考虑注浆加固有效重叠交圈的模拟试验装置及试验方法与流程

本发明涉及岩土工程技术领域，具体一种考虑注浆加固有效重叠交圈的模拟试验装置及试验方法。

背景技术：

开发利用地下空间资源往往遇到松散、松软的不良地层，如何处理改善不良地质是地下工程施工成败的关键。注浆是改善加固不良地层的有效方法。受制于工程地质环境的复杂性及注浆施工的隐蔽性，复杂地层中的注浆扩散规律及加固机理尚不明确。目前，室内注浆模拟试验是研究注浆扩散加固理论及注浆技术的重要手段。

学者们从不同角度出发，完成了大量有关注浆机理、施工效果方面的现场试验和室内试验研究，同时也研发出侧重点各有不同的试验装置。如张庆松等研制的用于室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置，实现对注浆压力、注浆流量及注浆量的随机切换伺服控制（授权公告号：cn107632652b；专利名称：一种用于室内注浆模拟试验的注浆伺服控制装置及操作方法）；张庆松等还研制了适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统，能够有效进行砂层的渗透性注浆试验（申请公布号：cn107121371a；专利名称：一种适用于砂层渗透注浆的室内模拟试验系统及方法）；崔溦等发明的室内砂土注浆模拟试验装置，运用特殊的技术实现注浆试验过程中浆液及砂土运动形态的可视化（申请公布号：cn109187272a；专利名称：一种室内砂土注浆模拟试验装置及其试验方法）；尹会永设计的弱胶结岩体定向劈裂注浆试验系统，通过预制诱导结构面的方法，实现浆液的劈裂扩散效果（授权公告号：cn105510559b；专利名称：弱胶结岩体定向劈裂注浆试验系统）。

上述针对注浆试验提出的方法及改进措施，在一定程度上满足了注浆模型试验的需要，但仍存在以下不足：

（1）现有注浆施工为保证浆液有效重叠交圈，常常采用缩短注浆管间距、梅花式布置注浆管等方法以保证浆液加固有效重叠交圈，但是注浆管间距的设计往往依据施工经验而无试验依据，而现有室内注浆设备均未考虑浆液有效重叠加固对受注土体的影响，以得出浆液最佳扩散半径供工程设计注浆间距参考；

（2）现有注浆装置往往仅能实现一次、一种受注土体的试验，而后进行24-48小时养护后方，甚至更长时间的养护方能取出加固胶结体，未考虑一次试验完成不同参数受注土体、不同配比浆液的注浆试验；

（3）如何完整、快速地从试验装置中脱离注浆加固胶结体是实际操作中难题，尤其是较大的模型试验装置又更为困难。

因此，开展考虑重叠交圈加固的注浆试验装置，同时实现多种土层参数的多组注浆模拟试验，以及不同浆液配比参数的多组注浆模拟试验，具有重要的试验应用价值。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种考虑注浆加固有效重叠交圈的模拟试验装置及试验方法。

本发明通过设置多根注浆管路，可考虑注浆过程中重叠交圈的影响；同时通过分隔板将注浆箱体分割为多个单独的注浆腔室，亦可单独使用，可考虑不同土层参数的多组注浆模拟试验，不同浆液配比参数的多组注浆模拟试验；利用顶升装置，实现注浆箱体方便拆卸，便于取出注浆加固胶结体。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种考虑注浆加固有效重叠交圈的模拟试验装置，包括泵送装置和安装在支架上的注浆箱体；所述泵送装置连接有多个注浆管；

所述注浆箱体包括上下敞口的方形的主箱，主箱的前后侧板竖向布置，主箱的左右侧板以上边向内倾斜的方式布置；所述主箱的左右侧板的内壁固定有多对相对布置的带有滑槽的定位板；相对所述带有滑槽的定位板间安装有隔板，隔板将主箱分割成多个独立的腔室；

所述主箱下侧设有底板，底板的前后端与支架上下滑动连接；主箱的前后侧板上分别固定安装有竖向布置的伸缩油缸，伸缩油缸的活塞杆端与底板端部连接；底板上左右侧安装有多对相对布置的内衬板，内衬板以上边向内倾斜的方式布置，内衬板贴在主箱的左右侧板内侧；

