CN106970181A - 一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置及方法，试验装置包括：压力供应装置、试验筒、反压装置以及检测组件，试验筒具有地层装填室、浆液固结排水室、注浆压力转化室，地层装填室和浆液固结排水室连通，浆液固结排水室和注浆压力转化室通过隔膜隔开。试验方法包括将地层装入地层装填室；向浆液固结排水室内注入试验浆液，向压力转化室的隔膜内注入试验浆液；向注浆压力转化室内隔膜的上方注入水；进行固结排水试验；测定和记录参数。本发明可为选取最为经济合理的浆液类型和注浆参数（注浆量、注浆压力差），提供参考依据，在确保工程安全、高效的前提下，节约成本。

Description

一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置及方法

技术领域

本发明涉及地下工程领域，特别是涉及一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置及方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，地下空间开发利用率不断提高，面对的困难和挑战也越来越多，其中控制地层沉降便是其中之一。实际施工中往往通过壁后注浆来对地层孔隙进行填充、加固，以使地层沉降量满足设计要求。随着工程埋深的不断加大，穿越地层越来越复杂，地下水压越来越高，对壁后注浆的要求也越来越大。由于地下工程的不可见性，使得浆液在不同地层条件下的固结规律尚不清楚，致使在实际施工过程中对注浆参数的确定和浆液类型的选择往往都是靠经验和借鉴，缺乏实际依据。针对不同地层如何确定注浆参数、选取浆液类型，成为了广大工程人员密切关注的话题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，该装置可对盾构隧道、石油钻井及地下工程中壁后注浆的浆液在地层中的排水固结过程进行模拟，同时可以为实际工程中注浆参数（注浆量、注浆压力差）的确定提供借鉴依据。

为达到上述目的，本发明采用的一种技术方案是：

一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，其包括：

压力供应装置，其用于提供气压；

试验筒：其自下至上依次具有用于装填试验地层的地层装填室、用于装填试验浆液的浆液固结排水室以及注浆压力转化室，所述地层装填室和浆液固结排水室相连通，所述浆液固结排水室和注浆压力转化室之间通过不透液的隔膜隔开，所述注浆压力转化室与所述压力供应装置连接，用于将压力供应装置提供的气压转化为液压并向所述试验浆液提供自上而下的正压力；

反压装置，其分别与所述压力供应装置和所述地层装填室连通，用于将所述压力供应装置提供的气压转化为液压并向所述试验地层提供自下而上的反压力；

检测组件，其用于检测与排水固结相关的一种或多种参数。

根据本发明的一个优选方面，所述试验筒包括内部形成所述地层装填室的下筒体、可拆卸地连接在所述下筒体上且内部形成所述浆液固结排水室的中间筒体、可拆卸地连接在所述中间筒体上且内部形成所述注浆压力转化室的上筒体。采取该结构，可以分三部分来装填试验地层、试验浆液和水，在方便装填的同时可以更好的控制各个部分的装填量，使得试验工作量小，耗时短，操作简单可行。其中，可拆卸连接方式没有特别限制，例如可以是常规的螺栓连接。

进一步优选地，所述试验筒还包括具有第一凹槽的底座，所述下筒体可拆卸地连接在所述底座上且下部与所述第一凹槽连通，所述反压装置与所述第一凹槽通过管道连通。

优选地，所述试验筒还包括沿上下方向延伸的多根连接柱，各所述连接柱自上而下依次穿过所述上筒体、中间筒体、下筒体以及底座将其连接成一体。采取该结构有利于进一步提高装置整体的稳定性和密封性。

根据本发明的一个具体且优选方面，所述上筒体的底部开设有第二凹槽，在第二凹槽内设置有套环，所述隔膜为乳胶膜，所述乳胶膜套设在所述套环上。采取该结构，设置方便，便于操作。

