模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置及方法

1.本发明涉及岩土材料实验技术领域，特别是涉及一种模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置及方法。


背景技术：

2.浅层地温能是一种极具竞争力的绿色低碳的可再生能源，我国西南地区有着丰富的浅层地温能。但是，由于我国西南地区具有喀斯特地貌，使得钻孔所在的地层中会交叉出现裂隙构造，在多种载荷压力下回填材料会出现不同的坍落形式。这些复杂的裂隙构造往往会出现岩溶水渗透的情况，进而影响地埋管的换热情况。目前，一些学者注意到了钻孔中地埋管换热与裂隙构造、回填材料的坍落情况有着重要关系，但没有可行的试验装置和方法对于不同回填材料的坍落度进行指导。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置及方法，通过装置模拟地下裂隙横穿钻孔的裂隙的情况，在此基础上测试不同回填材料在裂隙中的坍落情况。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明公开了一种模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置，包括下管体、上管体、垫层和压台；所述下管体与所述上管体共轴线且内径相同，以通过所述下管体和所述上管体的内孔模拟地层钻孔；所述下管体的上端具有第一外法兰，所述上管体的下端具有第二外法兰，所述第一外法兰与所述第二外法兰固定相连；所述垫层用于设置在所述第一外法兰和所述第二外法兰之间，以在所述第一外法兰与所述第二外法兰之间形成用于模拟地层裂隙的间隙，所述间隙同时与所述下管体的内孔、所述上管体的内孔相连通；所述压台具有与所述下管体的内孔尺寸匹配的外轮廓，使所述压台能够在所述下管体和所述上管体内上下滑动，以镇压所述压台下方的回填材料。
6.优选地，还包括底座，所述底座固定于所述下管体的下端。
7.优选地，所述垫层包括两个垫板，所述间隙位于两个所述垫板之间。
8.优选地，所述第一外法兰与所述第二外法兰通过螺栓和螺母固定相连。
9.优选地，所述螺栓的螺杆穿过所述垫层，以对所述垫层限位。
10.优选地，所述下管体与所述上管体均为透明材质。
11.优选地，所述垫层包括多个且能够相互替换，多个所述垫层的厚度不同。
12.本发明还公开了一种模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的方法，使用上述的模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置，包括以下步骤：
13.步骤1：采用环刀法，测多组回填沙密度数据，取平均值作为回填沙密度近似值ρ；
14.步骤2：采用现场采集的回填沙，忽略钻孔内回填沙与钻孔壁之间的摩擦力，用上覆回填沙的总重力来模拟某位置处回填沙所受到的竖直方向的载荷；设实验模拟在深度h
位置处不同隙高回填沙在裂隙内的坍落情况，钻孔截面积s＝πr2，对应深度位置处压强p＝ρgh，应施加载荷大小f＝ps＝ρghs，根据上述公式计算所需上覆回填沙的总重力；
15.步骤3：将待测的回填沙从上管体的上端注入，直至注满上管体和下管体，观察并测量回填沙在自然下落状态下的摊开情况，记录摊开的长和宽，计算坍落面积；
16.步骤4：将模拟钻孔内回填沙上部抹平，将压台下表面水平放置在回填沙表层中心位置；对压台施加向下的预定压力并保持预定压力，观察并测量回填沙的摊开情况，记录摊开的长和宽，计算坍落面积；
17.步骤5：保持预定压力不变，每间隔一段预定时间观察并测量回填沙的摊开情况，记录摊开的长和宽，计算坍落面积；
18.步骤6：倒出上管体和下管体中的回填沙；保持垫层厚度和回填沙材料不变，改变h的大小，重复步骤2～步骤5，测量相同回填材料在相同宽度裂隙、不同钻孔深度的情况下坍落情况；
19.步骤7：倒出上管体和下管体中的回填沙；保持h大小和回填沙材料不变，改变垫层的厚度，重复步骤2～步骤5，测量相同回填材料在相同钻孔深度、不同宽度裂隙下的坍落情况；
20.步骤8：倒出上管体和下管体中的回填沙；改变回填沙材料，保持h和垫层厚度不变，重复步骤1～步骤5，测量不同回填材料在相同宽度裂隙、相同钻孔深度下的坍落情况。
21.优选地，步骤4中，通过单轴试验机对压台施加压力。
22.优选地，步骤5中，预定时间为15min。
23.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