每一个所述腔室上侧设有一个盖板，盖板上开有定位孔；所述注浆管位于腔室中，注浆管上端安装在盖板定位孔中。

其进一步是：所述泵送装置包括注浆泵，注浆泵连接有主高压软管，主高压软管连接有多个分流高压软管，分流高压软管连接所述注浆管；每一个分流高压软管前分别安装有阀门、压力表和流量计。

所述隔板两边滑动安装在所述主箱带有滑槽的定位板中，隔板上端具有挡边，挡边搭接在主箱上边沿。

所述内衬板与底板铰接，内衬板内侧设有固定在底板上的内档台。

所述盖板上的定位孔共设有多个，多个定位孔呈矩形或环形分布。

所述注浆管直径为10-30mm，注浆管上每隔10cm对穿直径5mm的圆孔，相邻圆孔交错布置。

一种考虑注浆加固有效重叠交圈的试验方法：

①连接组成注浆模拟试验装置：将分流高压软管与注浆管连接，注浆管置于注浆箱体中；

②按照试验需要制作被注介质：被注介质包括砂土、黏土、粉土、砂卵砾石土层等软弱岩土层，试验过程中被注介质分层填入注浆箱体的腔室中；

③按照试验要求制作注浆浆液：注浆浆液包括水泥浆液、水泥-水玻璃浆液、水泥-粉煤灰浆液、水泥-黏土浆液等注浆浆液；

④按照试验要求设定注浆压力：启动注浆泵对注浆箱体进行注浆，将浆液注入注浆箱体，待达到设置好的注浆时间后停止注浆，并实时记录注浆流量和注浆压力；

⑤试验结束后形成注浆胶结体：原位养护24-48小时后，拆卸注浆箱体，利用伸缩油缸向下顶出底板，注浆胶结体随底板及内衬板离开主箱，内衬板（8）向注浆胶结体外侧打开，取出注浆胶结体；

⑥通过取样完成注浆胶结体的物理力学性能测试、细微观形貌测试等室内试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）多个腔室连为一整个注浆箱体时，试验可以考虑注浆管之间有效重叠交圈对受注岩土体注浆加固的效果，得出受注岩土体最佳加固效果、浆液扩散半径范围，以供实际工程中注浆管路布置时参考；

（2）注浆箱体可设为多个单独的注浆腔室，也可以两三结合设置不同尺寸的注浆腔室，可以按照试验需要在每个注浆腔室设置不同土层参数的被注岩土体介质，同一时间完成不同土层参数被注介质的注浆试验；亦可以在同一时间段，配制不同参数的浆液，完成不同浆液的注浆试验；同一时间段完成多种注浆试验；

（3）注浆胶结体如何完整、快速地从试验装置中脱离是注浆试验的一个难题；本发明通过伸缩油缸、底板、内衬板直接将整个注浆胶结体拉出主箱，取出后的注浆胶结体完整，能更加精准的完成物理力学性能测试、细微观形貌测试等试验工作。

附图说明

图1是本发明俯视图；

图2是本发明主视图；

图3是图2中a-a向视图；

图4是伸缩油缸拉出底板时的主视图；

图5是带有滑槽的定位板示意图；

图6是注浆管结构示意图；

图中：1、泵送装置；1-1、注浆泵；1-2、主高压软管；1-3、分流高压软管；1-4、阀门；1-5、压力表；1-6、流量计；2、注浆箱体；3、主箱；3-1、带有滑槽的定位板；4、隔板；4-1、挡边；5、腔室；6、底板；6-1、内档台；7、伸缩油缸；8、内衬板；9、盖板；9-1、定位孔；10、支架；11、注浆管。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明。

目前，传统的室内注浆模型试验设备没有考虑过现场注浆施工过程中往往为达到有效加固岩土体之目的，让注浆有效重叠交圈，但注浆管间距的选取常常依据工程经验，不能很好地根据注浆压力、浆液参数、被注岩土体介质参数等，科学有效的选取。因此，本发明设计了相应的考虑注浆加固有效重叠交圈的模拟试验装置及试验方法可有效考虑注浆有效重叠交圈的加固效果，同时在进行相对简易的单独注浆试验时，可以在一次试验过程中实现多种浆液参数、多种受注岩土体同时试验，提高室内试验效率。

