【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隧道工程，具体是涉及一种密实细砂层注浆材料及浆脉扩展监测的试验装置和方法。
技术介绍
1、细砂层胶结强度低、围岩自稳能力差，暗挖地铁隧道施工过程中，拱顶掉块、掌子面坍塌等事故频发，严重影响了施工进度及施工人员安全。富水砂层可通过冻结、注浆等方法进行治理，冻结法具有适应范围广、灵活性好等优点，但施工工期长、施工成本较高，施工过程中风险大等问题。注浆法可以实现水力封堵和提升围岩承载能力的双重效果，在地下工程富水砂层灾害治理领域得到了广泛的应用。在相对密实度超过80％的细砂层中，传统的水泥浆液、水泥水玻璃浆液扩散半径小，无法对掌子面进行有效加固。此外，注浆加固工程具有一定隐蔽性，无法有效观察到浆液在土体内部的扩展过程且施工环境复杂多变；试验法能够直观、全面、真实地反映材料扩散特性，成为注浆理论研究的重要手段。因此，研制新型注浆材料，研发富水砂层超前小导管注浆装置，探究新型材料扩散特性为注浆加固工程提供科学依据，已成为亟待解决的问题。
2、现阶段密实细砂层超前小导管新型注浆材料及注浆试验装置主要存在以下几个缺陷：1)细砂层结构密实，使得现有注浆材料扩散半径小，无法对密实细砂层进行有效加固且水泥材料生产过程具有高耗能、高污染及高二氧化碳排放等缺点，与现阶段绿色施工理念相违背；2)试验装置及小导管尺寸较小，装置壁面效应对试验结果影响大，无法真实反应浆液扩散特性，无法真实模拟现场注浆工况；3)注浆试验结束后，通常需要对试验装置进行拆除，查看砂土内部浆脉分布，测量浆脉厚度，进而对注浆过程中浆液扩散形态进行推测，无法实时
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种密实细砂层注浆材料及浆脉扩展监测的试验装置和方法，研制了新型富水砂层高效绿色注浆材料，通过采用大尺寸的试样加载仓及足尺的超前小导管，真实模拟现场注浆工况；采用布置在试样加载仓外部的x射线检测装置，对试样加载仓内砂土浆脉形态进行实施扫描并建立三维重构模型，可实施获取砂土内部浆脉分布形态。
2、用以解决现有试验存在的问题。
3、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：包括原材料和优化剂，所述原材料由超细水泥、矿渣微粉和超细粉煤灰组成，所述优化剂由水玻璃溶液和超塑性剂按质量比为7:3的比例混合组成，所述水玻璃溶液的模数为3.25，所述水玻璃溶液的波美度为41.5，所述超塑性剂为聚羧酸减水剂，所述密实细砂层注浆材料的粒径主要集中在1.4～14.7微米。
4、上述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：所述密实细砂层注浆材料还包括水，所述密实细砂层注浆材料中水与原材料的质量比为0.8:1～1:1；所述超细水泥、矿渣微粉和超细粉煤灰的质量比为4:1:5～4:2:4，所述优化剂的掺量为原材料和水两者总质量的4％～6％。
5、上述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：所述密实细砂层注浆材料中水与原材料的质量比为1:1，所述超细水泥、矿渣微粉和超细粉煤灰的质量比为4:2:4，所述优化剂的掺量为原材料和水两者总质量的4％。
6、另外，本专利技术还提供了一种采用上述密实细砂层注浆材料的浆脉扩展监测的试验装置，其特征在于：包括砂层模拟装置、向所述砂层模拟装置注入所述密实细砂层注浆材料的注浆装置、和用于实时监测所述砂层模拟装置内浆脉扩展的监测装置，
7、所述注浆装置包括高速电动机、活塞式抽水机、储浆桶、高压软管、高速搅拌机、注浆管和超前小导管，所述高速电动机与活塞式抽水机通过皮带连接在一起，所述高速电动机用于为活塞式抽水机的活塞往复运动提供所需的能量；所述储浆桶用于储存所述密实细砂层注浆材料制成的注浆浆液，所述高速搅拌机的上部与储浆桶顶部盖板通过螺栓相连，所述高速搅拌机的中下部均位于储浆桶内可对所述注浆浆液进行高速均匀搅拌；所述储浆桶底部的抽浆口与高压软管的一端连接，所述高压软管的另一端与活塞式抽水机的进浆口连接且通过活塞式抽水机将所述注浆浆液抽入注浆管内；所述活塞式抽水机的出浆口通过注浆管与超前小导管的尾端相连可直接将所述注浆浆液注入土体中。
8、上述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：注浆装置还包括流量监测仪和注浆压力测量仪，所述流量监测仪和注浆压力测量仪均安装在活塞式抽水机的出浆口处，所述流量监测仪用于实时监测注浆过程中所述注浆浆液的注浆压力，所述注浆压力测量仪用于实时监测注浆过程中所述注浆浆液的注浆量变化。
9、上述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：所述高速电动机上安装有能够对高速电动机的转速进行调节的转速调节阀门，所述储浆桶的顶部设置有用于将所述密实细砂层注浆材料倒入储浆桶内的下料斗。