根据本发明，所述乳胶膜优先选用￠101*320mm厚0.3mm的三轴仪用标准乳胶膜。

根据本发明的一个具体方面，所述上筒体包括筒身、设置在筒身顶部的法兰盘和固定在法兰盘上的盖体。如设置上述的连接柱，连接柱可穿过法兰盘设置。在一个具体实施方式中，压力供应装置连接至盖体上与所述注浆压力转化室相连通。

根据本发明，所述下筒体优选采用有机玻璃制成。

根据本发明，所述反压装置包括一筒体和与该筒体的底部连接的排水管。筒体的顶部与压力供应装置连通，筒体的材质优选有机玻璃，使用前，需要在反压装置的筒体内加入水。排水管则与试验筒的地层装填室连通，具体可先连接到底座上并通过底座上的第一凹槽与地层装填室连通，排水管上优选设置排水阀。

根据本发明的一个优选方面，所述压力供应装置包括空气压缩机、与所述空气压缩机连通的压力控制单元、两端分别与所述压力控制单元和所述地层装填室连通的第一进气管，两端分别与所述压力控制单元和所述反压装置连通的第二进气管、分别设置在所述第一进气管和第二进气管上的第一进气阀和第二进气阀。具体地，所述压力控制单元包括进气调压阀和进气压力表、反压调压阀以及反压压力表。

根据本发明，所述与排水固结相关的参数包括各室内的压力、浆液固结沉降量以及浆液固结后的渗透系数等。

优选地，所述检测组件包括用于检测所述注浆压力转化室内液位的液位检测机构和/或用于检测所述地层装填室、浆液固结排水室以及注浆压力转化室内压力的压力检测机构。其中，液位检测机构优选包括带有刻度的U型管，该U型管的两端分别与所述注浆压力转化室的不同高度位置连通；所述压力检测机构优选包括孔压计。

优选地，所述试验筒具有与所述浆液固结排水室的上部和下部分别连通用以连接常水头渗透实验装置的接口。如此，可以在固结完成后外接常水头渗透实验装置来测定渗透系数。

本发明的另一个目的是提供一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验方法，该方法采取本发明的排水固结试验装置，且包括以下步骤：

a）、原状土试样准备；

b）、试验地层置入：将所述原状土试样作为试验地层装入地层装填室内；

c）、试验浆液置入：向所述浆液固结排水室内注入试验浆液，向所述注浆压力转化室的隔膜内注入试验浆液；

d）、向所述注浆压力转化室内隔膜的上方注入水；

e）、压力检测机构设置：根据试验地层的渗透系数设置压力采集精度和时间间隔；

f）、浆液排水固结：向所述试验浆液提供所述正压力，向所述地层装填室底部提供反压力，进行固结排水试验，其中所述正压力根据实际工程注浆压力设定，所述反压力根据实际开挖地层深度和地下水位深度设定a）、原状土试样准备；

g）、测定浆液固结沉降量：观察所述注浆压力转化室中水的液位变化，并记录液位变化量对应的固结时间；

h）、测定浆液渗透系数：在所述浆液固结排水室内浆液固结完成后进行渗透系数测定，

所述方法还包括可选择的步骤（i）：在步骤b）之后、步骤c）前利用所述反压装置对试验地层进行反向饱和以排出试验地层内的空气。

根据本发明，所述固结完成是指浆液固结排水室上的孔压计读数为0。

进一步地，所述步骤a）通过在环刀内壁涂抹一层凡士林，刃口向下放在施工现场地层上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样高出环刀，用钢丝锯和切土刀平整环刀两端土样，并密封保存，作为试验地层。

进一步地，所述步骤c）浆液为实际工程中同步注浆浆液。

进一步地，所述步骤d）中，注入清水。

进一步地，所述步骤e）中，采用孔压计，孔压采集精度和时间根据地层的渗透系数设定，地层渗透系数<10^-6cm/s时，读取时间设置为10s、精度设置为0.1kPa；地层渗透系数>10^-6cm/s时，读取时间设置为2s、精度设置为0.01kPa，可根据实际地层自行调节。

