一种孔隙介质浆液渗透扩散试验系统和设计操作方法与流程

1.本发明涉及岩土与地下工程注浆防水加固实验技术领域，尤其涉及一种孔隙介质浆液渗透扩散试验系统和设计操作方法。


背景技术：

2.注浆技术是将满足工程要求的适宜性浆液材料通过压力设备直接或间接压入岩土体，以改变岩土体的组成、结构和受力，待浆液凝固后形成复合体，改善其物理力学性能，达到防水、加固或纠偏的工程目的。广泛的应用于边坡工程、地基工程、堤坝工程和地下工程，拥有防水、加固和纠偏三大工程功能，具体包括抗渗、堵漏、治突、补强、保久、移位、顶升、成型、驱流、减摩、阻腐、隔气、灭火等，属于典型的“治水补强兼顾型”非开挖原位加固技术。针对不同的注浆对象和注浆目的可选用不同的注浆形式，如封底注浆、充填注浆、渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、冲剪注浆、喷射注浆、搅拌注浆和复合注浆等。对于孔隙介质，如砾石、卵石、砂土、粉质砂土等，在浆液满足可注性和流动性的前提下，渗透注浆是常用的注浆形式。那么，浆液渗透过程中的影响因素、扩散距离(或有效扩散距离)、注浆量、孔隙压力、渗流特征、渗滤效应(颗粒型浆材)、填充效果、微观作用和它们之间的相互关系等注浆机制问题是工程设计施工的依据，而这些问题只有通过模型试验才能得到科学合理的解答。因此，发明一种“孔隙介质浆液渗透扩散试验系统”并对其设计操作方法进行说明是有必要的。


技术实现要素：

3.本发明的实施例提供了“一种孔隙介质浆液渗透扩散试验系统和设计操作方法”，以克服现有技术的问题。
4.为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：
5.一种孔隙介质浆液渗透扩散试验系统和设计操作方法，包括：
6.试验系统主要由4部分组成，包括模型台架、储浆装置、加压设备和量测仪器。其中，(1)模型台架由注浆管和模型架组成。注浆管由多节有机玻璃管、法兰、盖板、压板和4根对拉杆等组成，模型架由底座和4根系杆组成，注浆管坐落在模型架底座上，每根系杆和对拉杆相互连接。(2)储浆装置由储浆罐和内置搅拌杆组成。储浆罐由有机玻璃制作，顶盖上有倒浆口、注气口和控制器，下部有出浆口，顶盖和储浆罐底板通过8根对拉杆连接，储浆装置坐落在底座和电子称上。(3)加压设备由空压机和调压阀组成，压力量程根据试验需要进行选择。(4)量测仪器包括电子称、压力表、孔压计、量筒、量杯、秒表、采集仪、计算机和摄像机等。图1为一种试验系统组件示意图。
7.特别地，注浆管由多节有机玻璃圆管通过法兰连接而成，顶部和底部均有盖板，分别设进浆口和出浆口，法兰连接处均安放硅胶防水圈。在顶部和底部分别安放压板并通过4根对拉杆连接。在上盖板内侧放置钢丝滤网。首节注浆管设有“过渡仓”，过渡仓高度为1.0～2.0cm。
8.特别地，注浆管放置在设有4根系杆的模型架底座上，通过和对拉杆连接来保证注浆管的整体稳定性。
9.特别地，储浆罐顶盖上分别设倒浆口、注气口和搅拌杆控制器，顶盖和储浆罐接触面中心圆处设一圈柔性防水条。下方设出浆口，顶盖和底板通过8根对拉杆连接，储浆罐内设搅拌杆。
10.特别地，孔压计引线从法兰板上引出，法兰板上刻“半圆柱形”小槽，刻制位置要避开螺栓孔，引线放置后用透明弹力胶填塞。
11.特别地，注浆管内径以“平面颗粒至少满足一个完整级配”为原则，计算“平面颗粒满足一个完整级配”的等效直径，将该等效直径作为注浆管内径的最佳取值，把这种方法称为“平面颗粒级配等效直径法”，把这种现象称为“尺寸效应”，即试验土样颗粒的相对大小对试验结果真实性或代表性的影响。
12.特别地，试验系统的操作过程包括材料准备、模型填装、组件连接、压力试水、浆液配置、注浆实施、数据量测和停注拆卸。
13.由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的浆液渗透扩散试验系统能用于研究不同注浆压力下不同浆液在不同孔隙介质中的渗透扩散规律，开展考虑土体类型、颗粒级配、孔隙率、浆液配比、注浆压力、注浆时间等的多因素多水平试验。其中，渗透扩散规律包括影响因素、扩散距离(或有效扩散距离)、注浆量、孔隙压力、渗流特征、渗滤效应(颗粒型浆材)、填充效果和微观作用等，即研究不同对象随时间、空间或时空的变化，以及它们之间的相互关系。
