一种抗滑桩水泥浆胶凝强度的监测装置

一种抗滑桩水泥浆胶凝强度的监测装置
1.分案说明
2.本分案申请的原始基础是申请号为202111502746.9，申请日为2021年12月10日，发明名称为“一种抗滑桩水泥浆凝结质量评价装置及方法”的专利申请。
技术领域
3.本发明涉及水泥胶凝强度检测技术领域，尤其涉及一种抗滑桩水泥浆胶凝强度的监测装置。


背景技术：

4.为了减小边坡失稳带来的损失，工程中常使用抗滑桩加固边坡。抗滑桩是一种适用于浅层和中厚层滑坡的侧向承载桩，其作用是利用抗滑桩插入滑动面以下的稳定地层对桩的抗力平衡滑动体的推力，增加其稳定性，以在滑坡体下滑时受到抗滑桩的阻抗，使桩前滑体达到稳定状态。抗滑桩埋入地层以下深度，按一般经验，软质岩层中锚固深度为设计桩长的三分之一；硬质岩中为设计桩长的四分之一；土质滑床中为设计桩长的二分之一。当土层沿基岩面滑动时，锚固深度也有采用桩径的2～5倍。
5.抗滑桩的施工工艺通常为：施工准备—孔口开挖—构筑砼壁—节段开挖—浇筑护臂—循环施工—基底检查—吊放钢筋笼—浇筑养护—桩基检测—挡土板安装—验收。在建造抗滑桩结构时，会涉及到水泥灌注工艺，即将水泥浆注入至地下桩孔之内，而在水泥浆凝结过程中，若能时刻获知水泥浆的凝结强度是非常有帮助的，因为水泥浆凝结强度将影响抗滑桩用于防止山体或土体滑坡的防护性能。
6.为此，现有技术已提供了大量的水泥浆胶凝强度测量装置或测量方法，且其中多数装置提供了简单易行的室内检测手段，这些检测手段主要是通过模拟室外施工现场的施工环境，从而测定相应施工环境所对应的地表或地层环境之下，水泥浆凝结时的胶凝强度，然而，现有的室内测试方法仍然存在以下问题：可模拟的地层环境比较有限，尤其是缺少对原位地层及低温的模拟方法，故其实验过程中的数据不够全面，缺乏一定说服力，也因此无法准确有效地为现场施工提供切实可行的指导依据；水泥浆的胶凝强度的检测过程通常是不可见的，因此仅依靠仪表读数得知水泥浆的强度值往往不够准确，且忽略了水泥浆在各凝结时期的微观状态变化，故由此对水泥浆凝结质量的最终评价是不够准确的；缺少实时测量的手段，多数只能得出对水泥浆凝结强度的最终评定结果，无法根据水泥浆在各凝结阶段的差异性得出其胶凝强度与时间相关的变化趋势；应用场景较少，往往只能针对单一场合使用。
7.因此，基于现有技术亟待解决的至少一个或多个技术问题，本发明意在用一种可视化的、高仿真的、以及高还原度的方法以及装置实时测量水泥浆凝结硬化过程中的胶凝强度发展。
8.公开号为cn112145155a的中国专利文献公开了一种可偏心测试水泥-套管界面胶结质量的评价装置的实验方法，水泥-套管界面即固井第一胶结界面。目前第一界面的评价
只考虑了套管外表面与水泥环的胶结情况，而在实际多开的井身结构中，套管内表面与水泥环也存在胶结，其胶结质量也决定着水泥环密封的成功与否。此外，在考虑内外表面的同时，还需要考虑套管的偏心对胶结的影响。该装置针对以上问题提出了解决方案，尽可能地模拟出现场固井的工艺和工况，包括泥饼的形成、冲洗、水泥的井下养护，井下压力温度等。本装置模拟程度高，既可评价套管内外表面与水泥的胶结情况，又能模拟任意偏心度的套管胶结情况，还可以模拟水泥浆等胶体段塞的封堵强度。实验结果与分析可为固井水泥第一界面胶结质量的评价提供重要参考，为工程设计提供重要的依据，亦可用于评价其他材料体系与套管的胶结强度。但是，该装置结构复杂，且不能通过压力装置实现可视化准备监测水泥浆胶凝强度的问题。该装置的压力表监测器不具备结构简单，监测精确的特点。
9.公开号为cn102012347a的中国专利文献公开了一种水泥静胶强度测窜方法，包括以下步骤：(1)根据测窜井及水泥浆参数获取水泥浆的测窜点和测窜压力δp；(2)按api标准配置水泥浆；(3)将水泥浆放置在封闭容器中进行搅拌；(4)连续测量水泥浆的静胶强度；(5)停止搅拌水泥浆；(6)对封闭容器中的水泥浆一端卸压，另一端输入压力气体或水或油；(7)根据该水泥浆另一端冒气情况判断水泥浆在该测窜井条件下窜通情况；(8)慢慢加大压差，直至窜通为止，记录最大防窜能力。该发明采用封闭容器模拟井下环境，方便对设置在该封闭容器中的水泥浆进行通气、加压及测压，可完全模拟井下温度、压力和流动条件，并方便通过观察冒气情况判断水泥浆的窜通情况。但是该方法对水泥静胶强度测窜中包括失压值等数据的计算繁琐复杂，不能达到简单计算提高测量效率的效果，且该方法不能通过压力组件简单便捷的可视化观察水泥浆的胶凝强度。
