一种三维注浆试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维注浆试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]我国基础建设迅猛发展，地下工程日益增多。同时，工程建设中面临的地质条件更加复杂、各类灾害越发频繁。为防治工程建设中的各类地质灾害，通常采用比较成熟的注浆法对岩土介质进行治理，以达到加固岩土体结构、封堵水力通道、避免产生次生灾害等目的。
[0003]目前，国内外学者研制了一系列的试验装置，一定程度上推动了岩土介质注浆理论的发展，对工程实践提供了指导。
[0004]((INTERNAT1NAL JOURNAL FOR NUMERICAL AND ANALYTICAL METHODS INGEOMECHANICS))(《国际岩土力学数值和解析方法杂志》)2001年第25期介绍了瑞士一种三维柱状模型。圆柱体Φ = 150cm、h = 120cm，上、下两面加盖，内部预设Φ = 40mm的注楽管，注浆管中轴线与圆柱体中轴线重合，于注浆管中心±20cm的范围内钻设40个Φ = 5mm的圆孔，可监测不同扩散距离处的压力变化和位移变化。
[0005]中国专利CN 103954432 A介绍了一种倾角可变的模拟裂隙注浆模型试验平台，包括模拟裂隙、稳压水箱和可升降支座；其中，模拟裂隙包括两块玻璃板，下侧玻璃板上设有注浆孔，两块玻璃板之间填充多孔介质；稳压水箱与模拟裂隙的上侧玻璃板铰接，可升降支座固定在模拟裂隙的下侧玻璃板的下端，可升降支座包括连接盘、升降杆和底座，连接盘固定在模拟裂隙的下侧玻璃板上，升降杆固定在连接盘下端，升降杆另一端固定在底座上。
[0006]中国专利CN 204041117 U介绍了一种注浆施工过程中多参数实时监测控制仪，其第一压力传感器放置在浆液桶的侧桶的保护筒里，将压力值转换成电信号，电信号通过软钢管内部的线路传输至显示装置；第二压力传感器通过注浆栗连接到浆液管上，将压力值转换成电信号，电信号通过数据线传输至显示装置。
[0007]上述文献公开的注浆试验装置代表了国内外比较先进的注浆试验装置的技术，综合分析上述试验装置，还存在以下不足之处:
[0008]1.三维柱状模型的圆柱面及上、下面均为光滑面，未消除装置的边壁效应。
[0009]2.装置的可调性较差，适用范围较窄，无法实现承压状态下注浆。
[0010]3.仅能模拟单一平板裂隙或蒙特卡洛型交叉裂隙，不能模拟岩土介质注浆过程。
[0011]4.仅采用压力传感器对注浆过程进行监控，且安装在浆液桶中的压力传感器并无实际的利用价值。
[0012]5.试验装置内对填充材料的隔绝不充分，不利于对地层情况的模拟。
[0013]中国专利CN104297457A公开了一种三维注浆模型试验装置及试验方法，其实现了在承压状态下注浆，解决了上述第2个问题，但对于上述其他问题，目前还没有好的解决方案。
【发明内容】
[0014]针对上述问题，本发明的目的在于提供一种三维注浆试验装置及试验方法，该试验装置消除了边壁效应，能够真实模拟承压状态下的岩土介质，实时监测注浆过程中浆液动态参数和岩土介质力学参数；该试验方法操作性强，注浆过程可持续开展，有利于研究承压状态下浆液的扩散规律及加固机理，为工程实践提供指导。
[0015]本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:一种三维注浆试验装置，包括模型舱架，模型舱架内设有用于容纳受注岩土介质的填充空间，所述的模型舱架上设有插入受注岩土介质内部的注浆管和出浆管，出浆管用于试验中浆液的排放以实现注浆的连续开展；填充空间的内壁上设置有一层无棱角的粒料，所述粒料将填充空间的内壁和受注岩土介质隔离，从而消除边壁效应；所述受注岩土介质的内部布置与监测平台相连接的传感器。
[0016]进一步的技术方案为:所述填充空间的一侧设置有加压板，加压板与加压装置相连接，加压板对所述受注岩土介质施加压力从而使其处于承压状态。设置加压板，可对模型舱架内的受注岩土介质施加不同的侧向应力，实现不同承压状态下的注浆。
[0017]进一步的技术方案为:所述的加压装置包括油栗和液压千斤顶，油栗与液压千斤顶之间连接有进油管和回油管；液压千斤顶的活塞杆驱动所述加压板移动，液压千斤顶在加压板上均匀分布多个从而使加压板平稳移动。通过油栗和液压千斤顶驱动加压板，结构简单、操作方便，设置多个液压千斤顶，能够防止将加压板顶偏。