14.该试验系统除了能对不同研究对象在多因素影响下的的渗透扩散规律进行实现外，还具有以下特点：
15.(1)注浆材料可选范围大。储浆罐自带内置搅拌杆，能有效的防止颗粒型浆液因稳定性差而发生离析现象，亦能将双液或多液进行充分拌合，较好的保证注浆效果。因此，该试验系统不仅适应于化学浆材，也能用于颗粒型浆材。
16.(2)浆液材料能随时添加。储浆罐顶盖上同时设有倒浆口和注气口，在浆液量不够时，暂时停止注气，将已拌合好的浆液快速倒入储浆罐，然后继续注浆。
17.(3)试验过程能实时量测。试验过程中，注浆压力、浆液流量、浆液压力、扩散距离、注浆时间、孔隙压力和渗流量均能实现实时量测记录。
18.(4)注浆管道能拼接拆卸。注浆管由多节有机玻璃管通过法兰板连接而成，试验完毕后，在胶结体强度较低时，可进行逐节拆卸和循环利用。
19.(5)工程现场能快速组装。该试验系统体积小、质量轻、可拆卸、组件易获得或加工，方便长距离运输，可在工程现场进行组装和试验。
20.综上，该试验系统具有多功能、可视化、易移动的特点。
21.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本
领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例提供的一种试验系统组件示意图；
24.图2为本发明实施例提供的一种注浆管横断面示意图；
25.图3为本发明实施例提供的一种注浆管纵剖面示意图；
26.图4为本发明实施例提供的一种含过渡仓注浆管纵剖面示意图；
27.图5为本发明实施例提供的一种注浆管端部盖板平面示意图；
28.图6为本发明实施例提供的一种硅胶防水圈示意图；
29.图7为本发明实施例提供的一种注浆管上下压板平面示意图；
30.图8为本发明实施例提供的一种钢丝滤网平面示意图；
31.图9为本发明实施例提供的一种储浆罐横断面示意图；
32.图10为本发明实施例提供的一种储浆罐顶盖平面示意图；
33.图11为本发明实施例提供的一种“半圆柱形”小槽示意图；
34.图12为本发明实施例提供的一种首节注浆管过渡仓示意图；
35.图13为本发明实施例提供的一种不同粒径颗粒分布示意图；
36.图14为本发明实施例提供的一种试验系统操作流程；
具体实施方式
37.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
38.试验系统是通过空压机供压、调压阀控压，首先将气压传递施加于储浆罐中的浆液，然后浆液在压力的作用下流动至注浆管中的孔隙介质并在其中渗透，最后浆液从出浆口流出。在此过程中，通过量测仪器获取不同试验工况下的扩散距离、注浆量、孔隙压力和渗流量等参数变化，然后通过多种工况下的试验和数据对比分析，对孔隙介质浆液渗透扩散规律进行总结分析，如扩散距离和影响因素之间的关系、影响因素的敏感性、孔隙压力和渗流量的变化、浆液稠度的变化、填充效果(渗流系数、抗压强度、抗剪强度和变形模量等判定指标)等。
39.本发明实施例提供的浆液渗透扩散试验系统的连接方法包括：
40.(1)注浆管由多节有机玻璃圆管通过法兰连接而成，顶部和底部均有盖板，分别设进浆口和出浆口，法兰连接处均安放硅胶防水圈。为保证注浆管的整体性和垂直度，在顶部和底部分别安放压板并通过4根对拉杆连接。为防止孔隙介质材料被浆液携带流出，在上盖板内侧放置钢丝滤网，滤网孔径为浆液材料中颗粒最大粒径的2～3倍，且小于孔隙介质颗粒的最小粒径。图2～图8为一种注浆管组件示意图。
41.(2)注浆管放置在设有4根系杆的模型架底座上，系杆的高度等于注浆管高度的一半，通过和对拉杆连接来保证注浆管的整体稳定性。其中，系杆和底座的连接为焊接或机械连接，系杆和对拉杆的连接用铁丝或其他形式的机械连接。
42.(3)储浆罐为有机玻璃制的圆筒，在顶盖上分别设倒浆口、注气口和搅拌杆控制器，顶盖和储浆罐接触面中心圆处设一圈柔性防水条，以保证密封性。图9和图10分别为一种储浆罐横断面和顶盖构造示意图。下方设出浆口，顶盖和底板通过8根对拉杆连接，以保
