一種地層注漿模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地層注漿技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種地層注漿模擬系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展，作為決定和影響城市競爭力主要因素之一的城市交通基礎(chǔ)設(shè)施狀況是城市發(fā)展水平和文明程度的重要支撐，是城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的物質(zhì)條件。隨著城市人口的不斷增加，對(duì)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施需求也不斷增加。我國從建國60年以來，隨著城市人口率從10%發(fā)展至今天的50%，城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)生了翻天覆地的變化，尤其是作為首都的北京更是發(fā)生了日新月異的變化，北京城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)大規(guī)模的高速發(fā)展期，其中地下工程中的地鐵在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中處于了領(lǐng)先的地位，大量的地鐵工程的建設(shè)有效緩解了大城市地面交通的擁堵狀況。由于地下資源的日益緊張，越來越多的地下工程將在深埋條件下進(jìn)行建設(shè)，或在特殊的地層中進(jìn)行建設(shè)，勢(shì)必將遇到諸多工程問題。如地下工程修建過程中不可避免會(huì)遇到松散自穩(wěn)能力差地層，若遇地下水則易引起塌方事故，從而影響到地面、周邊環(huán)境的安全。
[0003]注漿技術(shù)是一實(shí)踐性極強(qiáng)的技術(shù)，主要解決軟弱地層和地下水的處理，是地下工程的靈魂。該技術(shù)已經(jīng)從地下工程領(lǐng)域延伸到建筑物糾偏下沉控制、塌方處理、地基加固、止水帷幕、防滲處理、路面整治、工程搶險(xiǎn)等等方面，在各個(gè)領(lǐng)域中起到越來越主要的作用。
[0004]在埋深比較大地下工程，將會(huì)遇到承壓水(甚至多層承壓水)、滲透系數(shù)極大的卵漂石地層、富水(或具有承壓性)的粉細(xì)砂地層，這些方面的注漿機(jī)理、注漿漿液的選擇、注漿工藝等方面均沒有很好的解決，另外在注漿效果的檢測(cè)與評(píng)價(jià)及如何開挖等方面還存在很多問題。
[0005]注漿是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它的滲流過程和注漿效果是受注體、漿液和注漿工藝三方面共同作用的結(jié)果。目前，注漿滲流理論的研究不能完全反映受注地層的物理特征，大多數(shù)研究都是建立在單一牛頓流體穩(wěn)定滲流的基礎(chǔ)上的，難以真實(shí)地反映地層注漿過程；另外由于注漿工程的隱蔽性和地下工程圍巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，給注漿參數(shù)設(shè)計(jì)和注漿效果檢驗(yàn)帶來極大困難。實(shí)驗(yàn)室注漿模擬試驗(yàn)是確定注漿工程中注漿參數(shù)以及各因素對(duì)注漿效果影響規(guī)律的有效途徑和方法之一。因此，模擬注漿實(shí)驗(yàn)是研究巖土體注漿的必不可少的重要手段。
[0006]國內(nèi)外在注漿領(lǐng)域的研究隊(duì)伍逐漸擴(kuò)大，日本研究機(jī)構(gòu)有東京大學(xué)、京都大學(xué)等；美國從事注漿的研究機(jī)構(gòu)有西北大學(xué)、斯坦福大學(xué)等；德國從事注漿的研究機(jī)構(gòu)有柏林大學(xué)、慕尼黑大學(xué)等；另外俄羅斯、英國也有類似的研究機(jī)構(gòu)。國外在注漿技術(shù)方面極為先進(jìn)，但由于成本太高，很難在國內(nèi)推廣應(yīng)用。
