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密實細(xì)砂層注漿材料及漿脈擴展監(jiān)測的試驗裝置和方法

文檔序號:40652390發(fā)布日期:2025-01-10 18:59閱讀:6來源:國知局
密實細(xì)砂層注漿材料及漿脈擴展監(jiān)測的試驗裝置和方法

本發(fā)明屬于隧道工程,具體是涉及一種密實細(xì)砂層注漿材料及漿脈擴展監(jiān)測的試驗裝置和方法。


背景技術(shù):

1、細(xì)砂層膠結(jié)強度低、圍巖自穩(wěn)能力差,暗挖地鐵隧道施工過程中,拱頂?shù)魤K、掌子面坍塌等事故頻發(fā),嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度及施工人員安全。富水砂層可通過凍結(jié)、注漿等方法進(jìn)行治理,凍結(jié)法具有適應(yīng)范圍廣、靈活性好等優(yōu)點,但施工工期長、施工成本較高,施工過程中風(fēng)險大等問題。注漿法可以實現(xiàn)水力封堵和提升圍巖承載能力的雙重效果,在地下工程富水砂層災(zāi)害治理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在相對密實度超過80%的細(xì)砂層中,傳統(tǒng)的水泥漿液、水泥水玻璃漿液擴散半徑小,無法對掌子面進(jìn)行有效加固。此外,注漿加固工程具有一定隱蔽性,無法有效觀察到漿液在土體內(nèi)部的擴展過程且施工環(huán)境復(fù)雜多變;試驗法能夠直觀、全面、真實地反映材料擴散特性,成為注漿理論研究的重要手段。因此,研制新型注漿材料,研發(fā)富水砂層超前小導(dǎo)管注漿裝置,探究新型材料擴散特性為注漿加固工程提供科學(xué)依據(jù),已成為亟待解決的問題。

2、現(xiàn)階段密實細(xì)砂層超前小導(dǎo)管新型注漿材料及注漿試驗裝置主要存在以下幾個缺陷:1)細(xì)砂層結(jié)構(gòu)密實,使得現(xiàn)有注漿材料擴散半徑小,無法對密實細(xì)砂層進(jìn)行有效加固且水泥材料生產(chǎn)過程具有高耗能、高污染及高二氧化碳排放等缺點,與現(xiàn)階段綠色施工理念相違背;2)試驗裝置及小導(dǎo)管尺寸較小,裝置壁面效應(yīng)對試驗結(jié)果影響大,無法真實反應(yīng)漿液擴散特性,無法真實模擬現(xiàn)場注漿工況;3)注漿試驗結(jié)束后,通常需要對試驗裝置進(jìn)行拆除,查看砂土內(nèi)部漿脈分布,測量漿脈厚度,進(jìn)而對注漿過程中漿液擴散形態(tài)進(jìn)行推測,無法實時獲取漿脈擴散形態(tài)。


技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供一種密實細(xì)砂層注漿材料及漿脈擴展監(jiān)測的試驗裝置和方法,研制了新型富水砂層高效綠色注漿材料,通過采用大尺寸的試樣加載倉及足尺的超前小導(dǎo)管,真實模擬現(xiàn)場注漿工況;采用布置在試樣加載倉外部的x射線檢測裝置,對試樣加載倉內(nèi)砂土漿脈形態(tài)進(jìn)行實施掃描并建立三維重構(gòu)模型,可實施獲取砂土內(nèi)部漿脈分布形態(tài)。

2、用以解決現(xiàn)有試驗存在的問題。

3、為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:包括原材料和優(yōu)化劑,所述原材料由超細(xì)水泥、礦渣微粉和超細(xì)粉煤灰組成,所述優(yōu)化劑由水玻璃溶液和超塑性劑按質(zhì)量比為7:3的比例混合組成,所述水玻璃溶液的模數(shù)為3.25,所述水玻璃溶液的波美度為41.5,所述超塑性劑為聚羧酸減水劑,所述密實細(xì)砂層注漿材料的粒徑主要集中在1.4~14.7微米。

4、上述的一種密實細(xì)砂層注漿材料,其特征在于:所述密實細(xì)砂層注漿材料還包括水,所述密實細(xì)砂層注漿材料中水與原材料的質(zhì)量比為0.8:1~1:1;所述超細(xì)水泥、礦渣微粉和超細(xì)粉煤灰的質(zhì)量比為4:1:5~4:2:4,所述優(yōu)化劑的摻量為原材料和水兩者總質(zhì)量的4%~6%。

5、上述的一種密實細(xì)砂層注漿材料,其特征在于:所述密實細(xì)砂層注漿材料中水與原材料的質(zhì)量比為1:1,所述超細(xì)水泥、礦渣微粉和超細(xì)粉煤灰的質(zhì)量比為4:2:4,所述優(yōu)化劑的摻量為原材料和水兩者總質(zhì)量的4%。

