注浆改造岩土体渗透性能智能测量试验装置及试验方法与流程

本发明涉及一种岩土试验技术，尤其是一种注浆改造岩土体渗透性能智能测量试验装置及试验方法。

背景技术：

渗透性是岩土体重要的水力学参数，很大程度上决定了岩土体的强度、变形等性质，对工程设计至关重要，并且影响工程建设的稳定性。当工程建设遇到渗透性较好的岩土层，若施工不当极易引发突水突泥灾害，造成惨重的人员财产损失。

注浆技术常用来减弱岩土体的渗透性、提高岩土体强度，以达到堵水、增强岩土体稳定性的目的。为评价注浆效果，可通过取样，加工规则试样，利用室内力学试验仪器开展力学试验进行强度测试。而渗透性测试需比较注浆前被注介质和注浆加固体的渗透性，即比较注浆前后被注介质渗透系数的变化。

如何准确、快速的测量注浆加固体的渗透系数是评价注浆效果的一个难题，目前注浆加固体渗透性测试存在较大的困难：

一是加固体样品和试验仪器之间存在不规则的环形空隙，试验过程中水及其他流体将在环形空隙中产生优势渗流，导致试验结果偏大，存在较大的误差；

二是弱胶结岩体注浆加固体具有低强度(查文献得知，部分加固体单轴抗压强度不足1.0mpa)和低渗透性的特点，若通过外部增加橡皮套等方式紧固试样，容易造成试样破坏，导致试验失败；

三是常规的土力学试验方法，常水头或变水头测试时，试验周期长，效率较低，耗费人力。

亟待研究一种针对测量渗透系数极小注浆加固体的智能试验装置及试验方法。

中国专利申请cn109060631a公开了一种变水头渗透系数的测量系统和测量方法，该系统包括储液系统、试验系统、控制系统和数据处理系统，通过这四个系统的配合实现自动化测量渗透系数并极大的缩短了试验周期。而在渗透系数测量过程中，试样外侧与试验筒之间的渗流通道极大的影响了结果的准确性，该专利采取凡士林密封此通道，密封效果欠缺。

中国专利申请cn105866337a公开了一种高压下泥水盾构开挖面泥浆成膜及泥膜气密性测试装置及方法，装置包括气压源、放置于恒温箱内的泥浆渗透室、反压装置与集水装置；泥浆渗透室是钢制模型筒结构。此专利的主要目的是研制一种注浆试验装置，模拟泥浆在地层中渗透扩散形成泥膜过程，然后通过充入压力气体检测泥膜的密闭性及耐压能力，不能对注浆试验获得的常规的加固体试样进行渗透性测试，评价注浆加固效果。

中国专利cn101893617b公开了一种测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，包括压力腔、模拟隧道、加压设备和量测设备，主要用于注浆圈水压折减规律的测试，其中注浆圈采用人工配置的均匀的相似材料替代，难以反映真实注浆条件下加固体状态，仅能反映注浆圈厚度改变引起的阻水性能变化。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种注浆改造岩土体渗透性能智能测量试验装置及试验方法，该装置简便易操作，占用空间小，试验方法清晰，试验结果准确，通过此试验装置可准确测量弱胶结岩土体注浆加固体的渗透系数。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种注浆改造岩土体渗透性能智能测量试验装置，包括试验筒，所述试验筒包括上下开口的筒体，所述筒体由三个相同的瓣膜连接组成，筒体上下部分别设置有顶盖和底盖，所述顶盖中部设置有与外部进水装置相连通的开口，底盖为圆环形，底盖的中心圆口下部对应设置有漏斗，顶盖、底盖和漏斗的上边缘上对应设置有多个螺栓孔，密封螺栓穿过前述螺栓孔将顶盖、底盖、筒体和漏斗固定连接在一起；

