三维可调式高承压大动水注浆系统及试验方法与流程

本公开属于岩土模型试验领域，尤其涉及一种三维可调式高承压大动水注浆系统及试验方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，国内外学者针对大埋深地下工程中的灾害防治研制了一系列的试验装置，一定程度上推动了岩土介质注浆理论的发展，但也存在一定的不足。诸如，试验装置尺寸固定、施加压力的维度有限且压力较低、注浆试验多为静水环境或者提供的动水压力较低，这与很多大埋深地下工程的实际背景相矛盾。

发明人发现，现有的动水注浆试验装置，还存在以下不足之处：

1)试验装置的尺寸普遍较小且尺寸固定，试验装置的利用率较低。

2)仅能模拟单一平板裂隙或蒙特卡洛型交叉裂隙，不能模拟卵砾石、砂土之类的多孔介质。

3)承压筒内存储的浆液量有限且无法观测筒内浆液面的位置，承压筒缺少泄压装置，注浆过程中不安全；通过调节水箱高度来调节进水压力，以此得到的进水压力较小；装置的可调性较差，适用范围较窄，无法实现高承压状态下的大动水注浆。

4)试验装置所承受的注浆压力较低，无法开展高压下浆液扩散规律的试验研究。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种三维可调式高承压大动水注浆系统，其能够任意调整试验装置尺寸、真实模拟高承压状态岩土介质、大动水压力注浆及全过程实时监测流体动态参数和岩土介质压力参数。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种三维可调式高承压大动水注浆系统，包括：

模型舱架，其由上板、下板、左板、右板、前板和后板构成，上板和下板由若干个第一基本模块构成；左板和右板由若干个第二基本模块构成；前板和后板由若干个第三基本模块构成；所述模型舱架用于填充岩土介质，且填充空间尺寸可调；

加载系统，其作用于模型舱架的上板及前板，实现对模型舱架内岩土介质施加不同的侧向应力和竖向压力，来模拟预设埋深承压状态下的受力条件；

注浆系统，其用于对模型舱架内的岩土介质进行注浆试验；

动水系统，其用于对模型舱架内的岩土介质注水，来模拟预设压力及预设流量的动水；

监测系统，其用于监测模型舱架内岩土介质的受力情况、内部孔隙水压力及水流信息。

作为一种实施方式，所述第一基本模块设置有第一肋板；所述第一肋板用于连接任意两个相邻的第一基本模块。

作为一种实施方式，所述第二基本模块设置有第二肋板；所述第二肋板用于连接任意两个相邻的第二基本模块。

作为一种实施方式，所述第三基本模块设置有第三肋板；所述第三肋板用于连接任意两个相邻的第三基本模块。

本实施例的模型舱架由不同的基本模块组成，通过使用不同数量的基本模块，可以设计成不同尺寸的模型舱架，使得模型舱架可调性好，且提高了模型舱架的利用率。

作为一种实施方式，所述加载系统包括油泵，所述油泵与第一液压千斤顶和第二液压千斤顶分别相连，所述第一液压千斤顶和第二液压千斤顶分别作用于模型舱架的上板和前板上并进行施加预设压力。

本实施例对舱内岩土介质施加不同的侧向应力和竖向压力，所施加的压力范围较大且压力峰值较高，可模拟大埋深高承压状态下的受力条件。

作为一种实施方式，所述第一液压千斤顶设置在反力钢架，反力钢架还与支柱相连，支柱用于支撑反力钢架。

具体地，支柱锚定于地面上，这样用来稳定支撑反力钢架，提高了第一液压千斤顶的工作稳定性。

作为一种实施方式，前板上设置有加压板，所述第二液压千斤顶直接作用于加压板上。

通过在前板上设置有加压板，第二液压千斤顶直接作用于加压板上，避免第二液压千斤顶施压过大而对模型舱架造成损坏。

作为一种实施方式，所述注浆系统包括注浆泵，所述注浆泵与进浆管相连，所述进浆管与注浆管相连，所述注浆管伸入至模型舱架内，模型舱架内还设有出浆管，所述出浆管的另一端伸出模型舱架。

作为一种实施方式，所述动水系统包括自动供水器，所述自动供水器与空气压缩机和储水箱分别相连，所述空气压缩机用于调节供水压力，储水箱用于为自动供水器提供水源；自动供水器通过进水管向模型舱架内岩土介质注水。

其中，自动供水器的供水压力可依据空气压缩机进行调节，且水源供给及时，能够模拟高压力大流量的动水。

作为一种实施方式，所述监测系统包括土压传感器、渗压传感器和流量计；土压传感器、渗压传感器和流量计用于分别监测模型舱架内岩土介质的受力情况、内部孔隙水压力及水流信息并传送至监测平台。

