一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置及方法

技术领域

本发明属于化学注浆技术领域，尤其涉及一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置及方法。

背景技术

注浆技术是指在压力作用下将注浆材料直接注入土体或岩体裂隙内，经化学反应后生成固体介质，从而达到提高岩土体强度、防渗堵漏等目的。注浆技术发展历史悠久，最早是将黏土和石灰浆注入地层，其后陆续出现了水泥、化学浆液、水玻璃、有机高分子化学材料等注浆材料。如今，注浆技术被广泛地应用于水利、土木、交通等工程领域，成为了处理各种工程问题的重要手段。

由于注浆材料长期深埋地下，服役环境复杂，可能会受到各种类型的侵蚀作用，地下土壤、地下水、海水，尤其城市污水中含有多种侵蚀性的化学成分。与此同时，注浆材料同时需要承受土壤及其他地上建筑物重力作用，地下环境温度以及水压力变化也有很大的不确定性。

因此，有必要对注浆材料在温度场、应力场、水压力场以及水溶液腐蚀场等耦合作用下注浆材料特性演化进行模拟研究。目前，科研人员主要模拟单场环境下注浆材料的特性演化，也有部分科研人员模拟多个作用场对注浆材料的影响，但无论是试验方法还是试验装置，均不能较好地模拟注浆材料的实役环境；同时原有的试验方法操作复杂，并不便于使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置，以解决现有技术中试验装置不能较好地模拟注浆材料的实役环境，且操作复杂、不便使用的问题；此外本申请还提供了一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置，包括：装置主体与所述装置主体外的控制器；所述装置主体包括由内腔壁围成的内腔、由外腔壁和所述内腔壁共同围成的外腔、试件装载模块、溶液存储模块、注液加压模块、荷载施加模块和温度控制模块；所述试件装载模块设置在所述内腔的底部，所述内腔还设置有所述溶液存储模块与所述荷载施加模块；所述注液加压模块包括压力表和设置在所述内腔壁上的内腔注液孔；所述温度控制模块位于所述外腔。

进一步的，试件装载模块包括固定在内腔壁的内腔底座、可以自由装卸的内腔支座和试件固定弹簧，所述内腔底座截面造型为上窄下宽型，所述内腔支座底部留有长方体槽口，槽口截面与所述内腔底座上截面保持一致，所述试件固定弹簧布置在所述内腔支座上槽口内。

进一步的，所述溶液存储模块位于内腔，其中内腔壁涂有防腐蚀涂料，所述内腔壁上设有内腔排气孔、内腔排水孔和内腔注液孔。

进一步的，所述注液加压模块包括设在所述内腔壁上的内腔注液孔和压力表，压力表安装在溶液存储模块和注液加压模块之间的管道上。

进一步的，所述荷载施加模块由螺纹型传力杆、应力传感器、垫片组成，其中应力传感器布置在垫片底部，并与装置外部的控制器相连。

进一步的，温度控制模块位于外腔，外腔壁设有外腔注液孔、外腔排水孔以及半导体制冷片，其中外腔注液孔和外腔排水孔的主要作用分别是注入和排出水溶液，半导体制冷片与控制器相连，用于控制外腔内溶液的温度。

进一步的，控制器模块包括设置在装置外部的控制器、设在外腔的半导体制冷片和设在内腔的应力传感器。

进一步的，所述装置主体的顶部设有一顶盖，所述顶盖通过螺丝与所述装置主体拼接。

第二方面，本发明还提供一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验方法，包括：

将养护至龄期的注浆材料试块切割为适宜尺寸的待测试件，以备使用；

将顶盖拆下，取下内腔支座，将待测试件放置在内腔支座上，并用试件固定弹簧固定待测试件的位置，一并放在内腔底座上，将顶盖与装置主体拼接密封，并用螺丝固定；

打开内腔排气孔，通过内腔注液孔向溶液存储模块注入溶液；

关闭内腔排气孔，根据模拟工况的需要选择性通过注液加压模块调整内腔的水压力；

通过扭转螺纹型传力杆模拟施加外力，并同时通过控制器观测实时应力值，直至达到试验加载应力要求；

打开外腔排气孔，通过外腔注液孔向温度控制模块注入水溶液，通过控制器升高或降低水溶液温度，并将水温控制在试验要求范围内，待温度控制好后关闭外腔排气孔；

浸泡一定时间后，通过控制器将半导体制冷片升高或降低至自然温度；

先后打开外腔排气孔和外腔排水孔，排出温度控制模块水溶液；

先后打开内腔排气孔和内腔排水孔，排除溶液存储模块浸泡溶液；

通过扭转螺纹型传力杆释放模拟外力，将顶盖拆下，取下内腔支座，取出待测试件后将顶盖与装置主体拼接密封，并用螺丝固定。

本发明提供的多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置及方法与现有技术相比，至少具有如下有益效果：

本发明完全模拟注浆材料在温度场、应力场、水压力场以及水溶液腐蚀场等耦合作用下的特性演化，且可以根据试验需要模拟任意两场及以上组合耦合场作用下注浆材料的特性变化，结构简单，操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的图作一个简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置在无应力机辅助下的整体示意图；