[0018]进一步的技术方案为:所述的模型舱架是由顶板、底板和侧板组装而成的长方体，从而使所述填充空间也呈长方体状，以模拟三维状态下浆液的扩散规律，所述的侧板包括前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，模型舱架采用高强度螺栓组装而成。
[0019]进一步的技术方案为:所述的注浆管设置在顶板上，注浆管通过进浆管与注浆栗相连。注浆管设置在顶板上，便于在受注岩土介质填充完成后插入注浆管，为达到好的注浆效果，注浆管优选设置在顶板的中心处。
[0020]进一步的技术方案为:所述的出浆管在左侧板和右侧板上对称的分布有多条。在模型的两侧设置出浆管，以利于浆液的排放，实现注浆的连续开展，且注浆范围可达模型舱架的整个填充空间。
[0021]进一步的技术方案为:所述的监测平台包括变送器和数据分析设备，所述的传感器通过引线与变送器相连，变送器与数据分析设备相连。设置传感器可进行全过程注浆监测，传感器监测的信号通过变送器转换为可识别信号并传输到数据分析设备，数据分析设备记录并分析数据，为工程实践提供指导。
[0022]进一步的技术方案为:所述的传感器包括土压传感器和渗压传感器，土压传感器和渗压传感器均采用光纤式传感器。采用土压传感器监测岩土介质的力学参数，采用渗压传感器监测浆液的动态参数，采用光纤式传感器，检测性能更高、更可靠，且安装更为简便。
[0023]进一步的技术方案为:所述的粒料为砾石或者卵石，受注岩土介质的内部也布置有砾石或者卵石，可采用工程现场原状砾石或卵石按现场实际分布情况进行填充，也可采用天然砾石或卵石，以空隙率为控制指标进行分层填充。采用砾石或者卵石，成本低而且抗压性好、耐磨耐腐蚀性好，非常适合应用在注浆模型上。
[0024]本发明解决其技术问题的技术方案还包括:一种三维注浆试验方法，包括以下步骤:
[0025]步骤1):在模型舱架内填充受注岩土介质，在填充受注岩土介质的过程中同步布置传感器，以注浆孔为圆心，选定某条直径，每隔10cm对称间隔布置土压传感器和渗压传感器，然后将受注岩土介质压实。
[0026]步骤2):将模型舱架封闭，将注浆管插入受注岩土介质内。
[0027]步骤3):通过加压板对受注岩土介质进行加压，达到设计压力后，停止加压并保持压力不变。
[0028]步骤4):进行压水试验，检查模型舱架的密封性及监测试验装置运行状态。试验装置运行状态通过检查土压传感器和渗压传感器的成活性来进行监测。
[0029]步骤5):通过注浆管向受注岩土介质内注浆，进行注浆试验，监测浆液的动态参数和受注岩土介质的力学参数。
[0030]楽液的动态参数包括流量、流速和密度等；受注岩土介质的力学参数包括固结体强度和密度等。
[0031]注浆过程中，多余的浆液可通过出浆管流出，避免了浆液充满模型舱后造成压力急剧上升而注浆停止，保证了注浆的连续性；当研究补偿注浆时，初次注浆中多余的浆液可通过出浆管流出，待初次注浆结束后可直接开始二次注浆，以实现连续注浆。
[0032]步骤6):钻孔取芯，检查注浆效果。通过测定岩芯的取芯率、单轴抗压强度及岩芯的渗透系数等来检查注浆效果。
[0033]本发明的有益效果是:
[0034]1、设置加压板，可对模型舱架内的受注岩土介质施加不同的侧向应力，实现不同承压状态下的注浆，同时，通过油栗和液压千斤顶驱动加压板，结构简单、操作方便，设置多个液压千斤顶，能够防止将加压板顶偏；
[0035]2、模型舱架的内壁与受注岩土介质间采用无棱角的粒料(如砾石或者卵石)隔离，消除了边壁效应，避免了边壁效应影响传质效果；
[0036]3、模型舱架的两侧设置有出浆管，以利于浆液的排放，实现注浆的连续开展，且注浆范围可达整个模型区域；
[0037]4、试验装置的密封效果好，对填充的受注岩土介质的隔绝充分，长方体状的模型便于研究三维状态下浆液的扩散规律，利于对地层情况的模拟，模型舱架内的填充空间可填充岩石、砂土或碎石土，可模拟多种受注介质，应用范围广；
[0038]5、采用土压传感器监测岩土介质的力学参数，采用渗压传感器监测浆液的动态参数，可以进行全过程注浆监测；
[0039]6、本发明的试验方法操作性强，将受注岩土介质压实，能够真实模拟承压状态下的岩土介质，注浆过程可持续开展，有利于研究承压状态下浆液的扩散规律及加固机理，为工程实践提供指导。
【附图说明】
[0040]图1为本发明实施例的俯视图(省略注浆栗及进浆管);
[0041]图2为本发明实施例的主视图(省略油栗、进油管和回油管);
[0042]图3为本发明实施例的左视图(省略注浆栗、进浆管、油栗、进油管和回油管)。
[0043]图中:1出浆管，2侧板，3加压板，4注浆管，5液压千斤顶，6油栗，7进油管，8回油管，9注浆栗，10进浆管，11 土压传