实施例一

结合图1至图5所示，一种考虑注浆加固有效重叠交圈的模拟试验装置，包括泵送装置1和安装在支架10上的注浆箱体2。

注浆箱体2包括上下敞口的方形的主箱3，主箱3的前、后侧板竖向布置，主箱3的左右侧板以上边向内倾斜的方式布置，倾斜角度为5°-10°。主箱3的左右侧板的内壁固定有多对相对布置的带有滑槽的定位板3-1；相对带有滑槽的定位板3-1间安装有隔板4，隔板4两边滑动安装在主箱3带有滑槽的定位板3-1中，隔板4上端具有挡边4-1，挡边4-1搭接在主箱3上边沿。通过隔板4将主箱3分割成多个独立的腔室5。

主箱3下侧设有底板6，底板6的前后端开设滑孔，底板6滑孔支架10上下滑动连接。主箱3的前后侧板上分别固定安装有竖向布置的伸缩油缸7，伸缩油缸7的活塞杆端与底板6端部连接；通过伸缩油缸7带动底板6上下位移。底板6上左右侧安装有多对相对布置的内衬板8，内衬板8与腔室5一一对应。内衬板8同样以上边向内倾斜的方式布置，底板6上升到与主箱3底边紧贴时，内衬板8贴在主箱3的左右侧板内侧。进一步的：内衬板8与底板6铰接，内衬板8内侧设有固定在底板6上的内档台6-1，通过内档台6-1限制内衬板8向内的转动角度，同时内衬板8可以向外打开，便于实验取出内部的注浆胶结体。

每一个腔室5上侧设有一个盖板9，盖板9上开有多个定位孔9-1；多个定位孔9-1呈矩形分布，定位孔9-1的间距为300mm。主箱3上边沿设置有螺纹柱，盖板9边部开设通孔；盖板9通过边部的通孔套装在主箱3螺纹柱上，并通过螺母紧固。

注浆箱体2包括方形主箱3，其长度×宽度×高度=(800mm-1500mm)×(800mm-1500mm)×(800mm-1500mm)，通过隔板4将主箱3分割成多个独立的腔室5，其长度×宽度×高度=(300mm-500mm)×(300mm-500mm)×(300mm-500mm)。

泵送装置1包括注浆泵1-1，注浆泵1-1连接有主高压软管1-2，主高压软管1-2连接有多个分流高压软管1-3，分流高压软管1-3连接注浆管11；每一个分流高压软管1-3前分别安装有阀门1-4、压力表1-5和流量计1-6。再结合图6所示，注浆管11直径为10-30mm，注浆管11上每隔10cm对穿直径5mm的圆孔，相邻圆孔交错布置。

实施例二

一种考虑注浆加固有效重叠交圈的试验方法，在上述实施例一的基础上，步骤如下：

①连接组成注浆模拟试验装置：注浆箱体2不设置隔板4，伸缩油缸7为缩回状态，底板6上内衬板8贴在主箱3的左右侧板内侧；

②按照试验需要制作被注介质：受注岩土体填料为砂土层（掺入10%黏土），按照每200mm一层，分层填入注浆箱体2的腔室5中，分层压实，通过螺栓和橡胶垫安装盖板9，完成注浆箱体2的组装；

③按照试验要求制作注浆浆液：本实施例为水泥浆液，p·o42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8，浆液充分搅拌；

④按照试验要求设定注浆压力：将分流高压软管1-3与注浆管11连接，通过压水试验，检查整个注浆管路的密封性满足试验要求；

将注浆管11通过盖板9的定位孔9-1插入被注介质，压力表1-5和流量计1-6用于实施监测注浆试验过程中注浆压力与流量，本例中保持注浆压力0.6-1.2mpa，实时记录压力表1-5和流量计1-6实测数据，待到规定时间结束注浆试验，关闭注浆泵1-1，注浆过程结束；

⑤试验结束后形成注浆胶结体：原位养护24-48小时后，拆卸注浆箱体2，利用伸缩油缸7向下顶出底板6，注浆胶结体随底板6及内衬板8离开主箱3，内衬板8向注浆胶结体外侧打开，取出注浆胶结体；

⑥通过受注岩土体的加固试验效果，在受注岩土体上部通过钻芯取样加工，注意取出岩土体样品与注浆管的距离，可分别取与注浆管距离为50mm、100mm、150mm、200mm、250mm直至到下一个注浆管11，取出岩土体的规格为φ50mm×100mm，完成岩土体的取样，进一步在室内完成受注岩土体强度性能测试、细微观形貌测试等室内试验测试。可以发现注浆管路间距对受注岩土体强度的影响规律，以有效考虑注浆重叠交圈对加固受注岩土体的影响规律。

