本發(fā)明屬于地下工程試驗技術領域，涉及一種用于模擬注漿過程中地層隆起的試驗裝置及其測試方法。

背景技術：

地下工程中常用注漿隆起地層來補償?shù)乇沓两?，到目前為止，還沒有一種理論模型能定性分析注漿過程，因此，經驗分析仍然是主流。注漿機理非常復雜，涉及多種因素，注漿導致的地層隆起與注漿壓力、漿液材料、漿液擴散規(guī)律以及漿液與土的相互作用有關。而模擬試驗是定性分析注漿過程機理和地層隆起的最有效手段。

地下工程中，用注漿來補償?shù)貙映两?，控制地層變形的要求越來越普遍，工程中基本依靠經驗確定注漿壓力和注漿量，這就造成了巨大的浪費和安全隱患。目前，工程中還缺乏一種能精確模擬注漿過程中地層隆起的試驗裝置及測試方法。

申請?zhí)枮?01610028653.X的中國發(fā)明專利公開了一種注漿模擬試驗裝置及其試驗方法，所述的注漿模擬試驗裝置包括注漿滲透裝置以及為注漿滲透裝置進行加壓的加壓系統(tǒng)；所述的注漿滲透裝置包括套裝在一起的內筒和外筒，內筒和外筒之間可注水用以模擬飽和土體注漿工況；所述內筒筒壁上設有多個滲水孔，內筒和外筒的頂蓋上設有伸入其中的且與加壓系統(tǒng)相連的注漿管，注漿管外套有上下活動的多孔隔離板；在外筒的底座上設有泄水孔，且內筒的底部為可拆除的透水石和濾網。上述專利是在裝置下部設置排水口，注漿過程中注漿艙室的壓力始終為大氣壓，因此不能模擬深層地層高地應力狀態(tài)下的注漿過程；此外，該裝置無法測量注漿過程中地層的體積變化。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種構造簡單、成本低廉，能精確模擬現(xiàn)場測試位置地層總壓力和孔隙水壓力的用于模擬注漿過程中地層隆起的試驗裝置。

本發(fā)明的另一個目的是提供上述用于模擬注漿過程中地層隆起的試驗裝置的測試方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

用于模擬注漿過程中地層隆起的試驗裝置，該裝置包括試驗箱、設置在試驗箱中并將試驗箱的內腔分隔成相互獨立的土層裝載腔和加壓水腔的承壓板、與加壓水腔相連通的進水控制系統(tǒng)及高壓空氣調節(jié)系統(tǒng)、裝填在土層裝載腔中的試驗土層、埋設在試驗土層中的注漿單元以及與注漿單元相連接的漿液控制系統(tǒng)，所述的土層裝載腔通過土層進水管與進水控制系統(tǒng)相連通，所述的試驗土層中還埋設有土壓力計及孔隙水壓力計。

所述的注漿單元包括橫貫埋設在試驗土層中部的注漿管、開設在注漿管中部的注漿口以及與注漿口配合使用的止?jié){環(huán)。

所述的注漿口共設有多個，并沿圓周均勻布設在注漿管的管壁上，所述的注漿口的外側覆蓋有橡膠膜。

所述的漿液控制系統(tǒng)包括漿液箱、活塞泵以及漿液回流管，所述的漿液箱的出口端依次與活塞泵、注漿管相連接，并通過漿液回流管返回連接至漿液箱的進口端。

所述的進水控制系統(tǒng)包括脫氣水箱、一端與脫氣水箱的出水口相連通，另一端與加壓水腔相連通的加壓進水管、沿水流方向依次設置在加壓進水管上的流量計、閥門及水壓表，所述的脫氣水箱通過土層進水管與試驗土層相連通。

所述的加壓水腔上部的一段加壓進水管上設有用于指示水位的刻度支管。

所述的高壓空氣調節(jié)系統(tǒng)包括高壓空氣泵、將高壓空氣泵與加壓進水管相連通的高壓空氣進氣管、沿氣流方向依次設置在高壓空氣進氣管上的第一高壓空氣調壓閥及第一空氣壓力表。

