模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗裝置及其試驗方法
2023-10-04 18:28:19
專利名稱：模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗裝置及其試驗方法
技術領域：
本發明屬於深部巖土工程領域，具體涉及ー種巖土體在不同應カ水平、不同水壓作用下的灌漿試驗裝置及其試驗方法，主要用於解決深部巖土工程領域中由於複雜應カ和地下水壓カ耦合作用下巖土體灌漿工程中漿液擴散半徑與灌漿後結石體滲透係數值，及其與巖土體介質結構、灌漿壓力、灌漿時間、水灰比，漿液粘度等參數之間函數關係的研究。
背景技術：
漿液擴散半徑與灌漿後結石體滲透係數是反映灌漿效果的重要指標，它直接影響灌漿孔孔距的布置與防滲加固效果，不僅受到巖土體介質結構、灌漿壓力、注漿時間、水灰比，漿液粘度等不同程度的影響，還要考慮巖土體受不同應カ水平、不同水壓作用的影響，是國際巖土體防滲加固的熱門課題之一，也是核廢料地下處置、地下能源儲存、地下ニ氧化碳儲存、地熱開發、石油開採、水利水電，核電、邊坡、銅室等眾多與灌漿工程相關巖石工程 的最基礎性研究課題。若灌漿失敗，則不僅浪費大量的人力物力，且會危及人員財產安全，汙染環境與地下水資源等。目前，現場試驗投入的人力物カ大，且僅是為現場施工提供試探性的定性試驗，試驗數據極少，遠不能全面研究；室內試驗多是利用臨時拼湊的設備做ー些簡單的研究，很不成熟，人工操作，功能単一，且沒有考慮複雜應カ的影響等，試驗數據的缺乏(特別是全面、綜合的試驗數據)不僅限制了巖土體灌漿理論體系的發展，而且嚴重製約了巖土體介質中固、液、氣相互作用與多場藕合的灌漿模型以及巖土體灌漿理論的發展以及預測結果準確性。故亟需ー種模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗的裝置及其試驗方法，來有效地填補這方面的空白。
發明內容
本發明的目的之ー在於提供一種對巖土體在不同應カ水平、不同水壓作用下，漿液擴散半徑與灌漿後結石體滲透係數及其與相關灌漿參數等進行實時觀測和監測的試驗裝置，以克服己有技術中存在的不考慮試樣複雜應力水平，測試時間長、可靠性低、試驗數據精度低、使用不便，功能単一，花費大等缺點。本發明的第一個目的是通過如下的技術方案來實現的該模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗裝置，它包括底座，底座與安裝其上的圓筒形有機玻璃密封罩以及上蓋形成一個密封的周圍壓カ室，圍壓管從底座一側穿過與周圍壓カ室聯通，其外端與周圍壓カ系統連接；圓柱形的巖土試樣固定於周圍壓カ室的底座中心上，巖土試樣上、下面分別設有上透水石和下透水石，巖土試樣外面包裹有橡皮膜；上透水石上面設有加壓塞，加壓塞連接有傳カ杆，傳カ杆密封穿過上蓋中心與軸向加壓裝置連接，軸向加壓裝置安裝於反カ架上；反壓力管從底座一側穿過進入周圍壓カ室後，再穿過加壓塞與上透水石連接，反壓カ管的外端與反壓カ系統連接；在巖土試樣軸心設有灌漿濾管，灌漿濾管上端封閉，下端於下透水石處與灌漿管聯通，巖土試樣與灌漿濾管處於密封環境；灌漿管從底座一側穿出依次與壓カ傳感器、流量計、灌漿泵和漿桶連接，在壓カ傳感器之前的灌漿管上設有管道接頭。
更進一歩，為便於控制，在所述圍壓管和反壓カ管上設有閥門。在所述灌漿泵與流量計之間的灌漿管與漿桶通過ー根短路管連接，短路管上設有閥門。當打開短路管上的閥門時，多餘的漿液回流到漿桶中。本發明的目的之ニ在於提供上述模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗裝置的試驗方法，該方法包括如下順序的步驟(I)將巖土試樣與其軸心的灌漿濾管安裝在周圍壓カ室的底座中心上，沿巖土試樣外壁長度方向均勻貼若干濾紙條後，再包裹橡皮膜；巖土試樣上、下面分別安裝上透水石和下透水石，橡皮膜與底座中心凸塊和上透水石用橡皮筋紮緊，使巖土試樣與灌漿濾管置於密封環境；安裝上蓋及有機玻璃密封罩後，將加壓塞壓住並固定巖土試樣與灌漿濾管；(2)通過周圍壓カ系統及圍壓管給巖土試樣周圍的周圍壓カ室注滿水，並施加壓力。