一种三维可视渗透注浆模型试验装置及方法与流程

本发明涉及注浆试验技术领域，特别是涉及一种三维可视渗透注浆模型试验装置及方法。

背景技术：

渗透注浆，是在不足以破坏地层构造的压力(即不产生水利劈裂)下，把浆液注入到粒状土的孔隙中，从而取代、排出其中的空气和水分；渗透注浆浆液一般均匀的扩散到土颗粒间的孔隙内，将土颗粒胶结起来，增强土体的强度和防渗能力。一般渗透注浆的必要条件是满足可注性条件。

注浆技术要研究注浆对象能不能注浆，注什么材料的浆液合适，采用何种注浆方法及工艺，注浆后会达到怎样的效果；其内容包括：①注浆对象的可注性；②注浆浆液及其特性；③浆液在岩土层内流变特性及流动规律；④注浆方法及工艺；⑤注浆效果的检测方法。

室内注浆试验是注浆技术的重要研究方法。室内注浆实验既可以对注浆理论开展研究，也可以对注浆参数进行设计验证；具体包括：①注浆机理研究；通过分析注浆压力、地层特性(孔隙率)、浆液性能(水灰比)与扩散半径、注浆量等之间的关系，得出注浆压力、地层特性、浆液性能等因素对注浆量、扩散半径的影响规律，研究浆体在地层内的扩散规律。②室内注浆实验可以观察到注浆的全过程，同时可直观的看到浆体的分布；③可以模拟复杂条件下的注浆参数；④可以检验注浆设备性能是否能够满足注浆需要；⑤可以检验拟采用的注浆工艺参数及注浆程序的可行性与实用性；⑥积累相关数据，总结经验，以便更好的指导现场施工。

在本发明之前，中国专利(zl200810163315.2)公开了用于砂性土渗透注浆的室内试验装置：一种防渗材料渗透注浆室内试验装置。此装置的优点是快速、经济、高效；可以用于注浆模拟试验的初步试验，例如可以对注浆材料进行前期筛选、排查。但由于尺寸限制，仅能进行一维状态下的模拟，与现场注浆实际状态有一定差距，存在局限性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三维可视渗透注浆模型试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，用于渗透注浆室内模型试验研究，可以模拟砾、砂性土在不同注浆工艺、注浆参数、浆液参数条件下的注浆情况，分析注浆加固机理与效果，研究浆液扩散理论，以实现对注浆技术的深入研究；通过测定试验前后试样渗透系数的变化，定量评估防渗材料的减渗效果；并可以开展防渗材料可注性研究，定性评估防渗材料的适用性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种三维可视渗透注浆模型试验装置，包括试验箱、注浆设备和量测系统；所述注浆设备包括空压机、储浆罐及耐压灌浆管；所述空压机的出口通过所述耐压灌浆管与所述储浆罐的进口连接；所述储浆罐的出口连接有所述耐压灌浆管，所述耐压灌浆管通过三通阀连接有注浆管和出浆管，所述注浆管伸入所述试验箱内；所述量测系统用于对注浆以及试验箱内砂样进行测量。

优选的，所述试验箱包括底板、顶板和侧板，所述底板采用钢板，所述顶板和侧板采用钢结构框架，所述钢结构框架上安装有可拆卸的有机玻璃板。

优选的，所述有机玻璃板与所述钢结构框架通过螺栓连接，连接处设置有密封垫。

优选的，所述试验箱的侧板和顶板上等间距设置有加劲肋。

优选的，所述试验箱的底部设置6个支腿，所述支腿高300mm。

优选的，所述量测系统包括电磁流量计、压力传感器、土压力计和孔压传感器；所述电磁流量计安装于所述储浆罐出口连接的耐压灌浆管上，用于测量和记录注浆过程中的浆液用量；所述压力传感器安装于注浆管上，用于测量注浆压力；所述土压力计和孔压传感器安装于所述试验箱内，用于测量试验箱内砂样的土压力和孔隙水压力的变化。

