CN206114469U - 一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置，属于岩土工程技术领域，该装置在动水条件下砂土填充裂隙中膨润土浆液扩散规律研究以及注浆堵水效果试验研究。在水头压力、注水流量、注浆压力等参数设定好的条件下进行注浆，在试验模型箱内铺设好特制的橡胶垫，相对应的小孔位置设置好注浆管以及压力测量装置，其外端连接好注水装置、注浆装置和废液收集装置，进行浆液配置，对该装置进行注水后，再进行注浆。本装置进行了一维注浆模拟试验，以此研究了渗流条件下填充裂隙内注浆时的压力分布情况及其随浆液扩散的变化规律，提高了注浆的效率。

Description

一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置，属于岩土工程技术领域。

背景技术

在目前的岩土工程注浆方法中，通过一定压力把浆液注入岩土层后，浆液的渗流在很大程度上被动地取决于水动力条件和岩土介质裂隙、孔隙的分布情况，常常无法准确到达治理位置，以至于无法评估注浆后止水的效果，造成材料大量浪费和工时拖延，注浆效果差。

实用新型内容

目前，针对动水条件下地层注浆止水试验的研究很少，本实用新型的目的在于提供一种动水条件下的注浆方法。并通过试验对注浆后的止水效果进行检测。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置，该装置包括高位水槽(1)、水压力读数仪(2)、流量计(3)、进水阀门(4)、千斤顶(5)、注浆孔(6)、玻璃盖板(7)、废液收集装置(8)、压力表(9)、储浆槽(10)、压力变送器读数仪(11)、DV摄像机(12)、模型箱。模型箱为本试验装置的主体，模型箱水平布置，模型箱的两端由千斤顶(5)支撑，底部设有数个均匀布置的孔，顶部盖有玻璃盖板(7)；模型箱的一端连接有高位水槽(1)，另一端连接有废液收集装置(8)，高位水槽(1)与模型箱的连接管路中设有水压力读数仪(2)、流量计(3)、进水阀门(4)，水压力读数仪(2)设置在模型箱一侧的进水口处，进水阀门(4)设置在连接管路中间，流量计(3)设置在进水阀门(4)的一侧；数个均匀布置的孔中，一个孔选为注浆孔(6)并与储浆槽(10)连接，该注浆孔(6)与储浆槽(10)连接的管路上设有压力表(9)；其余孔为测压孔，测压孔分别与压力变送器读数仪(11)连接；DV摄像机(12)架设注浆孔(6)的正上方。

高位水槽(1)的设置高度大于玻璃盖板(7)的设置高度。

模型箱内设有模拟裂缝宽度改变的橡胶垫。

本试验装置各个接口处均用生胶带、保鲜膜及膨润土泥作密封处理。

试验中采用水管和高位水槽(1)提供一定的水头高度，并连接水压力读数仪(2)随时监测注入模型箱的水压力变化，水压系统与模拟箱系统采取密封连接，在进水口处有阀门开关(4)连接。为了减小实验误差，用流量计(3)对注入模型箱的水流量进行监测。

注浆系统采用注浆泵，压力采用压力表(9)进行控制，通过观测压力表(9)的读数将配置好的浆液储浆槽(10)从注入到模型箱中。

试验中采用智能静态巡测仪数据处理系统(11)对注浆过程中的渗透压力进行监测，试验前将渗压计设置在注浆主体内，对动水条件下和注浆过程中液体产生的渗透压力变化进行实时观测。选定一个孔作为注浆孔，其他的孔便可用来测压孔。

本装置除了对注水压力、注浆压力和浆液中膨润土比例等因素进行了讨论外，还加入了地层倾角和裂缝宽度等因素，使试验结果更具参照性。在模型箱两侧位置放置千斤顶(5)来顶起一定的角度来模拟地层倾角；在模型箱中放入特制的橡胶垫来模拟裂缝宽度的变化。最后，为了不污染试验环境，从出水口流出的水通过废液收集装置(8)收集；在注浆孔的正上方架设DV摄像机(12)及时观察浆液扩散的情况。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型装置体积小、重量轻、安装使用方便。注水压力与注浆压力便于控制，并且压力测量装置与DV摄像机的设置可以及时地观察注浆后的浆液扩散情况以及止水效果，提高注浆的准确度和效果，节省材料。