优选地，步骤b）中，先在下筒体内铺设透水石，再装入试验地层。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明提供的壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，通过室内试验模拟实际工程地质环境，设置不同的注浆压力和反压来测试不同浆液在地层中的固结排水时间，固结沉降量和固结后的渗透系数，与拟采用的浆液进行对比评估，最终选取最为经济合理的浆液类型和注浆参数（注浆量、注浆压力差），为实际工程提供参考依据，在确保工程安全、高效的前提下，节约成本。

附图说明

附图1为本实施例的结构示意图；

附图2为本实施例中注浆压力转化室的剖面图；

附图3为本实施例中套环的示意图；

附图4为本实施例中法兰板的示意图。

其中：10、底座；100、第一凹槽；11、下筒体；12、中间筒体；120、接口；121、接口；13、上筒体；130、第二凹槽；14、法兰盘；15、盖体；16、连接柱；2、反压装置；20、下法兰盘；21、筒体；22、上法兰盘；3、压力控制单元；4、排水阀；5、套环；6、乳胶膜；70、第二进气阀；71、第一进气阀；8、空气压缩机；90、孔压计；91、U型管。

A、透水石；B、模拟地层；C、试验浆液；D、清水。

具体实施方式

壁后注浆是控制地层沉降量、确保管片早期稳定和提高整体抗渗性的主要手段，在施工过程中往往通过调节注浆压力、注浆量和浆液类型来控制壁后注浆效果，而注浆压力、注浆量和浆液类型的选取大都借鉴以往的施工经验，对浆液的作用机理、各参数的确定方法缺少理论依据。本发明创新提出的固结试验装置，从浆液的固结机理角度出发，通过测试不同浆液在不同地层中的固结排水量和固结体的渗透系数来选取浆液类型；测试不同注浆压力作用下浆液固结沉降量来确定实际施工过程中的注浆压力和注浆量；测试浆液的固结完成时间来确定施工中是否需要二次补浆。

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本实施例而不用于限制本发明的范围，在阅读了本实施例之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实施例中所述“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本实施例中所述“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外。

本实施例中所述“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右。

本实施例中所述“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1所示的一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，包括试验筒、反压装置2、压力供应装置以及检测组件。其中：

试验筒包括底座10、可拆卸地连接在底座10上的下筒体11、可拆卸地连接在下筒体11上的中间筒体12、可拆卸地连接在中间筒体12上的上筒体13。上筒体13进一步包括筒身、连接在筒身上的法兰盘14以及连接在法兰盘14上的盖体15，其中可拆卸连接方式为螺栓连接。此外，还采用六根连接柱（钢柱）16自上而下依次穿过上筒体13的法兰盘14、上筒体13的筒身下部、中间筒体12、下筒体11以及底座10将整个试验筒连接成一体。具体的说：

底座10为钢制圆柱形底座，底座10上开设有与下筒体11下部相连通的半圆形第一凹槽100。

下筒体11形成地层装填室，用于装填试验模拟地层，下筒体11采用有机玻璃，通过螺栓连接在底座上。

中间筒体12形成浆液固结排水室，用于装填试验浆液，通过螺栓与下筒体11连接，中间筒体12上部和下部分别开设有接口120，121，接口120，121上设置有阀，接口120，121用来外连常水头渗透试验装置，对固结完成后的浆体进行渗透系数测定。

上筒体13形成注浆压力转化室，用于将气压转化为液压，上筒体13的底部开设有第二凹槽130，第二凹槽130内嵌入有钢制套环5，套环5上套设不透液的隔膜，如乳胶膜6，如图2、3所示。

法兰盘14采用钢制圆环，外圈设有螺栓孔，用于穿过连接柱16，内圈设有螺栓孔，用于连接盖体15，法兰盘14与上筒体13、盖体15之间有密封圈用于止水，如图4所示。

反压装置2包括下法兰盘20、连接在下法兰盘20上的筒体21、连接在筒体21上的上法兰盘22，四根连接柱（钢柱）将下法兰盘20、上法兰盘22连接，筒体21与下法兰盘20、上法兰盘22的连接处有密封圈用于止水，筒体21采用有机玻璃，筒体21底部连接排水管与底座10的第一凹槽100连通，排水管道上设置有排水阀4。