优选的，所述空压机的出口设置第一阀门，所述储浆罐上设置第二阀门和第四阀门，所述储浆罐的进口和出口分别设置第三阀门和第五阀门。

本发明还公开一种三维可视渗透注浆模型试验方法，包括以下步骤：

(1)将砂样装入试验箱内，在装样过程中，将注浆管一起埋入砂样中，并安装试验有土压力计、孔压传感器；土压力计和孔压传感器埋入试验箱前需在水中饱和24小时，砂样静置24小时；

(2)对试验箱内砂样的渗透系数、孔隙度、密度进行测定；

(3)制备注浆液，对浆体的粘度进行测定；关闭储浆罐的第五阀门，打开储浆罐的第二阀门、第四阀门，将制备好的注浆液经第二阀门注入储浆罐；

(4)连接试验设备，将空压机、储浆罐、试验箱用耐压灌浆管连接，并安装电磁流量计和压力传感器；

(5)使第一阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门处于关闭状态，第二阀门处于打开状态，三通阀处于往出浆管的开启状态；缓慢打开第五阀门，使浆体从出浆管流出，以排出耐压灌浆管内的空气；当均质浆体从出浆管流出后，将三通阀拧到耐压灌浆管方向开启状态，并关闭第五阀门；

(6)关闭第二阀门，打开第一阀门、第三阀门；启动空压机，往储浆罐内充气；打开电磁流量计，并缓慢打开第五阀门，直到达到设计的注浆压力；通过压力传感器监测入口压力，通过砂样内部埋设的土压力计和孔压传感器监测砂样内压力的变化，以使注浆处于渗透注浆状态；注浆压力的大小通过第五阀门调节，保持在设定压力下，直到浆液注不进去为止；

(7)持续监测、记录电磁流量计、压力传感器、土压力计、孔压传感器的数据，通过把仪表连接到电脑，自动采集数据；

(8)24小时后，检查浆液扩散半径；

(9)清理注浆管、储浆罐，以备下次使用。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明可以用于室内三维注浆模拟实验，以进行浆液扩散理论研究；可通过在试验箱内模拟地层(砾、砂性地层)，然后在该模拟地层内进行渗透注浆；通过模拟试验，研究注浆压力、浆液用量、注浆速度、注浆时间、浆液扩散半径、土的空隙性质、浆液性质间的关系，从而研究浆液在地层内的运移(扩散)规律；通过模拟注浆，找出各参数之间的关系，可研究注浆加固机理，指导注浆工程实践，在实践和理论上都有重大的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明三维可视渗透注浆模型试验装置的结构示意图；

图2为本发明试验箱仪表布置第一示意图；

图3为本发明试验箱仪表布置第二示意图；

其中，1为试验箱，2为储浆罐，3为空压机，4为耐压灌浆管，5为注浆管，6为电磁流量计，7为第一阀门，8为第二阀门，9为第三阀门，10为第四阀门，11为第五阀门，12为三通阀，13为压力传感器，14为孔压传感器，15为土压力计，16为出浆管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种三维可视渗透注浆模型试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，用于渗透注浆室内模型试验研究，可以模拟砾、砂性土在不同注浆工艺、注浆参数、浆液参数条件下的注浆情况，分析注浆加固机理与效果，研究浆液扩散理论，以实现对注浆技术的深入研究；通过测定试验前后试样渗透系数的变化，定量评估防渗材料的减渗效果；并可以开展防渗材料可注性研究，定性评估防渗材料的适用性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-3所示，本实施例提供一种三维可视渗透注浆模型试验装置，主要包括试验箱1、注浆设备和量测系统。

在本实施例中，试验箱1侧板和顶板由钢结构框架和有机玻璃板组成，试验箱1底板采用钢板；考虑试验中浆液的扩散距离和边界效应，试验箱1净空尺寸为1500mm(长)*1000mm(宽)*1000mm(高)。为了达到注浆过程可视化需要，除底板采用一整块钢板外，侧板和顶板每一部分安装一可拆卸的有机玻璃板，有机玻璃板厚度10mm，有机玻璃板与钢结构框架之间通过螺栓连接，并在其间设置密封垫来确保有机玻璃与角钢框架之间的密封性。