6、另外,本發(fā)明還提供了一種采用上述密實細(xì)砂層注漿材料的漿脈擴展監(jiān)測的試驗裝置,其特征在于:包括砂層模擬裝置、向所述砂層模擬裝置注入所述密實細(xì)砂層注漿材料的注漿裝置、和用于實時監(jiān)測所述砂層模擬裝置內(nèi)漿脈擴展的監(jiān)測裝置,

7、所述注漿裝置包括高速電動機、活塞式抽水機、儲漿桶、高壓軟管、高速攪拌機、注漿管和超前小導(dǎo)管,所述高速電動機與活塞式抽水機通過皮帶連接在一起,所述高速電動機用于為活塞式抽水機的活塞往復(fù)運動提供所需的能量;所述儲漿桶用于儲存所述密實細(xì)砂層注漿材料制成的注漿漿液,所述高速攪拌機的上部與儲漿桶頂部蓋板通過螺栓相連,所述高速攪拌機的中下部均位于儲漿桶內(nèi)可對所述注漿漿液進(jìn)行高速均勻攪拌;所述儲漿桶底部的抽漿口與高壓軟管的一端連接,所述高壓軟管的另一端與活塞式抽水機的進(jìn)漿口連接且通過活塞式抽水機將所述注漿漿液抽入注漿管內(nèi);所述活塞式抽水機的出漿口通過注漿管與超前小導(dǎo)管的尾端相連可直接將所述注漿漿液注入土體中。

8、上述的一種密實細(xì)砂層注漿材料,其特征在于:注漿裝置還包括流量監(jiān)測儀和注漿壓力測量儀,所述流量監(jiān)測儀和注漿壓力測量儀均安裝在活塞式抽水機的出漿口處,所述流量監(jiān)測儀用于實時監(jiān)測注漿過程中所述注漿漿液的注漿壓力,所述注漿壓力測量儀用于實時監(jiān)測注漿過程中所述注漿漿液的注漿量變化。

9、上述的一種密實細(xì)砂層注漿材料,其特征在于:所述高速電動機上安裝有能夠?qū)Ω咚匐妱訖C的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閥門,所述儲漿桶的頂部設(shè)置有用于將所述密實細(xì)砂層注漿材料倒入儲漿桶內(nèi)的下料斗。

10、上述的一種密實細(xì)砂層注漿材料,其特征在于:所述砂層模擬裝置包括試樣加載倉、上承載板、中承載板、下承載板、壓力施加裝置、壓力測量儀和壓力顯示儀,所述上承載板和下承載板平行設(shè)置且兩者之間留有距離,所述上承載板和下承載板通過多根螺紋絲杠和多個螺栓固定在一起,所述試樣加載倉設(shè)置在下承載板的上表面上,所述中承載板位于試樣加載倉的頂部,所述壓力施加裝置設(shè)置在上承載板與中承載板之間以對試樣加載倉內(nèi)的土體施加上覆荷載;所述壓力測量儀位于中承載板下表面內(nèi)10cm處的土體內(nèi)用于實時測量土體中的壓力,所述壓力測量儀通過導(dǎo)線與壓力顯示儀連接。

11、上述的一種密實細(xì)砂層注漿材料,其特征在于:所述壓力施加裝置包括液壓千斤頂和伸縮桿,所述伸縮桿位于液壓千斤頂?shù)纳戏?,所述伸縮桿焊接在上承載板的底部中心處,所述液壓千斤頂?shù)牡撞抗潭ㄔ谥谐休d板的頂部中心處,所述液壓千斤頂和上端與伸縮桿相連接;所述中承載板的上表面焊接多根斜三角剛肋板。

12、上述的一種密實細(xì)砂層注漿材料,其特征在于:所述監(jiān)測裝置包括掃描儀、x射線發(fā)生器、高壓發(fā)生器、點云收集系統(tǒng)和圖像顯示儀,所述掃描儀安裝在試樣加載倉外倉的軌道上可對試樣加載倉內(nèi)的漿脈擴散形態(tài)進(jìn)行360°掃描,所述x射線發(fā)生器設(shè)置在掃描儀的頂部用于對砂土內(nèi)部漿脈擴散形態(tài)進(jìn)行實施監(jiān)測,所述x射線發(fā)生器與高壓發(fā)生器相連且高壓發(fā)生器能夠為x射線發(fā)生器提供100kv~140kv的穩(wěn)定直流高壓,所述點云收集系統(tǒng)與掃描儀通過導(dǎo)線連接,所述點云收集系統(tǒng)與圖像顯示儀通過光纖相連,可對試樣倉內(nèi)部注漿漿脈形態(tài)進(jìn)行三維重構(gòu)。

