一种砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测装置及方法

摘要

本发明公开了一种砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测装置及方法，其中所述砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测装置包括砂砾石层水泥灌浆系统、温度传感器、数据采集模块和数据处理分析模块。本发明通过利用高温水泥浆和预埋温度传感器对水泥浆的扩散过程进行监测，实现了对水泥浆在砂砾石层中的扩散过程监测，进而便于研究其扩散机理，为灌浆理论的研究提供支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及一种监测方法及装置，特别是涉及一种砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测装置及方法。

背景技术

砂砾石层在我国分布广泛，是工程中常见的复杂地基，灌浆作为常用的防渗加固手段，在工程中有着广泛的应用，但在砂砾石层地基中由于灌浆理论严重滞后、过程不能有效控制、效果不能得到可靠保证，限制了灌浆的应用。随着砂砾石层地基越来越受到重视，灌浆理论的需求也愈发迫切，目前已成为限制灌浆技术进一步发展的主要因素，这其中最重要的是对浆液扩散机理认识不足，而缺少有效的监测方法或测试手段是造成这一原因的主要因素，这导致了借助流体力学和固体力学推导而来的灌浆理论无法有效验证，同时目前室内试验均是在灌浆完成后对成型的结石体的分析，得到的都是些经验公式，通过对这些结论整理分析，只能得到定性的认识，而对浆液扩散过程及扩散机理的认识仍然缺乏；而现场试验受条件限制，多数未进行浆液扩散的范围测试，部分开挖后也由于地质条件更为复杂，开挖时破坏等，使得结果较为离散。若对砂砾石地基水泥灌浆浆液的扩散机理有更全面的认识，就必须对灌浆的扩散过程进行监测，了解不同浆液在一定压力扩散的时程特性，并进行大量试验。现有的方法都无法满足该要求，例如杨坪、邹超等的室内试验。另外成都理工大学的专利（专利号是200610021638.9）也提到了水泥浆液的扩散过程测试方法，但该方法是针对岩体裂隙灌浆，采用的是直观可视的方法，由于砂砾石和裂隙有本质区别无法直视，灌浆特性也有所不同，因此无法将此方法用于砂砾石地层的水泥灌浆。

本发明针对上述状况，提出利用高温水泥浆和预埋温度传感器对水泥浆的扩散过程进行监测。根据现有的研究，水泥浆在不同的温度下其特性有一定的差别，灌浆中主要关心的指标包括表观粘度、流动性、凝结时间，高温浆液与常规水泥浆在这些参数数值有差别，在这些参数作为一个确定性的物理量和物理数值时，并不影响对浆液扩散规律的认识，其研究成果同样可以应用到常规水泥灌浆上，不同的仅是数值大小的变化，从而可以实现对水泥浆在砂砾石层中的扩散过程监测，进而研究其扩散机理，为灌浆理论的研究提供支撑。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测装置及方法，通过利用高温水泥浆和预埋温度传感器对水泥浆的扩散过程进行监测，实现了对水泥浆在砂砾石层中的扩散过程监测，进而便于研究其扩散机理，为灌浆理论的研究提供支撑。

为达上述及其它目的，本发明提出一种砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测装置，其特征在于：该装置至少包括：砂砾石层水泥灌浆系统，包括灌浆管和分层装载配置好的砂砾石层，所述灌浆管用于向砂砾石层灌注高温水泥浆；温度传感器，温度传感器按照环形布置于各层砂砾石层中的灌浆管的周围；数据采集模块，用于采集各温度传感器的数据；数据处理分析模块，对所述数据采集模块采集的数据进行在线或离线分析，测定分析水泥浆的扩散行为。

进一步地，所述数据采集模块的采样频率不小于10Hz。

进一步地，所述数据处理分析模块用于获取各传感器的位置坐标，对所述数据采集模块采集的数据进行在线或离线分析，将电信号转化为温度信号，通过温度时程曲线中温度突增点判断浆液达到传感器所在位置的时刻，实现对水泥浆扩散的过程监测。

进一步地，所述温度传感器在所述灌浆管的灌浆孔周围环形均匀布置。

进一步地，所述高温水泥浆采用65～70℃的热水对水泥浆进行配置。

为达到上述目的，本发明还提供一种砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测方法，包括如下步骤：