压力供应装置包括空气压缩机8，与空气压缩机8连通的压力控制单元3、两端分别与压力控制单元3和地层装填室连通的第一进气管，两端分别与压力控制单元3和反压装置2连通的第二进气管、分别设置在第一进气管和第二进气管上的第一进气阀71和第二进气阀70。压力控制单元3包括采用有机玻璃制成的筒体，进气调节阀和进气压力表，反压调压阀和反压压力表。

检测组件其用于检测与排水固结相关的一种或多种参数，本例中包括用于检测注浆压力转化室内液位的液位检测机构，用于检测地层装填室、浆液固结排水室以及注浆压力转化室内压力的压力检测机构。其中：压力检测机构包括孔压计90，地层装填室连接孔压计90用于测试地层中的超静孔隙水应力，以保证试验开始前原状土处于固结完成状态；浆液固结排水室连接孔压计90用来读取浆液中的超静孔隙水应力；注浆压力转化室连接孔压计90用来监测试验过程中注浆压力的变化。液位检测机构包括带有刻度的U型管91，U型管91的两端分别与注浆压力转化室的不同高度位置连通。检测组件还可进一步包括常水头渗透实验装置。

以下具体阐述采用本实施例装置进行试验的方法：

a）、原状土试样准备：采用环刀取样，在环刀内壁涂抹一层凡士林，刃口向下放在施工现场地层上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样高出环刀，用钢丝锯和切土刀平整环刀两端土样，并密封保存，作为试验地层；

b）、试验地层置入：将下筒体11固定到底座10上并密封，先在下筒体11内铺设透水石，再将原状土样和环刀整体装入下筒体1内，通过反压装置2采用反向饱和法，由下而上对试验地层进行饱和，将底座10、下筒体11中的空气排出；

c）、试验浆液置入：将中间筒体12固定到下筒体11上并密封，向中间筒体12内装入试验浆液，试验浆液采用实际工程中同步注浆浆液，将套有乳胶膜6的套环5嵌入上筒体13的第二凹槽130内，通过连接柱16和法兰盘14将整个筒体连接、密封，在乳胶膜6内装入试验浆液，排气密封；

d）、清水注入：在乳胶膜6上方注入清水，水位控制在U型管91下端口上部至上端口之间；

e）、孔压计设置：设置读取孔压的时间间隔和采集精度，将孔压计90的孔压读数和采集时间清零，孔压采集精度和时间根据地层的渗透系数设定，如地层渗透系数<10^-6cm/s时，读取时间设置为10s、精度设置为0.1kPa；地层渗透系数>10^-6cm/s时，读取时间设置为2s、精度设置为0.01kPa；

f）、浆液排水固结：通过压力供应装置3分别设定正压和反压，待进气压力表和反压压力表稳定后，打开第一进气阀71、底座10上的排水阀4、第二进气阀70，进行浆液固结排水试验，固结压力根据实际工程注浆压力确定、反压根据开挖地层深度和地下水位深度自行设定；

g）、测定浆液固结沉降量：观察U型管91的液面刻度，并通过秒表记录各个设定刻度下所对应的固结时间；监测管91刻度设定根据浆液固结排水速度而定，如地层渗透系数>10^{- 6}cm/s时，设定为1mm，地层渗透系数<10^-6cm/s时，设置为5mm；

h）、测定浆液渗透系数：在中间筒体12的接口120、121外连常水头渗透实验装置，对固结完成后的浆体进行渗透系数测定，当浆液固结排水室的孔压计90读数为0时，固结完成。

Claims (10)