证储浆罐不漏气和其安全性。储浆罐内设搅拌杆，能实现罐内搅拌，适宜于稳定性较差的颗粒型浆材注浆，以防止其发生离析，以及双液或多液复合注浆。储浆罐连同底座一起放置在电子称上，试验过程中实时记录其质量或体积变化。
43.(4)储浆罐和注浆管之间通过输液管连接，端头采用活接插头。输液管上分别安放阀门和压力表。为防止浆液回流和方便及时拆洗，阀门内含有止回阀片，且阀门安放位置更接近进浆口。
44.(5)空压机和储浆罐之间通过输气管连接，端头采用活接插头。输气管上安放调压阀，用于控制注浆压力。
45.(6)出浆口布设输液管，输液管上安放压力表和阀门。
46.(7)孔压计通过引线和采集仪连接，采集仪和计算机连接，通过数据采集软件采集和保存数据。其中，孔压计引线从法兰板上引出，法兰板上刻“半圆柱形”小槽，其半径小于法兰板的厚度且大于引线的直径，刻制位置要避开螺栓孔，引线放置后用透明弹力胶填塞。图11为一种“半圆柱形”小槽示意图。
47.本发明实施例提供的浆液渗透扩散试验系统的设计方法包括：
48.该试验系统中的模型架、储浆罐、空压机、调压阀、压力表等组件的规格或量程均根据实际需要进行常规化的制作或灵活选取，如：(1)法兰板连接螺栓、对拉杆、系杆的直径为6～8mm，盖板、压板的厚度为8～10mm。(2)储浆罐的体积为注浆管中介质孔隙体积的3～5倍。而注浆管的尺寸在试验系统中较为重要，需要基于一定的原则通过计算得出，因为注浆管的大小直接影响试验工作量和试验结果的可靠性。因此，下面就注浆管的设计方法进行重点说明。
49.(1)注浆管的形式
50.注浆管为有机玻璃透明圆管，除首节注浆管设有“过渡仓”外，其他五节注浆管均相同。图12为一种首节注浆管过渡仓示意图。
51.过渡仓的设置是为了防止孔隙介质流入和堵塞进浆口，同时也能使得浆液扩散相对均匀。过渡仓内所放材料相对试验材料粒径和孔隙率较大，且至少大于进浆口直径。过渡仓高度为1.0～2.0cm，太大则会引起浆液压力的过多损失。
52.注浆管的尺寸
53.注浆管尺寸包括长度、壁厚和内径，拼接后总长度为180～240cm(除过渡仓的高度)，单节长度根据试验结果的真实代表性和方便材料填装而定，取值范围为20.0～40.0cm(选5.0的整数倍)，如：拼接后总长度为180cm、单节长度为30.0cm，则需要6节进行拼接，壁厚根据注浆压力的大小而定，取值范围为1.0～3.0cm。
54.注浆管内径的大小则要根据孔隙介质粒径和颗粒级配而定。孔隙介质一定时，内径太大则增加材料数量和工作量，同时会导致不均匀扩散，影响试验结果的可靠性。而内径太小则不具备代表性，会导致试验结果失真，和实际相差较大。因此，有必要找到注浆管最佳内径的确定指标和方法。
55.图13为不同粒径颗粒在同一直径圆中的表现形态。可以看出，颗粒粒径越小，则容纳的颗粒数量越多、分布越均匀、越具有代表性，而颗粒粒径越大时，容纳的颗粒数量越少、分布不均匀、越不具代表性。这种“代表性”体现在“平面颗粒级配”和“实际颗粒级配”的一致性，所以注浆管内径受颗粒级配的影响，通常按“颗粒最大粒径或d95小于内径的1/10”进
行粗略取值。这里给出一种精确计算注浆管内径的方法，它以“平面颗粒至少满足一个完整级配”为原则，计算“平面颗粒满足一个完整级配”的等效直径，将该等效直径作为注浆管内径的最佳取值，把这种方法称为“平面颗粒级配等效直径法”，把这种现象称为“尺寸效应”，即试验土样颗粒的相对大小对试验结果真实性或代表性的影响。
56.为保证“平面颗粒级配”至少满足一个完整级配，现以“一个最大粒径颗粒”为例进行分析。假定土体颗粒为圆球形，质量配比如表1所示，取每一粒径范围的最大颗粒粒径进行计算，即d
max
、d3、d2、d1。
57.表1土体颗粒的质量配比
[0058][0059][0060]
则一个d
max
粒径颗粒的质量为：
[0061][0062]
式中，指粒径为d
max
的颗粒质量，单位：kg；
[0063]
ρ
d
指颗粒的干密度，单位：g/cm3；
[0064]