步骤一，分层装载砂砾石和布设温度传感器，于设定位置埋设灌浆管，并将各温度传感器通过传输导线连接至数据采集模块及数据处理分析模块；

步骤二，配置高温水泥浆；

步骤三，将所述高温水泥浆灌入所述灌浆管，利用所述数据采集模块采集各温度传感器的数据，并利用所述数据处理分析模块对采集的数据进行在线或离线分析，测定分析水泥浆的扩散行为。

进一步地，步骤一还包括如下：分层装载配置砂砾石层，当第一层铺设达到指定高度后，安装温度传感器，再次测定传感器所在位置，然后进行下一层的砂砾石的装载；在设定位置埋设所述灌浆管；最后连接好灌浆设备；将各传感器的传输导线连接至所述数据采集模块和所述数据处理模块；输入各传感器的有关信息，并进行采集测试，确保各传感器采集的数据准确。

进一步地，于步骤二中，还包括取部分浆液，进行表观粘度、流动性和凝结时间的指标测试的步骤。

进一步地，所述高温水泥浆采用65～70℃的热水对水泥浆进行配置。

进一步地，步骤三还包括如下步骤：

获取各传感器的位置坐标；

对所属数据采集模块采集的数据进行在线或离线分析，将电信号转化为温度信号，通过温度时程曲线中温度突增点判断浆液达到传感器所在位置的时刻；

显示浆液的扩散过程。

与现有技术相比，本发明一种砂砾石水泥灌浆浆液扩散行为监测装置及方法通过利用高温水泥浆和预埋温度传感器对水泥浆的扩散过程进行监测，实现了对水泥浆在砂砾石层中的扩散过程监测，进而便于研究其扩散机理，为灌浆理论的研究提供支撑。

附图说明

图1为本发明一种砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测装置的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例中温度传感器布置的示意图；

图3为本发明一种砂砾石水泥灌浆浆液扩散行为监测方法的步骤流程图；

图4为本发明实测数据及判断浆液到达传感器所在位置的图解方法示意；

图5为本发明一种砂砾石水泥灌浆浆液扩散行为监测方法之具体实施例的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

本发明所述的砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测装置采用高温水泥浆作为灌浆浆液，通过在砂砾石地层中预埋多个温度传感器，根据传感器的温度变化对浆液的扩散过程进行监测。

图1为本发明一种砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测装置的结构示意图。包括砂砾石层水泥灌浆系统1、温度传感器3、数据采集模块5以及数据处理分析模块6。

其中，砂砾石层水泥灌浆系统1包括灌浆管2和分层装载配置好的砂砾石层，所述灌浆管用于向砂砾石层灌注高温水泥浆；灌浆管2埋设于设定位置，其采用高温水泥浆（约60℃）作为灌浆浆液，向砂砾石层灌注高温水泥浆；温度传感器3按照环形均匀布置于各层砂砾石层中的灌浆管2的周围，各温度传感器3通过传输导线4连接数据采集模块5，各温度传感器3布置时应考虑传输导线4的布设，以减少对灌浆的干扰为原则；数据采集模块5用于采集各温度传感器3的温度信号及有关信息，并将其传送至数据处理分析模块6，在本发明较佳实施例中，数据采集模块5采用多通道数据采集器，其采样频率不小于10Hz；数据处理分析模块6对数据采集模块5采集的数据进行在线或离线分析，测定分析水泥浆的扩散行为，具体地说，数据处理分析模块6获取各传感器的位置坐标；对数据采集模块5采集的数据进行在线或离线分析，将电信号转化为温度信号，通过温度时程曲线中温度突增点判断浆液达到传感器所在位置的时刻，从而实现浆液扩散的过程监测，在线（或历史）显示浆液的扩散过程。