图2为本发明提供的一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置在有应力机辅助下的整体示意图；

图3为图1中无应力机辅助下的多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置的局部放大图。

附图标记：1-内腔；2-内腔壁；3-外腔；4-外腔壁；5-外腔排水孔；6-垫片；7-内腔注液孔；8-应力传感器；9-外腔注液孔；10-内腔底座；11-螺纹型传力杆；12-内腔排水孔；13-半导体制冷片；14-内腔支座；15-试件固定弹簧；16-待测试件；17-压力表；18-外腔排气孔；19-内腔排气孔；20-控制器；21-螺丝；22-光滑型传力杆；23-压力机；24-顶盖。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。

此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明提供了一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置，用于模拟注浆材料在温度场、应力场、水压力场以及水溶液腐蚀场等耦合作用下的特性演化，多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置包括：装置主体与装置主体外的控制器；装置主体包括由内腔壁围成的内腔、由外腔壁和内腔壁共同围成的外腔、试件装载模块、溶液存储模块、注液加压模块、荷载施加模块和温度控制模块；试件装载模块设置在内腔的底部，内腔还设置有溶液存储模块与荷载施加模块；注液加压模块包括压力表和设置在内腔壁上的内腔注液孔；温度控制模块位于外腔。

本发明完全模拟注浆材料在温度场、应力场、水压力场以及水溶液腐蚀场等耦合作用下的特性演化，且可以根据试验需要模拟任意两场及以上组合耦合场作用下注浆材料的特性变化，结构简单，操作方便。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置，用于模拟注浆材料在温度场、应力场、水压力场以及水溶液腐蚀场等耦合作用下的特性演化，如图1所示，所述多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置包括：装置主体与装置主体外的控制器20；装置主体包括由内腔壁2围成的内腔1、由外腔壁4和内腔壁2共同围成的外腔3、试件装载模块、溶液存储模块、注液加压模块、荷载施加模块和温度控制模块；试件装载模块设置在内腔1的底部，用于承载待测试件16，内腔1还设置有溶液存储模块与荷载施加模块，溶液存储模块用于存储溶液，荷载施加模块用于对待测试件16施加外力；注液加压模块包括压力表17和设置在内腔壁2上的内腔注液孔7，注液加压模块可随时调整装置内压力值；温度控制模块位于外腔3，用于调整温度。

进一步的，本实施例中，如图1所示，试件装载模块包括固定在内腔壁2的内腔底座10、可以自由装卸的内腔支座14和试件固定弹簧15，内腔底座10截面造型为上窄下宽型，内腔支座14底部留有长方体槽口，槽口截面与内腔底座10上截面保持一致，试件固定弹簧15布置在内腔支座14上槽口内，利用试件固定弹簧15的可伸缩性从而固定待测试件16位置。

进一步的，本实施例中，如图1所示，内腔壁2涂有防腐蚀涂料，从而防止内腔壁2被腐蚀而影响试验效果，内腔壁2上设有内腔排气孔19、内腔排水孔12和内腔注液孔7，内腔排水孔12的作用是在试验后及时排除腔内水溶液；内腔排气孔19的作用是在注入水溶液时能够及时排除内腔1内的空气，平衡内腔1内外的气压。

进一步的，本实施例中，如图1所示，压力表17安装在溶液存储模块和注液加压模块之间的管道上，压力表17可随时监测装置内的压力值。

进一步的，本实施例中，如图1所示，荷载施加模块包括螺纹型传力杆11、应力传感器8和垫片6，其中应力传感器8布置在垫片6底部，并与装置外部的控制器20相连。

在本实施例中，如图1所示，传力杆为螺纹型传力杆11，可通过控制螺纹型传力杆11的扭转模拟外力的施加；在其他一些实施例中，如图2所示，传力杆还可以为光滑型传力杆22，光滑型传力杆22需要借助压力机23施加外力。

进一步的，本实施例中，如图1所示，外腔壁4上设有外腔注液孔9、外腔排水孔5以及半导体制冷片13，其中外腔注液孔9和外腔排水孔5的主要作用分别是注入和排除水溶液，半导体制冷片13用于控制外腔3内溶液的温度。

进一步的，本实施例中，如图1所示，多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置还包括控制器模块，控制器模块包括控制器20和半导体制冷片13。

在一些实施例中，如图2所示，当传力杆为光滑型传力杆22时，控制器模块还包括压力机23。

进一步的，本实施例中，应力传感器8与半导体制冷片13分别与控制器20相连，控制器20可控制压力的大小与温度的高低。

进一步的，本实施例中，结合图1与图3，装置主体的顶部设有一顶盖24，顶盖24通过螺丝21与主体拼接。

上述实施例中所述的多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验装置，可以完全模拟注浆材料在温度场、应力场、水压力场以及水溶液腐蚀场等耦合作用下注浆材料的特性演化，且可以根据试验需要模拟任意两场及以上组合耦合场作用下注浆材料的特性变化；本装置对试验设备环境要求较低，既可以在压力机23辅助下完成作业，也可以通过人工扭转螺纹型传力杆11模拟施加外力；自动化程度较高，通过控制器模块可以观测实时应力值，也可以调整外腔3水溶液温度，通过压力表17实时观测内腔水压力值；结构布置简单，结构合理，使用方便，克服了传统试验方法和装置无法模拟注浆材料真实服役环境的难题，可为研究注浆材料在复杂环境下的特性演化提供基础数据资料。