所述的高壓空氣進氣管上設有與脫氣水箱相連通的進氣支管，該進氣支管上沿氣流方向依次設有第二空氣壓力表及第二高壓空氣調壓閥。

所述的試驗土層的頂面和底面分別設有上部土工布、下部土工布，所述的承壓板的周邊設有密封防水圈，所述的加壓水腔、土層裝載腔還分別設有第一排水管、第二排水管。

用于模擬注漿過程中地層隆起的試驗裝置的測試方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟(1)：向脫氣水箱內注入脫氣水至脫氣水箱的2/3高度處，組裝試驗箱，并裝填試驗土層，保持試驗土層的密度與現(xiàn)場實際密度相同；

步驟(2)：打開加壓進水管上的閥門，向試驗箱的加壓水腔中注水，并通過第一排水管調節(jié)水位到刻度支管的2/3處，然后關閉加壓進水管上的閥門，打開第一高壓空氣調壓閥，使得空氣壓力等于現(xiàn)場測試位置地層的總壓力；

步驟(3)：調節(jié)脫氣水箱進氣支管上的第二高壓空氣調壓閥，使得脫氣水箱內空氣壓力略高于現(xiàn)場測試位置的地層孔隙水壓力，打開土層進水管上的閥門，脫氣水箱內的脫氣水開始向試驗箱中的試驗土層充水，并使得試驗土層中的孔隙水壓力與現(xiàn)場測試位置孔隙水壓力相等；

步驟(4)：當?shù)诙潘軆炔辉儆袣馀菖懦?，水流穩(wěn)定排出后，說明試驗土層中的氣體已全部排出，關閉第二排水管及土層進水管上的閥門，記錄下脫氣水箱和刻度支管內的水位高度；

步驟(5)：打開活塞泵開始注漿，每隔一定時間，記錄一次刻度支管內的水位高度、加壓進水管上流量計讀數(shù)、土壓力計和孔隙水壓力計的讀數(shù)，注漿導致的地層隆起總體積由刻度支管水位的升高值與試驗箱的截面積的乘積計算所得；

步驟(6)：注漿結束后，打開脫氣水箱的進水管上的閥門，每隔一定時間，記錄一次脫氣水箱的水位高度和刻度支管的水位高度，地層超孔隙水排水量由脫氣水箱的水位升高值與脫氣水箱的截面積的乘積計算所得，而地層最終的隆起體積為刻度支管的最初水位值與最終水位值的差值與試驗箱的截面積的乘積計算所得。

本發(fā)明中，所述的試驗箱為空心圓桶，從下向上為底板、試驗土層、承壓板和加壓脫氣水，底板的厚度可用來調節(jié)試驗土層的厚度，試驗土層與底板、承壓板的接觸面分別設置下部土工布、上部土工布，防止土顆粒流失，承壓板的周邊設置有兩道密封防水圈，隔絕加壓脫氣水和試驗土層。

所述的第一排水管、第二排水管中均設有排水濾網，用以防止土顆粒流水和堵塞管道。

所述的注漿管從試驗土層中部穿過，注漿口開設在注漿管的中部，注漿口為均布小孔，注漿口外側覆蓋橡膠膜，距離注漿口一定距離對稱設置止?jié){環(huán)，活塞泵從漿液箱抽取漿液，通過注漿管從注漿口向試驗土層中注漿，多余的漿液由漿液回流管回流至漿液箱中。