3 ； (3)若試驗設計不要求巖土試樣中有水壓力，則反壓力管接通大氣壓，若試驗設計要求巖土試樣中有水壓カ存在，則通過反壓カ系統及反壓カ管給巖土試樣施加一定的水壓力Pw，並在試驗過程中保持穩定；(4)通過軸向加壓裝置、傳カ杆和加壓塞給巖土試樣施加主應カ差Ac，則垂直方向的王應カC I = C ^ 1 Ac，(5)通過灌漿泵、灌漿管及灌漿濾管在一定灌漿壓力P作用下把一定水灰比的水泥漿液灌注入巖土試樣中，形成一定擴散半徑R的注漿體，漿液擴散半徑R小於巖土試樣半徑，同時通過壓カ傳感器和流量計分別記錄相應的灌漿壓カP和灌漿量V ；(6)卸去灌漿壓力，旋開管道接頭，斷開灌漿管與灌漿泵等其它設備的連接，在灌漿管與灌漿濾管內插入衝水管衝洗裡面的殘餘漿液，14天以後，重新接通管道接頭，使灌漿管與灌漿泵等其它設備重新連接，通過灌漿泵、灌漿管及灌漿濾管在一定壓カPw作用下向巖土試樣中壓水，待壓水呈穩定狀態的流量Q，通過壓カ傳感器與流量計分別記錄相應的水壓カPw與穩定流量Q ；(7)根據達西定律與水利水電工程鑽孔壓水試驗規程SL31-2003，採用q=Q/L -Pw,計算巖土試樣的透水率；式中，q為試樣的透水率，單位是Lu ；L為試樣的長度，單位是m ；Q為穩定流量，單位是L/min ；PW為試驗壓カ，單位是Mpa ；(8)卸去軸向主應カ差A c，通過軸向加壓裝置、傳カ杆使加壓塞上移，然後通過周圍壓カ系統卸去周圍的壓力C3，通過圍壓管排除周圍壓カ室內的水，取出巖土試樣，測量漿液擴散半徑R ；(9)採用試驗設計安排中的不同的巖土試樣，採用不同的灌漿壓力、水灰比、軸向應カC1以及周圍壓カC3，按照步驟(I)至步驟(8)重複進行，將數據輸入計算機處理與分析，得出漿液擴散半徑與灌漿後透水率與介質結構即孔隙度和滲透係數，灌漿壓力，注漿時間，水灰比等參數在複雜應力條件下的函數關係式。本發明與現有技術相比具有如下優點(I)可開展不同應カ水平、不同種類漿液(包括水泥漿液，化學漿液，多種攙和料的漿液等)、不同水壓カ耦合作用下巖土體的灌漿試驗。可真實模擬深部巖土工程中由於複雜應カ和地下水壓カ耦合作用下巖土體灌漿中漿液擴散半徑與灌漿後結石體滲透係數值。(2)可開展複雜應カ條件下巖土體灌漿中漿液擴散半徑與灌漿後結石體滲透係數與巖土體介質結構、灌漿壓力、灌漿時間、水灰比與漿液黏度等參數之間的函數關係的研究。(3)由於對巖土試樣側壁米取柔性排水方式,有別於現有技術常規試樣排水方法，使得本發明可很好的解決水泥土試樣側壁排水問題，對試樣外表面存在粗糙和不平整也不影響排水效果。(4)由於對巖土樣中間的灌漿孔布置柔性濾管，有別於現有技術常規試樣灌漿方法，使得本發明可很好的解決巖土試樣灌漿孔內壁灌漿界面問題，避免了灌漿或注水過程中孔壁造成衝刷、塌落等影響。(5)由於對反壓カ系統不僅能提供反壓カ及穩定反壓カ功能，且在不需要壓カ的時候反壓カ管道也可接通大氣壓具排氣功能，縮短試驗所需時間，使之便捷、可靠和準確。
圖1是本發明灌漿試驗裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進ー步詳細的描述。參見圖1，本發明實施例的灌漿試驗裝置包括底座20，底座20與安裝其上的圓筒形有機玻璃密封罩13以及上蓋12形成ー個密封的周圍壓カ室14。圍壓管17從底座20的左側穿過與周圍壓カ室14聯通，其外端與周圍壓カ系統16連接，在圍壓管17上設有閥門23。圓柱形的巖土試樣5固定於周圍壓カ室14的底座20中心上,巖土試樣5的上、下面分別設有上透水石701和下透水石702，巖土試樣5外面包裹有橡皮膜6。上透水石701上面設有加壓塞8，加壓塞8連接有傳カ杆11，傳カ杆11密封穿過上蓋12的中心與軸向加壓裝置10連接，軸向加壓裝置10安裝於反カ架9上。反壓カ管15從底座20的左側穿過進入周圍壓カ室14後，再穿過加壓塞8與上透水石701連接，反壓カ管15的外端與反壓カ系統21連接，在反壓カ管15上設有閥門24。