2、本试验装置在动水条件注浆的基础上还加入了地层倾角和裂缝宽度等因素，使试验结果更具参照性。

3、本实用新型装置所使用材料均可从市场采购成品，且装置整体结构简单无特殊结构要求。

附图说明

图1为本实用新型的试验装置图。

图2为本实用新型的模型箱系统尺寸图。

图3为本实用新型的试验模型箱角度改变示意图。

图4为本实用新型的试验模型箱裂缝宽度改变示意图。

图中：1、高位水槽，2、水压力读数仪，3、流量计，4、进水阀门，5、千斤顶，6、注浆孔，7、玻璃盖板，8、废液收集装置，9、压力表，10、储浆槽，11、压力变送器读数仪，12、DV摄像机。

具体实施方式

一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置，该装置包括高位水槽(1)、水压力读数仪(2)、流量计(3)、进水阀门(4)、千斤顶(5)、注浆孔(6)、玻璃盖板(7)、废液收集装置(8)、压力表(9)、储浆槽(10)、压力变送器读数仪(11)、DV摄像机(12)、模型箱；

模型箱为本试验装置的主体，试验设计时需要考虑到箱体的密封性，所以试验模型箱四周采用钢板铸成防止漏气，其尺寸：长102cm、宽50cm、厚度2cm，两边的边沿各4cm，模型箱的孔(6)分布及尺寸标示(以cm为单位)如图2所示，每个孔的距离间隔为10cm，小孔的直径为8mm，模型箱内设有模拟裂缝宽度改变的橡胶垫，如图4所示。此外，模型箱还配有玻璃盖板(7)，盖板上沿小孔分布方向上标有刻度，为了研究浆液扩散时的变化规律。在模型箱的两边各有一个千斤顶(5)，用来改变模型箱的角度。

试验中采用水管和高位水槽(1)提供一定的水头高度，并连接水压力读数仪(2)随时监测注入模型箱的水压力变化，水压系统与模拟箱系统采取密封连接，在进水口处有阀门开关(4)连接。为了减小实验误差，用流量计(3)对注入模型箱的水流量进行监测。

注浆系统采用注浆泵，压力采用压力表(9)进行控制，通过观测压力表的读数将配置好的浆液储浆槽(10)从注入到模型箱中。

试验中的压力变送器读数仪(11)采用智能静态巡测仪数据处理系统对注浆过程中的渗透压力进行监测，试验前将渗压计设置在注浆主体内，对动水条件下和注浆过程中液体产生的渗透压力变化进行实时观测。选定一个孔作为注浆孔，其他的孔便可用来测量孔压。

模型箱和玻璃板盖之间的密封相对比较复杂，也是试验的难点。经试验，膨润土泥是很好的密封材料，而且膨润土泥的稠稀可调，易于清理，简单易行，效果明显，尤其当用膨润土泥密封完之后，装好螺丝钉，再在四周用抹了膨润土泥的保鲜膜条裹在四周。此外，为了不污染试验环境，从出水口流出的水通过废液收集装置(8)收集；在注浆孔的正上方架设DV摄像机(12)及时观察浆液扩散的情况。

通过高位水槽(1)控制一定的水头高度，采用稳定的水柱高度模拟试验时所需的水压条件，配置不同比例的浆液放入储浆槽(10)内，通过压力表(9)的控制监测，用注浆泵来改变注浆压力，实现了在不同影响因素下动水环境中的注浆。

本试验装置还可以改变地层倾角，来研究动水条件下浆液的扩散规律和止水效果，具体操作为在模型箱两侧位置放置千斤顶(5)来顶起一定的角度。

本装置还可以从裂隙宽度这一影响因素来进行研究，使试验结果变得更加可靠，让注浆试验更具有参照性，具体操作为：在2cm厚度的试验模型箱里放入一块长度与模型箱相同，底边长为1.5cm的直角三角形形状的橡胶垫，并在橡胶垫上，与模型箱小孔对应的位置打上小孔，保证注浆和孔压力的测量，这样就可以实现在不同裂缝宽度条件下注浆扩散规律的研究，1.5cm的设置保证水可以在模型箱里顺利地流入和流出，模型箱示意图如图4所示，图4中的(a)表示沿液体流动的方向裂隙的宽度越来越大，图4中的(b)表示裂隙的宽度越来越小。

试验中通过布设渗压计对注浆过程中的孔隙水压力进行监测，通过压力变送器读数仪(11)读取数据，并对注浆前后孔隙水压力的变化情况进行分析，获得孔隙水压力和注浆止水效果之间的联系。试验中渗压计分别布设在注浆管两侧，相邻间距为10cm，布置方式与小孔布置方式一样，具体布置方式见图2。

