一種地層注漿模擬系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及地層注漿技術領域，尤其涉及一種地層注漿模擬系統。
【背景技術】
[0002]隨著經濟全球化的快速發展，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設施狀況是城市發展水平和文明程度的重要支撐，是城市經濟和社會協調發展的物質條件。隨著城市人口的不斷增加，對城市交通基礎設施需求也不斷增加。我國從建國60年以來，隨著城市人口率從10%發展至今天的50%，城市交通基礎設施建設發生了翻天覆地的變化，尤其是作為首都的北京更是發生了日新月異的變化，北京城市交通基礎設施建設進入了一個大規模的高速發展期，其中地下工程中的地鐵在交通基礎設施建設中處于了領先的地位，大量的地鐵工程的建設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行建設，或在特殊的地層中進行建設，勢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遇到松散自穩能力差地層，若遇地下水則易引起塌方事故，從而影響到地面、周邊環境的安全。
[0003]注漿技術是一實踐性極強的技術，主要解決軟弱地層和地下水的處理，是地下工程的靈魂。該技術已經從地下工程領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、工程搶險等等方面，在各個領域中起到越來越主要的作用。
[0004]在埋深比較大地下工程，將會遇到承壓水(甚至多層承壓水)、滲透系數極大的卵漂石地層、富水(或具有承壓性)的粉細砂地層，這些方面的注漿機理、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與評價及如何開挖等方面還存在很多問題。
[0005]注漿是一個復雜的系統工程，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，大多數研究都是建立在單一牛頓流體穩定滲流的基礎上的，難以真實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構的復雜性，給注漿參數設計和注漿效果檢驗帶來極大困難。實驗室注漿模擬試驗是確定注漿工程中注漿參數以及各因素對注漿效果影響規律的有效途徑和方法之一。因此，模擬注漿實驗是研究巖土體注漿的必不可少的重要手段。
[0006]國內外在注漿領域的研究隊伍逐漸擴大，日本研究機構有東京大學、京都大學等；美國從事注漿的研究機構有西北大學、斯坦福大學等；德國從事注漿的研究機構有柏林大學、慕尼黑大學等；另外俄羅斯、英國也有類似的研究機構。國外在注漿技術方面極為先進，但由于成本太高，很難在國內推廣應用。
[0007]國內從事注漿方面的研究機構主要集中在水利部門、煤炭部門，清華大學、中國礦業大學、東北大學、中南工業大學也開展了這方面研究工作建立了實驗室。如中國水利水電科學院研制開發了平板型注漿實驗臺，建立了非牛頓流體在水平光滑裂隙面內的擴散方程，得出了擴散半徑和注漿壓力、漿液粘度及注漿時間之間的關系；在中國礦業大學進行了巖體單裂隙和裂隙網絡模擬注漿試驗。設計的注漿試驗臺主要包括有壓力機、穩壓器、氮氣瓶(穩壓源)、注漿器、千斤頂以及注漿模擬實驗盒。實驗盒尺寸為SOcmX40cmX40cm，用玻璃板模擬上下裂隙面的面板；東北大學研制了槽形反扁圓柱狀試驗臺，并用它研究了多孔介質體中注漿滲流過程的壓力分布及其隨擴散距離而衰減的規律。中南大學進行了砂卵石地層中的注漿模擬試驗，試驗裝置是結合實際情況自行研制的，由五部分組成:鋼結構架、可移動板和有機玻璃板、振動臺、注漿設備和量測系統。試驗模型主要由砂、卵礫石經過不同的配比組合而成，經試驗臺振動密實，模擬砂卵(礫)石層。淮南礦業學院實驗室模具由四塊鋼板組成，上下鋼板厚度為35mm，兩側鋼板厚度為40mm,為了增加模具的剛度，在上下鋼板上焊接加強槽鋼，該模具內尺寸為520mmX400mmX80mm，外觀尺寸為600mmX400mmX234mm。注楽器由缸體和活塞組成，裝楽量為llOOmL，液壓千斤頂的額定承載能力為80kN，注楽花管總長為200mm，注楽段為70mm，內徑15mm，外徑211mm，射楽孔孔徑為8mm，液壓穩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，現有的注漿模擬裝置尺寸較小，尺寸效應極為明顯；無法模擬開挖過程；無法模擬深埋地下環境；無法模擬動水及滲流環境。