钢结构框架由l100等边角钢构成，角钢规格为l100x12x12mm。钢结构框架需要承担试样自重和试验过程中的注浆压力，在试验箱1的侧面、顶板按照500mm的间距设置钢结构加劲肋，加劲肋采用12mm厚钢板，加劲肋宽度为40mm。试验箱1的顶板由加劲肋分成3部分，2个长边侧板由加劲肋各分成3个部分，2个短边侧板由加劲肋各分成2个部分。

试验箱1底部设置6个支腿，支腿高度300mm。保证底板下部有足够的操作空间。

在本实施例中，为了保证注浆压力的均匀性，采用空压机3注浆，注浆设备包括空压机3、储浆罐2及其之间连接的耐压灌浆管4；空压机3的压力范围为0-10bar。

在本实施例中量测系统包括电磁流量计6、压力传感器13、土压力计15、孔压传感器14；电磁流量计6采用emfm-hfd3000型，公称通径：dn25，精度等级1.0％fs，用于测量和记录注浆过程中的浆液用量；压力传感器13用于测量注浆压力；土压力计14、孔压传感器15用于测量试验箱1内砂样的土压力和孔隙水压力的变化，判断浆体是否到达相应位置。

本实施例三维可视渗透注浆模型试验方法，包括以下步骤：

(1)将砂样装入试验箱1内，在装样过程中，将注浆管5一起埋入砂样中，并安装试验用土压力计15、孔压传感器14；土压力计15和孔压传感器14埋入试验箱1前需在水中饱和24小时，砂样静置24小时；

(2)对试验箱1内砂样的渗透系数、孔隙度、密度等参数进行测定；

(3)制备注浆液，对浆体的粘度进行测定；关闭储浆罐2的第五阀门11，打开储浆罐2的第二阀门、第四阀门10，将制备好的注浆液经第二阀门8注入储浆罐2；

(4)连接试验设备，将空压机3、储浆罐2、试验箱1用耐压灌浆管4连接，并安装电磁流量计6和压力传感器13；

(5)使第一阀门7、第三阀门9、第四阀门10和第五阀门11处于关闭状态，第二阀门8处于打开状态，三通阀12处于往出浆管16的开启状态；缓慢打开第五阀门11，使浆体从出浆管16流出，以排出耐压灌浆管4内的空气；当均质浆体从出浆管16流出后，将三通阀12拧到耐压灌浆管4方向开启状态，并关闭第五阀门11；

(6)关闭第二阀门8，打开第一阀门7、第三阀门9；启动空压机3，往储浆罐2内充气；打开电磁流量计6，并缓慢打开第五阀门11，直到达到设计的注浆压力；通过压力传感器13监测入口压力，通过砂样内部埋设的土压力计15和孔压传感器14监测砂样内压力的变化，以使注浆处于渗透注浆状态；注浆压力的大小通过第五阀门11调节，保持在设定压力下，直到浆液注不进去为止；

(7)持续监测、记录电磁流量计6、压力传感器13、土压力计15、孔压传感器14的数据，通过把仪表连接到电脑，自动采集数据；

(8)24小时后，检查浆液扩散半径；

(9)清理注浆管5、储浆罐2，以备下次使用。

在注浆试验结束后，拆除可拆卸的透明有机玻璃板，保证砂样和注浆浆脉可以完整的保留下来；观察浆液扩散形态，对浆液的充填、扩散、分布进行观察和量测。

通过分析注浆压力、地层特性(孔隙率)、浆液性能(水灰比)与扩散半径、注浆量等之间的关系，研究浆体在地层内的扩散规律，得出注浆压力、地层特性、浆液性能等因素对注浆量、扩散半径的影响规律；通过浆液扩散半径的回归分析，研究注浆机理；通过对某一水灰比的浆体在不同注浆压力和扩散半径的回归分析，可以用于确定注浆方案中的小导管间距和渗透注浆注浆压力等注浆参数的设计。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。