注浆扩散试验装置及其试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种注浆扩散试验装置，包括柱形渗透装置和监测系统，所述柱形渗透装置包括柱形钢管和安装于柱形钢管两端的进口舱室和出口舱室，进口舱室、出口舱室与柱形钢管之间均设置有多孔板和滤网，进口舱室和出口舱室上分别设置有与舱室内部连通的进浆口和出浆口；出口舱室顶部设有伸入其中的全螺纹压密螺杆；所述柱形钢管内壁磨砂且均匀涂抹黄油，柱形钢管由若干节单体钢管使用钢环焊接式快速卡箍接头相互嵌套组成；每节单体钢管由纵向对称的两半圆体相互扣接组成。同时本发明还公开了该装置的试验方法。本发明操作简单、尺寸可调、高承压性、强密封性、消除边壁效应及可实时监测注浆关键参数。
【专利说明】注浆扩散试验装置及其试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种注浆扩散试验装置及其试验方法。
【背景技术】
[0002]注浆法因其操作简便、对岩土体扰动小的特点，广泛应用于各类不良地质体灾害治理方面，相关领域涉及水利水电工程、交通工程及矿山井下工程。注浆法的开发离不开大量的模型试验，国内外学者研制了一系列试验装置，一定程度上推动了注浆理论的发展，对工程实践提供了指导。然而浆液在受注介质中的扩散具有隐蔽性，目前的技术尚难以跟踪观察浆液的扩散状态，此外浆液的扩散受到注浆工艺、受注岩土特征及浆液特性的多因素影响，导致了注浆理论滞后于工程应用，难以对注浆工程进行科学的指导。
[0003](I) 《INTERNAT1NAL JOURNAL FOR NUMERICAL AND ANALYTICAL METHODS INGEOMECHANICS)) 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的注浆管，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。该试验装置可监测不同扩散距离处的压力变化和位移变化，但该装置圆柱面和上下面均为光滑面，未消除装置的边壁效应。
[0004](2)《岩土工程学报》2006年第12期介绍了同济大学一种砂卵(砾)石层注浆试验装置。该装置主要由钢结构架、可移动板、有机玻璃板、振动台、注浆设备组成，具有直观观测注浆效果的优点，但该装置未设置出浆口、注浆源为点源。
[0005](3)《煤矿安全》2012年第6期介绍了中国矿业大学一种渗透仪。试验装置由大容积稳压容器、测压管、渗流钢板及圆柱形铁管组成，模型设有两个接口，可进行渗透性测试和注浆试验，并能在出浆口监测浆液流量，但该装置无法调节模型尺寸、无法承受高压注浆。
[0006](4)《煤炭科学研究总院》2007年介绍了一种围压型注浆试验装置。试验装置由高压氮气容器、储液容器、试样容器、油泵等组成，但该装置无法监测内部压力变化和位移变化、装置规模小。
[0007]综合分析上述单位的试验装置，还存在以下不足之处:
[0008]1.试验装置结构简单，重复利用率低。
[0009]2.装置承压性较小，密封性较差。
[0010]3.监测元件可能移位，取芯较为繁琐。
[0011]4.通常忽略装置的边壁效应。
【发明内容】
[0012]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种注浆扩散试验装置及其试验方法，其操作简单、尺寸可调、高承压性、强密封性、消除边壁效应及可实时监测注浆关键参数。
[0013]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0014]一种注浆扩散试验装置，包括柱形渗透装置和监测系统，所述柱形渗透装置包括柱形钢管和安装于柱形钢管两端的进口舱室和出口舱室，进口舱室、出口舱室与柱形钢管之间均设置有多孔板和滤网，进口舱室和出口舱室上分别设置有与舱室内部连通的进浆口和出浆口 ；出口舱室顶部设有伸入其中的全螺纹压密螺杆；
[0015]所述柱形钢管内壁磨砂且均匀涂抹黄油，柱形钢管由若干节单体钢管使用钢环焊接式快速卡箍接头相互嵌套组成；每节单体钢管由纵向对称的两半圆体相互扣接组成；
[0016]所述监测系统包括光纤渗压传感器、光纤土压传感器、超声波流量表、静态电阻应变仪和计算机控制平台；光纤渗压传感器和光纤土压传感器安置于传感器固定支架，传感器固定支架设置于柱形钢管内腔中，各传感器的导线经过电缆密封接头连接到静态电阻应变仪，静态电阻应变仪再与计算机控制平台相连；超声波流量表安装在出浆口处。
[0017]所述进口舱室设置于平衡底盘上。
[0018]所述多孔板圆孔直径Φ = 4mm。
[0019]所述每节单体钢管的上、下端均为能够相互嵌套的凹槽和凸台。