[0007]國內(nèi)從事注漿方面的研究機(jī)構(gòu)主要集中在水利部門、煤炭部門，清華大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、中南工業(yè)大學(xué)也開展了這方面研究工作建立了實(shí)驗(yàn)室。如中國水利水電科學(xué)院研制開發(fā)了平板型注漿實(shí)驗(yàn)臺(tái)，建立了非牛頓流體在水平光滑裂隙面內(nèi)的擴(kuò)散方程，得出了擴(kuò)散半徑和注漿壓力、漿液粘度及注漿時(shí)間之間的關(guān)系；在中國礦業(yè)大學(xué)進(jìn)行了巖體單裂隙和裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬注漿試驗(yàn)。設(shè)計(jì)的注漿試驗(yàn)臺(tái)主要包括有壓力機(jī)、穩(wěn)壓器、氮?dú)馄?穩(wěn)壓源)、注漿器、千斤頂以及注漿模擬實(shí)驗(yàn)盒。實(shí)驗(yàn)盒尺寸為SOcmX40cmX40cm，用玻璃板模擬上下裂隙面的面板；東北大學(xué)研制了槽形反扁圓柱狀試驗(yàn)臺(tái)，并用它研究了多孔介質(zhì)體中注漿滲流過程的壓力分布及其隨擴(kuò)散距離而衰減的規(guī)律。中南大學(xué)進(jìn)行了砂卵石地層中的注漿模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置是結(jié)合實(shí)際情況自行研制的，由五部分組成:鋼結(jié)構(gòu)架、可移動(dòng)板和有機(jī)玻璃板、振動(dòng)臺(tái)、注漿設(shè)備和量測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕缮啊⒙训[石經(jīng)過不同的配比組合而成，經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)密實(shí)，模擬砂卵(礫)石層?；茨系V業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室模具由四塊鋼板組成，上下鋼板厚度為35mm，兩側(cè)鋼板厚度為40mm,為了增加模具的剛度，在上下鋼板上焊接加強(qiáng)槽鋼，該模具內(nèi)尺寸為520mmX400mmX80mm，外觀尺寸為600mmX400mmX234mm。注楽器由缸體和活塞組成，裝楽量為llOOmL，液壓千斤頂?shù)念~定承載能力為80kN，注楽花管總長為200mm，注楽段為70mm，內(nèi)徑15mm，外徑211mm，射楽孔孔徑為8mm，液壓穩(wěn)壓器提供模型致裂載荷和注漿壓力，固定框架是用于固定模型加載、注漿的
目.ο
[0008]然而，現(xiàn)有的注漿模擬裝置尺寸較小，尺寸效應(yīng)極為明顯；無法模擬開挖過程；無法模擬深埋地下環(huán)境；無法模擬動(dòng)水及滲流環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009](一 )要解決的技術(shù)問題
[0010]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種成本較低且可模擬開挖過程、深埋地下環(huán)境、動(dòng)水及滲流環(huán)境的地層注漿模擬系統(tǒng)。
[0011](二)技術(shù)方案
[0012]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種地層注漿模擬系統(tǒng)，容納巖土的模型荷載箱，其側(cè)壁上設(shè)置有可拆卸的壁板；從頂端對(duì)所述巖土加載以還原地下應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境的加載子系統(tǒng)；可控制地向所述巖土注水和從所述巖土排水以模擬靜水和動(dòng)水環(huán)境的地下水模擬子系統(tǒng)；向所述巖土中注漿的注漿子系統(tǒng)；量測(cè)巖土的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；以及量測(cè)所述模型荷載箱的變形、加壓壓力、注漿壓力并具有報(bào)警功能的報(bào)警子系統(tǒng)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，模型荷載箱包括位于地面以上的上箱體和位于地面以下的下箱體；上箱體的側(cè)壁由多個(gè)獨(dú)立的塊狀物可拆卸地拼裝而成，上箱體的頂部和底部敞開；下箱體為開設(shè)在地面上的凹腔，上箱體與凹腔連通。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，在相鄰的兩個(gè)塊狀物之間設(shè)有密封結(jié)構(gòu)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，凹腔的深度大于lm，填埋巖土材料，以消除底邊界效應(yīng)；可拆卸的壁板包含在上箱體的一個(gè)側(cè)壁中，在上箱體的另外兩個(gè)相對(duì)的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)水孔和排水孔；地下水模擬子系統(tǒng)包括用于向巖土中注水的進(jìn)水子系統(tǒng)和用于從巖土中排水的排水子系統(tǒng)，其中，進(jìn)水子系統(tǒng)和排水子系統(tǒng)分別與進(jìn)水孔和排水孔連通，以向巖土注水和從巖土排水；或地下水模擬子系統(tǒng)包括用于向巖土中注水的進(jìn)水子系統(tǒng)、用于從巖土中排水的排水子系統(tǒng)、以及將排水子系統(tǒng)和進(jìn)水子系統(tǒng)連通以使從排水子系統(tǒng)排出的水循環(huán)進(jìn)入進(jìn)水子系統(tǒng)的循環(huán)裝置，其中，進(jìn)水子系統(tǒng)和排水子系統(tǒng)分別與進(jìn)水孔和排水孔連通，以向巖土注水和從巖土排水。