24.本发明公开的装置及方法，一方面可模拟不同深度载荷下同种回填材料在相同高度裂隙中的坍落情况，得到坍落度与载荷大小的关系；另一方面，可模拟在不同高度裂隙中相同回填材料在同样大小上方载荷作用下的坍落情况，得到坍落度与裂隙高度的关系；还可模拟不同颗粒回填材料在同样裂隙高度和同样大小上方载荷作用下的坍落情况，得到坍落度与不同颗粒回填材料的关系。
25.因此，本发明解决了现有测试钻孔回填材料坍落度无实验装置的问题，结构简单，对于指导新型可靠回填材料的产出和裂隙处回填方法有重要意义。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
27.图1为本发明实施例模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置俯视方向的示意图；
28.图2为图1沿a-a方向的剖视图；
29.附图标记说明：1-上管体；2-第二外法兰；3-垫层；4-第一外法兰；5-下管体；6-底座；7-压台；8-螺栓。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本发明的目的是提供一种模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置及方法，通过装置模拟地下裂隙横穿钻孔的裂隙的情况，在此基础上测试不同回填材料在裂隙中的坍落情况。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
33.参照图1～图2，本实施例提供一种模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置(以下简称为模拟测试装置)，包括下管体5、上管体1、垫层3和压台7。
34.下管体5与上管体1共轴线且内径相同，以通过下管体5和上管体1的内孔模拟地层钻孔，本实施例中模拟的地层钻孔为竖直孔。下管体5的上端具有第一外法兰4，上管体1的下端具有第二外法兰2，第一外法兰4与第二外法兰2固定相连，以使下管体5的内孔与上管体1的内孔不会错开。垫层3用于设置在第一外法兰4和第二外法兰2之间，以在第一外法兰4与第二外法兰2之间形成用于模拟地层裂隙的间隙，间隙与下管体5的内孔、上管体1的内孔相连通。
35.本实施例模拟测试装置的工作原理如下：
36.由于地层裂隙的存在，地层钻孔被地层裂隙分为上下两部分。本实施例中，第一外法兰4与第二外法兰2之间的间隙用于模拟地层裂隙，上管体1的内孔用于模拟地层钻孔的上侧部分，下管体5的内孔用于模拟地层钻孔的下侧部分。
37.作为一种可能的示例，本实施例中，压台7具有与下管体5的内孔尺寸匹配的外轮廓，使压台7能够在下管体5和上管体1内上下滑动，以镇压压台7下方的回填材料。本实施例中，压台7与上管体1的内孔之间、压台7与下管体5的内孔之间均优选为间隙配合，以在保证压台7能够镇压回填材料的整个表层的同时，便于压台7的上下运动。
38.作为一种可能的示例，本实施例中，模拟测试装置还包括底座6，底座6固定于下管体5的下端。底座6可以放置在地面或工作台上，以提高模拟测试装置的稳定性。具体的，本实施例中，底座6为方形板，下管体5的轴线垂直穿过底座6的几何中心。根据实际需要的不同，底座6也可以是其它类型，例如圆形板。
39.作为一种可能的示例，本实施例中，垫层3包括两个垫板，间隙位于两个垫板之间。具体的，两个垫板关于上管体1的纵截面对称设置，垫板包括两个径向板、两个外侧板和一个中间板。两个径向板沿上管体1的径向设置且相互垂直，中间板的两端分别连接两个径向板背离上管体1轴线的一端，外侧板远离上管体1轴线的一端与中间板的端部相连，两个外侧板分别连接于中间板的两端。根据实际需要的不同，垫层3也可以是其它类型，例如垫层3为一个整体方形板，垫层3上设有与下管体5共轴线的通孔，通孔的直径大于下管体5的内径，以使间隙为圆环状。
40.作为一种可能的示例，本实施例中，第一外法兰4与第二外法兰2通过螺栓8和螺母固定相连，螺栓8的螺杆依次穿过第二外法兰2和第一外法兰4后与螺母螺纹连接。根据实际
需要的不同，本领域技术人员也可以选择其它方式将第一外法兰4与第二外法兰2固定相连。
41.作为一种可能的示例，本实施例中，螺栓8的螺杆穿过垫层3，以对垫层3限位。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可以通过使第一外法兰4与第二外法兰2夹紧垫层3的方式，限制垫层3的移动。
42.作为一种可能的示例，本实施例中，第一外法兰4与第二外法兰2均为方形法兰，两者位置正对。螺栓8包括四个，四个螺栓8分别安装在第一外法兰4的四个直角处，并与相应的螺母螺纹连接。两个螺栓8穿过其中一个垫板的中间板两端，另外两个螺栓8穿过另一个垫板的中间板两端。
43.作为一种可能的示例，本实施例中，下管体5与上管体1均为透明材质，以便于对内部情况进行观察。