10、上述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：所述砂层模拟装置包括试样加载仓、上承载板、中承载板、下承载板、压力施加装置、压力测量仪和压力显示仪，所述上承载板和下承载板平行设置且两者之间留有距离，所述上承载板和下承载板通过多根螺纹丝杠和多个螺栓固定在一起，所述试样加载仓设置在下承载板的上表面上，所述中承载板位于试样加载仓的顶部，所述压力施加装置设置在上承载板与中承载板之间以对试样加载仓内的土体施加上覆荷载；所述压力测量仪位于中承载板下表面内10cm处的土体内用于实时测量土体中的压力，所述压力测量仪通过导线与压力显示仪连接。
11、上述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：所述压力施加装置包括液压千斤顶和伸缩杆，所述伸缩杆位于液压千斤顶的上方，所述伸缩杆焊接在上承载板的底部中心处，所述液压千斤顶的底部固定在中承载板的顶部中心处，所述液压千斤顶和上端与伸缩杆相连接；所述中承载板的上表面焊接多根斜三角刚肋板。
12、上述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：所述监测装置包括扫描仪、x射线发生器、高压发生器、点云收集系统和图像显示仪，所述扫描仪安装在试样加载仓外仓的轨道上可对试样加载仓内的浆脉扩散形态进行360°扫描，所述x射线发生器设置在扫描仪的顶部用于对砂土内部浆脉扩散形态进行实施监测，所述x射线发生器与高压发生器相连且高压发生器能够为x射线发生器提供100kv～140kv的稳定直流高压，所述点云收集系统与扫描仪通过导线连接，所述点云收集系统与图像显示仪通过光纤相连，可对试样仓内部注浆浆脉形态进行三维重构。
13、除此之外，本专利技术还提供了一种使用上述的装置来实时监测密实细砂层内浆脉扩展的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
14、步骤一、砂土试样制备：试验采用重塑砂土，为了保证重塑砂土与现场砂土物理力学特性相同，重塑砂土粒径分布及含量与原状砂土一致，采用相对密实度指标对其孔隙率进行控制；采用振动锤击法，对砂土最小孔隙比进行测试；砂土最大孔隙率，采用量筒慢转法进行测试；
15、步骤二、试样拌合：根据步骤一中测定的砂土最大孔隙率和最小孔隙率，基于相对密度及土体孔隙率计算公式，如下式(1)、(2)所示，确定填土质量，将试样拌合后放置在密封袋中闷料24小时，保证砂土内部水分均匀分布本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：包括原材料和优化剂，所述原材料由超细水泥、矿渣微粉和超细粉煤灰组成，所述优化剂由水玻璃溶液和超塑性剂按质量比为7:3的比例混合组成，所述水玻璃溶液的模数为3.25，所述水玻璃溶液的波美度为41.5，所述超塑性剂为聚羧酸减水剂，所述密实细砂层注浆材料的粒径主要集中在1.4～14.7微米。
2.按照权利要求1所述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：所述密实细砂层注浆材料还包括水，所述密实细砂层注浆材料中水与原材料的质量比为0.8:1～1:1；所述超细水泥、矿渣微粉和超细粉煤灰的质量比为4:1:5～4:2:4，所述优化剂的掺量为原材料和水两者总质量的4％～6％。
3.按照权利要求2所述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：所述密实细砂层注浆材料中水与原材料的质量比为1:1，所述超细水泥、矿渣微粉和超细粉煤灰的质量比为4:2:4，所述优化剂的掺量为原材料和水两者总质量的4％。
4.一种采用如权利要求2所述的密实细砂层注浆材料的浆脉扩展监测的试验装置，其特征在于：包括砂层模拟装置(2)、向所述砂层模拟装置(2)注
5.按照权利要求4所述的一种浆脉扩展监测试验装置，其特征在于：注浆装置(1)还包括流量监测仪(1-8)和注浆压力测量仪(1-9)，所述流量监测仪(1-8)和注浆压力测量仪(1-9)均安装在活塞式抽水机(1-2)的出浆口处，所述流量监测仪(1-8)用于实时监测注浆过程中所述注浆浆液的注浆压力，所述注浆压力测量仪(1-9)用于实时监测注浆过程中所述注浆浆液的注浆量变化。
6.按照权利要求3所述的一种浆脉扩展监测试验装置，其特征在于：所述高速电动机(1-1)上安装有能够对高速电动机(1-1)的转速进行调节的转速调节阀门(1-10)，所述储浆桶(1-3)的顶部设置有用于将所述密实细砂层注浆材料倒入储浆桶(1-3)内的下料斗(2-10)。