所述漏斗的出口连接出水管道，出水管道上连接有金属管浮子流量计，出水管道出口对应设置有烧杯；

所述外部进水装置上设置有压力控制器，压力控制器和金属管浮子流量计均通过无线模块与控制装置相连。

所述试验筒顶盖中间薄，周边厚，成倒转“凹”字形，与筒体上端接触处设置有一密封环，保证密封性。

所述顶盖边缘对称设置有两个向下折弯固定耳，筒体的顶部设有两个与固定耳相对应向筒体内部凹进去的耳槽，固定耳和耳槽配合，方便顶盖与筒体对正安装，起到定位及限位作用。

所述顶盖的开口为圆孔，圆孔中设置有中空螺钉。

所述外部进水装置包括供水箱，供水箱内有水，供水箱上设有与其内部连通的进气口和出水口，出水口通过上水管与顶盖的中空螺钉连接，实现供水箱与试验筒的连通，上水管上设置有第二压力控制器；进气口通过气压管道与氮气瓶连通，由氮气瓶提供供水箱的上水压力，气压管道上连接有第一压力控制器。

所述上水管一端伸入到供水箱内底部。

所述试验筒设置于圆台形支架上，圆台形支架由不锈钢焊制而成。

所述控制装置为计算机。

所述试验筒和漏斗均由有机玻璃制成。

所述试验筒顶盖由透明塑料制成。

一种利用注浆改造岩土体渗透性能智能测量试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1)加工注浆加固体：若是按照土工试验标准制成的试件：直径为48-52mm，高度为98-100mm，则不需要加工；若是从其他注浆试验加固体中取出的部分试样则需加工成上述标准；

步骤2)试验装置初步组装：先将底盖与漏斗连接，将四个密封螺杆穿过螺栓孔，放置在圆台形支架上，将三瓣膜试验筒密封安装；出水管道上安装金属管浮子流量计，出水管道连接漏斗底部；氮气瓶与气压管道相连，中间接第一压力控制器，而后气压管道与供水箱上的进气口相连，供水箱出水口连接上水管，上水管上接有第二压力控制器，上水管再连接顶盖中心的开口，至此，试验装置初步组装完成；

步骤3)放置试样注入复合水泥浆液：将加工好的加固体试样放置在底盖上，人为固定加固体试样；至此，试验筒与加固体试件形成环形空间，在此环形空间中注入抗渗性高，凝胶时间短的复合水泥浆液，保证浆液在短时间内凝胶成抗渗性好的阻隔层；复合水泥浆液中包括水、普通水泥和添加剂，三者质量比为0.6:1:0.005，添加剂为质量比例为0.05:0.05:1的三乙醇胺、二乙醇胺和氯化钠；

步骤4)密封装置：静置，复合水泥浆液未凝固之前盖上顶盖，将漏斗、顶盖上的密封螺母拧紧，形成密封环境；至此，试验装置全部组装且密封完毕；

步骤5)开展渗透系数测量试验：供水箱内加满水，待水泥终凝后，通过控制装置控制第一压力控制器使氮气瓶提供压力，供水箱的水通过上水管进入试验筒，通过第二压力控制器在控制装置上明确上水压力；试验正式开始前需要完全排除加固体中的空气：首先在一定压力下通水，自至流量稳定后排气过程完成；当水流通过加固体试样从漏斗中流出，金属管浮子流量计测得此时间段内的累计水量，并无线传送至控制装置，流出的水最终排入烧杯中；排气结束后，利用控制装置跟踪由金属管浮子流量计测量的流量大小；记录一段时间内流量计累计读数；然后关闭第一压力控制器停止注水，随后关闭第二压力控制器；

步骤6)成果计算：上水压力p0由第二压力控制器测得、注水时间t(水流稳定后1min)、累计水量w由金属管浮子流量计测得、试样直径d和试样高度l由游标卡尺测得，可计算出试样截面积a；达西定律中水流速度v与水力坡度i的关系为v＝ki，故渗透系数