[0020]所述全螺纹压密螺杆外套下盘根盒。
[0021]注浆扩散试验装置的试验方法，包括以下步骤:
[0022]A.柱形渗透装置的组装:首先连接平衡底盘和进口舱室，将多孔板和滤网放置于进口舱室；其次将柱形钢管左右两片相互扣合，使用钢环焊接式快速卡箍接头将其与进口舱室相互嵌套连接，随后填入受注介质，边压密受注介质边埋设光纤渗压传感器和光纤土压传感器，以同样的步骤连接其他的柱形钢管；达到设计长度时，使用钢环焊接式快速卡箍接头将柱形钢管与出口舱室相连，出口舱室同样放置滤网和多孔板，并将全螺纹压密螺杆旋转到最底部;
[0023]B.监测系统连接:光纤渗压传感器和光纤土压传感器的导线经过电缆密封接头连接到静态电阻应变仪相应的接口处，然后将静态电阻应变仪与计算机控制平台相连；超声波流量表安装在柱形渗透装置出浆口处；
[0024]C.压水试验:检测试验装置的密封性、检测光纤渗压传感器和光纤土压传感器的准确性、测定受注介质的地层参数；
[0025]D.采集数据:注浆过程中计算机控制平台记录光纤渗压传感器和光纤土压传感器的参数，人工记录超声波流量表参数；
[0026]E.注浆结束后，拆分柱形钢管，取芯后进行无侧限抗压强度试验或抗渗性试验。
[0027]本发明中的柱形钢管为外径108mm、高200mm或400mm、壁厚5mm。单体钢管分为两片扣接式，左片边缘呈凸台、右边片缘呈凹槽。
[0028]柱形钢管可承受的最大压强为:P =(抗拉强度*壁厚)/(内径*安全系数)=(410*5)/(98*4) = 5.23 (MPa)。
[0029]本发明中的钢环焊接式快速卡箍接头为现有的产品，在市场中能够购买到，在此不再赘述。
[0030]本发明的柱形渗透装置，各柱形钢管之间相互嵌套，保证装置的直立性；柱形钢管分为两片式，相互扣接，方便拆离取芯；柱形钢管强度高、刚度大，不会发生形变，能承受高压注浆；钢管内部磨砂处理并涂抹黄油，消除装置的边壁效应；所使用的钢环焊接式快速卡箍接头兼备连接和密封的作用；出口舱室的全螺纹压实螺杆保证受注介质处于密实状态。
[0031]本发明的监测系统，可以监测注浆过程中的渗压、土压及浆液流量变化，且各传感器不会因浆液流动而移位。
[0032]本发明操作简单、组装灵活、可按照实际情况调整柱形渗透装置长度、准确监测浆液在受注介质中的注浆关键参数。本发明研究了模型试验中注浆扩散装置及浆液渗透参数监测方法，解决了试验装置低承压弱密封、取芯繁琐复杂及监测数据失准等问题。与前人研究相比，与工程实践更接近，所得出的注浆扩散试验研究成果适用范围更广。
[0033]本发明与国内外同类装置相比，本发明的有益效果是:
[0034]1.操作简便，组装灵活，重复利用率高，可做一系列对比试验；
[0035]2.柱形钢管内壁磨砂且均匀涂抹黄油，消除了装置的边壁效应；
[0036]3.单个柱形钢管相互扣接，不同柱形钢管之间相互嵌套并使用钢环焊接式快速卡箍接头，具有良好的密封性和直立性，能够保证试验顺利进行；
[0037]4.柱形钢管可承受5.23MPa的压强，满足高压注浆的要求；
[0038]5.采用实时监测元件，能够清楚地反映浆液在受注介质中的扩散情况；
[0039]6.能够获得完整的注浆加固体样芯，试验装置也可直接进行抗渗性试验。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1是本发明结构示意图；
[0041]图2a是本发明柱形钢管侧视图；
[0042]图2b是本发明柱形钢管俯视图；
[0043]图3为本发明传感器固定支架示意图。
[0044]其中1.平衡底盘；2.进口舱室；3.进浆口 ；4.多孔板；5.滤网；6.钢环焊接式快速卡箍接头；7.光纤渗压传感器；8.传感器固定支架；9.柱形钢管；10.光纤土压传感器；
11.电缆密封接头；12.出口舱室；13.出浆口 ；14.全螺纹压密螺杆；15.下盘根盒；16.超声波流量表；17.静态电阻应变仪；18.计算机控制平台。
【具体实施方式】
[0045]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0046]图1中，一种新型注浆扩散试验装置，包括柱形渗透装置和监测系统。
[0047]柱形渗透装置由平衡底盘1、进口舱室2、钢环焊接式快速卡箍接头6、柱形钢管9、出口舱室12连接组成。进口舱室2设有多孔板4和滤网5，多孔板圆孔直径Φ = 4_ ;柱形钢管9为外径108mm、高200mm或400mm、壁厚5mm,柱形钢管内壁磨砂,上边缘呈凹槽、下边缘呈凸台，柱形钢管分为两片扣接式，左片边缘呈凸台、右边片缘呈凹槽；出口舱室12设有多孔板4、滤网5及全螺纹压密螺杆14，其中全螺纹压密螺杆14外套下盘根盒15 ;各部分采用钢环焊接式快速卡箍接头6进行连接。进口舱室2和出口舱室12上分别设置有与舱室内部连通的进浆口 3和出浆口 13。