7.按照权利要求3所述的一种浆脉扩展监测试验装置，其特征在于：所述砂层模拟装置(2)包括试样加载仓(2-1)、上承载板(2-2)、中承载板(2-3)、下承载板(2-4)、压力施加装置、压力测量仪(2-5)和压力显示仪(2-6)，所述上承载板(2-2)和下承载板(2-4)平行设置且两者之间留有距离，所述上承载板(2-2)和下承载板(2-4)通过多根螺纹丝杠(2-11)和多个螺栓(2-8)固定在一起，所述试样加载仓(2-1)设置在下承载板(2-4)的上表面上，所述中承载板(2-3)位于试样加载仓(2-1)的顶部，所述压力施加装置设置在上承载板(2-2)与中承载板(2-3)之间以对试样加载仓(2-1)内的土体(4)施加上覆荷载；所述压力测量仪(2-5)位于中承载板(2-3)下表面内10cm处的土体(4)内用于实时测量土体中的压力，所述压力测量仪(2-5)通过导线与压力显示仪(2-6)连接。
8.按照权利要求7所述的一种浆脉扩展监测试验装置，其特征在于：所述压力施加装置包括液压千斤顶(2-9)和伸缩杆(2-7)，所述伸缩杆(2-7)位于液压千斤顶(2-9)的上方，所述伸缩杆(2-7)焊接在上承载板(2-2)的底部中心处，所述液压千斤顶(2-9)的底部固定在中承载板(2-3)的顶部中心处，所述液压千斤顶(2-9)和上端与伸缩杆(2-7)相连接；所述中承载板(2-3)的上表面焊接多根斜三角刚肋板(2-12)。
9.按照权利要求4所述的一种浆脉扩展监测试验装置，其特征在于：所述监测装置(3)包括扫描仪(3-1)、X射线发生器(3-2)、高压发生器(3-6)、点云收集系统(3-3)和图像显示仪(3-4)，所述扫描仪(3-1)安装在试样加载仓外仓(2-13)的轨道(3-5)上可对试样加载仓(2-1)内的浆脉扩散形态进行360°扫描，所述X射线发生器(3-2)设置在扫描仪(3-1)的顶部用于对砂土内部浆脉扩散形态进行实施监测，所述X射线发生器(3-2)与高压发生器(3-6)相连且高压发生器(3-6)能够为X射线发生器(3-2)提供100kV～140kV的稳定直流高压，所述点云收集系统(3-3)与扫描仪(3-1)通过导线连接，所述点云收集系统(3-3)与图像显示仪(3-4)通过光纤相连，可对试样仓内部注浆浆脉形态进行三维重构。
10.一种使用如权利要求7所述的装置来实时监测密实细砂层内浆脉扩展的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：包括原材料和优化剂，所述原材料由超细水泥、矿渣微粉和超细粉煤灰组成，所述优化剂由水玻璃溶液和超塑性剂按质量比为7:3的比例混合组成，所述水玻璃溶液的模数为3.25，所述水玻璃溶液的波美度为41.5，所述超塑性剂为聚羧酸减水剂，所述密实细砂层注浆材料的粒径主要集中在1.4～14.7微米。
2.按照权利要求1所述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：所述密实细砂层注浆材料还包括水，所述密实细砂层注浆材料中水与原材料的质量比为0.8:1～1:1；所述超细水泥、矿渣微粉和超细粉煤灰的质量比为4:1:5～4:2:4，所述优化剂的掺量为原材料和水两者总质量的4％～6％。
3.按照权利要求2所述的一种密实细砂层注浆材料，其特征在于：所述密实细砂层注浆材料中水与原材料的质量比为1:1，所述超细水泥、矿渣微粉和超细粉煤灰的质量比为4:2:4，所述优化剂的掺量为原材料和水两者总质量的4％。
4.一种采用如权利要求2所述的密实细砂层注浆材料的浆脉扩展监测的试验装置，其特征在于：包括砂层模拟装置(2)、向所述砂层模拟装置(2)注入所述密实细砂层注浆材料的注浆装置(1)、和用于实时监测所述砂层模拟装置(2)内浆脉扩展的监测装置(3)，
5.按照权利要求4所述的一种浆脉扩展监测试验装置，其特征在于：注浆装置(1)还包括流量监测仪(1-8)和注浆压力测量仪(1-9)，所述流量监测仪(1-8)和注浆压力测量仪(1-9)均安装在活塞式抽水机(1-2)的出浆口处，所述流量监测仪(1-8)用于实时监测注浆过程中所述注浆浆液的注浆压力，所述注浆压力测量仪(1-9)用于实时监测注浆过程中所述注浆浆液的注浆量变化。
6.按照权利要求3所述的一种浆脉扩展监测试验装置，其特征在于：所述高速电动机(1-1)上安装有能够对高速电动机(1-1)的转速进行调节的转速调节阀门(1-10)，所述储浆桶(1-3)的顶部设置有用于将所述密实细砂层注浆材料倒入储浆桶(1-3)内的下料斗(2-10)。
7.按照权利要求3所述的一种浆脉扩展监测试验装置，其特征在于：所述砂层模拟装置(2)包括试样加载仓(2-1)、上承载板(2-2)、中承载板(2-3)、下...
【专利技术属性】
技术研发人员：来弘鹏，陈铖，贾少春，崔玉龙，魏倩，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：
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