CN110261202A - 一种注浆试样制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种注浆试样制备装置，包括：试样制备室，所述试样制备室的内部构成用以制作试样的空间，所述试样制备室内的底端沿轴向设有用以注入浆液的注浆管，所述试样制备室的顶端设有可拆卸的密封盖；可沿所述试样制备室的轴向运动并可控制位移量的压头，所述压头与所述试样制备室的横截面尺寸相匹配，所述压头上设有用以所述注浆管穿过的过孔。

Description

一种注浆试样制备装置

技术领域

本发明涉及隧道注浆与突水突泥治理技术领域，具体涉及一种注浆试样制备装置，主要适用于富水风化岩隧道注浆模拟与突水治理技术研究的室内试验。

背景技术

在富水风化岩隧道建设过程中，由于地层强度及稳定性低，在施工扰动下极易产生突涌水灾害，甚至引发隧道结构破坏、地表塌陷、房屋开裂及水源枯竭等次生灾害，工程中常采用注浆技术提高地层强度和稳定性。注浆方案的科学制定离不开对被注浆地层物理、力学指标的准确试验测定。对于注浆岩土体物理、力学性质的测定试验分为现场原位测试和室内试验两种。现场原位测试就是在土层原来所处的位置基本保持土体的天然结构、天然含水量以及天然应力状态下，测定土的工程力学性质指标。虽然其能快速且完整地获取反映注浆岩土体宏观结构特征的工程性状参数，但由于测试周期长，在人力、物力和时间上耗费较大，成本高等限制因素，使得人们在很多时候不得不放弃该测试方案，转而采用室内试验的方法进行注浆体指标测试。室内试验成功与否的关键就在于所采用的注浆试样的工程适用性是否良好。

目前阶段，室内试验的方法为：室内模拟试样的制作主要是控制模拟试样的密度、含水率和孔隙率与原状土一致，然后对于土性注浆改良因素的模拟则采用注浆浆液与模拟土体均匀搅拌。具体方法为：根据原状土的颗粒密度和含水率，将具有相应颗粒密度的土颗粒与相应比例的水、及注浆浆液搅拌均匀，然后再测量注浆土体的物理指标。

这种室内试验方式，一方面所制作的模拟试样不能很好的反应原状土本身的空间结构、交叉结构、叠聚体等特性，另一方面也不能模拟注浆过程中浆液对土体的渗透、挤密及劈裂作用所产生的劈裂通道对土体性能的影响。

因此，如何制作能准确反应土体天然结构、以及天然应力状态的室内模拟注浆实验试样已经成为了一个亟待解决的难题，急需发明一种高效、可靠、易于操作的可以反应天然土体原状特性、并能模拟劈裂作用的注浆试样制备装置。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的至少在于提供一种注浆试样制备装置，以在免去现场原位测试、而只进行室内试验的条件下，即可获得能准确反映原状土体天然结构的试样，在该试样的基础上进行注浆测试，可以反映注浆的渗透、挤密及劈裂作用，并使测得的注浆试样工程指标与实际注浆体更加接近。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明的一个实施方式提供一种注浆试样制备装置，包括：

试样制备室，试样制备室的内部构成用以制作试样的空间，试样制备室内的底端沿轴向设有用以注入浆液的注浆管，试样制备室的顶端设有可拆卸的密封盖；

可沿试样制备室的轴向运动并可控制位移量的压头，压头与试样制备室的横截面尺寸相匹配，压头上设有用以注浆管穿过的过孔。

在一个实施方式中，试样制备室为可沿纵向拆开的圆筒体结构，圆筒体结构由透明材料制成，这样设计可以将圆筒体沿纵向拆开，从而可以将做完注浆试验的试样整体取出，继而做其他的力学性能试验，可以使其他相关试验的结果更加准确，得出能反应土体天然结构及天然应力状态的试验结果。