因为

又因为

可推得

式中，h表示水压力转换成的水柱高度，计算式取g＝10m/s²，水的密度取1000kg/m³，则有公式h＝100p0；

然后直接利用控制装置计算渗透系数k；

步骤7)加固体-复合水泥混合体脱模：试验结束后，拧开密封螺杆上下的螺母，撬下顶盖、底盖；拧开三瓣膜螺丝，撬开三瓣膜，注浆加固体-复合水泥混合体脱模完成。

步骤8)成果分析：对比注浆前后被注介质渗透系数的变化，评价注浆效果。

本发明的有益效果是：

1、本发明可准确测得加固体渗透系数，可适应极端环境，开展室内、室外试验工作。

2、本发明设计的加固体渗透系数智能试验装置采用高强螺栓、多重密封方式，装置密封性好，可靠性高。且试验筒采用三瓣膜式，脱模方便并使实验器材使用寿命更为长久，循环利用率大大提高。

3、本发明设计由计算机远程控制，减少人力物力，提高数据准确性，极大地提高数据处理的速度。

4、本发明排除了原有渗透系数测量的种种弊端，利用凝胶时间短、抗渗性高的复合水泥进行外围密封，防止水流沿加固体外围空隙流出，实现了更为全面的加固体渗透系数测量工作，为注浆加固理论的研究提供了有力支撑。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明顶盖俯视图；

图3是本发明顶盖侧视图；

图4是本发明底盖俯视图；

图5是本发明三瓣膜试验筒示意图；

图6是本发明漏斗示意图；

图7是本发明供水箱示意图；

图8是本发明渗透系数智能测量试验方法示意图；

其中，1-1：顶盖，1-2：注水孔，1-3：注水孔紧固螺母，1-4：第一控位孔，1-5：控位孔紧固螺母，1-6：环形密封圈，1-7：固定耳，2-1：三瓣膜式试验筒，2-2：三瓣膜开口延伸部，2-3三瓣膜紧固螺母，2-4：密封螺杆；2-5：耳槽；3-1底盖，3-2：第二控位孔，4-1：漏斗，4-2：第三控位孔，4-3：漏斗环状延伸部，5-1：圆台形支架，6-1：上水管，6-2-1：第一压力控制器，6-2-2：第二压力控制器，6-3：供水箱，6-3-1：出水孔，6-3-2：进气孔，6-4：气压管，6-5：氮气瓶，6-6：出水管，6-7：金属管浮子流量计，6-8：烧杯，7-1：计算机，8-1：注浆加固体试样，9-1：复合水泥浆液；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-7所示，注浆改造岩土体渗透性能智能测量试验装置包括试验发生装置、试验数据收集装置、试验数据处理装置。试验发生装置包括氮气瓶6-5、压力控制器、供水箱6-3、试验筒2-1、顶盖1-1、四个密封螺杆2-4及相应配套的八个紧固螺母、漏斗4-1、圆台状支架5-1、各类连接管。将氮气瓶6-5利用管道连接第一压力控制器6-2-1，再连接供水箱6-3，利用管道连接第二压力控制器6-2-2，最后连接试验筒顶盖1-1，密封螺杆2-4将试验筒2-1与顶盖1-1紧密连接。

试验数据收集装置由出水管6-6、金属管浮子流量计6-7、烧杯6-8构成。试验筒2-1底部漏斗4-1连接出水管6-6，出水管6-6上接有金属管浮子流量计6-7，流出的水排入烧杯6-8。金属管浮子流量计6-7是可精密测出单位时间水流量的仪器，通过rs485无线模块与计算机7-1远程连接，受计算机远程终端控制。烧杯6-8由gg-17高硼硅玻璃制成。