【發明內容】

[0009](一 )要解決的技術問題
[0010]本發明要解決的技術問題是提供一種成本較低且可模擬開挖過程、深埋地下環境、動水及滲流環境的地層注漿模擬系統。
[0011](二)技術方案
[0012]為了解決上述技術問題，本發明提供一種地層注漿模擬系統，容納巖土的模型荷載箱，其側壁上設置有可拆卸的壁板；從頂端對所述巖土加載以還原地下應力場環境的加載子系統；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水環境的地下水模擬子系統；向所述巖土中注漿的注漿子系統；量測巖土的應力、應變和位移的數據采集子系統；以及量測所述模型荷載箱的變形、加壓壓力、注漿壓力并具有報警功能的報警子系統。
[0013]根據本發明，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；上箱體的側壁由多個獨立的塊狀物可拆卸地拼裝而成，上箱體的頂部和底部敞開；下箱體為開設在地面上的凹腔，上箱體與凹腔連通。
[0014]根據本發明，在相鄰的兩個塊狀物之間設有密封結構。
[0015]根據本發明，凹腔的深度大于lm，填埋巖土材料，以消除底邊界效應；可拆卸的壁板包含在上箱體的一個側壁中，在上箱體的另外兩個相對的側壁上設有進水孔和排水孔；地下水模擬子系統包括用于向巖土中注水的進水子系統和用于從巖土中排水的排水子系統，其中，進水子系統和排水子系統分別與進水孔和排水孔連通，以向巖土注水和從巖土排水；或地下水模擬子系統包括用于向巖土中注水的進水子系統、用于從巖土中排水的排水子系統、以及將排水子系統和進水子系統連通以使從排水子系統排出的水循環進入進水子系統的循環裝置，其中，進水子系統和排水子系統分別與進水孔和排水孔連通，以向巖土注水和從巖土排水。
[0016]根據本發明，進水子系統包括進水水箱、進水總管、第一排水總管、增壓栗、第一流量計、第一閥門、第一壓力表以及多個注水支管；其中，進水總管連通在增壓栗和進水水箱之間，以用于向進水水箱中注水；第一排水總管的一端與進水水箱連通，以用于排出進水水箱中的水；多個注水支管的進水口與進水水箱連通且注水支管穿過上箱體的側壁上的進水孔使其出水口突出于該側壁的內表面，以用于將進水水箱中的水分配注入到模型荷載箱中，在注水支管上設有流量開關；第一壓力表安裝于進水總管上，第一流量計和第一閥門安裝于第一排水總管上。
[0017]根據本發明，出水子系統包括排水水箱、第二排水總管、第二壓力表、第二流量計、抽水栗、第二閥門、釋放管以及多個出水支管；其中，多個出水支管穿過上箱體的側壁上的出水孔使其進水口突出于該側壁的內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，出水支管上設有流量開關和防止排水中帶走細顆粒砂土的濾網；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]根據本發明，加載子系統包括η形加載框架、連接在η形加載框架的橫梁下方的多個千斤頂、連接在多個千斤頂下方的加載頂板以及控制多個千斤頂帶動加載頂板在模型荷載箱頂部上下運動的液壓控制模塊。
[0019]根據本發明，可拆卸的壁板上設置有注漿孔，注漿孔中設有可拔除的注漿孔塞，注漿子系統包括注漿設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，注漿管與注漿設備連通。
[0020]根據本發明，數據采集子系統包括埋設在巖土中的數據采集傳感器和信息處理模塊。
[0021]根據本發明，報警子系統包括報警傳感器，其設置于模型荷載箱的四角和中部。
[0022](三)有益效果
[0023]本發明的上述技術方案具有如下優點:
[0024]本發明的地層注漿模擬系統能模擬深埋、淺埋地下環境，能模擬動水及滲流環境，而且能實現各種開挖，模擬地下工程施工過程，并能進行1:1的足尺試驗，且具有完善的安全預警、數據采集系統。通過少量改造，可用于施工新技術、新方法的研發，并能進行地下工程基礎理論方面的研究。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的地層注漿模擬系統的一個實施例的構成示意圖；
[0026]圖2是圖1中地層注漿模擬系統的模型荷載箱的上箱體的立體結構示意圖；
[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的加載子系統的結構示意圖；