在一个实施方式中，注浆试样制备装置还包括电动升降机，电动升降机的活动杆沿轴向设置于试样制备室的开口上方，活动杆的端部与压头的后端连接。通过电动升降机的控制，可以方便的实现对压头的控制，从而实现对试样的分层压实。

活动杆的端部以可沿轴向自转的方式与压头的后端连接，电动升降机包括水平设置的活动杆支撑部，活动杆穿过活动杆支撑部进行升降运动，活动杆支撑部上设有用以测量活动杆位移量的标尺。能更好的模拟土体的形成过程，通过标尺可以直观的观察活动杆的位移量，方便控制，准确可靠。

注浆试样制备装置还包括浆液搅拌室，浆液搅拌室内设有电动搅拌器，浆液搅拌室设有入料口和出浆口，出浆口通过输送管与试样制备室的注浆管连通。通过设置浆液搅拌室，可以实现注浆浆液的制备装置与注浆试验装置的一体化，使得注浆试验的整体流程更加简便快捷。

电动搅拌器从浆液搅拌室的开口上方伸入浆液搅拌室，可以避免电动搅拌器在底部向上设置时、由于搅拌器和浆液搅拌室底面接触处易出现浆液沉积的问题。

浆液搅拌室的下方设有用以称量浆液搅拌室重量的电子秤，可以测量浆液质量，从而控制浆液注入试样制备室中的注入量。

入料口包括相互独立的水泥入口和注水口，水泥入口通过水泥入料管与浆液搅拌室的下部侧壁连通，注水口通过注水管与浆液搅拌室的下部侧壁连通。水泥入口和注水口分开设置，可以分别注入水泥粉和水，保持水泥入口的干燥，方便投放；此外，可以在投料时分别注入设定量的水泥和水，从而方便的确定水灰比。

注浆试样制备装置还包括压力泵，压力泵的输入端与浆液搅拌室的出浆口连通，压力泵的输出端与试样制备室的注浆管连通。通过压力泵的设置，可以实现浆液向试样制备室的注浆管的输送。

注浆试样制备装置还包括压力泵、储浆室和注浆泵，压力泵的输入端与浆液搅拌室的出浆口连通，压力泵的输出端与储浆室的输入口连通，注浆泵的输入端与储浆室连通，注浆泵的输出端与试样制备室的注浆管连通。设置储浆室，可以将多批次搅拌的浆液输入至储浆室中进行存储，针对浆液搅拌室的容积较小的情况，可以将多次搅拌好的浆液进行累计储存，从而可以持续的向注浆试样中提供品质稳定的注浆浆液，提高试验的精确度和准确性。

注浆泵与试样制备室的连通管道上设有压力传感器和流速调节器，可以根据压力传感器的测量参数调节流速调节器来进行注浆浆液流量的控制。

本发明实施方式提供的上述技术方案，通过压头和注浆管的结构设计，可以通过压头实现对试样的分层压实。由于试样的压实过程与土体的形成过程相似，并且通过控制压头的位移量，可以实现在压实土体的过程中对其孔隙率的控制，从而可以使试样比较准确的反应原状土本身的空间结构、交叉结构和叠聚体特性。此外，试样在制备完成后，可以直接进行持续的注浆试验，可以模拟注浆过程中浆液对土体的渗透、挤密及劈裂作用。此种注浆试样制备装置及方法显然实现了对传统人工手动注浆的本质升级，是对既往难题的突破，大大地提高了试验效率，设备自动化特点彰显创新型。这种注浆试验不仅适用于富水风化花岗岩注浆模拟，砂层的渗透注浆、黏土的挤密注浆及劈裂注浆都适合。工程上，在地基软弱土注浆加固、矿山软弱破碎带注浆加固领域都有一定适用性。

