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原文传递饱和粉细砂层诱导注浆实验模型及实验方法

专利名称：	饱和粉细砂层诱导注浆实验模型及实验方法
摘要：	饱和粉细砂层诱导注浆实验模型及实验方法，属于地基与岩土工程研究领域。实验模型包括：模型系统、注浆控制系统、负压诱导系统、智能监测系统四部分组成；提出了诱导注浆的原理；本发明通过改变压力、注浆方式、注浆时间、砂层结构和浆液成份等条件，来监测不同孔隙度、水压、流速、时间、稠度和在不同动水流态条件下浆液扩散规律，研究注浆过程中监测浆液扩散、流速变化、渗压分布和能量损耗等相关信息。本发明是对在饱和沙土地基，通过负压诱导的方式，可以定向注浆和定向加固地基，加固地基的范围和效果可以根据工程的需要，根据诱导注浆原理来实现。
专利类型：	发明专利
申请人：	北京市政路桥股份有限公司
发明人：	宋海山;李萌萌;顾磊;郑健;焦志杰;何彬;时光;邓洪亮;张维;李凌宜;王守凡;李勃亨;丁春福;王迪;马岩
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T10:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T19:00:00+0805
申请号：	CN202010161046.7
公开号：	CN111175477A
代理机构：	北京思海天达知识产权代理有限公司
代理人：	张立改
分类号：	G01N33/24;G01N33/38;G;G01;G01N;G01N33;G01N33/24;G01N33/38
申请人地址：	100045 北京市西城区南礼士路17号
主权项：	1.一种饱和粉细砂层诱导注浆实验模型，其特征在于，饱和粉细砂层诱导注浆实验模型包括：模型系统(1)、注浆控制系统(2)、负压诱导控制系统(3)、智能监测系统(4)四部分组成；各个系统的组成如下：其中模型系统(1)包括模型槽(1.1)和位于模型槽内的试验土体(1.2)；所述模型槽(1.1)包括：有机玻璃材质的模型槽板(1.1.1)，模型槽加固条型钢(1.1.2)和橡胶密封垫(1.1.3)；所述试验土体(1.2)自下而上依次包括：粉细沙层(1.2.3)，黏土止水层(1.2.2)和土工膜(1.2.1)；其中注浆系统(2)包括依次连接的注浆泵(2.1)、注浆压力控制器(2.2)、加压箱(2.3)、注浆控制阀(2.6)，采用金属注浆管(2.4)连接，金属注浆管(2.4)最后连接的预埋注浆管(2.5)伸入到试验土体(1.2)内；其中负压诱导控制系统(3)包括依次连接的负压泵(3.1)、负压诱导排水负压力控制器(3.2)、抽水控制阀(3.5)，采用金属排水管(3.3)连接，最后连接预埋负压管(3.4)伸入到试验土体(1.2)内；或采用多个抽水控制阀(3.5)并联，每个并联管路最后各连接一个预埋负压管(3.4)伸入到试验土体(1.2)内和抽水控制阀(3.5)；其中智能监测系统(4)包括位于试验土体(1.2)内的各种传感器(4.1)，注浆系统(2)管路上设置的注浆压力计(4.2)，负压诱导控制系统(3)管路上设置的负压压力计(4.3)，智能检测采集器(4.4)和系统监测平台(4.5)；各传感器(4.1)、注浆压力计(4.2)和负压压力计(4.3)均通过智能检测采集器(4.4)与系统监测平台(4.5)连接；所述试验土体内分别预埋注浆管(2.5)和预埋负压管(3.4)，预埋注浆管(2.5)和预埋负压管(3.4)，采用透明玻璃管，预埋注浆管(2.5)管子末端设置一定数量的圆形注浆孔，在高压状态下向外喷射注浆浆液，在预埋负压管(3.4)管子末端设置一定数量的圆形滤孔，外包滤网，过滤沙粒和进行负压排水。 2.按照权利要求1所述的一种饱和粉细砂层诱导注浆实验模型，其特征在于，所述的各种传感器(4.1)包括孔隙水应力传感器，温度传感器，土压力传感器，流速传感器等。 3.按照权利要求1所述的一种饱和粉细砂层诱导注浆实验模型，其特征在于，模型槽是采用透明有机玻璃钢板(1.1.1)拼接而成的，采用型钢加固条(1.1.2)固定连接，防止模型槽产生变形，橡胶密封垫(1.1.3)密封模型槽的上口；模型槽内分层填入试验用土体粉细沙层分别采用机制石英砂或者河沙，分层间采用黏土止水层(1.2.2)和土工膜(1.2.1)进行分层止水。 4.按照权利要求1所述的一种饱和粉细砂层诱导注浆实验模型，其特征在于，模型系统：模型系统包括模型槽和土体两部分，之后的整个注浆实验在模型系统中完成；为能够观察到实验槽内的浆液(5.1)和水(5.2)流动情况、注浆过程和注浆效果，模型槽(1.1)的槽身根据沙子颗粒大小和浆液(5.1)颗粒大小，依据相似定律确定模型的比例和注浆参数，采用透明的有机玻璃板(1.1.1)制作，槽体长为L，宽为B，高为H，其具体尺寸符合相似比例。 5.