在巖土試樣5的軸心處設有灌漿濾管4，灌漿濾管4上端封閉，下端於下透水石702處與灌漿管3聯通，巖土試樣5與灌漿濾管4處於密封環境。灌漿管3從底座20的右側穿出依次與壓カ傳感器19、流量計18、灌漿泵2和漿桶I連接，在壓カ傳感器19之前的灌漿管3上設有管道接頭22。灌漿泵2與流量計18之間的灌漿管3與漿桶I通過ー根短路管連接，短路管上設有閥門25。基於圖1所示模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗裝置的試驗方法如下(I)將巖土試樣5與其軸心的灌漿濾管4安裝在周圍壓カ室14的底座20中心上，沿巖土試樣5外壁長度方向均勻貼若干濾紙條後,再包裹橡皮膜6 ;巖土試樣5的上、下面分別安裝上透水石701和下透水石702，橡皮膜6與底座20的中心凸塊和上透水石701用橡皮筋紮緊，使巖土試樣5與灌漿濾管4置於密封環境；安裝上蓋12及有機玻璃密封罩13後，將加壓塞8壓住並固定巖土試樣5與灌漿濾管4 ；(2)通過周圍壓カ系統16及圍壓管17給巖土試樣5周圍的周圍壓カ室14注滿水，並施加壓カC3 ；(3)若試驗設計不要求巖土試樣中有水壓力，則反壓力管15接通大氣壓，若試驗設計要求巖土試樣中有水壓カ存在，則通過反壓カ系統21及反壓カ管15給巖土試樣施加一定的水壓カPw，並在試驗過程中保持穩定；(4)通過軸向加壓裝置10、傳カ杆11和加壓塞8給巖土試樣5施加主應カ差Ac,則垂直方向的主應カe, =C3-Ac ；(5)通過灌漿泵2、灌漿管3及灌漿濾管4在一定灌漿壓力P作用下把一定水灰比的水泥眾液灌注入巖土試樣5中，形成一定擴散半徑R的注眾體，眾液擴散半徑R小於巖土試樣5的半徑，同時通過壓カ傳感器19和流量計18分別記錄相應的灌漿壓カP和灌漿量V；(6)卸去灌漿壓力，旋開管道接頭22，斷開灌漿管3與灌漿泵2等其它設備的連接，在灌漿管3與灌漿濾管4內插入衝水管衝洗裡面的殘餘漿液，14天以後，重新接通管道接頭22，使灌漿管3與灌漿泵2等其它設備重新連接，通過灌漿泵2、灌漿管3及灌漿濾管
4在一定壓カPw作用下向巖土試樣中壓水，待壓水呈穩定狀態的流量Q，通過壓カ傳感器19與流量計18分別記錄相應的水壓カPw與穩定流量Q ；(7)根據達西定律與水利水電工程鑽孔壓水試驗規程SL31-2003，採用q=Q/L -Pw,計算巖土試樣的透水率；式中，q為試樣的透水率，單位是Lu ；L為試樣的長度，單位是m ；Q為穩定流量，單位是L/min ；PW為試驗壓カ，單位是Mpa ；(8)卸去軸向主應カ差A c，通過軸向加壓裝置10、傳カ杆11使加壓塞8上移，然後通過周圍壓カ系統16卸去周圍的壓力C3，通過圍壓管17排除周圍壓カ室14內的水，取出巖土試樣5，測量漿液擴散半徑R ；(9)採用試驗設計安排中的不同的巖土試樣，採用不同的灌漿壓力、水灰比、軸向應カC1以及周圍壓カC3，按照步驟(I)至步驟(8)重複進行，將數據輸入計算機處理與分析，得出漿液擴散半徑與灌漿後透水率與介質結構即孔隙度和滲透係數，灌漿壓力，注漿時間，水灰比等參數在複雜應力條件下的函數關係式。
權利要求
1.一種模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗裝置，其特徵在於它包括底座，底座與安裝其上的圓筒形有機玻璃密封罩以及上蓋形成一個密封的周圍壓力室，圍壓管從底座一側穿過與周圍壓力室聯通，其外端與周圍壓力系統連接；圓柱形的巖土試樣固定於周圍壓力室的底座中心上，巖土試樣上、下面分別設有上透水石和下透水石，巖土試樣外面包裹有橡皮膜；上透水石上面設有加壓塞，加壓塞連接有傳力杆，傳力杆密封穿過上蓋中心與軸向加壓裝置連接，軸向加壓裝置安裝於反力架上；反壓力管從底座一側穿過進入周圍壓力室後，再穿過加壓塞與上透水石連接，反壓力管的外端與反壓力系統連接；在巖土試樣軸心設有灌漿濾管，灌漿濾管上端封閉，下端於下透水石處與灌漿管聯通，巖土試樣與灌漿濾管處於密封環境；灌漿管從底座一側穿出依次與壓力傳感器、流量計、灌漿泵和漿桶連接，在壓力傳感器之前的灌漿管上設有管道接頭。