44.作为一种可能的示例，本实施例中，垫层3包括多个且能够相互替换，多个垫层3的厚度不同。根据实际需要的不同，可以选择相应厚度的垫层3使用。
45.作为一种可能的示例，本实施例中，垫板长度为600mm、宽度为250mm，垫层厚度为0.5mm～2.5mm。上管体1筒体部分的内径为100mm～140mm，上管体1筒体部分的壁厚不小于5mm，上管体1筒体部分深度为200mm。第一外法兰4、第二外法兰2的厚度均不小于3mm，第一外法兰4、第二外法兰2的长和宽均为600mm。下管体5筒体部分的尺寸与上管体1筒体部分的尺寸一致。底座6的长和宽均不小于600mm，螺栓8的外径为5mm～10mm，压台7的高度为150mm。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可以选择其它尺寸。
46.本发明还公开了一种模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的方法(以下简称为模拟测试方法)，使用上述的模拟测试装置，包括以下步骤：
47.步骤1：采用环刀法，测多组回填沙密度数据，取平均值作为回填沙密度近似值ρ。本实施例中，环刀尺寸为直径(φ)70mm
×
高(h)52mm，共测十组数据，回填沙密度近似值ρ保留两位小数。需要说明的是，在实际回填中，某一深度的回填沙密度主要受来自于上方回填沙压力和回填沙与钻孔壁之间摩擦力的影响，实际密度不是稳定值，实验时采用现场回填沙在环刀内被压实后测得的近似值，并且用此密度来等价计算不同深度处回填沙上覆载荷作为施加压力大小的依据。
48.步骤2：采用现场采集的回填沙，忽略钻孔内回填沙与钻孔壁之间的摩擦力，用上覆回填沙的总重力来模拟某位置处回填沙所受到的竖直方向的载荷。设实验模拟在深度h位置处不同隙高回填沙在裂隙内的坍落情况，钻孔截面积s＝πr2，对应深度位置处压强p＝ρgh，应施加载荷大小f＝ps＝ρghs，根据上述公式计算所需上覆回填沙的总重力，结果取整数。
49.步骤3：将待测的回填沙从上管体1的上端注入，直至注满上管体1和下管体5，观察并测量回填沙在自然下落状态下的摊开情况(回填沙在用于模拟地层裂隙的间隙中摊开)，记录摊开的长和宽，计算坍落面积(坍落面积即间隙中回填沙的摊开面积)。长、宽和坍落面积均取整数，后面步骤的同类型数据也取整数。具体的，本实施例中，本步骤将模拟测试装置放在单轴试验机下方台面中心位置上进行操作，以便于后续通过单轴试验机对压台7进行下压操作。
50.步骤4：将模拟钻孔内回填沙上部抹平，将压台7下表面水平放置在回填沙表层中
心位置。对压台7施加向下的预定压力并保持预定压力(预定压力即步骤1计算得到的总重力)，观察并测量回填沙的摊开情况，记录摊开的长和宽，计算坍落面积。由于本实施例使用单轴试验机进行下压，可通过单轴试验机的控制面板设置预定压力值，以及设置后面保持预定压力的时间。
51.步骤5：保持预定压力不变，每间隔一段预定时间观察并测量回填沙的摊开情况，记录摊开的长和宽，计算坍落面积。本实施例中，预定时间为15min。
52.步骤6：倒出上管体1和下管体5中的回填沙。保持垫层3厚度和回填沙材料不变，改变h的大小，重复步骤2～步骤5，测量相同回填材料在相同宽度裂隙、不同钻孔深度的情况下坍落情况。
53.步骤7：倒出上管体1和下管体5中的回填沙。保持h大小和回填沙材料不变，改变垫层3的厚度，重复步骤2～步骤5，测量相同回填材料在相同钻孔深度、不同宽度裂隙下的坍落情况。
54.步骤8：倒出上管体1和下管体5中的回填沙。改变回填沙材料，保持h和垫层3厚度不变，重复步骤1～步骤5，测量不同回填材料在相同宽度裂隙、相同钻孔深度下的坍落情况。
55.本实施例的模拟测试方法使用上述的模拟测试装置，一方面可模拟不同深度载荷下同种回填材料在相同高度裂隙中的坍落情况，得到坍落度与载荷大小的关系；另一方面，可模拟在不同高度裂隙中相同回填材料在同样大小上方载荷作用下的坍落情况，得到坍落度与裂隙高度的关系；还可模拟不同颗粒回填材料在同样裂隙高度和同样大小上方载荷作用下的坍落情况，得到坍落度与不同颗粒回填材料的关系。