本装置的实施流程如下：

S1在试验模型箱中选出注浆孔(6)，再将其余的小孔处设置好渗压计用来测量孔压。

S2注浆孔用50目无纺布及宽胶带粘上，防止填充物颗粒进入注浆孔以及注浆管道，进而堵塞注浆通道。

S3在试验模型箱中放入为本试验特制好的橡胶垫，然后在2厘米厚的剩余的空间内装入试验用填充物(试验模型箱中全部充填)，先在模型箱内多装入一些填充物，然后用一个比模型箱稍宽一些的矩形板状物把模型箱内多余的填充物抹除，保证模型箱内填充物足量充填，而不至于局部出现凸凹不平现象(每次试验需要称量模型箱中填充物的重量)。

S4将模型箱两端的进水口和出水口连接好，需要密封的地方做好密封工作，在模型箱的四周涂抹上一层膨润土泥，然后把玻璃盖板(7)盖在模型箱上，把螺栓螺丝钉都安装好之后。首次试验，以注浆孔为坐标原点，用直尺和标记笔，在玻璃板盖上作上尺度标记，做完标记，再用宽胶带把做好的尺度标记封住，防止后续试验过程中遇水消失。

S5将水槽(1)设置到预设高度并向其中装满水，打开进水阀门(4)，使水流经过模型箱后从出水口流出，待水流基本稳定后测定其水流量以及水压。

S6将渗压计与智能静态巡测仪数据处理系统(11)连接好，准备开始数据采集；将按配方配好的浆液加入到储浆槽(10)里，连接好各装置，保证各管路及设备的通畅和良好，准备注浆。

S7打开进水阀门(4)，进行数据采集，开始注浆，通过控制注浆压力表(9)保持稳压注浆，把DV录像机(12)装在三脚架上，放在模型箱正上方固定位置，观察浆液扩散半径，并且要随时观察出水口水流变化情况，待浆液扩散距离不再增大或者浆液已经扩散到模型箱边界，试验结束。

S8试验结束，关闭各个设备，清洗各个仪器，变换设计因素，重复以上步骤进行下一组试验。

影响浆液扩散距离、注浆量大小以及浆液堵水效果的因素有很多，例如注浆压力，浆液水灰比等，在进行注浆模拟试验时，还可以改变很多因素，如水压力及流量大小，填充物的种类、注浆孔位置的选择等。本试验装置的优势为还可以改变模型箱的倾角、模拟裂隙的宽度。本试验装置安装及操作简便，针对试验目的，考虑一定的实验误差因素，尽可能模拟出实际地层的状态，以作为实际注浆施工的参考。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例

采用本试验装置对动水环境下注浆进行了模拟实验，试验模型箱如上图所示，选择注浆孔6作为注浆孔，其他的小孔用来测量孔压力，模型箱的两侧分别有两个2cm长的空凹槽，用来设置进水和出水口以及水压计。本次试验采用细粒径石英砂进行试验研究，根据土工试验规范进行室内基本土工试验得到试验砂样的物理性质指标及砂样粒径分布情况，见表1和表2。

表1石英砂密度和孔隙比

表2 300g样品石英砂试验砂样粒径分布表

试验所采用的注浆浆液是用市售的钠基膨润土加水混合搅拌而成。试验中用到3种不同配比的膨润土浆液。如表3所示。

表3不同配比的膨润土浆液

根据动水头高度的不同分别设置为0.5m、1.0m、和1.5m；根据注浆压力的不同，注浆压力分别为10kPa、20kPa和40kPa；根据不同配比的膨润土浆液，水和膨润土的质量比分别为5:1、4:1和3:1，总共进行九组试验。本次试验的三个影响因素主要包括浆液的水灰比、水头高度以及注浆压力。按照上述的试验步骤进行试验，依次改变变量重复试验，对试验的结果进行分析。

试验结果与分析

每组试验结果的分析方法，采用的是图片图像与浆液扩散距离图像相结合来分析。图片图像上，每组选注浆过程之中浆液扩散距离从开始出现到不再变大或浆液扩散到模型箱边界的时间段中的图片来说明浆液扩散的过程；浆液扩散距离图像上，一个沿长度方向，根据水流方向分为逆水方向的扩散距离和顺水方向的扩散距离，另一个沿宽度方向(规定较长坐标线为长度方向)，来说明浆液扩散距离随时间变化。

