一种挡土墙可视化水泥浆胶凝强度监测装置及方法与流程

1.本发明涉及水泥浆胶凝强度监测技术领域，尤其涉及一种挡土墙可视化水泥浆胶凝强度监测装置及方法。


背景技术：

2.挡土墙是指支承路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物。在挡土墙横断面中，与被支承土体直接接触的部位称为墙背；与墙背相对的、临空的部位称为墙面；与地基直接接触的部位称为基底；与基底相对的、墙的顶面称为墙顶；基底的前端称为墙趾；基底的后端称为墙踵。根据防护需求的不同，挡土墙可分为重力式挡土墙、锚定式挡土墙、薄壁式挡土墙、加筋土挡土墙以及其它形式挡土墙集中类型。
3.挡土墙的施工流程一般为：施工准备
→
测量放样
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基坑开挖
→
挡墙砌筑
→
设置沉降缝及泄水孔
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勾缝
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挡墙压顶施工，在挡土墙施工过程中，会涉及到混凝土浇注工艺，而混凝土或水泥浆料在凝结中及凝结后的凝结强度是影响挡土墙结构强度的重要因素之一。
4.为此，现有技术提供了大量用于检测混凝土或水泥浆胶凝强度的装置及其方法，且其中不乏大量可于室内模拟施工现场地层环境的检测装置。但现有的室内测试水泥胶结强度的装置或方法仍然存在许多不足，譬如：（1）缺少对原位地层的压力及温度状态的模拟方法，其最终的实验数据缺乏一定说服力，也因此无法准确有效地为现场施工提供全面的实验数据支持；（2）实验的过程往往是不可见的，由于无法观察到水泥浆在各凝结时期的微观状态变化，因此无法检测水泥浆任一水化时刻下对应的胶凝强度及其变化强度，故对于水泥浆凝结质量的最终评价结果也是不准确的。因此，现有技术仍然存在亟待解决的至少一个或多个技术问题。
5.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

6.针对现有技术之不足，本发明提供了一种挡土墙可视化水泥浆胶凝强度监测装置及方法，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种挡土墙可视化水泥浆胶凝强度监测方法，该方法至少包括：利用加压流体和加热流体向反应釜的容置有水泥浆的压力腔提供可控的压力和温度条件，以使水泥浆的凝结和硬化过程处于相应地层的温度和压力状态之下；在水泥浆的凝结硬化反应进行预设时间之后，向伸入水泥浆的加压管线中施加平稳缓慢的流体；根据通过反应釜的可视窗口观察到的加压管线管口处水泥浆的微观变化来记录对应时刻的用以表征水泥浆的胶凝强度的压力值p。
8.优选地，根据通过反应釜的可视窗口观察到的加压管线管口处水泥浆的微观变化
来记录对应时刻的用以表征水泥浆的胶凝强度的压力值p之步骤包括：在水泥浆初凝之前，记录当加压管线管口处产生预定大小的气泡时的压力为初始破乳压力p1，和当加压管线管口处产生至少单个完整气泡时的压力为最终破乳压力p2，则该时刻水泥浆的胶凝强度为；在水泥浆初凝之时，记录当加压管线管口处的水泥浆波动、颤动或是产生裂隙之时的压力为p3，则该时刻水泥浆的胶凝强度p3。
9.优选地，在模拟测定水泥浆的胶凝强度之时，随着加压初期各输入管线内压力的升高，流体的实时流速均匀，而当第一加压管线管口处有气泡形成并上浮或有裂隙产生之时，流体的实时流速产生波动，与此波动时刻相对应的压力p被定义为水泥浆的胶凝强度。
10.优选地，一种挡土墙可视化水泥浆胶凝强度监测装置，该装置至少包括：反应釜体，其具有用于容置水泥浆的压力腔，且压力腔的顶部和侧面各自连接有用于向压力腔施加压力的压力室；加热部，其用于向反应釜体提供热能，其中，反应釜体顶部的压力室与一用于向该压力室注入加压流体的输入管线连通，反应釜体侧面连接有多条输入管线，多条输入管线中的其中至少一输入管线被配置为伸入水泥浆，且该输入管线位于水泥浆中的至少部分为第一测管，反应釜体与第一测管对应的至少部分表面被构造为具有刻度的第一可视化窗口。