在試驗土層中設置土壓力計和孔隙水壓力計，用于測量漿液固結過程中漿液周邊土層的土壓力和孔隙水壓力變化。

加壓進水管與高壓空氣進氣管相連，高壓空氣壓力與測試地層總壓力相等，通過高壓空氣調壓閥來控制空氣壓力；脫氣水箱通過土層進水管與試驗箱中的試驗土層相連，并通過加壓進水管與試驗箱頂部相連，通過高壓空氣進氣管與高壓空氣泵相連。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明整體結構簡單、緊湊，經濟實用，可用于不同填筑條件和土層含水條件下的注漿模擬試驗，組裝及操作更加方便快捷，密封效果好，注漿模擬效果接近實際情況，能準確模擬現(xiàn)場注漿過程，可精確模擬現(xiàn)場測試位置的地層總壓力和土層孔隙水壓力，并能精確測定注漿過程中地層隆起體積和注漿結束后超孔隙水壓力的排水量與地層的最終隆起體積。

附圖說明

圖1為本發(fā)明整體結構示意圖；

圖2為本發(fā)明中注漿口局部結構示意圖；

圖3為本發(fā)明中注漿口的截面結構示意圖；

圖中標記說明：

1—試驗箱、2—承壓板、21—密封防水圈、3—試驗土層、31—上部土工布、32—下部土工布、4—底板、5—第一排水管、51—第二排水管、6—脫氣水箱、61—脫氣水、7—土層進水管、8—加壓進水管、9—高壓空氣進氣管、91—刻度支管、10—進氣支管、11—脫氣水箱的進水管、12—高壓空氣泵、13—漿液箱、14—活塞泵、15—注漿管、151—漿液回流管、16—注漿口、161—橡膠膜、17—止?jié){環(huán)、18—水壓表、19—閥門、20—流量計、22—第一空氣壓力表、23—加壓脫氣水、24—孔隙水壓力計、25—土壓力計、26—第一高壓空氣調壓閥、27—第二高壓空氣調壓閥、28—第二空氣壓力表。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例：

如圖1所示，用于模擬注漿過程中地層隆起的試驗裝置，該裝置包括試驗箱1、設置在試驗箱1中并將試驗箱1的內腔分隔成相互獨立的土層裝載腔和加壓水腔的承壓板2、與加壓水腔相連通的進水控制系統(tǒng)及高壓空氣調節(jié)系統(tǒng)、裝填在土層裝載腔中的試驗土層3、埋設在試驗土層3中的注漿單元以及與注漿單元相連接的漿液控制系統(tǒng)，土層裝載腔通過土層進水管7與進水控制系統(tǒng)相連通，試驗土層3中還埋設有土壓力計25及孔隙水壓力計24。在試驗土層3中設置土壓力計25和孔隙水壓力計24，用于測量漿液固結過程中漿液周邊土層的土壓力和孔隙水壓力變化。

注漿單元包括橫貫埋設在試驗土層3中部的注漿管15、開設在注漿管15中部的注漿口16以及與注漿口16配合使用的止?jié){環(huán)17。如圖2-3所示，注漿口16共設有多個，并沿圓周均勻布設在注漿管15的管壁上，注漿口16的外側覆蓋有橡膠膜161。

漿液控制系統(tǒng)包括漿液箱13、活塞泵14以及漿液回流管151，漿液箱13的出口端依次與活塞泵14、注漿管15相連接，并通過漿液回流管151返回連接至漿液箱13的進口端。

進水控制系統(tǒng)包括脫氣水箱6、一端與脫氣水箱6的出水口相連通，另一端與加壓水腔相連通的加壓進水管8、沿水流方向依次設置在加壓進水管8上的流量計20、閥門及水壓表18，脫氣水箱6通過土層進水管7與試驗土層3相連通。加壓水腔上部的一段加壓進水管8上設有用于指示水位的刻度支管91。

高壓空氣調節(jié)系統(tǒng)包括高壓空氣泵12、將高壓空氣泵12與加壓進水管8相連通的高壓空氣進氣管9、沿氣流方向依次設置在高壓空氣進氣管9上的第一高壓空氣調壓閥26及第一空氣壓力表22。高壓空氣進氣管9上設有與脫氣水箱6相連通的進氣支管10，該進氣支管10上沿氣流方向依次設有第二空氣壓力表28及第二高壓空氣調壓閥27。