按照权利要求1所述的一种饱和粉细砂层诱导注浆实验模型的实验方法，其特征在于，在注浆控制系统(2)中由注浆泵(2.1)提供足够的规定成分和比例的注浆浆液(5.1)，在注浆压力控制器(2.2)的控制下，注入加压箱(2.3)，形成稳定的压力和浆液体，由注浆控制阀(2.6)控制注浆时间，注浆压力，通过预埋注浆管(2.5)对土体进行注浆，浆液经注浆管进入土体，形成一定范围的正压力圈，在一定压力(负压诱导系统)诱导下沿规定的方向，向土体中扩散和运移，形成滞留体和加固土体(5.3)；负压诱导控制系统(3)由负压泵(3.1)，抽水控制阀(3.5)和诱导排水负压力控制器(3.2)提供稳定的负压力，由负压压力计(4.3)控制负压的大小和时间，在预埋负压管(3.4)中形成液体(水体(5.2))诱导负压力，将土体中的水在负压状态下吸出，形成土体中一定范围的负压力圈，诱导正压力下的浆液向负压方向运移，形成滞留体和加固土体(5.3)；当土体中任一点的浆液扩散正压力和诱导负压力之差大于浆液在土体中的流动阻力时，浆液将沿规定的诱导方向扩散和运移，并在压力控制下在土体中形成滞留体和加固土体(5.3)。 6.按照权利要求5所述的实验方法，其特征在于，浆液流动时任意点的压应力为：提出的诱导注浆的原理的诱导劈裂条件是，设τ0为浆液的极限剪切应力，ν为通道方向浆液速度，则为浆液平均速度，μ为粘度系数，b为劈裂开度系数，则浆液流动时距离注浆孔r处任意点的微压应力为：设γ为重度，K0为侧压力系数，任意微单元所受的应力由上覆土的自重应力pz，侧压力pk和注浆压力p1或抽水负压力p2，则埋深Z处砂土层任一微单元在垂直方向所受应力为上覆土的自重应力pz，即 pz＝γZ (2) 微单元在水平方向所受应力ph为注/抽水压力pi和侧压力pk的合力，即 ph＝pi+pk＝pi+K0γZ (3) 根据浆液流动方程，设微单元体到注浆孔的距离为r1，负压抽水孔的距离为r2，注浆孔的最大影响距离为R1，负压抽水孔的最大影响距离为R2，可得任一微单元上所受的水平应力为即，任一微单元，设注浆附加应力为：负压附加应力为：则在水平方向所受的注/抽水压力的合力为： ph(r)＝p1(r1)+p2(r2) (5) 根据起劈方向解，对于任一微单元体，如果pz﹥ph(r)，则在垂直方向产生劈裂，pz﹤ph(r)则在水平方向劈裂，如果pz＝ph(r)则劈裂方向为随机方向。 7.按照权利要求6所述的实验方法，其特征在于，提出的诱导注浆的原理的可注条件是，根据流变学理论，任何流体包括注浆浆液的流变性都可用流变模型来描述，设塑性粘度为μρ，浆液流动时摩擦剪切应力为τ，剪切速率(流速梯度)为ξ，则塑性流体的流变方程为: τ＝τ0+μρ.ξ (6) 对于任一微单元体，如果ph(r)>τ，则浆液将沿水平方向产生渗流运动，具有可注性；只要在注浆孔(5.4)和吸水孔(5.5)之间任一微单元体上满足pz﹥ph(r)就可以产生沿注浆孔(5.4)至吸水孔(5.5)方向的诱导定向劈裂；如果ph(r)>τ，则浆液将沿水平方向产生渗流运动，具有可注性，实现定向注浆。 8.按照权利要求5所述的实验方法，其特征在于，所述注浆原理是，监测系统在整个实验排水诱导注浆过程中，通过监测系统(4)监测模型的土体压力、注浆压力、孔隙水压力、水和浆液的流速、温度等相关影响条件，并收集实验数据，分析实验结果；系统中采用多种传感器(4.1)在实验过程中采集数据，利用智能检测采集器(4.4)将数据传达到系统监测平台(4.5)并记录数据。注浆压力计(4.2)在注浆过程中用于观察并记录注浆压力，便于及时调整合适的注浆压力；负压压力计(4.3)监测注浆过程中排水系统中的排水负压力，便于随时观测并控制排水负压力值。 9.采用权利要求5-8任一项所述的实验方法，其特征在于，通过改变压力、注浆方式、注浆时间、砂层结构和浆液成份等条件，来监测不同孔隙度、水压、流速、时间、稠度和在不同动水流态条件下浆液扩散规律，研究注浆过程中监测浆液扩散、流速变化、渗压分布和能量损耗等相关信息。 10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，实验分组：第一组：注水试验，测定土体中孔隙水压力和流动速度，土压力、注浆时间、注浆压力和抽水负压力，观测流动方向和轨迹，从而计算一些参数如流动速度，流动场势，绘出浆液和水流动场等；第二组：按水灰比把水泥浆不同配合比分三组进行试验，三组实验采用不同配合比，测定土体中孔隙水压力和流动速度，土压力、注浆时间、注浆压力和抽水负压力，观测流动方向和轨迹，从而计算一些参数如流动速度，流动场势，绘出浆液和水流动场等；第三组：按注浆压力大小分五组进行试验，测定土体中孔隙水压力和流动速度，土压力、注浆时间、注浆压力和抽水负压力，观测流动方向和轨迹，从而计算一些参数如流动速度，流动场势，绘出浆液和水流动场等；第四组：按不同注浆时间进行分三组，测定土体中孔隙水压力和流动速度，土压力、注浆时间、注浆压力和抽水负压力，观测流动方向和轨迹，从而计算一些参数如流动速度，流动场势，绘出浆液和水流动场等；第五组：对不同成分和粒径的沙子，按不同沙土层的组合结构(机制沙或河沙)将模型分二组，分别为机制砂和河砂，采用合适的水灰比，并采用不同的注浆压力，分别进行注浆试验，测定土体中孔隙水压力和流动速度，土压力、注浆时间、注浆压力和抽水负压力，观测流动方向和轨迹，从而计算一些参数如流动速度，流动场势，绘出浆液和水流动场等。
所属类别：	发明专利