附图说明

图1为一种注浆试样制备装置机柜内部构造图。

图2为一种注浆试样制备装置机柜外部构造图。

图3为一种注浆试样制备装置试样制备室的立体图。

元件标号说明

11 试样制备室

12 试样制备室盖

13 凡士林土层

14 电动升降机

15 直尺

16 压头

21 注水口

22 注水管

23 注水管阀门

24 水泥放置口

25 水泥放置管

26 水泥放置管阀门

27 浆液搅拌室

28 电动搅拌器

29 第一电子秤

311 第一阀门

31 第一浆液输送管

32 水压力泵

332 第二阀门

33 第二浆液输送管

34 储浆室

35 吸浆管

36 注浆泵

37 注浆软管

38 注浆硬管

381 梅花孔

39 电动螺旋升降机

41 压力传感器

42 压力表

43 流速调节器

44 流速传感器

51 排水管

52 排水管阀门

53 集水室

54 泄水管

55 泄水管阀门

56 水槽

57 第二电子秤

61 电源箱

62 电源柜

63 线路

71 第一红外线摄像头

72 第二红外摄像头

73 第三红外摄像头

74 数据采集器

75 终端设备

801 电源总开关键

802 电动螺旋升降机控制键

803 水泥放置管阀门旋钮

804 注水管阀门旋钮

805 电动搅拌器旋钮

806 第一阀门旋钮

807 第二阀门旋钮

808 水压力泵按钮

809 注浆泵按钮

810 流速调节器旋钮

811 泄水管阀门旋钮

812 电动升降机控制键

813 第一电子秤开关键

814 第一电子秤清零键

815 第二电子秤开关键

816 第二电子秤清零键

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本申请实施例提供一种注浆试样制备装置，包括试样制备系统、制浆系统、注浆系统、流速调节与压力监控系统、排泄水系统、电源系统、数据采集与处理反馈系统和机柜。

试样制备系统包括试样制备室11、试样制备室盖12、凡士林涂层13、电动升降机14、直尺15和压头16。其中，试样制备室11采用透明厚有机玻璃制成，由两个半圆筒体沿纵向拼接而成。试样制备室11可分为单圆筒形式与三圆筒形式两种：单圆筒上下缘各自设法兰盘，上面设同样形式的法兰孔，内部空间尺寸φ61.8mm×40mm，三圆筒形式内部空间尺寸φ61.8mm×125mm；三圆筒形式由三个单圆筒两两同圆心堆叠而成，圆筒之间各自垫有防水橡胶层，形式与法兰盘相一致，厚度为2.5mm，两两经法兰连接在一起，最下端与机柜原设的法兰孔对齐，用螺栓组固定。试样制备室盖12为透明厚玻璃板制成的圆形实心板，尺寸为φ61.8mm×6mm，沿圆周开均匀螺孔，与圆筒顶法兰孔对齐，用螺栓组连接，将圆筒顶部封住。试样制备室内的底部设有竖向设置的注浆硬管38，注浆硬管的侧面设有若干注浆孔。整个试样制备室11内侧均涂有厚约0.5mm的凡士林涂层13。电动升降机14为市场上常见的机型，具体为螺旋升降机，其底座固定在机柜上，电动升降机包括水平设置的活动杆支撑部，活动杆支撑部的末端设于试样制备室的开口正上方，活动杆穿过活动杆支撑部的末端进行升降运动。在活动杆支撑部上，竖直的设有直尺。活动杆的底端与压头的上表面以可沿轴向自转的方式连接，压头上设有供注浆硬管穿过的内圆孔，内圆孔的直径与注浆硬管的直径相同。

制作试样时，试验人员操控电动升降机控制键，可控制压头的匀速上升与下降，并将放入试样制备室的土体分层压实到规定密实度：每次放入设定量的土体，利用压头多次压实土层，一直达到该次压实的设定深度，然后放入下一层土体，再利用压头多次压实该土层至另一设定深度，重复上述步骤直至完成所有土层的压实。压头具体的升降高度可以由电动升降机上的直尺测量得出。试样制作完成后，将压头提升到高于试样制备室的高度，并用试样制备室盖将圆筒顶部封住，即可进行注浆试验。