11.优选地，多条输入管线中的至少另一输入管线被配置为伸入反应釜体侧面的压力室中，该输入管线位于压力室中的至少部分为第二测管，且反应釜体与第二测管对应的至少部分表面被构造为具有刻度的第二可视化窗口。
12.优选地，反应釜体的压力腔顶部设置有至少一层隔离膜，注入至隔离膜上方压力室中的加压流体是与水泥浆互不相溶的液体。
13.优选地，反应釜体的压力腔顶部连接有具有缓冲罐的加压流体泵机组，基于该加压流体泵机组的作用力，高压流体被作用至水泥浆之上，以使水泥浆处于对应于加压流体的压力状态之下。
14.优选地，第一测管为可拆卸结构，且其以预设间隙呈与第一可视化窗口并行或垂直的状态。
15.优选地，用于向反应釜体注入加压流体的各输入管线之上配置有流量计和加压泵，且各输入管线通信耦连于控制单元。
16.优选地，该装置还包括底座和可升降支架，可升降支架配置在底座顶部两端，且反应釜体和加热部连接于可升降支架。
17.本发明的有益技术效果包括：（1）通过可视化的窗口可以直观的观察到加压管口处的气泡变化，以确定水泥浆在凝结硬化过程中胶凝强度的变化情况，且结合流量计和压力表的读数便能确定水泥浆的胶凝强度，整个监测过程简单易操作，并且数据精准可靠；（2）可参照挡土墙建造段相应的地温和地压，使水泥浆在相应的地温和地压情况下进行凝结硬化，并且可以在水泥浆的任一水化时刻测量其胶凝强度，可得出水泥浆的凝结强度与时间相关的变化曲线；（3）在现场疑难地层施工之前，可以做地面试验，将水泥浆置于相应地层的地温和地压之下，凝结硬化，查看水泥浆是否满足建筑防护结构的强度需求，可以大大减少操作失
误带来的成本增加和工期延误；（4）该装置还可用于常规油气和非常规能源的开采固井过程中对水泥浆胶凝强度的检测，即如果有测量固井一界面胶结强度的需求，则可以等待水泥浆硬化并和釜体内壁之间产生胶结之后，通过测量压力值来获取相应的胶结强度；（5）本发明可以用于未来地下空间的建设中，通过本发明的装置可以模拟所建地下空间建筑在建设过程中，水泥胶凝强度发展的情况，如现场混凝土灌注桩（地下水发育的情况），可以极大程度的降低未来地下空间建设的成本；（6）本发明可用于地质灾害防治工程的模拟实验，以为相应防护工程的实施提供真实可靠的实验依据，从而在相应工程开展之前，对于涉及水泥凝结工艺的各施工环节的施工参数进行控制调整，以使水泥浆的胶凝强度能够更好地满足于地质灾害频发地段对于相应的譬如挡土墙一类的防护结构的强度要求。
附图说明
18.图1是根据本发明实施例提供的一种挡土墙可视化水泥浆胶凝强度监测装置优选的结构示意图；图2是根据本发明实施例所述的反应釜体的第一可视化窗口的局部放大图；图3是根据本发明实施例所述的第一测管在第一可视化窗口内优选的结构示意图；图4是根据本发明实施例所述的反应釜体的第二可视化窗口的局部放大图。
19.图5是一种优选实施方式下的挡土墙的结构示意图。
20.附图标记列表10：底座；20：可升降支架；30：反应釜体；40：加热部；50：隔离膜；60：缓冲罐；70：流量计；80：加压泵；90：控制单元；301：第一可视化窗口；302：第二可视化窗口；101：第一测管；102：第二测管；100：加压液体；200：水泥浆体；300：反应釜体界面；400：固井一界面；1：墙趾；2：墙底；3：墙踵；4：墙面；5：墙背；6：墙顶。
具体实施方式
21.下面结合附图进行详细说明。
22.目前水泥浆的胶凝强度（破乳强度）可以用水泥浆的黏度和压强来表示，目前使用最为广泛的是将水泥浆的黏度来换算为水泥浆的胶凝强度，然而通过黏度换算得出的水泥浆胶凝强度不够直观。由此，本发明采用压强的方式来表征水泥浆的胶凝强度，即利用流体在水泥浆内的破乳压力来表示水泥浆的胶凝强度。