10.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：

11.针对现有技术之不足，本发明提供了一种抗滑桩水泥浆凝结质量评价装置及方法，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。
12.为实现上述目的，本发明提供了一种抗滑桩水泥浆凝结质量评价方法，该方法至少包括以下步骤：向反应容器的容置有水泥浆的压力腔施加相应地层的压力和温度条件，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；在水泥浆凝结硬化反应进行预设时间之后，向伸入水泥浆中的第一加压管线中施加平稳缓慢的流体，并通过压力表获取相应的流体压力；通过反应容器的第一可视窗口观察第一加压管线管口处的水泥浆的微观变化，并根据水泥浆的微观变化记录对应时刻的与水泥浆的胶凝强度相关的压力值p，其中，在水泥浆初凝之前，当第一加压管线管口处产生预定大小的气泡时，计此时的压力为初始破乳压力p1，而当第一加压管线管口处产生至少单个完整气泡时，计此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初始破乳压力p1与最终破乳压力p2之和的一半；在水泥浆初凝之时，当第一加压管线管口处的水泥浆波动、颤动或是产生裂隙时，计此时的压力为p3，并以此表征对应时刻的水泥浆的胶凝强度。
13.本技术方案的优点在于：通过可视化的窗口可以直观地观察水泥浆在凝结硬化过
程中胶凝强度的变化情况，此外，可参照各地层相应的地温和地压，使水泥浆在相应的地温和地压情况下进行凝结硬化，并且可以在任何水化时刻测量其胶凝强度，可得出凝结强度随时间的变化曲线，相比于现有技术，能够准确且全面地反映出水泥浆在凝结过程中的胶凝强度变化；此外，本发明提供的水泥浆凝结质量评价装置，在抗滑桩工程施工建设方面，有十分显著的优势，由于抗滑桩工程建造地段所在地表及地层的环境很复杂，故对于水泥浆的凝结强度有着十分苛刻的要求，故在这些地段进行抗滑桩结构的建造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，因此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相应工程对于强度的需求，可以大大减少操作失误带来的成本增加和工期延误；再者，该装置可广泛应用于未来地下空间的建设工程之中，即可用于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，从而能够极大程度地降低未来地下空间的建设成本。
14.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。
15.优选地，一种水泥浆凝结质量评价装置，该装置至少包括：反应器，其具有一用于容置水泥浆的压力腔，且压力腔连接有至少一个压力室，通过压力室能够模拟水泥浆处于不同地层深度下的压力状态及地层流体侵入状态；热量供给单元，其用于向用于容置水泥浆的压力腔提供对应于不同地层深度下的温度状态，其中，位于反应器顶部的压力室连接一用于向该压力室注入加压流体的输入管线，位于反应器侧面的压力室连接有多条输入管线，多条输入管线中的至少一输入管线被配置为伸入水泥浆，并且该输入管线伸入水泥浆中的至少部分为第一测管；以及至少另一输入管线被配置为伸入反应器侧面的压力室中，且该输入管线伸入压力室中的至少部分为第二测管，其中，反应器表面设置有用于观察第一测管的第一可视窗口和用于观察第二测管的第二可视窗口。
16.优选地，该评价装置还包括安装底座，安装底座顶部安装有升降支架，升降支架由两个独立支架构成，其中，反应器和热量供给单元连接于升降支架。
17.优选地，第一测管被设置为可拆卸式结构，且第一测管按照预设间隙与第一可视窗口壁面保持并行或垂直。
18.优选地，该评价装置还包括配置在压力腔的顶部的至少一层隔离膜，且隔离膜介于压力腔和位于该压力腔顶部的第一压力室之间。