图2为本发明较佳实施例中温度传感器布置的示意图。以下将通过一具体实施例对本发明进一步说明。在本发明具体实施例中，在室内砂砾石层试验时，砂砾石应当分层装载，将温度传感器3按照环形均匀布置于灌浆管2周围（图2中虚线圆圈表示温度传感器环形布置），并测定布置点的位置，布置完一层后再进行下一层砂砾石装置和温度传感器3的布设，如图2所示。砂砾石地层分层装载和温度传感器3布置时应考虑传输导线4的布设，以减少对灌浆的干扰为原则，先分散后集中的方式进行；温度传感器3的体积应尽量小，同时具有防水、耐磨的特点；数据采集模块5为多通道数据采集器，用于采集各温度传感器的相关信息及信号；数据处理分析模块6具备的功能包括：获取各温度传感器的位置坐标，对数据采集模块5采集的数据进行在线或离线分析，将采集的电信号转化为温度信号，通过温度时程曲线的突变点判断浆液是否达到传感器所在位置；在线（或历史）显示浆液的扩散过程。

在实施监测工作前，需要测量水泥浆在高温下（一般60℃）的特性参数，如表观粘度、流动性和凝结时间等。

图3为本发明一种砂砾石水泥灌浆浆液扩散行为监测方法的步骤流程图。如图3所示，本发明一种砂砾石水泥灌浆浆液扩散行为监测方法，包括如下步骤：

步骤301，分层装载砂砾石和布设温度传感器，于设定位置埋设灌浆管，并将各温度传感器通过传输导线连接至数据采集模块及数据处理分析模块。各层的温度传感器环形均匀布置于灌浆管2的灌浆孔周围。

步骤302，配置高温水泥浆。采用热水进行水泥浆配置，水温选择65～70℃左右，搅拌后的浆液温度在60℃左右，并取部分浆液，进行表观粘度、流动性和凝结时间等指标测试。

步骤303，进行灌浆实验，将高温水泥浆灌入灌浆管2，利用数据采集模块采集各温度传感器，数据处理分析模块对采集的数据进行在线或离线分析，测定分析水泥浆的扩散行为。即具体地说，获取各传感器的位置坐标；对采集的数据进行在线或离线分析，将电信号转化为温度信号，比较该温度传感器温度时程数据中数值突增时刻点，确定浆液达到该传感器的时刻；在线（或历史）显示浆液的扩散过程。

在本发明具体实施例中，判断浆液达到传感器位置的方法是通过比较该温度传感器温度时程数据中数值突增时刻点，即：

，

其中，表示时程数据中温度对时间的斜率最大值，即取最大斜率的初始时刻为浆液扩散到此的时间；

当然，本发明也可以采用图解法确定，典型的温度时程曲线如图4所示，图中为距离灌浆孔距离分别为0cm、10cm、20cm、30cm处的温度时程曲线，斜线为时程曲线中最大的斜率，竖线与时间轴交点即为浆液达到该传感器位置的时间点：

图5为本发明一种砂砾石水泥灌浆浆液扩散行为监测方法之具体实施例的流程图。以下将通过一具体实施例来说明本发明之砂砾石水泥灌浆浆液扩散行为监测方法的监测过程，其具体步骤如下：

1、分层装载砂砾石地基模型和传感器：根据设计的颗分和传感器埋设的要求，分层装载配置好的砂砾石，第一层铺设达到指定高度后，安装温度传感器，再次测定传感器所在位置，然后进行下一层的砂砾石的装载。在设定位置埋设灌浆管；最后连接好灌浆泵等灌浆设备。

2、将传感器的传输线连接至数据采集模块和数据处理分析模块，并打开数据处理分析软件，输入传感器的有关信息，并进行采集测试，确保各传感器采集的数据准确。

3、配置高温水泥浆，采用热水进行水泥浆配置，水温选择65～70℃左右，搅拌后的浆液温度在60℃左右，并取部分浆液，进行表观粘度、流动性和凝结时间等指标测试。

4、灌浆试验，开动灌浆泵进行灌浆。采集各温度传感器，对采集的数据进行在线或离线分析，计算，取，并显示扩散过程。

综上所述，本发明一种砂砾石水泥灌浆浆液扩散行为监测装置及方法通过利用高温水泥浆和预埋温度传感器对水泥浆的扩散过程进行监测，实现了对水泥浆在砂砾石层中的扩散过程监测，进而便于研究其扩散机理，为灌浆理论的研究提供支撑。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。