1.一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，其特征在于：包括：

压力供应装置，其用于提供气压；

试验筒：其自下至上依次具有用于装填试验地层的地层装填室、用于装填试验浆液的浆液固结排水室以及注浆压力转化室，所述地层装填室和浆液固结排水室相连通，所述浆液固结排水室和注浆压力转化室之间通过不透液的隔膜隔开，所述注浆压力转化室与所述压力供应装置连接，用于将压力供应装置提供的气压转化为液压并向所述试验浆液提供自上而下的正压力；

反压装置，其分别与所述压力供应装置和所述地层装填室连通，用于将所述压力供应装置提供的气压转化为液压并向所述试验地层提供自下而上的反压力；

检测组件，其用于检测与排水固结相关的一种或多种参数。

2.根据权利要求1所述壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，其特征在于：所述试验筒包括内部形成所述地层装填室的下筒体、可拆卸地连接在所述下筒体上且内部形成所述浆液固结排水室的中间筒体、可拆卸地连接在所述中间筒体上且内部形成所述注浆压力转化室的上筒体。

3.根据权利要求2所述壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，其特征在于：所述试验筒还包括具有第一凹槽的底座，所述下筒体可拆卸地连接在所述底座上且下部与所述第一凹槽连通，所述反压装置与所述第一凹槽通过管道连通。

4.根据权利要求3所述壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，其特征在于：所述试验筒还包括沿上下方向延伸的多根连接柱，各所述连接柱自上而下依次穿过所述上筒体、中间筒体、下筒体以及底座将其连接成一体。

5.根据权利要求2所述壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，其特征在于：所述上筒体的底部开设有第二凹槽，所述第二凹槽内设置有套环，所述隔膜为乳胶膜，所述乳胶膜套设在所述套环上。

6.根据权利要求1所述壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，其特征在于：所述压力供应装置包括空气压缩机、与所述空气压缩机连通的压力控制单元、两端分别与所述压力控制单元和所述地层装填室连通的第一进气管，两端分别与所述压力控制单元和所述反压装置连通的第二进气管、分别设置在所述第一进气管和第二进气管上的第一进气阀和第二进气阀。

7.根据权利要求1所述壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，其特征在于：所述检测组件包括用于检测所述注浆压力转化室内液位的液位检测机构和/或用于检测所述地层装填室、浆液固结排水室以及注浆压力转化室内压力的压力检测机构。

8.根据权利要求7所述壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，其特征在于：所述液位检测机构包括带有刻度的U型管，所述U型管的两端分别与所述注浆压力转化室的不同高度位置连通；所述压力检测机构包括孔压计。

9.根据权利要求1所述壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验装置，其特征在于：所述试验筒具有与所述浆液固结排水室的上部和下部分别连通用以连接常水头渗透实验装置的接口。

10.一种壁后注浆浆液在地层中的排水固结试验方法，其特征在于：该方法采取如权利要求1至9中任一项权利要求所述排水固结试验装置，且包括以下步骤：

a）、原状土试样准备；

b）、试验地层置入：将所述原状土试样作为试验地层装入地层装填室内；

c）、试验浆液置入：向所述浆液固结排水室内注入试验浆液，向所述注浆压力转化室的隔膜内注入试验浆液；

d）、向所述注浆压力转化室内隔膜的上方注入水；

e）、压力检测机构设置：根据试验地层的渗透系数设置压力采集精度和时间间隔；

f）、浆液排水固结：向所述试验浆液提供所述正压力，向所述地层装填室底部提供反压力，进行固结排水试验，其中所述正压力根据实际工程注浆压力设定，所述反压力根据实际开挖地层深度和地下水位深度设定；

g）、测定浆液固结沉降量：观察所述注浆压力转化室中水的液位变化，并记录液位变化量对应的固结时间；

h）、测定浆液渗透系数：在所述浆液固结排水室内浆液固结完成后进行渗透系数测定，

所述方法还包括可选择的步骤（i）：在步骤b）之后、步骤c）前利用所述反压装置对试验地层进行反向饱和以排出试验地层内的空气。