56.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置，其特征在于，包括下管体、上管体、垫层和压台；所述下管体与所述上管体共轴线且内径相同，以通过所述下管体和所述上管体的内孔模拟地层钻孔；所述下管体的上端具有第一外法兰，所述上管体的下端具有第二外法兰，所述第一外法兰与所述第二外法兰固定相连；所述垫层用于设置在所述第一外法兰和所述第二外法兰之间，以在所述第一外法兰与所述第二外法兰之间形成用于模拟地层裂隙的间隙，所述间隙同时与所述下管体的内孔、所述上管体的内孔相连通；所述压台具有与所述下管体的内孔尺寸匹配的外轮廓，使所述压台能够在所述下管体和所述上管体内上下滑动，以镇压所述压台下方的回填材料。2.根据权利要求1所述的模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置，其特征在于，还包括底座，所述底座固定于所述下管体的下端。3.根据权利要求1所述的模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置，其特征在于，所述垫层包括两个垫板，所述间隙位于两个所述垫板之间。4.根据权利要求1所述的模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置，其特征在于，所述第一外法兰与所述第二外法兰通过螺栓和螺母固定相连。5.根据权利要求4所述的模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置，其特征在于，所述螺栓的螺杆穿过所述垫层，以对所述垫层限位。6.根据权利要求1所述的模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置，其特征在于，所述下管体与所述上管体均为透明材质。7.根据权利要求1所述的模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置，其特征在于，所述垫层包括多个且能够相互替换，多个所述垫层的厚度不同。8.一种模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的方法，其特征在于，使用如权利要求1～7任意一项所述的模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置，包括以下步骤：步骤1：采用环刀法，测多组回填沙密度数据，取平均值作为回填沙密度近似值ρ；步骤2：采用现场采集的回填沙，忽略钻孔内回填沙与钻孔壁之间的摩擦力，用上覆回填沙的总重力来模拟某位置处回填沙所受到的竖直方向的载荷；设实验模拟在深度h位置处不同隙高回填沙在裂隙内的坍落情况，钻孔截面积s＝πr2，对应深度位置处压强p＝ρgh，应施加载荷大小f＝ps＝ρghs，根据上述公式计算所需上覆回填沙的总重力；步骤3：将待测的回填沙从上管体的上端注入，直至注满上管体和下管体，观察并测量回填沙在自然下落状态下的摊开情况，记录摊开的长和宽，计算坍落面积；步骤4：将模拟钻孔内回填沙上部抹平，将压台下表面水平放置在回填沙表层中心位置；对压台施加向下的预定压力并保持预定压力，观察并测量回填沙的摊开情况，记录摊开的长和宽，计算坍落面积；步骤5：保持预定压力不变，每间隔一段预定时间观察并测量回填沙的摊开情况，记录摊开的长和宽，计算坍落面积；步骤6：倒出上管体和下管体中的回填沙；保持垫层厚度和回填沙材料不变，改变h的大小，重复步骤2～步骤5，测量相同回填材料在相同宽度裂隙、不同钻孔深度的情况下坍落情况；步骤7：倒出上管体和下管体中的回填沙；保持h大小和回填沙材料不变，改变垫层的厚度，重复步骤2～步骤5，测量相同回填材料在相同钻孔深度、不同宽度裂隙下的坍落情况；
步骤8：倒出上管体和下管体中的回填沙；改变回填沙材料，保持h和垫层厚度不变，重复步骤1～步骤5，测量不同回填材料在相同宽度裂隙、相同钻孔深度下的坍落情况。9.根据权利要求8所述的模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的方法，其特征在于，步骤4中，通过单轴试验机对压台施加压力。10.根据权利要求8所述的模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的方法，其特征在于，步骤5中，预定时间为15min。

技术总结
本发明公开了一种模拟测试垂直埋管岩钻孔回填材料坍落度的装置及方法，其中装置包括下管体、上管体、垫层和压台。下管体与上管体共轴线且内径相同，以通过下管体和上管体的内孔模拟地层钻孔。下管体的上端具有第一外法兰，上管体的下端具有第二外法兰，第一外法兰与第二外法兰固定相连。垫层用于设置在第一外法兰和第二外法兰之间，以在第一外法兰与第二外法兰之间形成用于模拟地层裂隙的间隙。压台具有与下管体的内孔尺寸匹配的外轮廓，使压台能够在下管体和上管体内上下滑动，以镇压压台下方的回填材料。相比于现有技术，本发明能够通过装置模拟地下裂隙横穿钻孔的裂隙的情况，在此基础上测试不同回填材料在裂隙中的坍落情况。基础上测试不同回填材料在裂隙中的坍落情况。基础上测试不同回填材料在裂隙中的坍落情况。


技术研发人员：裴鹏 王昱萌 陈仪侠 邓凤强
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/14