23.根据一种优选实施方式，本发明提供的挡土墙可视化水泥浆胶凝强度监测装置及方法，在地质灾害防治及相应工程施工建设方面，有十分显著的优势。具体地，在例如发生山体滑坡、崩塌、地面沉降以及开裂等类型地质灾害的地段，其所对应的地质环境，即岩土体类型、地质构造以及地形地貌等条件往往都是相较复杂的，并且外加融雪、降雨、河流冲刷以及一些不合理的人类活动等种种外界因素，这些原因都将容易地诱发地质灾害的发生，而在这些地质灾害易发或频发地段开展诸如修路、建房或其他可能涉及到水泥浇筑、凝结工艺的建筑工程时，由于工程开展所在地表及地层的环境很复杂，因此对于水泥浆的胶
凝强度有着十分苛刻的要求，故在这些地段进行相应防护工程的建设以用于防止地质灾害的发生和/或降低地质灾害的危害性时，针对相应区域的地质条件、模拟各种地质条件下对应的压力及温度状态从而提前规划好水泥施工工艺过程中的各项工艺参数是十分有必要的。
24.图5是在一些优选实施方式中的挡土墙的结构示意图，具体地，挡土墙可包括墙趾1、墙底2、墙踵3、墙面4、墙背5以及墙顶6。
25.特别地，通过本发明的可视化水泥浆胶凝强度监测方法，在建造挡土墙之前，可通过本发明模拟挡土墙建造地段附近的地层环境，即模拟其所在地层的温度及压力。具体地，该方法可包括以下步骤：s1：利用加压流体和加热流体对容置有水泥浆的反应釜施加相应地层的压力和温度状态，使水泥浆的凝结和硬化过程处于相应地温和地压情况下。
26.s2：在水泥浆凝结硬化反应进行一定的设定时间之后，通过加压设备向伸入反应容器内水泥浆体中的加压管线施加平稳缓慢的流体，并通过压力表获取相应压力值；s3：根据通过反应釜的观察窗观察到的加压管线管口处水泥浆的微观变化来记录对应时刻的用以表征水泥浆的胶凝强度的压力值p。
27.具体地，在水泥浆初凝之前，由于加压管线管口处有压力，水泥浆会产生一定大小的气泡，当通过反应釜上的观察窗观察到气泡的大小例如为1mm时，计此时的压力为初始破乳压力p1，随着输入压力的持续增大，水泥浆体会产生完整气泡，计此时的压力为最终破乳压力p2，最后得出此时水泥浆能抵抗外部流体侵入的能力为 ，并以此表征对应时刻的水泥浆的胶凝强度；而在水泥浆初凝之时，由于水泥浆凝结成膏体状，此时的胶凝强度为加压管线的水泥浆波动、颤动或者产生裂隙时，压力表或者流量计所反映的压力值，计此时水泥浆抵抗外部流体侵入的能力为p3。
28.基于上述的可视化水泥浆胶凝强度监测方法，本发明提供了一种基于该方法的水泥浆胶凝强度监测装置，其可用于挡土墙建造用水泥浆胶凝强度的模拟检测。具体地，如图1所示，该监测装置可以包括以下部件之一：底座10和可升降支架20，其中，可升降支架20设置在底座10顶部两侧，且彼此相对；用于容置待测水泥浆200的反应釜体30，该反应釜体30以不接触的方式设置于底座10顶部，且其两端连接于可升降支架20；加热部40，其设置于反应釜体30与底座10之间，并且该加热部40两侧连接于可升降支架20。优选地，在需要加热时，可通过可升降支架20将加热部40升起到所需位置处以向反应釜体30提供热能。
29.根据一种优选实施方式，反应釜体30内配置有用于容置水泥浆200的压力腔（图中未示出），该压力腔的上部连接有至少一个第一压力室，通过该压力室可向水泥浆200施加沿竖向方向上的外加作用力，以用于模拟水泥浆200在不同地层深度下的压力状态。进一步地，用于容置水泥浆200的压力腔的侧面连接有至少一个第二压力室（图中未示出），通过该第二压力室可向水泥浆200施加沿横向方向上的外加作用力，以用于模拟对应于不同深度下的各地层流体侵入水泥浆200时的压力状态。
30.根据一种优选实施方式，如图1所示，在反应釜体30的大致中部位置处设置有第一可视化窗口301，而在反应釜体30的压力腔的侧面，即外部流体侵入处设置有第二可视化窗口302，且为了便于肉眼直观、清晰地观察到压力腔内部的水泥浆200的微观变化，第一可视
化窗口301和第二可视化窗口302被配置为具有放大效果（例如将相应玻璃窗口构造为放大镜形式）。优选地，第一可视化窗口301和第二可视化窗口302上均设置有刻度线，以便于实验人员观察记录。