则满足一个d
max
粒径颗粒质量配比的其他粒径颗粒总质量分别是：
[0065][0066]
式中，指粒径为d3的颗粒总质量，单位：kg；
[0067]
指粒径为d2的颗粒总质量，单位：kg；
[0068]
指粒径为d1的颗粒总质量，单位：kg；
[0069]
则可以得到一个d
max
粒径颗粒需要级配的其他粒径颗粒个数，即：
[0070][0071]
式中，指粒径为d3的颗粒总个数；
[0072]
指粒径为d2的颗粒总个数；
[0073]
指粒径为d1的颗粒总个数；
[0074]
此时，根据每个粒径颗粒的个数，可计算出总的颗粒面积，然后再考虑孔隙率即可反算出其等效直径，即：
[0075][0076]
式中，d
e
指等效直径，单位：mm；
[0077]
n0指孔隙介质的孔隙率；
[0078]
则注浆管的最佳内径等于等效直径，为制作方便，取整数值。上述计算是按“满足一个颗粒级配”和“选取一个最大粒径颗粒”为准，如选取两个最大粒径颗粒，则将上述结果乘以如选取三个最大粒径颗粒，则将上述结果乘以以此类推。因此，d
e
、2d
e
、
……
均是注浆管内径的最佳值，但建议取最小值d
e
。那么，对于其他任一颗粒级配材料，均可参照上述计算方法进行注浆管最佳内径的确定。
[0079]
本发明实施例提供的浆液渗透扩散试验系统的操作方法包括：
[0080]
该试验系统的操作过程包括材料准备、模型填装、组件连接、压力试水、浆液配置、注浆实施、数据量测和停注拆卸。图14为一种试验系统操作流程。
[0081]
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种孔隙介质浆液渗透扩散试验系统和设计操作方法，其特征在于：试验系统主要由模型台架、储浆装置、加压设备和量测仪器4部分组成，能开展考虑土体类型、颗粒级配、孔隙率、浆液配比、注浆压力、注浆时间的多因素多水平试验，用于研究浆液在孔隙介质中的渗透扩散规律，首节注浆管设有“过渡仓”，高度为1.0～2.0cm，单节注浆管长度为20.0～40.0cm，壁厚为1.0～3.0cm，注浆管内径以“平面颗粒至少满足一个完整级配”为原则，计算其等效直径作为注浆管内径的最佳取值，注浆管拼接后总长度为180～240cm，操作过程包括材料准备、模型填装、组件连接、压力试水、浆液配置、注浆实施、数据量测和停注拆卸。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(1)、模型台架由注浆管和模型架组成，注浆管由多节有机玻璃管、法兰、盖板、压板和4根对拉杆组成，模型架由底座和4根系杆组成，注浆管坐落在模型架底座上，每根系杆和对拉杆相互连接；(2)、储浆装置由储浆罐和内置搅拌杆组成，储浆罐由有机玻璃制作，顶盖上有倒浆口、注气口和控制器，下部有出浆口，顶盖和储浆罐底板通过8根对拉杆连接，储浆装置坐落在底座和电子称上；(3)、加压设备由空压机和调压阀组成，压力量程可根据试验需要进行选择；(4)、量测仪器包括电子称、压力表、孔压计、量筒、量杯、秒表、采集仪、计算机和摄像机。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，注浆管由多节有机玻璃圆管通过法兰连接而成，顶部和底部均有盖板，分别设进浆口和出浆口，法兰连接处均安放硅胶防水圈，在顶部和底部分别安放压板并通过4根对拉杆连接，在上盖板内侧放置钢丝滤网，首节注浆管设有“过渡仓”，过渡仓高度为1.0～2.0cm。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，注浆管放置在设有4根系杆的模型架底座上，通过和对拉杆连接来保证注浆管的整体稳定性。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，储浆罐顶盖上分别设倒浆口、注气口和搅拌杆控制器，顶盖和储浆罐接触面中心圆处设一圈柔性防水条，下方设出浆口，顶盖和底板通过8根对拉杆连接，储浆罐内设搅拌杆。