数据处理装置为计算机7-1，其能够远程控制压力控制器和金属管浮子流量计6-7，并最终求得试样的渗透系数。

如图1、图2所示，顶盖1-1由透明塑料加工成φ200(即直径200mm)圆盘，圆心处钻设φ10mm圆形注水孔1-2，固定注水孔紧固螺母1-3，连接φ25mm上水管6-1；顶盖1-1在φ170mm圆周上钻有4个间隔90°均匀分布的φ20mm第一控位孔1-4，使密封螺杆2-4穿过，与底盖的四个开口共线，用于穿过密封螺杆与试验筒底部相连，螺杆在顶盖外侧配有紧固螺母，用于紧固密封螺杆。顶盖1-1对称处有两个30*20*30mm(即长30mm，宽20mm，高30mm)固定耳1-7。

如图1、图3所示，顶盖1-1在φ100mm圆周有φ100*80*15mm(即外圆直径100mm，内圆直径80mm，高15mm)环形密封圈1-6，环形密封圈由透明塑料加工成。顶盖1-1φ200mm至φ160mm处加工成厚度为10mm，在φ160mm至圆心处加工成厚度为5mm。顶盖1-1的中间薄，边缘厚，成倒凹字形，内侧再加一个环形密封圈1-6，保证密封性，中部与加固体试件相连，可贮存水，保证过水断面面积为加固体试件截面面积。

如图1、图4所示，底盖3-1由有机玻璃加工成φ250*100*10mm(即外圆直径为250mm，内圆直径100mm，高10mm)圆环，在170mm圆周上钻有4个间隔90°均匀分布的φ20mm第二控位孔3-2，使密封螺杆2-4穿过，与顶盖的四个开口共线，用于穿过密封螺杆与试验筒底部相连，螺杆在顶盖外侧配有密封螺母，用于紧固密封螺杆。底盖下部连接漏斗。

如图1、图5所示，三瓣膜式试验筒2-1由有机玻璃制成，三个瓣膜各占120°，构成φ190*180*250mm(即外圆直径190mm，内圆直径180mm，高250mm)的试验筒2-1，各个三瓣膜形成两个20*5*250mm(即长20mm，宽5mm，高250mm)三瓣膜开口延伸部2-2。距顶部75mm、130mm处各钻有φ20mm固定孔，使三瓣膜紧固螺母2-3穿过，可拆卸，顶部、底部敞开，通过顶盖、底盖、密封螺杆进行连接、密封。试验筒2-1顶部开有30*20*30mm(即长30mm，宽20mm，高30mm)耳槽2-5，供固定耳1-7进行固定。

如图1、图6所示，漏斗4-1由有机玻璃制成，顶部向外延伸成φ250*150*10mm(即外圆直径为250mm，内圆直径100mm，高5mm)的环状延伸部4-3，在φ170mm圆周上钻有4个间隔90°均匀分布的φ20mm第三控位孔4-2，与底盖四个开口共线，用于穿过密封螺杆，螺杆在延伸部底侧配有密封螺母，用于紧固密封螺杆，使密封螺杆2-4穿过。下部锥形高145mm，底部留有20mm开口，加工长30mm接口。

如图1、图7所示，供水箱6-3由不锈钢加工成140*50*50mm(即长140mm，宽50mm，高50mm)长方体。供水箱6-3的上盖有φ20mm的出水孔6-3-1，连接φ23mm的中空螺钉，再连接φ25mm上水管；另开有距离出水孔20mm的φ15mm进气孔6-3-2，连接18mm的中空螺钉，再连接20mm气压管。供水箱6-3内存有大量水，顶盖开有两个圆形口，分别用来连接上水管道及气压管道，上水管伸入供水箱底部，气压管连接氮气瓶，提供上水压力。

如图1所示，密封螺杆2-4为φ16mm高强螺杆。漏斗4-1底端开口连接φ25出水管6-6，出水管6-6中间连接金属管浮子流量计6-7，流出的水排入烧杯6-8。

如图1所示，圆台形支架5-1由不锈钢焊接制成，用于固定支撑试验筒2-1，上部为φ250*10圆环，下部为φ300*10圆环，上下圆环利用长100mm的高强合金进行焊接。