31.根据一种优选实施方式，如图1所示，反应釜体30的侧面设置有多条输入管路，各输入管路之上配置有用于控制该管路通断的阀门。具体地，其中一输入管路的输入端被配置为插入位于反应釜体30的压力腔内的水泥浆200之中。为了便于理解，将该输入管路的插入于水泥浆200中的至少部分称为第一测管101，且该第一测管101的输出端位于第一可视化窗口301的可见范围之内，如图2所示。进一步地，当该第一测管101如是可视管（例如玻璃管）时，需要平行紧贴于第一可视化窗口301的内壁面；或是与第一可视化窗口301垂直，并保持微小的间隙（大约1mm左右），如图3所示。优选地，伸入水泥浆200中的第一测管101是可拆卸的，实验操作完毕后即可报废更换。另一方面，第一测管101所在的输入管路具有两条分支输入管路，两条分支输入管路均连接至反应釜体30的侧面，且具体地，两条分支输入管路的输出端伸入至反应釜体30侧面的第二压力室中，且位于第二可视化窗口302的可见范围之内，如图4所示。为了便于理解，将分支输入管路的位于第二可视化窗口302内的至少部分称为第二测管102，如图4所示，第二测管102的至少部分处于反应釜体30的反应釜体界面300与压力腔之间。
32.根据一种优选实施方式，如图1所示，反应釜体30的压力腔顶部配置有隔离膜50，该隔离膜50以及隔离膜50上方的加压流体100是和水泥浆200互不相溶的液体。进一步地，在反应釜体30的压力腔的上部设置有带有缓冲罐60的加压流体泵机组。在该流体泵机组的作用下，加压流体100作用至水泥浆200之上，以使水泥浆200处于与该加压流体100所具备压力相对应的地层压力之下。优选地，用于施加加压流体100的输入管路机械和/或电路连接于控制单元90，该控制单元90用于控制输送管路上各设备的启停、以及调整各设备的工作模式或状态。
33.根据一种优选实施方式，如图1所示，第一测管101所在的输入管路和/或用于施加加压流体100的输入管路之上还可分别配置有缓冲罐60、流量计70和加压泵80。具体地，缓冲罐60用于稳定流体的压力，确保压气过程的平稳进行，且缓冲罐60上可设置有用于读取流体压力的高精度压力表；流量计70同样具备较高精度，根据流量计70的实时读数可判断水泥浆200的胶凝强度，例如从开始加压时，随着管线内压力的升高，流量计70实时显示的流体流速较为均匀，当加压管口，即第一测管101管口处有气泡形成并上浮或有裂隙产生时，管线内必定伴随有压力的微小波动，而流量计70实时显示的流体流速势必会有一定的波动，与此波动时刻相对应的压力可定义为水泥浆200的胶凝强度；加压泵80用于泵入加压流体100。
34.特别地，由于地层涉及到的温度和压力环境范围较大，因此为了模拟地层温度从接近零度到数百摄氏度的变化状态，加热部40优选采用水—油浴池或是沙浴池，以提供数百摄氏度之上的高温环境。
35.特别地，测量水泥浆200的输入端被配置为可拆卸式结构，通过该输入端输入的加压流体100（气体或液体）可根据具体的情况来选择。此外，置于水泥浆200中的输入管线可采用透明管路，以便于观察水泥浆200是否反侵入加压管线之中。
36.根据一种优选实施方式，在使用本发明的水泥浆胶凝强度监测装置时，首先将待
测水泥浆200容置于反应釜体30的压力腔中，使其进行凝结硬化反应，当需要测量水泥浆200各个阶段的胶凝强度时，根据具体的检测需要，通过加压流体泵机组向压力腔上方的第一压力室注入加压流体100以向容置有水泥浆200的压力腔提供相应地层的压力状态，以及通过加热部40向容置有水泥浆200的压力腔提供相应地层的温度状态，开始测量后，在水泥浆200凝结硬化反应进行一定的设定时间之后，启动加压泵80以向伸入至水泥浆200中的第一测管101泵送平稳缓慢的加压流体100，并通过反应釜体30的第一可视化窗口301观察第一测管101管口处水泥浆200的微观变化，并记录同时刻的压力值p，在水泥浆初凝之前，由于第一测管101管口处有压力，水泥浆200在第一可视化窗口301处会产生一定大小的气泡，例如气泡的大小为1mm时，计此时的压力为初始破乳压力p1，随着输入压力的持续增大，水泥浆200会产生完整气泡，计此时的压力为最终破乳压力p2，最后得出此时刻水泥浆200抵抗外部流体侵入的能力为 ，并以此表征对应时刻的水泥浆200的胶凝强度；而在水泥浆200初凝之时，由于水泥浆200凝结成膏体状，此时的胶凝强度为第一测管101管口处的水泥浆波动、颤动或者产生裂隙时，压力表或者流量计所反映的压力值，计此时水泥浆200抵抗外部流体侵入的能力为p3。