19.优选地，反应器顶部连接有加压流体泵机组，通过加压流体泵机组能够将加压流体注入至第一压力室，以模拟水泥浆处于不同地层深度时的压力状态，其中，加压流体泵机组具有用于稳定流体压力的缓冲罐。
20.优选地，注入至隔离膜之上的加压流体是与水泥浆互不相溶的液体。
21.优选地，该评价装置还包括配置于各输入管线之上的流量计和加压泵，以及用于提供针对设备的连锁控制之功能的控制单元。
附图说明
22.图1是根据本发明实施例提供的一种抗滑桩水泥浆凝结质量评价装置优选的结构原理图；
23.图2是根据本发明实施例所述的第一可视窗口优选的局部放大图；
24.图3是根据本发明实施例所述的第一测管在第一可视窗口内优选的结构示意图；
25.图4是根据本发明实施例所述的第二可视窗口优选的局部放大图；
26.图5是不同形式的抗滑桩优选的结构示意图。
27.附图标记列表
28.1：安装底座；2：升降支架；3：反应器；4：热量供给单元；5：隔离膜；6：缓冲罐；7：流量计；8：加压泵；9：控制单元；10：第一可视窗口；11：第二可视窗口；12：第一测管；13：第二测管；14：加压流体；15：水泥浆；16：反应釜体界面；17：固井一界面；18：椅式抗滑桩；19：门式抗滑桩；20：排架式抗滑桩。
具体实施方式
29.下面结合附图进行详细说明。
30.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。
31.根据一种优选实施方式，本发明提供了一种抗滑桩水泥浆凝结质量评价装置，其可用于抗滑桩建造工程，尤其是对于浇筑水泥浆后，水泥浆在各凝结时刻的胶凝强度检测。除此之外，本发明的评价装置还可广泛应用于包括但不限于油气固井里的水泥浆、工民建中的混凝土以及工程灌浆中的水泥浆等多个涉及到地下空间水泥浆胶凝强度检测的领域。
32.图5示出了在一些优选实施方式下的抗滑桩的结构示意图，其中，从左至右依次为椅式抗滑桩18、门式抗滑桩19以及排架式抗滑桩20。
33.具体地，如图1所示，该评价装置可以包括：安装底座1和升降支架2，该升降支架2由配置在安装底座1顶部两侧的两个独立的支架组成；反应器3，该反应器3设置于安装底座1的顶部，且其两端连接于升降支架2，该反应器3优选为一密封的反应釜，用于容置待测水泥浆；热量供给单元4，其设置于反应器3与安装底座1之间，并且该热量供给单元4两侧连接于升降支架2。优选地，在需要向反应器3提供相应地层的温度时，可通过升降支架2将热量供给单元4升起到所需位置处以对反应器3加热。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，热量供给单元4优选采用水—油浴池或是沙浴池，以提供相应地层深度之下数百摄氏度的高温环境。
34.根据一种优选实施方式，反应器3内部具有用于容置水泥浆15的压力腔(图中未示出)，该压力腔的顶部连接有至少一个第一压力室，通过该第一压力室可向水泥浆15施加沿竖向方向上的外加作用力，以用于模拟水泥浆15在不同地层深度下的压力状态。进一步地，该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15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15及固井水泥浆时的压力状态。
35.根据一种优选实施方式，在反应器3的大致中部位置处可设置有第一可视窗口10，而在反应器3的压力腔的侧面，即外部流体侵入处设置有第二可视窗口11。为了便于直观清晰地观察到压力腔内部的水泥浆15的微观变化以及外部流体侵入之时水泥浆15的微观变化，该第一可视窗口10和第二可视窗口11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，第一可视窗口10和第二可视窗口11上均设置有刻度线，以便于实验人员通过可视化窗口观察内部流体气泡的变化并记录相应的数据。