[0048]监测系统包括光纤渗压传感器7、光纤土压传感器10、超声波流量表16、静态电阻应变仪17、计算机控制平台18。光纤渗压传感器7和光纤土压传感器10安置于传感器固定支架8中，各传感器导线经过电缆密封接头11连接到静态电阻应变仪17，静态电阻应变仪17再与计算机控制平台18相连；超声波流量表16安装在柱形渗透装置出浆口 13处。
[0049]注浆扩散试验装置的试验方法，包括以下步骤:
[0050]A.柱形渗透装置的组装:首先连接平衡底盘I和进口舱室2，将多孔板4和滤网5放置于进口舱室2 ;其次将柱形钢管9左右两片相互扣合，使用钢环焊接式快速卡箍接头6将其与进口舱室2相互嵌套连接，随后填入受注介质，边压密受注介质边埋设光纤渗压传感器7和光纤土压传感器10，以同样的步骤连接其他的柱形钢管；达到设计长度时，使用钢环焊接式快速卡箍接头6将柱形钢管9与出口舱室12相连，出口舱室同样放置滤网5和多孔板4，并将全螺纹压密螺杆14旋转到最底部。
[0051]B.监测系统连接:光纤渗压传感器7和光纤土压传感器10的导线经过电缆密封接头11连接到静态电阻应变仪17相应的接口处，然后将静态电阻应变仪17与计算机控制平台18相连；超声波流量表16安装在柱形渗透装置出浆口 13处。
[0052]C.压水试验:检测试验装置的密封性、检测光纤渗压传感器7和光纤土压传感器10的准确性、测定受注介质的地层参数。
[0053]D.采集数据:注浆过程中计算机控制平台18记录光纤渗压传感器7和光纤土压传感器10的参数，人工记录超声波流量表16参数。
[0054]E.注浆结束后，拆分柱形钢管9，取芯后进行无侧限抗压强度试验或抗渗性试验。
[0055]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种注浆扩散试验装置，其特征是，包括柱形渗透装置和监测系统，所述柱形渗透装置包括柱形钢管和安装于柱形钢管两端的进口舱室和出口舱室，进口舱室、出口舱室与柱形钢管之间均设置有多孔板和滤网，进口舱室和出口舱室上分别设置有与舱室内部连通的进浆口和出浆口 ；出口舱室顶部设有伸入其中的全螺纹压密螺杆； 所述柱形钢管内壁磨砂且均匀涂抹黄油，柱形钢管由若干节单体钢管使用钢环焊接式快速卡箍接头相互嵌套组成；每节单体钢管由纵向对称的两半圆体相互扣接组成； 所述监测系统包括光纤渗压传感器、光纤土压传感器、超声波流量表、静态电阻应变仪和计算机控制平台；光纤渗压传感器和光纤土压传感器安置于传感器固定支架，传感器固定支架设置于柱形钢管内腔中，各传感器的导线经过电缆密封接头连接到静态电阻应变仪，静态电阻应变仪再与计算机控制平台相连；超声波流量表安装在出浆口处。
2.如权利要求1所述的注浆扩散试验装置，其特征是，所述进口舱室设置于平衡底盘上。
3.如权利要求1所述的注浆扩散试验装置，其特征是，所述多孔板圆孔直径Φ=4mm。
4.如权利要求1所述的注浆扩散试验装置，其特征是，所述每节单体钢管的上、下端均为能够相互嵌套的凹槽和凸台。
5.如权利要求1所述的注浆扩散试验装置，其特征是，所述全螺纹压密螺杆外套下盘根盒。
6.一种注浆扩散试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤: A.柱形渗透装置的组装:首先连接平衡底盘和进口舱室，将多孔板和滤网放置于进口舱室；其次将柱形钢管左右两片相互扣合，使用钢环焊接式快速卡箍接头将其与进口舱室相互嵌套连接，随后填入受注介质，边压密受注介质边埋设光纤渗压传感器和光纤土压传感器，以同样的步骤连接其他的柱形钢管；达到设计长度时，使用钢环焊接式快速卡箍接头将柱形钢管与出口舱室相连，出口舱室同样放置滤网和多孔板，并将全螺纹压密螺杆旋转到最底部; B.监测系统连接:光纤渗压传感器和光纤土压传感器的导线经过电缆密封接头连接到静态电阻应变仪相应的接口处，然后将静态电阻应变仪与计算机控制平台相连；超声波流量表安装在柱形渗透装置出浆口处； C.压水试验:检测试验装置的密封性、检测光纤渗压传感器和光纤土压传感器的准确性、测定受注介质的地层参数； D.采集数据:注浆过程中计算机控制平台记录光纤渗压传感器和光纤土压传感器的参数，人工记录超声波流量表参数； E.注浆结束后，拆分柱形钢管，取芯后进行无侧限抗压强度试验或抗渗性试验。
【文档编号】G01N15/08GK104374680SQ201410628098
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】冯啸, 刘人太, 李术才, 张乐文, 韩伟伟, 孙子正, 王洪波, 王健, 赵少龙 申请人:山东大学