如图1所示，进水管6-1中间接有第一压力控制器6-2-1，可人为规定上水压力值，也可读出上水压力值，用于计算水流速度，而后连接供水箱6-3。气压管6-4中间接有第二压力控制器6-2-2，而后连接氮气瓶6-5，提供合适并可控的气压。

如图1所示，第一压力控制器6-2-1、第二压力控制器6-2-2以及金属管浮子流量计6-7通过rs485模块与计算机7-1进行无线连接，受计算机远程终端控制。

如图1-图8所示，利用渗透系数测量智能试验装置进行注浆加固体渗透系数测量试验方法为：

步骤1)若是按照土工试验标准制成的试件：直径为48-52mm，高度为98-100mm，则不需要加工；若是从其他注浆试验加固体中取出的部分试样则需加工成上述标准；

步骤2)先将底盖3-1与漏斗4-1连接，将四个密封螺杆2-4穿过第三4-2和第二控位孔3-2，放置在圆台形支架5-1上，将三瓣膜试验筒2-1利用三瓣膜紧固螺母2-3进行密封。另金属管浮子流量计6-7与出水管6-6相连，出水管道6-6连接漏斗4-1底部。氮气瓶6-5与气压管6-4相连，中间接有第一压力控制器6-2-2，而后气压管6-4与供水箱6-3进气口6-3-2相连，供水箱6-3出水口6-3-1连接上水管6-1，接有第二压力控制器6-2-1，上水管6-1再连接顶盖1-1中心的进水孔1-2，至此，试验装置初步组装完成；

步骤3)将加工好的加固体试样8-1放置在底盖上，人为固定加固体试样。至此，试验筒与加固体试件形成环形空间，在此环形空间中注入复合水泥浆液9-1，包括水、普通水泥和添加剂，三者质量比为0.6：1：0.005，添加剂为质量比例为0.05:0.05:1的三乙醇胺、二乙醇胺和氯化钠；

步骤4)静置，复合水泥浆液9-1未凝固之前盖上顶盖1-1，将漏斗4-1、顶盖1-1上的密封螺母4-2和1-5拧紧，形成密封环境。至此，试验装置全部组装且密封完毕；

步骤5)供水箱6-3内加满水，待水泥9-1终凝后，通过计算机7-1远程控制第一压力控制器6-2-1使氮气瓶6-5提供压力，供水箱6-3的水通过上水管6-1进入试验筒2-1，通过第二压力控制器6-2-2可在计算机7-1上明确上水压力。试验正式开始前需要完全排除加固体中的空气：首先在一定压力下通水，自至流量稳定后排气过程完成。当水流通过加固体试样8-1从漏斗4-1中流出，金属管浮子流量计6-7可测得此时间段内的累计水量，并无线传送至计算机7-1终端，流出的水最终排入烧杯6-8中。排气结束后，利用计算机7-1跟踪由金属管浮子流量计6-7测量的流量大小。记录一段时间内流量计6-7累计读数。然后关闭第二压力控制器6-2-2停止注水，随后关闭第一压力控制器6-2-1；

步骤6)成果计算：上水压力p0由第二压力控制器6-2-2测得、注水时间t由人为规定1min、累计水量w由金属管浮子流量计6-7测得、试样直径d和试样高度l由游标卡尺测得，可计算出试样截面积a；达西定律中水流速度v与水力坡度i的关系为v＝ki，故渗透系数

因为

又因为

可推得

h表示水压力转换成的水柱高度，计算式取g＝10m/s²，水的密度取1000kg/m³，则有公式h＝100p0；

当得知上述参数时，可直接利用计算机计算渗透系数；

步骤7)加固体-复合水泥混合体脱模：试验结束后，拧开密封螺杆2-4上下的紧固螺母1-5，撬下顶盖1-1、底盖3-1；拧开三瓣膜螺丝2-3，撬开三瓣膜。注浆加固体-复合水泥混合体脱模完成；

步骤8)成果分析：对比注浆前后被注介质渗透系数的变化，评价注浆效果。

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。