实施例三

在实施例一的基础上，按照实施例二试验步骤的整体思路，完成水泥浆液对不同受注岩土体的加固模拟试验：

步骤如下：

①连接组成注浆模拟试验装置：注浆箱体2设置隔板4，构成5个独立的腔室5；伸缩油缸7为缩回状态，底板6上内衬板8贴在主箱3的左右侧板内侧；

②按照试验需要制作被注介质：确定5种不同的相似模型试验所需填料的颗粒级配、密实度等指标，本例受注岩土体分为砂卵砾石土层、黏土层、砂土层1（纯砂）、砂土层2（掺入10%黏土）和砂土层3（掺入20%黏土），按照每200mm一层，分种类分层填入5个独立的腔室5中，分层压实，通过螺栓和橡胶垫安装盖板9，完成注浆箱体2的组装；

③按照试验要求制作注浆浆液：本实施例为水泥浆液，p·o42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8，浆液充分搅拌；

④按照试验要求设定注浆压力：将分流高压软管1-3与注浆管11连接，通过压水试验，检查整个注浆管路的密封性满足试验要求；

将注浆管11通过盖板9的定位孔9-1插入被注介质，压力表1-5和流量计1-6用于实施监测注浆试验过程中注浆压力与流量，本例中保持注浆压力0.6-1.2mpa，实时记录压力表1-5和流量计1-6实测数据，待到规定时间结束注浆试验，关闭注浆泵1-1，注浆过程结束；

⑤试验结束后形成注浆胶结体：原位养护24-48小时后，拆卸注浆箱体2，利用伸缩油缸7向下顶出底板6，注浆胶结体随底板6及内衬板8离开主箱3，内衬板8向注浆胶结体外侧打开，取出注浆胶结体；

⑥通过受注岩土体的宏观特征，观察注浆试验加固效果，在受注岩土体上部通过钻芯取样加工，取出岩土体的规格为φ50mm×100mm，完成岩土体的取样，进一步在室内完成受注岩土体强度性能测试、细微观形貌测试等室内试验测试。该方法可以在同一时间完成同一配比水泥浆液对5种不同受注岩土体（砂卵砾石土层、黏土层、砂土层1（纯砂）、砂土层2（掺入10%黏土）和砂土层3（掺入20%黏土））的注浆加固试验，讨论该配比水泥浆液对不同参数受注岩土体的注浆加固效果。

实施例四

在实施例一的基础上，按照实施例二试验步骤的整体思路，完成不同配比加固浆液对同一受注岩土体的加固模拟试验：

步骤如下：

①连接组成注浆模拟试验装置：注浆箱体2设置隔板4，构成5个独立的腔室5；伸缩油缸7为缩回状态，底板6上内衬板8贴在主箱3的左右侧板内侧；

②按照试验需要制作被注介质：根据现场试验需要受注相似模拟岩土体填料，确定相似模型试验所需填料的颗粒级配、密实度等指标，本例确定的受注岩土体填料为砂土层（掺入10%黏土），按照每200mm一层，分层填入独立的腔室5中，分层压实，通过螺栓和橡胶垫安装盖板9，完成注浆箱体2的组装；

③按照试验要求制作注浆浆液：根据试验需要，调制注浆浆液，本实施例依然为水泥浆液，p·o42.5级普通硅酸盐水泥，根据试验需要配置不同水灰比的水泥浆液，水灰比分别为0.6、0.8、1.0、1.2和1.4，共计5种，浆液充分搅拌；

④按照试验要求设定注浆压力：将分流高压软管1-3与注浆管11连接，通过压水试验，检查整个注浆管路的密封性满足试验要求；

将注浆管通过盖板的定位孔9-1插入被注介质，压力表1-5和流量计1-6用于实施监测注浆试验过程中注浆压力与流量，本例中保持注浆压力0.6-1.2mpa，实时记录压力表1-5和流量计1-6实测数据，待到规定时间结束注浆试验，关闭注浆泵1-1，注浆过程结束；

⑤试验结束后形成注浆胶结体：原位养护24-48小时后，拆卸注浆箱体2，利用伸缩油缸7向下顶出底板6，注浆胶结体随底板6及内衬板8离开主箱3，内衬板8向注浆胶结体外侧打开，取出注浆胶结体；