36.根据一种优选实施方式，如图1所示，反应器3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。且优选地，其中一输入管路的输入端被配置为插入位于反应器3的压力腔内的水泥浆15之中。为了方便说明，将该输入管路的插入于水泥浆15中的至少部分称为第一测管12，且该第一测管12的输出端位于第一可视窗口10的可见范围之内，如图2所示。此外，若涉及到油气固井领域针对固井一界面的胶结强度的检测需求，通过伸入至水泥浆15中的第一测管12测量即可。进一步地，当该第一测管12如是可视管(例如玻璃管)时，需要平行紧贴于第一可视窗口10的内壁面，或是与第一可视窗口10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15中的第一测管12是可拆卸的，实验操作完毕后即可报废更换。特别地，测量水泥浆15的第一测管12可以是可拆卸式结构，通过其输入的流体(气体或液体)可根据具体的情况来选择。此外，第一测管12可采用透明管路，以便于观察水泥浆15是否反侵入第一测管12之中。
37.根据一种优选实施方式，如图1所示，第一测管12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器3的釜体侧面，且具体地，两条分支输入管路的输出端位于第二可视窗口11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窗口11内的至少部分称为第二测管13，如图4所示，第二测管13的端部位于反应器3的压力腔与反应釜体界面16之间。
38.根据一种优选实施方式，如图1所示，反应器3的压力腔顶部设置有隔离膜5，其用于分隔位于其上方的加压流体14与压力腔内部的水泥浆15，且优选地处于压力腔顶部的第一压力室内的加压流体14是与水泥浆15互不相溶的液体。进一步地，在反应器3的压力腔的上部增设有带有缓冲罐6的加压流体泵机组。在该流体泵机组的作用下，高压流体作用至水泥浆15之上，以使水泥浆15处于相应的地层压力状态之下。优选地，用于施加高压流体的输入管路机械和/或电路连接于控制单元9，该控制单元9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。
39.根据图1所示的一种优选实施方式，各输入管路之上还可分别配置有用于获取加压流体14流速的流量计7和用于泵入加压流体14的加压泵8。具体地，配置于各输入管线之上的高精度压力表确保了整个模拟检测过程中数据的真实可靠性。此外，为了满足施加平稳缓慢的压力，在加压流体泵机组后增设缓冲罐6来稳定流体的压力，确保压气过程的平稳进行。同时采用高精度的流量计7，也可根据流量计7的实时读数判断水泥浆15的胶凝强度，例如加压初期，随着管线内压力的升高，流量计7实时显示的流体流速较为均匀，当加压管口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7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15的胶凝强度。
40.优选地，在使用本发明的抗滑桩水泥浆胶凝强度监测装置时，首先将待测水泥浆
15容置于反应器3的压力腔中，使其进行凝结硬化反应，当需要测量水泥浆15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14以向容置有水泥浆15的压力腔提供相应地层的压力状态，以及通过热量供给单元4向容置有水泥浆15的压力腔提供相应地层高度下的温度状态，开始测量后，在水泥浆15凝结硬化反应进行一定的设定时间之后，启动加压泵8以向伸入至水泥浆15中的第一测管12泵送平稳缓慢的加压流体14，并通过反应器3的第一可视窗口10观察第一测管12管口处水泥浆15的微观变化，并记录同时刻的压力值p，在水泥浆15初凝之前，由于第一测管12管口处有压力，水泥浆15在第一可视窗口10处会产生一定大小的气泡，例如气泡的大小为1.5mm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15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15抵抗外部流体侵入的能力为初始破乳压力p1与最终破乳压力p2之和的一半，并以此表征对应时刻的水泥浆15的胶凝强度；而在水泥浆15初凝之时，由于水泥浆15凝结成膏体状，此时的胶凝强度为第一测管12管口处的水泥浆15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15抵抗外部流体侵入的能力为p3。