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)水子系統(tǒng)包括進(jìn)水水箱、進(jìn)水總管、第一排水總管、增壓栗、第一流量計(jì)、第一閥門、第一壓力表以及多個(gè)注水支管；其中，進(jìn)水總管連通在增壓栗和進(jìn)水水箱之間，以用于向進(jìn)水水箱中注水；第一排水總管的一端與進(jìn)水水箱連通，以用于排出進(jìn)水水箱中的水；多個(gè)注水支管的進(jìn)水口與進(jìn)水水箱連通且注水支管穿過上箱體的側(cè)壁上的進(jìn)水孔使其出水口突出于該側(cè)壁的內(nèi)表面，以用于將進(jìn)水水箱中的水分配注入到模型荷載箱中，在注水支管上設(shè)有流量開關(guān)；第一壓力表安裝于進(jìn)水總管上，第一流量計(jì)和第一閥門安裝于第一排水總管上。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，出水子系統(tǒng)包括排水水箱、第二排水總管、第二壓力表、第二流量計(jì)、抽水栗、第二閥門、釋放管以及多個(gè)出水支管；其中，多個(gè)出水支管穿過上箱體的側(cè)壁上的出水孔使其進(jìn)水口突出于該側(cè)壁的內(nèi)表面且出水口與排水水箱連通，以將巖層中的水排入排水水箱中，出水支管上設(shè)有流量開關(guān)和防止排水中帶走細(xì)顆粒砂土的濾網(wǎng)；第二排水總管的一端與排水水箱連通且另一端與抽水栗，以將排水水箱中的水排出；釋放管與第二排水總管連通，第二流量計(jì)安裝在第二排水總管上，第二壓力表和第二閥門安裝在釋放管上。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，加載子系統(tǒng)包括η形加載框架、連接在η形加載框架的橫梁下方的多個(gè)千斤頂、連接在多個(gè)千斤頂下方的加載頂板以及控制多個(gè)千斤頂帶動(dòng)加載頂板在模型荷載箱頂部上下運(yùn)動(dòng)的液壓控制模塊。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，可拆卸的壁板上設(shè)置有注漿孔，注漿孔中設(shè)有可拔除的注漿孔塞，注漿子系統(tǒng)包括注漿設(shè)備以及在拔除注漿孔塞后穿過注漿孔插入巖土中的注漿管，注漿管與注漿設(shè)備連通。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括埋設(shè)在巖土中的數(shù)據(jù)采集傳感器和信息處理模塊。
[0021]根據(jù)本發(fā)明，報(bào)警子系統(tǒng)包括報(bào)警傳感器，其設(shè)置于模型荷載箱的四角和中部。
[0022](三)有益效果
[0023]本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024]本發(fā)明的地層注漿模擬系統(tǒng)能模擬深埋、淺埋地下環(huán)境，能模擬動(dòng)水及滲流環(huán)境，而且能實(shí)現(xiàn)各種開挖，模擬地下工程施工過程，并能進(jìn)行1:1的足尺試驗(yàn)，且具有完善的安全預(yù)警、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過少量改造，可用于施工新技術(shù)、新方法的研發(fā)，并能進(jìn)行地下工程基礎(chǔ)理論方面的研究。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明的地層注漿模擬系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的構(gòu)成示意圖；
[0026]圖2是圖1中地層注漿模擬系統(tǒng)的模型荷載箱的上箱體的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是圖2的1-1剖視圖；
[0028]圖4是圖2的2-2剖視圖；
[0029]圖5是圖2的3-3剖視圖；
[0030]圖6是圖1中地層注漿模擬系統(tǒng)的加載子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；