为了解决上述问题，本公开的第二个方面提供一种三维可调式高承压大动水注浆系统的试验方法，其能够任意调整试验装置尺寸、真实模拟高承压状态岩土介质、大动水压力注浆及全过程实时监测流体动态参数和岩土介质压力参数。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种三维可调式高承压大动水注浆系统的试验方法，包括：

a.根据预设试验装置尺寸，选定上板、下板、左板、右板、前板和后板中各自使用基本模块的数量，构建出密封的模型舱架；

b.采用进油管和回油管将液压千斤顶与油泵相连，调试液压千斤顶的升降；

c.通过输入管将自动供水器与空气压缩机、储水箱相连，设定自动供水器的供水压力和水量；

d.在模型舱架内填充被注岩土介质，同步布置渗压传感器和土压传感器；每铺填预设厚度时采用静压压实，最终将渗压传感器和土压传感器的电缆传输线连接于监测平台；

e.待模型舱架内岩土介质填满后，放置上板；同时对前侧加压板和上板施加压力，在竖向和侧向上充分压实岩土介质；然后重新打开上板，继续填满被注介质；最终盖封上板，将注浆管插入岩土介质内；再次开启前侧加压板和上板上的千斤顶，对模型舱架施加设计的围压；

f.通过进浆管将注浆泵与注浆管相连，并采用注浆泵进行注水试验，检查注浆系统的运行情况、模型舱架的密封性及监测系统数据采集情况；

g.开启自动供水器和空气压缩机，进行动水试验，按设计值调整动水的压力及流量；

h.开启注浆泵，进行注浆试验，监测浆液动态参数和岩土介质土压力参数；

i.拆卸各个系统，对加固后的岩土介质进行钻孔取芯，检查注浆效果。

作为一种实施方式，通过螺栓连接各基本模块，组成设计尺寸的上下板、左右板及前后板，各基本模块接缝处填垫橡胶止水板，并且在成型的模型舱架内部对各接缝均匀涂抹止水胶并粘贴止水胶条，以提高其密封性。

这样提高了装置的密封性；模型舱架内不仅可以填充各类裂隙介质还可以填充各类孔隙介质，适用范围较广。

本公开的有益效果是：

(1)模型舱架由不同的基本模块组成，通过使用不同数量的基本模块，可以设计成不同尺寸的模型舱架。

(2)对舱内岩土介质施加不同的侧向应力和竖向压力，所施加的压力范围较大且压力峰值较高，可模拟大埋深高承压状态下的受力条件。

(3)自动供水器的供水压力可依据空气压缩机进行调节，且水源供给及时，能够模拟高压力大流量的动水。

(4)试验装置强度较高，可以开展高压劈裂注浆或高压挤密注浆。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例的三维可调式高承压大动水注浆系统的俯视图。

图2是本公开实施例的三维可调式高承压大动水注浆系统的前视图。

图3是本公开实施例的三维可调式高承压大动水注浆系统的左视图。

其中，1.注水管；2-1.左板；2-2.右板；3.加压板；4.注浆管；5.液压千斤顶；6.油泵；7.进油管；8.回油管；9.注浆泵；10.进浆管；11.土压传感器；12.渗压传感器；13.监测平台；14.进水管；15.自动供水器；16.出浆管；17.反力钢架；18.支柱；19.储水箱；20.空气压缩机；21.输入管；22.流量计；23-1.前板；23-2.后板；24-1.上板；24-2.下板。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1-图3所示，一种三维可调式高承压大动水注浆系统及试验方法，包括模型舱架、加载系统、注浆系统、监测系统及动水系统。

模型舱架是由上板(24-1)、下板(24-2)、左板(2-1)、右板(2-2)、前板(23-1)和后板(23-2)组成，其中上板(24-1)、下板(24-2)各有6个第一基本模块，第一基本模块的尺寸是宽70cm、长50cm；左板(2-1)、右板(2-2)各有3个第二基本模块，第二基本模块尺寸是长50cm、高50cm；前板(23-1)和后板(23-2)各有2个第三基本模块，第三基本模块尺寸是宽70cm、高50cm，各模块通过高强螺栓组装成不同尺寸的上板(24-1)、下板(24-2)、左板(2-1)、右板(2-2)、前板(23-1)和后板(23-2)，然后上板(24-1)、下板(24-2)、左板(2-1)、右板(2-2)、前板(23-1)和后板(23-2)再组装成不同尺寸的模型舱架。

所述模型舱架填充空间尺寸是可调的，若上板(24-1)、下板(24-2)、左板(2-1)、右板(2-2)、前板(23-1)和后板(23-2)均使用1个基本模块时，模型舱架的空间尺寸是50cm×70cm×50cm(长×宽×高)；上板(24-1)、下板(24-2)各使用3个基本模块、左板(2-1)、右板(2-2)各使用3个基本模块、前板(23-1)和后板(23-2)各使用1个基本模块时，模型舱架的空间尺寸是150cm×70cm×50cm(长×宽×高)；若上板(24-1)、下板(24-2)各使用6个基本模块、左板(2-1)、右板(2-2)各使用3个基本模块、前板(23-1)和后板(23-2)各使用2个基本模块时，模型舱架的空间尺寸是150cm×140cm×50cm(长×宽×高)。