⑥通过受注岩土体的试验现象，观察注浆试验效果，在受注岩土体上部通过钻芯取样加工，取出岩土体的规格为φ50mm×100mm，完成岩土体的取样，进一步在室内完成受注岩土体强度性能测试、细微观形貌的测试室内试验测试。该方法可以在同一时间完成不同配比水泥浆液（水灰比分别为0.6、0.8、1.0、1.2和1.4）对同一受注岩土体填料（砂土层（掺入10%黏土））的注浆加固试验，讨论不同配比水泥浆液对相同受注岩土体的注浆加固效果。

实施例五

在实施例一的基础上，按照实施例二试验步骤的整体思路，完成不同配比加固浆液对不同参数受注岩土体的加固模拟试验：

步骤如下：

①连接组成注浆模拟试验装置：注浆箱体2设置隔板4，构成5个独立的腔室5；伸缩油缸7为缩回状态，底板6上内衬板8贴在主箱3的左右侧板内侧；

②按照试验需要制作被注介质：根据现场试验需要受注相似模拟岩土体填料，确定相似模型试验所需填料的颗粒级配、密实度等指标，本例确定的受注岩土体填料分别为砂卵砾石土层、黏土层、砂土层1（纯砂）、砂土层2（掺入10%黏土）和砂土层3（掺入20%黏土），按照每200mm一层，分层填入独立的腔室5中，分层压实，通过螺栓和橡胶垫安装盖板9，完成注浆箱体2的组装；

③按照试验要求制作注浆浆液：根据试验需要，调制注浆浆液，本实施例依然为水泥浆液，p·o42.5级普通硅酸盐水泥，根据试验需要配置不同水灰比的水泥浆液，水灰比分别为0.6、0.8、1.0、1.2和1.4，共计5种，浆液充分搅拌；

④按照试验要求设定注浆压力：将分流高压软管1-3与注浆管11连接，通过压水试验，检查整个注浆管路的密封性满足试验要求；

将注浆管11通过盖板9的定位孔9-1插入被注介质，压力表1-5和流量计1-6用于实施监测注浆试验过程中注浆压力与流量，本例中保持注浆压力0.6-1.2mpa，实时记录压力表1-5和流量计1-6实测数据，待到规定时间结束注浆试验，关闭注浆泵1-1，注浆过程结束；

⑤试验结束后形成注浆胶结体：原位养护24-48小时后，拆卸注浆箱体2，利用伸缩油缸7向下顶出底板6，注浆胶结体随底板6及内衬板8离开主箱3，内衬板8向注浆胶结体外侧打开，取出注浆胶结体；

⑥通过受注岩土体的试验现象，观察注浆试验效果，在受注岩土体上部通过钻芯取样加工，取出岩土体的规格为φ50mm×100mm，完成岩土体的取样，进一步在室内完成受注岩土体强度性能测试、细微观形貌的测试室内试验测试。该方法可以在同一时间完成不同配比水泥浆液（水灰比分别为0.6、0.8、1.0、1.2和1.4）对不同受注岩土体（砂卵砾石土层、黏土层、砂土层1（纯砂）、砂土层2（掺入10%黏土）和砂土层3（掺入20%黏土））的注浆加固试验，讨论不同配比水泥浆液对不同受注岩土体的注浆加固效果。

从以上实施例可见，本发明可以很方便的完成如下不同种类的注浆模拟试验：

（1）完成大尺度的注浆相似模拟试验，可根据需要设置多个注浆管对受注岩土体填料进行注浆加固，钻芯取样定性、定量探究注浆管有效重叠交圈对受注岩土体的反复加固效果，为实际工程中注浆管路的布置提供参考；

（2）同一时间完成相同注浆浆液对不同受注岩土体填料加固效果的相似模拟试验；

（3）同一时间完成不同配比注浆浆液对相同受注岩土体填料加固效果的相似模拟试验；

（4）同一时间完成不同配比注浆浆液对不同受注岩土体填料加固效果的相似模拟试验。

此外，通过压力计和流量计可以有效实时监测注浆模拟试验过程中的压力和流量，便于精确控制、掌握整个注浆试验过程；注浆箱体便于操作，可以很方便的取出受注岩土体填料，完成钻芯取样进行下一步的力学性能测试、细微观结构分析等室内试验。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。