37.由此，在建造挡土墙防护结构之前，参照挡土墙建造区域的地质条件，可通过加热部40以及加压流体泵机组向容置有水泥浆200的反应釜体30的压力腔施加相应的温度和压力状态，由于挡土墙多处于地表没有较高压力，因此可通过加压流体泵机组注入加压流体100以向压力腔提供对应地层高度的压力状态。在水泥浆200凝结硬化反应进行一定时间后，向伸入水泥浆200中的第一测管101中施加平稳缓慢的流体，流体的压力可以在压力表上得到，进一步地，根据通过第一可视化窗口301观察到的第一测管101管口处的水泥浆200的变化状态以及与各变化状态对应的通过压力表获取的各应力值p，可得知水泥浆200在各凝结阶段对应的胶凝强度，为了满足相应挡土墙防护结构对于水泥浆胶凝强度的要求，可将通过实验模拟得出的各地层温度及压力条件下对应的水泥浆200的胶凝强度与理论值进行比较，从而基于实验数据对实际水泥施工过程中的各项参数进行调整，例如水泥浆200的配比、温度以及浇筑流量等等。由此而言，提前通过实验模拟能够很好地为挡土墙防护结构的建造提供可靠的数据支持，尤其是对于水泥浆胶凝强度而言，在多数涉及到水泥工艺的施工环节中，工程人员能够依据实验数据有效地调整与水泥浆胶凝强度相关的工艺参数，以使挡土墙的最终防护性能能够更好地满足于地质灾害频发地段对其的强度要求。
38.具体地，结合上述的水泥浆胶凝强度监测装置，详细说明本发明的具体检测原理。
39.根据图1所示的一种挡土墙可视化水泥浆胶凝强度监测装置，将待测水泥浆200预先容置于反应釜体30的压力腔内进行凝结硬化反应，并在需要测定相应水泥浆200的胶凝强度时，将第一测管101的端部从容器侧面插入容置于反应釜体30的压力腔内的水泥浆200中，并利用第一测管101所在输入管线上的加压泵80平稳缓慢地向反应釜体30内的水泥浆200中施加压力（介质可以是气体或液体）。在水泥浆200的不同水化时刻，伴随着具有一定压力的流体的输入，水泥浆200的变化或产生的现象也不尽相同：当水泥浆200处于水化初期时，水泥浆200更接近流体状态，此时当通过第一可视化窗口301观察到加压管口，即第一测管101管口处的水泥浆液面内产生大约1mm左右的变形时，计此时的压力值为p1。进一步地，当水泥浆200内产生单个完整气泡时，计此时的压力
为p2，而相应的水泥浆200的胶凝强度则表示为 。
40.而当水泥浆200接近初凝时刻之时，水泥浆200更接近膏体或糊状，故在第一测管101管口处糊状水泥浆波动、颤动或开始产生裂缝时，计此时的压力为p3，则将p3定义为此时刻的水泥浆200对应的胶凝强度。
41.此外，当涉及到模拟测量油气固井中的水泥浆200在相应的地温和地压下和套管之间，即固井一界面400的胶结强度时，可使压力腔中的水泥浆200继续发生凝结硬化反应，当达到预定时间之后，打开第二测管102，平稳缓慢的泵送加压流体100进入水泥环和反应釜体30内壁之间的空隙，并通过第二测管102所在位置处的第二可视化窗口302进行观察，随着第二测管102内加压流体100的持续输入，当观察到水泥环和釜体内壁之间产生松动之时，停止泵入流体，并记录此时的泵入压力，用以表征模拟水泥环和钢套管之间的胶结强度，该泵入压力越大则说明水泥环和井壁之间的胶结强度越大。
42.需要注意的是，一般对于油气井固井工程而言，通常将套管与水泥环之间的胶结面定义为固井一界面400，而将水泥环与地层之间的胶结面定义为固井二界面。
43.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。