2.根據權利要求1所述的模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗裝置，其特徵在於在所述圍壓管和反壓力管上設有閥門。
3.根據權利要求1或2所述的模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗裝置，其特徵在於在所述灌漿泵與流量計之間的灌漿管與漿桶通過一根短路管連接，短路管上設有閥門。
4.一種如權利要求1所述模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗裝置的試驗方法，其特徵在於包括如下順序的步驟 (1)將巖土試樣與其軸心的灌漿濾管安裝在周圍壓力室的底座中心上，沿巖土試樣外壁長度方向均勻貼若干濾紙條後，再包裹橡皮膜；巖土試樣上、下面分別安裝上透水石和下透水石，橡皮膜與底座中心凸塊和上透水石用橡皮筋紮緊，使巖土試樣與灌漿濾管置於密封環境；安裝上蓋及有機玻璃密封罩後，將加壓塞壓住並固定巖土試樣與灌漿濾管； (2)通過周圍壓力系統及圍壓管給巖土試樣周圍的周圍壓力室注滿水，並施加壓力C3； (3)若試驗設計不要求巖土試樣中有水壓力，則反壓力管接通大氣壓，若試驗設計要求巖土試樣中有水壓力存在，則通過反壓力系統及反壓力管給巖土試樣施加一定的水壓力Pw，並在試驗過程中保持穩定； (4)通過軸向加壓裝置、傳力杆和加壓塞給巖土試樣施加主應力差Ac，則垂直方向的主應力c = CiI Ac ； (5)通過灌漿泵、灌漿管及灌漿濾管在一定灌漿壓力P作用下把一定水灰比的水泥漿液灌注入巖土試樣中，形成一定擴散半徑R的注漿體，漿液擴散半徑R小於巖土試樣半徑，同時通過壓力傳感器和流量計分別記錄相應的灌漿壓力P和灌漿量V ； (6)卸去灌漿壓力，旋開管道接頭，斷開灌漿管與灌漿泵等其它設備的連接，在灌漿管與灌漿濾管內插入衝水管衝洗裡面的殘餘漿液，14天以後，重新接通管道接頭，使灌漿管與灌漿泵等其它設備重新連接，通過灌漿泵、灌漿管及灌漿濾管在一定壓力Pw作用下向巖土試樣中壓水，待壓水呈穩定狀態的流量Q，通過壓力傳感器與流量計分別記錄相應的水壓力Pw與穩定流量Q ； (7)根據達西定律與水利水電工程鑽孔壓水試驗規程SL31-2003，採用q=Q/L*PW，計算巖土試樣的透水率；式中，q為試樣的透水率，單位是Lu ；L為試樣的長度，單位是m ；Q為穩定流量，單位是L/min ；PW為試驗壓力，單位是Mpa ； (8)卸去軸向主應力差Λc，通過軸向加壓裝置、傳力杆使加壓塞上移，然後通過周圍壓力系統卸去周圍的壓力C3，通過圍壓管排除周圍壓力室內的水，取出巖土試樣，測量漿液擴散半徑R ； (9)採用試驗設計安排中的不同的巖土試樣，採用不同的灌漿壓力、水灰比、軸向應力C1以及周 圍壓力C3，按照步驟(I)至步驟(8)重複進行，將數據輸入計算機處理與分析，得出漿液擴散半徑與灌漿後透水率與介質結構即孔隙度和滲透係數，灌漿壓力，注漿時間，水灰比等參數在複雜應力條件下的函數關係式。
全文摘要
本發明公開了一種模擬複雜應力作用下室內灌漿試驗裝置及其試驗方法。本發明主要是將巖土試樣包裹橡皮膜，其上、下面分別設上透水石和下透水石，放置在密閉的周圍壓力室內；上透水石上設有加壓塞，加壓塞通過傳力杆連接到軸向加壓裝置上；圍壓管與周圍壓力室聯通，其外端與周圍壓力系統連接；反壓力管與上透水石連接，其外端與反壓力系統連接；置於巖土試樣軸心的灌漿濾管通過灌漿管與灌漿泵和漿桶等設備連接。通過真實模擬深部複雜應力和地下水壓力耦合作用，得出巖土體灌漿中漿液擴散半徑與灌漿後結石體滲透係數值及與相關參數間的函數關係。本發明縮短了試驗所需時間，便捷、可靠和準確。
文檔編號G01N15/08GK103018152SQ20121055890
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者陳偉, 賀建清, 戴習東, 朱建群, 王志斌, 崔大田 申請人:湖南科技大學