可以理解的是，进行注浆试验的装置形式可以为多种，比如通过外接管路，利用市购的注浆泵与注浆硬管连通，将已经制备好的浆液放入储浆容器，注浆泵即可将储浆容器中的浆液注入注浆硬管中，实现对试样的劈裂注浆；此外，注浆系统和制浆系统与试样制备系统集成为一体的形式，也在本申请的保护范围之内，其详细结构介绍如下。

注浆系统主要包括第一阀门311、第一浆液输送管31、水压力泵32、第二阀门332、第二浆液输送管33、储浆室34、吸浆管35、注浆泵36、注浆软管37、注浆硬管38、梅花孔381和电动螺旋升降机39。第一阀门311和第二阀门332均为机械阀门，分别通过机柜0外部第一阀门旋钮86和第二阀门旋钮87控制开启和关闭，分别控制浆液在第一浆液输送管31和第二浆液输送管33的流动与阻隔。第一浆液输送管31和第二浆液输送管33均由硬橡胶材料制成，分别连通浆液搅拌室27与水压力泵32、和水压力泵32与储浆室34。水压力泵32可通过机柜0上水压力泵旋钮88调节，以提供0MPa～0.4MPa的抽水压力，把浆液从位于相对低处的浆液搅拌室27输送到位于相对高处的储浆室34中。吸浆管35由不锈钢制成，一端和注浆泵36相连，另一端伸入储浆室34内，与底部相距5毫米，是浆液从储浆室34流入注浆泵36的通道。注浆泵36可通过机柜0上注浆泵旋钮89调节，以提供0MPa～0.6MPa的注浆压力，把浆液以不同的压力从储浆室34输送到注浆软管37内。注浆软管37是由硬橡胶材料制成的圆管，内直径为10mm，管壁厚1mm，分别与注浆硬管38和注浆泵36相连，将注浆泵36中带有压力的浆液运输到注浆硬管38中。注浆硬管38是由不锈钢材料制成的顶部开有梅花孔381的圆管，内径8mm，外径10mm，分别与注浆软管37和试样制备室11的底部螺纹连接，把浆液从注浆软管37运输到试样制备室11。注浆硬管38由电动螺旋升降机39通过卡槽固定，由机柜0上的电动螺旋升降机上/下键82可调节电动螺旋升降机39卡槽的上升或下降，继而可调节注浆硬管38伸入试样制备室11的长度，范围为16mm～50mm，以适应不同规格注浆试样的注浆要求。电动螺旋升降机39是市场上常见的型号，具体采用蜗轮蜗杆升降机。

可以理解的是，对于注浆硬管与试样制备室固定连接，即不设置电动螺旋升降机的情况，同样可以实现对试样的注浆，因此均在本申请的保护范围之内。对于需要针对不同试样长度的情况，可以将注浆硬管设置为可拆卸的多个硬管单元，每个硬管单元上均设有注浆孔，各硬管单元之间可以通过螺纹连接或卡接，通过调整硬管单元的数量来调整注浆硬管的总长度，以适应不同试样长度的情况。