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，孔压计引线从法兰板上引出，法兰板上刻“半圆柱形”小槽，刻制位置要避开螺栓孔，引线放置后用透明弹力胶填塞。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，注浆管拼接后总长度为180～240cm(除过渡仓的高度)，单节长度可根据试验结果的真实代表性和方便材料填装而定，取值范围为20.0～40.0cm(选5.0的整数倍)，壁厚可根据注浆压力的大小而定，取值范围为1.0～3.0cm。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，注浆管内径以“平面颗粒至少满足一个完整级配”为原则，计算“平面颗粒满足一个完整级配”的等效直径，将该等效直径作为注浆管内径的最佳取值，把这种方法称为“平面颗粒级配等效直径法”，把这种现象称为“尺寸效应”，即试验土样颗粒的相对大小对试验结果真实性或代表性的影响，具体计算过程如下：假定土体颗粒为圆球形，质量配比如表1所示，取每一粒径范围的最大颗粒粒径进行计算，即d
max
、d3、d2、d1。表1 土体颗粒的质量配比
则一个d
max
粒径颗粒的质量为：式中，指粒径为d
max
的颗粒质量，单位：kg；ρ
d
指颗粒的干密度，单位：g/cm3；则满足一个d
max
粒径颗粒质量配比的其他粒径颗粒总质量分别是：式中，指粒径为d3的颗粒总质量，单位：kg；指粒径为d2的颗粒总质量，单位：kg；指粒径为d1的颗粒总质量，单位：kg；则可以得到一个d
max
粒径颗粒需要级配的其他粒径颗粒个数，即：式中，指粒径为d3的颗粒总个数；指粒径为d2的颗粒总个数；指粒径为d1的颗粒总个数；此时，根据每个粒径颗粒的个数，可计算出总的颗粒面积，然后再考虑孔隙率即可反算出其等效直径，即：
式中，d
e
指等效直径，单位：mm；n0指孔隙介质的孔隙率；则注浆管的最佳内径等于等效直径，为制作方便，取整数值，上述计算是按“满足一个颗粒级配”和“选取一个最大粒径颗粒”为准，如选取两个最大粒径颗粒，则将上述结果乘以如选取三个最大粒径颗粒，则将上述结果乘以以此类推，因此，d
e
、2d
e
、
……
均是注浆管内径的最佳值，但建议取最小值d
e
，那么，对于其他任一颗粒级配材料，均可参照上述计算方法进行注浆管最佳内径的确定。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，试验系统的操作过程包括材料准备、模型填装、组件连接、压力试水、浆液配置、注浆实施、数据量测和停注拆卸。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，试验系统可用于研究不同注浆压力下不同浆液在不同孔隙介质中的渗透扩散规律，开展考虑土体类型、颗粒级配、孔隙率、浆液配比、注浆压力、注浆时间的多因素多水平试验，其中，渗透扩散规律包括影响因素、扩散距离(或有效扩散距离)、注浆量、孔隙压力、渗流特征、渗滤效应(颗粒型浆材)、填充效果和微观作用，即研究不同对象随时间、空间或时空的变化，以及它们之间的相互关系。
技术总结
本发明提供一种孔隙介质浆液渗透扩散试验系统和设计操作方法，涉及岩土工程注浆防水加固实验技术领域。试验系统由模型台架、储浆装置、加压设备和量测仪器组成，能开展考虑土体类型、颗粒级配、孔隙率、浆液配比、注浆压力、注浆时间的多因素试验，用于研究浆液在孔隙介质中的扩散规律。首节注浆管设有“过渡仓”，高度为1.0～2.0cm。单节注浆管长度为20.0～40.0cm，壁厚为1.0～3.0cm。注浆管内径以“平面颗粒至少满足一个完整级配”为原则，计算其等效直径作为最佳取值。注浆管拼接后总长度为180～240cm。操作过程包括材料准备、模型填装、组件连接、压力试水、浆液配置、注浆实施、数据量测和停注拆卸。量测和停注拆卸。量测和停注拆卸。


技术研发人员：张玉 周雨晖 梁静波 杨振奇 陈昭 任梦梦 于富鑫 房辛蒙
受保护的技术使用者：中建六局水利水电建设集团有限公司
技术研发日：2021.03.19
技术公布日：2021/6/29