本发明实施例还提供了一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验方法，包括：

将养护至龄期的注浆材料试块切割为适宜尺寸的待测试件16，以备使用；

将顶盖24拆下，取下内腔支座14，将待测试件16固定在内腔支座14上，用试件固定弹簧15固定位置，一并放在内腔底座10上，将顶盖24与装置主体拼接密封，并用螺丝21固定；

打开内腔排气孔19，通过内腔注液孔7向溶液存储模块注入溶液；

关闭内腔排气孔19，根据模拟工况的需要选择性通过注液加压模块调整腔内水压力；

通过扭转螺纹型传力杆11模拟施加外力，并同时通过控制器20观测实时应力值，直至达到试验加载应力要求；

打开外腔排气孔18，通过外腔注液孔9向温度控制模块注入水溶液，通过控制器20升高或降低水溶液温度，并将水温控制在试验要求范围内，待温度控制好后关闭外腔排气孔18；

浸泡一定时间后，通过控制器20将半导体制冷片13升高或降低至自然温度；

先后打开外腔排气孔18和外腔排水孔5，排出温度控制模块水溶液；

先后打开内腔排气孔19和内腔排水孔12，排除溶液存储模块浸泡溶液；

通过扭转螺纹型传力杆11释放模拟外力，将顶盖24拆下，取下内腔支座14，取出待测试件16后将顶盖24与装置主体拼接密封，并用螺丝21固定。

优选的，待测试件16的截面形状为长方形或正方形，待测试件16底部截面尺寸应该小于内腔支座14顶部槽口，待测试件16高度应该小于内腔支座14上端至顶盖24的距离，待测试件16也可选用圆柱体，但底部直径也应小于内腔支座14顶部槽口，待测试件16高度也应小于内腔支座14上端至顶盖24的距离。

优选的，在试验过程中应该根据要求定时更换浸泡溶液。

优选的，在试验不要求模拟水压力场时，仅需要关闭内腔排气孔19，在模拟水压力场的情况下，在密封内腔排气孔19后，应该通过外部注液加压系统根据试验需要调整内腔1水压力。

优选的，在试验过程中，考虑到高温下水溶液有挥发损失，在不影响正常浸泡试验的情况下，应定期注入适量外腔水溶液。

具体地，一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验方法包括以下步骤：

将非水反应类聚氨酯注浆材料双液同时注入尺寸为70.7mm*70.7mm*70.7

mm的模具内，经一定时间的养护后，制备成密度为0.2g/cm

通过螺丝刀松动螺丝21，取下顶盖24，取出内腔支座14，将非水反应类聚氨酯注浆材料待测试件16通过试件固定弹簧15固定在内腔底座10上，此后通过拧紧螺丝21将顶盖24与装置主体拼接密封；

打开内腔排气孔19，将模拟海水溶液通过内腔注液孔7注入内腔1，关闭内腔排气孔19，通过注液加压系统调整内腔1气压，观察压力表17变化，在第一、第二、第三、第四次试验中，液压分别至0.5MPa、0.3MPa、0.1MPa、0MPa时，停止注液加压；

通过扭转螺纹型传力杆11模拟施加外力，并同时通过控制器20观测实时应力值，当应力值为0.5MPa时停止上述操作；

打开外腔排气孔18，注入水溶液，通过控制器20将水溶液温度调整为25摄氏度后，关闭外腔排气孔18和外腔注液孔9；

在每一次试验中，浸泡时间分别为7天、14天、21天、30天时，先后打开外腔排气孔18和外腔排水孔5，排出温度控制模块水溶液，先后打开内腔排气孔19和内腔排水孔12，排除模拟海水溶液；

通过扭转螺纹型传力杆11释放模拟外力，用螺丝刀松动螺丝21，将顶盖24拆下，取下内腔支座14，取出非水反应类聚氨酯注浆材料待测试件16；

测定模拟海水溶液离子浓度变化和非水反应类聚氨酯注浆材料待测试件16表面变化、纵波波速变化、体积损失率、质量损失率，在每一工况下选取三个表面平整、密度符合条件的待测试件16，求其算数平均值作为试验结果。

上述实施例所述的一种多场耦合作用下注浆材料特性演化模拟试验方法，完全模拟了注浆材料在温度场、应力场、水压力场以及水溶液腐蚀场等耦合作用下的特性演化，且可以根据试验需要模拟任意两场及以上组合耦合场作用下注浆材料的特性变化，试验方法过程简单，通过高度还原注浆材料的实际服役环境从而使试验结果更为准确，克服了传统试验方法和装置无法模拟注浆材料真实服役环境的难题，可为研究注浆材料在复杂环境下的特性演化提供基础数据资料。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明较佳实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。