动水压力的影响

动水条件采用水头高度H分别为0.5m、1.0m和1.5m的稳定水头，注浆压力P为40kPa，水和膨润土质量比为4:1，试验结果见表4所示。

表4水头高度不同时浆液扩散有效长度

由表中数据可以看出，在其他因素一定的情况下，随着水头高度的增大，浆液在逆水段和顺水段的扩散距离均在增大，水头压力对逆水段的影响小于顺水段，导致逆水段浆液扩散距离的增大值较小，顺水段浆液扩散距离的增大值较大，且在水头高度一定的情况下，顺水段浆液的扩散距离比逆水段浆液扩散距离大。

注浆压力的影响

动水压力的水头高度H为1.5m，注浆压力P为10kPa、20KPa和40kPa，水和膨润土质量比为4:1，试验结果见表5所示。

表5注浆压力不同时浆液扩散有效长度

由表中数据可以看出，在其他因素一定的情况下，随着注浆压力的增大，浆液在逆水段和顺水段的扩散距离均在增大，逆水段和顺水段浆液扩散距离增大均较明显，这说明注浆压力对浆液扩散距离影响较大；且在一定的注浆压力情况下，顺水段浆液的扩散距离均比逆水段浆液扩散距离大。

水和膨润土质量比的影响

动水压力的水头高度H为1.5m，注浆压力为P为40KPa，水和膨润土质量比为5:1、4:1和3:1，试验结果见表6所示。

表6水和膨润土质量比不同时浆液扩散有效长度

由表中数据可以看出，在其他因素一定的情况下，随着膨润土比例的增大，浆液在逆水段和顺水段的扩散距离均在减小，逆水段和顺水段浆液扩散距离减小均较明显，这说明膨润土加量对浆液扩散距离影响较大；且在一定的膨润土加量情况下，顺水段浆液的扩散距离均比逆水段浆液扩散距离大。试验结果可知，5:1的浓度最有利于浆液扩散速度和浆液最后扩散距离，但考虑注浆封堵效果，具体工程上要用什么浓度的浆液还需要试验的深入研究。

地层倾角的影响

本试验装置还可以改变倾角，来研究动水条件下浆液的扩散规律和止水效果，具体操作为在模型箱两侧位置放置千斤顶，可变倾角选定为0°、15°、30°，如下图3所示。本次试验动水压力的水头高度H为1.5m，注浆压力P为40kPa，水和膨润土质量比为4:1，从试验结果可知角度顶起越大，顺水段浆液扩散距离越大，逆水段浆液扩散距离越小。

以上仅为本实用新型所列举的较佳实施例，并非用以限制本实用新型的保护范围，所属技术领域中的普通技术人员运用本实用新型所作的等效修饰或变化，均同理应属于本实用新型的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置，其特征在于：该装置包括高位水槽(1)、水压力读数仪(2)、流量计(3)、进水阀门(4)、千斤顶(5)、注浆孔(6)、玻璃盖板(7)、废液收集装置(8)、压力表(9)、储浆槽(10)、压力变送器读数仪(11)、DV摄像机(12)、模型箱；模型箱为本试验装置的主体，模型箱水平布置，模型箱的两端由千斤顶(5)支撑，底部设有数个均匀布置的孔，顶部盖有玻璃盖板(7)；模型箱的一端连接有高位水槽(1)，另一端连接有废液收集装置(8)，高位水槽(1)与模型箱的连接管路中设有水压力读数仪(2)、流量计(3)、进水阀门(4)，水压力读数仪(2)设置在模型箱一侧的进水口处，进水阀门(4)设置在连接管路中间，流量计(3)设置在进水阀门(4)的一侧；数个均匀布置的孔中，一个孔选为注浆孔(6)并与储浆槽(10)连接，该注浆孔(6)与储浆槽(10)连接的管路上设有压力表(9)；其余孔为测压孔，测压孔分别与压力变送器读数仪(11)连接；DV摄像机(12)架设注浆孔(6)的正上方。

2.根据权利要求1所述的一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置，其特征在于：高位水槽(1)的设置高度大于玻璃盖板(7)的设置高度。

3.根据权利要求1所述的一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置，其特征在于：模型箱内设有模拟裂缝宽度改变的橡胶垫。

4.根据权利要求1所述的一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置，其特征在于：本试验装置各个接口处均用生胶带、保鲜膜及膨润土泥作密封处理。