一种壁后注浆浆液的活塞气压式固结试验装置及方法与流程

本发明涉及地下工程领域的试验装置及方法，特别是涉及一种壁后注浆浆液的活塞气压式固结试验装置及方法。

背景技术：

随着全国范围内大中城市地铁的兴建，盾构法逐渐成为主流的城市隧道施工方法。在盾构机的掘进过程中，由于管片与盾壳之间预留了一定的拼装空间，形成的空隙一般通过同步注浆进行填充，以防止过大的围岩应力释放和地基变形。日益增长的交通需求，迫使盾构隧道向着大埋深、大直径、长距离的方向发展。壁后注浆过程具有隐蔽性，浆液注入空隙后的固结状态不得而知，施工过程中对注浆参数的选取多依赖施工经验，缺乏理论依据。因此，注浆浆液种类、配比的选择逐渐成为了饱受关注的难题。

目前，对于壁后注浆浆液的固结过程中浆液的压缩量、孔隙水压力消散规律以及浆液的强度发展规律的测定主要依赖于室内试验，采用小型固结装置对固结过程中压缩量以及孔隙水压力进行监测，并取固结完成的浆液样品养护以获得强度发展规律。

公布号为CN106970181A的专利文件，提供了一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置及方法。但是，该专利的技术方案是以柔性橡皮膜作为气压加压面，装样后浆液的上表面不平整，通过U型管读出的固结沉降量为整个断面的平均沉降量，而浆液的表面不平，难以获取准确的浆液高度，因此无法准确得出浆液在固结过程中的体积应变量；该专利技术方案采用上、中、下三部分筒体设计，三部分筒体安装完成后才可采用连接柱进行紧固；因此在地层饱和时，易从下筒体底部发生漏水现象，影响地层饱和度；该专利的技术方案在装填浆液时，是先安装开口乳胶膜，再从乳胶膜的开口处向浆液固结排水室中装入浆液，最后再通过旋拧方式排气并系紧乳胶膜防止漏气，筒体直径小，操作困难繁琐，且极易产生气体残留；该装置筒体直径小，完成一组3天、7天、28天的浆液强度测试需要取6个环刀样品，至少需要进行3组重复的固结试验，试验量大且易产生误差。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种壁后注浆浆液的活塞气压式固结试验装置及方法，利用活塞加压进行排水固结，该试验装置及方法可以对盾构隧道、岩体加固、石油工程中使用的浆液的排水固结过程进行模拟试验。

技术方案：本发明提供了一种壁后注浆浆液的活塞气压式固结试验装置，包括压力供应装置、试验筒、反压装置、检测组件；所述压力供应装置用于提供气压；试验筒自下至上依次为用于装填试验地层的地层装填室、用于装填试验浆液的浆液固结排水室和活塞加压室，所述地层装填室和浆液固结排水室相连通，所述浆液固结排水室和活塞加压室之间通过活塞隔开，所述活塞加压室与所述压力供应装置相连，用于将压力供应装置提供的气压作用在活塞上并向所述试验浆液提供自上而下的正压力；反压装置与压力供应装置和地层装填室相连，用于将所述压力供应装置提供的气压转化为液压并向所述试验地层提供自下而上的反压力；检测组件用于检测注浆浆液的相关参数。

进一步地，所述试验筒包括内部形成地层装填室的下筒体、可拆卸地连接在下筒体上且内部形成浆液固结排水室和活塞加压室的上筒体。采取该结构，可以分别进行滤层、试验地层与试验浆液的装填，装填方便且装填量可控；筒体结构简单，试验操作方便快捷。

优选地，所述活塞的顶部设有贯穿活塞的排气孔和与排气孔适配的密封螺杆。活塞底部与浆液上表面之间的气体可通过排气孔排出，排气孔采用采用密封螺杆拧入来完成密封。

优选地，所述活塞设有密封配合的密封圈。密封圈的使用使得密封性能更好。

优选地，所述活塞的上端面设有把手。把手与活塞间通过螺杆连接，便于活塞的放入与取出。

优选地，所述下筒体和上筒体采用法兰连接。

优选地，所述把手与活塞螺纹连接。

本发明还提供了一种壁后注浆浆液在地层中的活塞气压式固结试验方法，包括如下步骤：步骤1、滤层置入：将大颗粒材料或土工布置入地层装填室内；

步骤2、试验地层置入：将试验所需地层装入地层装填室内，并击实饱和；

步骤3、试验浆液置入：向所述浆液固结排水室内注入试验浆液；

步骤4、活塞置入：从装置顶部置入活塞，压动活塞至活塞加压室中；

步骤5、浆液固结排水：由所述压力供应装置向所述活塞加压室顶部注入空气，通过活塞将压力传至试验浆液，提供正压力；由所述反压装置向所述地层装填室底部注入水，提供反压力；