13、除此之外,本發(fā)明還提供了一種使用上述的裝置來實時監(jiān)測密實細(xì)砂層內(nèi)漿脈擴展的試驗方法,其特征在于,包括以下步驟:

14、步驟一、砂土試樣制備:試驗采用重塑砂土,為了保證重塑砂土與現(xiàn)場砂土物理力學(xué)特性相同,重塑砂土粒徑分布及含量與原狀砂土一致,采用相對密實度指標(biāo)對其孔隙率進(jìn)行控制;采用振動錘擊法,對砂土最小孔隙比進(jìn)行測試;砂土最大孔隙率,采用量筒慢轉(zhuǎn)法進(jìn)行測試;

15、步驟二、試樣拌合:根據(jù)步驟一中測定的砂土最大孔隙率和最小孔隙率,基于相對密度及土體孔隙率計算公式,如下式(1)、(2)所示,確定填土質(zhì)量,將試樣拌合后放置在密封袋中悶料24小時,保證砂土內(nèi)部水分均勻分布;

16、

17、式中:dr為相對密度;emax為砂土最大孔隙率;emin為砂土最小孔隙率;e為砂土天然孔隙率;

18、

19、式中:gs為砂土顆粒比重;w為砂土含水率,%;γw為水的重度,knm-3;γ為砂土重度,kn·m-3;

20、步驟三、試驗裝置安裝:將螺紋絲杠穿過下承載板周圍預(yù)留的小孔,并通過螺栓將下承載板固定在螺紋絲杠上,接著將試樣加載倉放置在中承載板的上表面上,安裝超前小導(dǎo)管;

21、步驟四、砂土試樣裝填:試驗開始前,將試樣土體分為3~5份,分層加入試樣加載倉內(nèi),采用擊實儀逐層擊實;接著安裝上承載板,通過上承載板底部的伸縮桿將中承載板及液壓千斤頂移動到試樣加載倉表面,打開液壓千斤頂?shù)拈_關(guān),對試樣進(jìn)行加載,模擬土體的真實賦存狀態(tài);

22、步驟五、漿液制備:按照質(zhì)量比將超細(xì)水泥、礦渣微粉和超細(xì)粉煤灰通過下料斗倒入儲漿桶內(nèi),并添加與原材料質(zhì)量相同的水,通過高速攪拌機對漿液進(jìn)行充分?jǐn)嚢?;接著,摻入?yōu)化劑,再次進(jìn)行攪拌,制備得到密實細(xì)砂層注漿材料;同時,連接注漿管路,對注漿過程中注漿量及注漿壓力進(jìn)行實時監(jiān)測;

23、步驟六、注入試驗:待密實細(xì)砂層注漿材料混合充分后,打開高速電動機并通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閥門對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié);同時,開啟活塞式抽水機,對密實細(xì)砂層注漿材料漿液進(jìn)行吸取,開啟出漿口閥門,將漿液混合注入土體試樣中;

24、步驟七、注漿結(jié)束:將注漿量作為注漿結(jié)束的標(biāo)志,單孔注漿量計算公式,如下式(3)所示;注漿結(jié)束1h后,對試驗裝置進(jìn)行拆除,并采用清水對活塞式抽水機和注漿管進(jìn)行沖洗,防止?jié){液凝固對活塞式抽水機造成損傷;

25、q=πr2lnα??????????????????????????????????(3)

26、式中:q為單孔漿液注入量,m3;r為漿液擴散半徑;l為注漿段長度;n為砂土天然孔隙率;α為地層填充率。

27、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:

28、1、本發(fā)明中,研制了水固比為1:1、礦渣微粉、超細(xì)粉煤灰及超細(xì)水泥質(zhì)量比為4:2:4,優(yōu)化劑摻量為4%的新型高效綠色密實細(xì)砂層注漿材料,解決了現(xiàn)階段水泥漿液擴散半徑小,無法有效加固隧道掌子面且存在高耗能、高二氧化碳排放等問題。

29、2、本發(fā)明中,通過使用砂層模擬裝置,真實模擬了實際砂土賦存環(huán)境,相比于以往試驗中采用小尺寸試樣加載倉,該試驗裝置更接近實際施工情況,且有效避免了裝置界面效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響。此外,本發(fā)明中,通過使用現(xiàn)場施工過程中常用的超前小導(dǎo)管,真實模擬了現(xiàn)場注漿過程。

30、3、本發(fā)明中,通過使用均勻布設(shè)在試樣加載倉外倉表面的監(jiān)測裝置,可實施獲取砂土內(nèi)部漿脈分布形態(tài)。

31、下面通過附圖和實施例,對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

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