所述基本模块均设置肋板，通过高强螺栓连接不同基本模块间的肋板以组成不同尺寸的上板(24-1)、下板(24-2)、左板(2-1)、右板(2-2)、前板(23-1)和后板(23-2)，然后上板(24-1)、下板(24-2)、左板(2-1)、右板(2-2)、前板(23-1)和后板(23-2)再组装成模型舱架。

具体地，上板(24-1)设置注浆管(4)，左板(2-1)设置注水管(1)，右板(2-2)设置出浆管(16)，前板(23-1)设置加压板(3)。

加载系统由油泵(6)、液压千斤顶(5)、进油管(7)及回油管(8)组成，液压千斤顶(5)分别安置于加压板(3)及上板(24-1)，上板(24-1)处的液压千斤顶(5)配置有反力钢架(17)和支柱(18)，支柱(18)锚定于地面。

其中，所述油泵(6)通过进油管(7)和回油管(8)与液压千斤顶(5)相连，进油管(7)和回油管(8)直径均为10mm。

需要说明的是，在其他实施例中，进油管(7)和回油管(8)直径可根据实际情况来由本领域技术人员自行设定。

注浆系统包括注浆泵(9)和进浆管(10)，注浆泵(9)通过进浆管(10)与注浆管(4)相连。

在本实施例中，注浆管(4)直径25mm，注水管(1)和出浆管(16)直径均为10mm。所述注浆泵(9)为单液注浆泵或双液注浆泵，进浆管(10)直径为25mm，进浆管(10)与注浆管(4)通过高压球阀相连。

需要说明的是，在其他实施例中，注浆管、注水管、出浆管和进浆管的直径可根据实际情况来由本领域技术人员自行设定。

监测系统由土压传感器(11)、渗压传感器(12)、流量计(22)及监测平台(13)组成。监测系统用于监测模型舱架内岩土介质的受力情况、内部孔隙水压力及水流信息。

其中，土压传感器(11)与渗压传感器(12)均为电阻式传感器，两者通过电缆传输线连接于监测平台(13)。

在具体实施中，动水系统由自动供水器(15)、空气压缩机(20)和储水箱(19)组成，自动供水器(15)通过输入管(21)与空气压缩机(20)、储水箱(19)相连，自动供水器(15)通过进水管(14)向模型舱架内岩土介质注水。

例如：加载系统，其作用于模型舱架的上板及前板，实现对模型舱架内岩土介质施加不同的侧向应力和竖向压力，来模拟山岭隧道埋深50m～500m的承压状态下的受力条件。

例如：动水系统，其用于对模型舱架内的岩土介质注水，来模拟水压≥1mpa，水量≥125l/(min·10m)的动水。

本实施例的一种三维可调式高承压大动水注浆系统的试验方法，包括以下步骤：

a.根据预设试验装置尺寸，选定上板、下板、左板、右板、前板和后板中各自使用基本模块的数量，构建出密封的模型舱架；

具体地，通过螺栓连接各基本模块，组成设计尺寸的上下板、左右板及前后板，各基本模块接缝处填垫橡胶止水板，并且在成型的模型舱架内部对各接缝均匀涂抹止水胶并粘贴止水胶条，以提高其密封性；

b.采用进油管和回油管将液压千斤顶与油泵相连，调试液压千斤顶的升降；

c.通过输入管将自动供水器与空气压缩机、储水箱相连，设定自动供水器的供水压力和水量；

d.在模型舱架内填充被注岩土介质，同步布置渗压传感器和土压传感器；每铺填预设厚度时采用静压压实，最终将渗压传感器和土压传感器的电缆传输线连接于监测平台；

e.待模型舱架内岩土介质填满后，放置上板；同时对前侧加压板和上板施加压力，在竖向和侧向上充分压实岩土介质；然后重新打开上板，继续填满被注介质；最终盖封上板，将注浆管插入岩土介质内；再次开启前侧加压板和上板上的千斤顶，对模型舱架施加设计的围压；

f.通过进浆管将注浆泵与注浆管相连，并采用注浆泵进行注水试验，检查注浆系统的运行情况、模型舱架的密封性及监测系统数据采集情况；

g.开启自动供水器和空气压缩机，进行动水试验，按设计值调整动水的压力及流量；

h.开启注浆泵，进行注浆试验，监测浆液动态参数和岩土介质土压力参数；

i.拆卸各个系统，对加固后的岩土介质进行钻孔取芯，检查注浆效果。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。