步骤6、测定浆液压缩量：观察活塞底部浆液面高度变化，得出浆液的固结压缩量；

步骤7、测定浆液渗透系数与强度：固结完成后，利用环刀取浆液样进行渗透系数，养护后测定其强度。

优选地，所述步骤3中试验浆液为实际工程中使用的壁后注浆浆液。

优选地，所述步骤4中活塞的外壁与所述活塞加压室的内壁之间涂抹润滑脂进行润滑密封。润滑脂可以是硅脂。

发明原理：本发明中反压装置的设置，使得地层中的孔隙水具有初始压力，对应于实际施工中的地下水压力，可以更加真实的模拟浆液在地下的固结排水过程；活塞加压室中，压力供应装置提供的气压作用在活塞上，再由活塞将压力传至浆液的上表面，固结排水过程中，浆液受到的压力始终作用在一水平面上，使得浆液高度及压缩量的读取更为便捷准确；活塞四周设有密封圈，并在试验过程中涂抹润滑脂，活塞在上筒体中运动时始终与筒体贴合，保持气密性；活塞加压室与压力控制单元相连，可通过调压装置提供任意数值的气压压力大小以满足对于不同注浆过程的试验。

有益效果：与现有技术相比，

(1)本发明提供的壁后注浆浆液的活塞气压式固结试验装置，气压通过活塞作用在浆液上，浆液的上表面在固结过程中始终保持水平，浆液的高度可以精确测量，可以精确获得浆液在固结过程中的体积应变，克服了现有技术中仅可获得浆液的固结沉降量而难以获取精确体积应变的难题；

(2)采用气压来实现压力的加载，压力的大小可控且操作便捷；

(3)试验装置仅分为上下筒体，结构简单，可大大缩短试验准备所需时间；

(4)浆液装填完成后，将活塞推入上筒体至与浆液面接触即可完成排气、密封过程，操作简单，克服了现有技术中通过系紧橡皮膜完成密封排气的操作难点；

(5)上下筒体分别配有紧固螺杆，完成地层装填后即可进行紧固，保证了地层饱和时筒体的密封性，克服了现有技术中地层饱和时下筒体渗水的问题；

(6)筒体直径大，一次固结试验可以取6个环刀样品，进行3、7、28天养护后的强度测试，而现有技术中筒体直径小，需要进行3次重复试验才能取出6个环刀样品，试验量大且易产生误差。

附图说明

图1是试验装置的结构示意图；

图2是活塞的主视图；

图3是活塞的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括试验筒、反压装置、压力供应装置以及检测组件。

压力供应装置为图示左上方的装置，用于提供气压。压力供应装置包括空气压缩机22，与空气压缩机22连通的压力控制单元1、两端分别与压力控制单元1和活塞加压室连通的第一进气管2，两端分别与压力控制单元1和反压装置顶板21连通的第二进气管3。