此外，对于储浆室不与浆液搅拌室连通的情况，可以将事先制备好的浆液直接注入储浆室中，因此也在本申请的保护范围之内。

制浆系统由注水口21、注水管22、注水管第二阀门23、水泥放置口24、水泥放置管25、水泥放置管第二阀门26、浆液搅拌室27、电动搅拌器28和第一电子秤9组成。注水口21是50mm×70mm的矩形，是注水管22的入口，水可由此口注入到注水管22中。注水管22是由硬橡胶材料制成的圆管，内径为10mm，与浆液搅拌室27相连，可将从注水口21注入的水输送到浆液搅拌室27中，注水管第二阀门23是机械阀门，可通过机柜0上注水管阀门旋钮84控制其开启和关闭，进而控制水在注水管22中的流动和阻隔。水泥放置口24是50mm×70mm的矩形，是水泥放置管25的入口，水泥粉可由此口放入到水泥放置管25中。水泥放置管25是由硬橡胶材料制成的内壁涂有凡士林薄层的圆管，内径为10mm，与浆液搅拌室27相连，可将从水泥放置口24放入的水泥粉输送到浆液搅拌室27中，水泥放置管第二阀门26是机械阀门，可通过机柜0上水泥放置管阀门旋钮83控制其开启和关闭，进而控制水泥粉在水泥放置管25中的流动和阻隔。浆液搅拌室27是一个直径为200mm，高为300mm的圆筒形透明容器上侧无盖，容器上标有刻度。水泥粉和水注入浆液搅拌室27，可由电动搅拌器28搅拌均匀。电动搅拌器28可由机柜0上电动搅拌器旋钮85控制，可实现不同速率的搅拌，确保浆液能被搅拌均匀。第一电子秤9通过机柜0上第一电子秤开关键813控制其开启或关闭，通过第一电子秤清零键814控制数据清零可以精确测量不同时间段浆液搅拌室27中浆液的重量，实现浆液重量实时监控。

可以理解的是，在某些实施例中，可以将浆液搅拌室通过浆液压力泵直接与注浆硬管连接，而省去储浆室的设置。对于这种情况，同样在本申请的保护范围之内。

流速调节与压力监控系统由压力传感器41、压力表42、流速调节器43、流速传感器44组成。注浆软管37上分别安装有压力传感器41和流速调节器43。压力传感器41又与压力表42相连，压力传感器41可以测量注浆软管37中流动浆液的压力，并将收集的数据传到压力表42，显示读数。压力表42的量程为1MPa。流速调节器43可通过机柜上流速传感器旋钮810调节，以控制注浆软管37被注浆液的流动速度，数据由流速传感器44收集。

排泄水系统5由排水管51、排水管阀门52、集水室53、泄水管54、泄水管阀门55、水槽56、第二电子秤57组成。排水管51是由软橡胶材料制成的圆管，内直径为5mm，管壁厚0.8mm，分别与试样制备室11和集水室53顶端相连，将试样制备室11中的被注浆水压力挤出的孔隙水运输到集水室53中。排水管51上安装有排水管阀门52，排水管阀门52是机械阀门，可通过手动旋转阀门控制其开启和关闭，进而控制水在排水管51中的流动和阻隔。集水室53是直径为100mm，高为150mm的圆筒形透明容器上侧无盖，容器上标有刻度。泄水管54是由软橡胶材料制成的圆管，内直径为5mm，管壁厚0.8mm，分别与集水室53底部和水槽56相连，将集水室53中的水运输到水槽56中。泄水管54上安装有泄水管阀门55，泄水管阀门55是机械阀门，可通过机柜0上泄水管阀门旋钮811控制其开启和关闭，进而控制水在泄水管54中的流动和阻隔。第二电子秤57通过机柜0上第二电子秤开关键815控制其开启或关闭，通过第二电子秤清零键816控制数据清零可以精确测量不同时间段集水室53中浆液的重量，实现浆液重量实时监控。

电源系统由电源箱61、电源柜62以及若干线路63组成。电源箱61是整个机柜0内所有线路63的汇集地，放置于电源柜62的内部，与外部总电源相连。通过机柜0上电源总开关键81可控制电源箱61与外部总电源之间的连接或切断。

数据采集与处理反馈系统由第一红外线摄像头71、第二红外线摄像头72、第三红外线摄像头73、数据采集器74、终端设备75组成。第一红外线摄像头71实时监控第一电子秤9读数和透明浆液搅拌室27中浆液的搅拌状态，并实时将图像信息传输到数据采集器74中。第二红外线摄像头72实时监控压力表42读数，并实时将图像信息传输到数据采集器74中。第三红外线摄像头73实时监控第二电子秤57读数，并实时将图像信息传输到数据采集器74中。数据采集器74中采集的数据信息最终汇总到终端设备75上，供后续分析与处理。

