一排水总管的一端与进水水箱连通，以用于排出进水水箱中的水；多个注水支管的进水口与进水水箱连通且注水支管穿过上箱体的侧壁上的进水孔使其出水口突出于该侧壁的内表面，以用于将进水水箱中的水分配注入到模型荷载箱中，在注水支管上设有流量开关；第一压力表安装于进水总管上，第一流量计和第一阀门安装于第一排水总管上。
[0017]根据本发明，出水子系统包括排水水箱、第二排水总管、第二压力表、第二流量计、抽水栗、第二阀门、释放管以及多个出水支管；其中，多个出水支管穿过上箱体的侧壁上的出水孔使其进水口突出于该侧壁的内表面且出水口与排水水箱连通，以将岩层中的水排入排水水箱中，出水支管上设有流量开关和防止排水中带走细颗粒砂土的滤网；第二排水总管的一端与排水水箱连通且另一端与抽水栗，以将排水水箱中的水排出；释放管与第二排水总管连通，第二流量计安装在第二排水总管上，第二压力表和第二阀门安装在释放管上。
[0018]根据本发明，加载子系统包括η形加载框架、连接在η形加载框架的横梁下方的多个千斤顶、连接在多个千斤顶下方的加载顶板以及控制多个千斤顶带动加载顶板在模型荷载箱顶部上下运动的液压控制模块。
[0019]根据本发明，可拆卸的壁板上设置有注浆孔，注浆孔中设有可拔除的注浆孔塞，注浆子系统包括注浆设备以及在拔除注浆孔塞后穿过注浆孔插入岩土中的注浆管，注浆管与注浆设备连通。
[0020]根据本发明，数据采集子系统包括埋设在岩土中的数据采集传感器和信息处理模块。
[0021]根据本发明，报警子系统包括报警传感器，其设置于模型荷载箱的四角和中部。
[0022](三)有益效果
[0023]本发明的上述技术方案具有如下优点:
[0024]本发明的地层注浆模拟系统能模拟深埋、浅埋地下环境，能模拟动水及渗流环境，而且能实现各种开挖，模拟地下工程施工过程，并能进行1:1的足尺试验，且具有完善的安全预警、数据采集系统。通过少量改造，可用于施工新技术、新方法的研发，并能进行地下工程基础理论方面的研究。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的地层注浆模拟系统的一个实施例的构成示意图；
[0026]图2是图1中地层注浆模拟系统的模型荷载箱的上箱体的立体结构示意图；
[0027]图3是图2的1-1剖视图；
[0028]图4是图2的2-2剖视图；
[0029]图5是图2的3-3剖视图；
[0030]图6是图1中地层注浆模拟系统的加载子系统的结构示意图；