试验筒为图示中右侧的筒体，图中的A为试验地层，B为试验浆液。试验筒自下至上依次为用于装填试验地层的地层装填室、用于装填试验浆液的浆液固结排水室和活塞加压室，地层装填室和浆液固结排水室相连通，浆液固结排水室和活塞加压室之间通过活塞8隔开，活塞加压室与所述压力供应装置相连，用于将压力供应装置提供的气压作用在活塞8上并向所述试验浆液提供自上而下的正压力。采取该结构，可以分别进行滤层、试验地层与试验浆液的装填，装填方便且装填量可控。筒体结构简单，试验操作方便快捷。试验筒包括底座17、可拆卸地连接在底座17上的下筒体18、可拆卸地连接在下筒体18上的第三法兰盘15、上筒体13、可拆卸的连接在上筒体13上的第一法兰盘5与第二法兰盘10。上筒体13、第一法兰盘5与第二法兰盘10之间采用第一螺杆6连接为整体；下筒体18、底板17与第三法兰盘15之间采用第二螺杆16连接为整体。安装时，上筒体13与第一法兰盘5、第二法兰盘10之间采用四根第一螺杆6及螺栓连成整体；下筒体18与底座17和第三法兰盘15之间采用四根第二螺杆16及螺栓连成整体。第一螺杆6与第二螺杆16在第二法兰盘10顶部错开，在完成地层装填后即可对下筒体18采用四根第二螺杆进行紧固，进而饱和地层过程中水不会从下筒体底部外渗，从而影响地层的饱和度。

反压装置包括底板19、连接在底板19上的筒体20、连接在筒体20上的顶板21，反压装置底板19、筒体20与顶板21采用四根螺杆连接为整体，反压装置的底板19采用塑胶管与固结装置底座17相连通。反压装置内部装有水，如图1中C为水。反压装置的顶部连有第二进气管3，反压装置与压力供应装置和地层装填室相连，用于将所述压力供应装置提供的气压转化为液压并向试验地层提供自下而上的反压力。

检测组件用于检测与排水固结相关的一种或多种参数，本实施例中包括用于检测地层装填室、浆液固结排水室压力的孔压计14。孔压计位于地层装填室与浆液固结排水室的中部位置，与筒体内部相连通，筒体内部的孔隙水压力可实时测得，孔压数据的采集时间间隔为5秒，至孔压读数为0时数据采集完成。

如图2、3所示为活塞8，活塞8的顶部设有贯穿活塞8的排气孔12和与排气孔12适配的密封螺杆11，活塞8上设有密封配合的两个密封圈9，活塞8选用侧壁带有两道凹槽的直径150mm、厚度为40mm的圆形塑料活塞8，凹槽内设有两个橡胶密封圈9。活塞8的上端面中心处设有钢制把手7，把手7与活塞8间通过螺杆连接，便于活塞8的放入与取出；当活塞8放入上筒体13时，活塞8底部与浆液上表面之间的气体可通过排气孔12排出，排气孔12采用采用密封螺杆11拧入来完成密封。

本实施例中的试验装置进行壁后注浆浆液在地层中的活塞气压式固结试验的具体方法步骤包括：

步骤1、装填试验地层：将下筒体18固定到底板17上、第三法兰盘15固定到下筒体18上并采用橡胶垫密封，先在下筒体18内填入大颗粒材料或者土工布作为滤层，再将试验所需地层装入下筒体18内，通过反压装置采用反向饱和法，由下而上对试验地层进行饱和。

步骤2、装填试验浆液：将上筒体13、第一法兰盘5与第二法兰盘10通过第一螺杆6相连，并将底板17、下筒体18、第三法兰盘15通过第二螺杆16与第二法兰盘10相连，从第一法兰盘5的开口处装入试验浆液，并采用振捣棒填实。

步骤3、装入活塞：试验浆液表面平整后，在活塞8的侧壁凹槽内装入圆形橡胶圈9，并在活塞外壁与活塞加压室的内壁涂抹硅脂，打开排气孔12，将活塞8从第一法兰盘5的开口处装入活塞加压室，待活塞8底面与浆液上表面充分接触后，采用密封螺杆11关闭排气孔12。

步骤4、浆液排水固结：关闭顶板23，通过压力控制单元1设定好正压力与反压力，打开第一进气管2与第二进气管3上的阀门4，待孔压计9读数达到设定压力后，打开底板上的排水阀门4进行浆液的排水固结过程，正压根据注浆压力设定，反压根据地下水压力进行设定。

步骤5、浆液压缩量测定：待孔压计9读数为0时，读取浆液的高度，与初始值对比得出浆液压缩量，并记录浆液排水量的数据。

步骤6、渗透系数与强度测定：浆液固结完成后，打开顶板23，取出活塞8，拧开第二法兰盘10上的螺栓，从上筒体13的底部取出固结完成的浆液，采用环刀切取样品用于渗透系数和不同养护时间下的强度测定。