41.由此，基于本发明的抗滑桩水泥浆凝结质量评价装置，在建造抗滑桩之前，可通过本发明的装置模拟抗滑桩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，参照抗滑桩建造区域的地质条件，由于抗滑桩所在地层高度最大一般为几十米，处于较小的空间压力下，故可通过加压流体泵机组注入加压流体14以向压力腔提供对应地层高度的压力状态，此外，通过热量供给单元4向容置有水泥浆15的反应器3的压力腔施加相应的温度状态，在水泥浆15凝结硬化反应进行一定时间后，向伸入水泥浆15中的第一测管12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，根据通过第一可视窗口10观察到的第一测管12管口处的水泥浆15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15在各凝结阶段对应的凝结强度，为了满足相应抗滑桩防护结构对于水泥浆15凝结强度的要求，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15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15的配比、温度等。提前通过实验模拟能够很好地为抗滑桩防护工程的构建提供可靠的数据支持，尤其是对于水泥浆15凝结强度而言，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15凝结强度相关的工艺参数，以使其最终防护性能能够更好地满足于地质灾害频发地段对于抗滑桩防护结构的强度要求。
42.基于上述的抗滑桩水泥浆凝结质量评价装置，本发明提供了一种基于该评价装置的用于测定水泥浆15凝结质量的方法，该方法具体可包括以下步骤：
43.依据检测需求，启动加压流体泵机组和/或加热单元4以向反应器3的容置有水泥浆15的压力腔提供相应地层的压力和温度状态，使水泥浆15的凝结和硬化过程处于相应地温和地压情况下。
44.在水泥浆15凝结硬化反应进行一定的设定时间之后，向伸入水泥浆15中的第一测管12泵入平稳缓慢的流体，流体的压力可以在压力表上得到，压力表可安装在缓冲罐6上；
45.通过第一可视窗口10观察第一测管12管口处的水泥浆15的微观变化，并记录相应时刻的压力值p，其中，在水泥浆15初凝之前，由于第一测管12管口处有压力，水泥浆15在第
一可视窗口10处会产生一定量的气泡，例如气泡的大小为1.5mm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15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15能抵抗外部流体侵入的能力为初始破乳压力p1与最终破乳压力p2之和的一半，并以此表征对应时刻的水泥浆15的胶凝强度；在水泥浆15初凝之时，由于水泥浆15凝结成膏体状，此时的胶凝强度为第一测管12的水泥浆15波动、颤动或者产生裂隙时，压力表或者流量计7所反映的压力值，计此时水泥浆15抵抗外部流体侵入的能力为p3。
46.特别地，若有涉及到油气固井领域模拟测量相应水泥浆15在相应的地温和地压下和套管之间的胶结强度，即固井一界面17胶结强度的需求，则可通过下述方法进行测量：
47.使水泥浆15持续发生凝结硬化反应，当达到预定时间之后，打开第二测管13，平稳缓慢地泵送流体进入水泥浆15和反应器3内壁之间的空隙；
48.通过第二测管13所在位置处的第二可视窗口11观察水泥浆15的微观变化，随着实验进行过程中加压流体14平稳缓慢地持续输入，当观察到水泥浆15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；
49.记录此时的泵入压力，用以表征模拟水泥浆15和钢套管之间的胶结强度，该泵入压力越大则说明水泥浆15和井壁之间的胶结强度越大。
50.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。