一种模拟冻融作用下深部土可视化平面劈裂注浆的装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程领域。

背景技术：

1、注浆技术越来越多地被应用到基坑防渗、隧道支护和地基处理等工程中，但注浆技术的复杂性、隐蔽性和不可精准操控等特点，使注浆相关理论稍落后于工程实践，大部分的注浆工程只能依靠经验来控制注浆效果。尤其是为了加固地层、缓释井壁附加力的围土注浆加固，即通过地面钻孔，采用高压将浆液注入井筒周围的厚表土层(围土)，浆液充填、抬升、加固地层。围土注浆加固技术被注地层埋深较深、地应力较高、结构性强，相较于软土地基注浆加固等其它浅部注浆，其地质情况更为复杂，浆液的流动扩散更加具有不确定性，注浆加固的效果难以肉眼观察。此外，上覆厚表土层的井筒大部分采用冻结法施工，井筒周围土体都至少经历过一次冻融作用，围土注浆加固的设计范围恰好与冻结壁有部分重合，这部分围土的孔隙率、含水率、抗剪强度等物理力学参数在冻结法施工完成后会有很大的改变，后期再进行围土注浆加固治理井壁破裂时，注浆环境条件就变得更复杂，地层注浆响应相较于未经历冻融的情况会有很大的不同。

2、浆液在深部土中的扩散形式有渗透、压密、劈裂及混合扩散，深部围土的高压注浆是以劈裂地层为主，在围土中形成浆脉-土体复合体，进而实现抬升、加固地层的目的。本发明主要用来研究深部土中的劈裂扩散机理，根据上述工程背景，目前对冻融作用后浆液的劈裂扩散这方面的注浆理论和试验很少。

技术实现思路

1、本发明针对以上问题，提出了一种模拟冻融作用下深部土可视化平面劈裂注浆的装置及方法，从浆液在深部土中的平面劈裂问题入手，建立一个可模拟经历过冻融作用后的深部土的可视化平面劈裂注浆的装置，来研究浆液在这种特殊工况下的流动扩散行为以及土体的注浆响应。

2、本发明的技术方案为：所述装置包括注浆箱体2、地应力加载系统1、储浆罐8、空气压缩机3、制冷系统17和数据采集系统18；

3、所述注浆箱体2包括固定框架，固定安装在固定框架后侧的后面板，固定安装在固定框架部的底板，固定安装在固定框架顶部和两侧面的反力板10，以及可拆卸的按安装在固定框架前侧的透明有机玻璃16，从而在后面板、底板、透明有机玻璃16以及三块反力板之间合围形成试验区域，试验时在试验区域铺设重塑土，安置注浆管27和压力传感器28、位移传感器29和温度传感器30；

4、所述后面板中内嵌有冷凝管31，并且后面板的中心开设有注浆管容置孔；

5、所述三块反力板10的内侧还设有三块地应力加载板，所述地应力加载板分别通过若干液压缸14与其外侧的反力板10相连接；

6、所述透明有机玻璃16卡装在位于固定框架侧面的两个反力板之间，并且所述透明有机玻璃16具有若干块，在透明有机玻璃16的外侧设有若干前肋板15，所述前肋板15的端头处通过螺栓与两个反力板可拆卸的相连接；

7、所述地应力加载系统1包括连接液压缸14的应力伺服控制器34，通过应力伺服控制器34控制三块地应力加载板自三个方向朝试验区域施加压力，所述应力伺服控制器34与计算机19无线连接；

8、所述储浆罐8具有两个接口，其中第一个接口与空气压缩机3相连，第二个接口连接伸入试验区域的注浆管27；

9、所述制冷系统17包含制冷机32，制冷机32通过冷液循环管33连接冷凝管31，通过冷液循环管33在二者之间输送制冷液24；

10、所述数据采集系统18包括连接各个传感器的数据采集器20以及连接数据采集器20的计算机19。

11、进一步的，所述储浆罐8的第一个接口通过输气管5与空气压缩机3相连，第二个接口经注浆管路23连接伸入试验区域的注浆管27，在注浆管路23上设有流量表25，所述储浆罐8中则设有用于监测罐内实时气压的压力表6以及用于卸压的气压控制器26，所述输气管5上也设有压力表4，并且储浆罐8连接输气管5的接口中设有进气阀门22。

12、进一步的，连接数据采集器20的传感器包括注浆箱体中的压力传感器28、位移传感器29、温度传感器30，储浆罐上的压力表6和流量表25，以及应力伺服控制器中的应力监测器35。

13、按以下步骤进行：

14、步骤一：试验准备工作；

15、组装注浆箱体2，检查液压缸14，将三个地应力板归位；先将最下端的透明有机玻璃16卡进位于注浆箱体2侧面的两个反力板10之间，并将对应的前肋板15用螺栓连接在反力板10上，用来固定透明有机玻璃；

16、步骤二：装样，埋设传感器；

17、将制备好的重塑土分层铺入试验区域中，当铺设到指定高度以后，加装第二块透明有机玻璃和对应的肋板，继续装样，直至加装最后一块透明有机玻璃和对应的肋板；

18、在重塑土铺设过程中埋入注浆管27和压力传感器28、位移传感器29和温度传感器30；

19、步骤三：连接仪器设备管路；

20、将储浆罐8的两个接口分别与空气压缩机3、注浆管路23相连；将制冷机32与冷液循环管33连接，将冷液循环管33和内嵌冷凝管31连接；将所有传感器接入数据采集系统18；

21、步骤四：施加地应力，开启冻融循环；

22、启动地应力加载系统1，控制液压缸14将竖向应力和水平应力设置到预定目标值，给重塑土施加恒定的地应力；等地应力平衡后，打开制冷机32，开启冷液循环，设置冻结温度，给土体降温；通过计算机19端观测土体温度，重塑土冻结作用下达到稳定后，关闭制冷系统，恢复土体温度至室温。

23、步骤五：开始正式注浆试验；

24、制备浆液9，倒入储浆罐8；打开空气压缩机3和注浆阀门25，对重塑土进行注浆，待达到试验要求的注浆结束标准后停止注浆；关闭注浆阀门25、关闭空气压缩机3，拔掉注浆管路23并立即清洗，然后静置等待注入的浆液完全固结；

25、步骤六：试验收尾；

26、通过透明有机玻璃16观察浆脉的发展、浆脉的数量和尺寸；观测周围土体抬升量；停止数据采集并保存数据，等浆液完全固结，卸载地应力，然后开挖重塑土获取浆脉结实体和数据处理等后续工作。

27、步骤二中压力传感器28、位移传感器29和温度传感器30按以下位置布置：

28、注浆管27的出口布置在试验区域中心，温度传感器30布置在试验区域中心以及试验区域中心的周围，在分层铺设时，每层的中间位置布置位移传感器29，相邻两层之间布置压力传感器28。

29、所述温度传感器至少3个，最中心的温度传感器紧邻注浆管27侧壁上的出口设置，另外的温度传感器与注浆管27侧壁上出口的水平间距梯度增加，竖直间距也梯度增加；

30、所述位移传感器29、压力传感器28布置在注浆箱2的至少一个竖直剖面上，在该竖直剖面上自下而上均布若干位移传感器29以及若干压力传感器28。

31、本发明可以通过应力施加系统和制冷系统来模拟实际工程中土层注浆在不同深度和不同冻融循环次数、不同冻结温度等的复杂工况。该设备可实时观察浆液在深部土中的平面劈裂扩散及浆脉发展情况等，具有可控性强、贴切真实工况、操作简便、可重复使用等优点。