本实施例具有以下优点和积极效果：

1)本实施例注浆全程摆脱传统的人工手动注浆，创新性地提供了一套集原土体压密、水泥浆配比搅拌、浆液施压、渗透-挤密-劈裂注浆、数据收集与集中处理等多流程为一体的试验装置，实现试验“低误差”与“自动化”。

2)本实施例能够从制土拌浆伊始到渗透-挤密-劈裂注浆结束，实现全流程各阶段对多种试验参数的控制，包括原土体种类及含水率、原土体密实度、浆液种类及水灰比、注浆流速及流量、浆液充填量、注浆体尺寸及龄期等等，从而制备出能够有效模拟工程实际注浆土层的试样。

3)本实施例在制样的过程中只涉及一种方法、一套设备和两套模具，过程明了、操作简便、容易上手；且制样时间短，效率高。

4)本实施例制作出的试样适用性强，几乎可以无需任何后期处理地直接用于各种土体物理指标测定试验，和单轴压缩、三轴剪切、直剪、渗透及抗冲刷等多种主流土工力学试验。为工程实际提供充足的物理与力学参数。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种注浆试样制备装置，其特征在于，包括：

试样制备室，所述试样制备室的内部构成用以制作试样的空间，所述试样制备室内的底端沿轴向设有用以注入浆液的注浆管，所述试样制备室的顶端设有可拆卸的密封盖；

可沿所述试样制备室的轴向运动并可控制位移量的压头，所述压头与所述试样制备室的横截面尺寸相匹配，所述压头上设有用以所述注浆管穿过的过孔。

2.根据权利要求1所述的一种注浆试样制备装置，其特征在于，所述试样制备室为可沿纵向拆开的圆筒体结构，所述注浆管与所述注浆室的底部可拆卸的连接。

3.根据权利要求1所述的一种注浆试样制备装置，其特征在于，所述注浆试样制备装置还包括电动升降机，所述电动升降机的活动杆沿轴向设置于所述试样制备室的开口上方，所述活动杆的端部与所述压头的后端连接。

4.根据权利要求3所述的一种注浆试样制备装置，其特征在于，所述活动杆的端部以可沿轴向自转的方式与所述压头的后端连接，所述电动升降机包括水平设置的活动杆支撑部，所述活动杆穿过所述活动杆支撑部进行升降运动，所述活动杆支撑部上设有用以测量所述活动杆位移量的标尺。

5.根据权利要求1所述的一种注浆试样制备装置，其特征在于，所述注浆试样制备装置还包括浆液搅拌室，所述浆液搅拌室内设有电动搅拌器，所述浆液搅拌室设有入料口和出浆口，所述出浆口通过输送管与所述试样制备室的所述注浆管连通。

6.根据权利要求5所述的一种注浆试样制备装置，其特征在于，所述电动搅拌器从所述浆液搅拌室的开口上方伸入所述浆液搅拌室，所述浆液搅拌室的下方设有用以称量所述浆液搅拌室重量的电子秤。

7.根据权利要求5所述的一种注浆试样制备装置，其特征在于，所述入料口包括相互独立的水泥入口和注水口，所述水泥入口通过水泥入料管与所述浆液搅拌室的下部侧壁连通，所述注水口通过注水管与所述浆液搅拌室的下部侧壁连通。

8.根据权利要求1所述的一种注浆试样制备装置，其特征在于，所述注浆试样制备装置还包括压力泵，所述压力泵的输入端与所述浆液搅拌室的出浆口连通，所述压力泵的输出端与所述试样制备室的注浆管连通。

9.根据权利要求1所述的一种注浆试样制备装置，其特征在于，所述注浆试样制备装置还包括压力泵、储浆室和注浆泵，所述压力泵的输入端与所述浆液搅拌室的出浆口连通，所述压力泵的输出端与所述储浆室的输入口连通，所述注浆泵的输入端与所述储浆室连通，所述注浆泵的输出端与所述试样制备室的注浆管连通。

10.根据权利要求9所述的一种注浆试样制备装置，其特征在于，所述注浆泵与所述试样制备室的连通管道上设有压力传感器和流速调节器。