試驗土層3的頂面和底面分別設有上部土工布31、下部土工布32，承壓板2的周邊設有密封防水圈21，加壓水腔、土層裝載腔還分別設有第一排水管5、第二排水管51。

本實施例中，試驗箱1為空心圓桶，從下向上為底板4、試驗土層3、承壓板2和加壓脫氣水23，底板4的厚度可用來調節(jié)試驗土層3的厚度，試驗土層3與底板4、承壓板2的接觸面分別設置下部土工布32、上部土工布31，防止土顆粒流失，承壓板2的周邊設置有兩道密封防水圈21，隔絕加壓脫氣水和試驗土層3。第一排水管5、第二排水管51中均設有排水濾網，用以防止土顆粒流水和堵塞管道。

注漿管15從試驗土層3中部穿過，注漿口16開設在注漿管15的中部，注漿口16為均布小孔，注漿口16外側覆蓋橡膠膜161，距離注漿口16一定距離對稱設置止?jié){環(huán)17，活塞泵14從漿液箱13抽取漿液，通過注漿管15從注漿口16向試驗土層3中注漿，多余的漿液由漿液回流管151回流至漿液箱13中。

加壓進水管8與高壓空氣進氣管9相連，高壓空氣壓力與測試地層總壓力相等，通過第一高壓空氣調壓閥26來控制空氣壓力；脫氣水箱6通過土層進水管7與試驗箱1中的試驗土層3相連，并通過加壓進水管8與試驗箱1頂部相連，通過高壓空氣進氣管9與高壓空氣泵12相連。

本實施例用于模擬注漿過程中地層隆起的試驗裝置的測試方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟(1)：通過脫氣水箱的進水管11向脫氣水箱6內注入脫氣水61至脫氣水箱6的2/3高度處，組裝試驗箱1，并裝填試驗土層3，保持試驗土層3的密度與現(xiàn)場實際密度相同；

步驟(2)：打開加壓進水管8上的閥門，向試驗箱1的加壓水腔中注水，并通過第一排水管5調節(jié)水位到刻度支管91的2/3處，然后關閉加壓進水管8上的閥門，打開第一高壓空氣調壓閥26，使得空氣壓力等于現(xiàn)場測試位置地層的總壓力；

步驟(3)：調節(jié)脫氣水箱6的進氣支管10上的第二高壓空氣調壓閥27，使得脫氣水箱6內空氣壓力略高于現(xiàn)場測試位置的地層孔隙水壓力，打開土層進水管7上的閥門，脫氣水箱6內的脫氣水開始向試驗箱1中的試驗土層3充水，并使得試驗土層3中的孔隙水壓力與現(xiàn)場測試位置孔隙水壓力相等；

步驟(4)：當?shù)诙潘?1內不再有氣泡排出，水流穩(wěn)定排出后，說明試驗土層3中的氣體已全部排出，關閉第二排水管51及土層進水管7上的閥門，記錄下脫氣水箱6和刻度支管91內的水位高度；

步驟(5)：打開活塞泵14開始注漿，每隔一定時間，記錄一次刻度支管91內的水位高度、加壓進水管8上流量計20讀數(shù)、土壓力計和孔隙水壓力計的讀數(shù)，注漿導致的地層隆起總體積由刻度支管91水位的升高值與試驗箱1的截面積的乘積計算所得；

步驟(6)：注漿結束后，打開脫氣水箱6的進水管上的閥門，每隔一定時間，記錄一次脫氣水箱6的水位高度和刻度支管91的水位高度，地層超孔隙水排水量由脫氣水箱6的水位升高值與脫氣水箱6的截面積的乘積計算所得，而地層最終的隆起體積為刻度支管91的最初水位值與最終水位值的差值與試驗箱1的截面積的乘積計算所得。

上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內。