CN103215946B - 基于分段式电渗电极的电渗排水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分段式电渗电极的电渗排水系统，包括分段式排水电极管，导电滤布，可编程直流电源，排水管，定时控制器，电缆，真空泵，区域优化装置，地震波实时监测报警器。分段式排水电极管由柔性导电接头螺纹连接，外面包裹导电滤布，满足了施工环境要求的力学性能及耐腐蚀性，在经历多次地震和电渗作用后仍长久可用，并通过电渗仪无间断化通电来提高软基处理时电渗设备的利用效率，进而降低工程造价。电渗和真空负压作用可将地震作用产生的超孔隙水压力及时由排水通道排出，从而避免超孔隙水压力对上部土体造成冲击破坏和液化土层的地震液化。本发明结构简单，施工方便，耐久实用，为电渗法在软基加固及建筑物抗震设防等领域的推广应用提供了技术支持与保障。

Description

基于分段式电渗电极的电渗排水系统

技术领域

本发明涉及一种地基处理设备及其附属系统，尤其是涉及电渗法应用于软粘土地基处理及建筑物抗震防液化中所需要的一种基于分段式电渗电极的电渗排水系统。

背景技术

电渗法是在土体两端通以直流电，使土体在短时间内完成渗透排水，并逐渐固结的一种地基处理方法。自1939年L.Casagrand首次将电渗排水法成功运用于铁路挖方工程后，各国学者在其加固机理与应用方面开展了大量的研究工作。已有的研究成果表明，在渗透系数小并以黏粒为主的流泥、淤泥或淤泥质土中，电渗作用可有效排出土体中的部分弱结合水，加快排水固结的速率，具有良好的地基处理效果。

近年来，我国沿海地区特别是经济发达省份土地的需求量持续增加，土地资源的供需矛盾日渐突出，人工填筑地基与吹填造陆技术为解决这一问题提了新的思路与途径。目前，我国沿海许多地区都在规划或实施填海造陆工程，以带动当地经济的飞速发展。但由于吹填土多为淤泥质土，具有压缩性高、渗透系数小以及结合水含量高等特点，其地基处理往往成为生产建设中的难点。常规排水固结法中如堆载预产生超静孔隙水压力难于消散，加固效果缓慢，真空预压只能排除地基土中的自由水，且真空传递效率低，电渗法则可有效的排除弱结合水，加快超孔隙水压力的消散，且不受渗透系数小的影响。

基于以上考虑，电渗法及其与真空预压、堆载预压等其他软基处理措施的联合方法被提出加固吹填土地基，并已在众多室内试验中证实了其在加固淤泥质软土地基方面的优越性。目前在室内研究与数值分析的基础上，电渗法及与其他技术联合方法的排水加固理论已日渐成熟，但为电渗施工提供直流电的电渗仪造价昂贵，利用效率低，同时由于电渗过程中常用的金属电极腐蚀严重，削弱了地基加固区的电场强度，地基加固效果往往达不到设计要求，导致其在沿海大面积吹填土地基处理等软基加固工程实践中迟迟未见大规模的推广应用。

在本发明之前，中国专利ZL201010039686.7、CN201210197981.4先后公开了两种电渗电极，前者将电渗电极分为连接排气段、绝缘段与开孔处理段，能够适用于较复杂的地层条件，尤其是待处理软土层上覆透水性良好的砂层或粉土层，从而防止电渗电路短路，但由于电渗电极材质为普通材质的镀镍钢管，仍不能很好解决电渗过程中电极腐蚀严重的问题。后者提出了一种既能充当耐腐蚀电极、又能提供排水通气通道的导电塑料排水板，由于施工过程中对电渗电极提出一定的力学性能要求，导致导电塑料排水板的电阻率维持在较高水平，加之包裹在基板上的滤膜的不可导电性，会使电渗电极与土体间的界面电阻一定程度的增大，影响了电能的利用效率，加之其材料造价较高，进一步限制了其在工程实际的应用。

此外，有学者提出用电渗法来防止土体液化对上部结构物产生影响(见中国专利CN201110356492.4)，利用电场作用力对液化土层中水的流动方向进行控制，形成相对硬化层，使其在地震诱发土体液化时，超孔隙水压力控制在硬化层以下，防止超孔隙水压力的消散对上部结构物的冲击和破坏，从而达到确保上部结构物在主震过程中的整体 稳定性。该方案存在两点不足，一是其对地震液化地基土中超孔隙水压力采取的是堵的办法，按照力的相互作用原理，超孔隙水压力仍然会对上部土体产生冲击与破坏，液化土层仍然会产生液化，对上部建筑物的稳定性产生显著影响；二是其电渗电极采用金属材质钢管，埋设于建筑物基础下方的电渗电极具有永久不可更换性，将伴随上部构筑物至其设计年限的终结，在长时间土层环境中钢管易受到腐蚀，即使其采用防护措施，金属电极在电渗过程中将严重腐蚀，之后不能再起到防止土体液化对上部结构物产生影响的效果，特别是在多地震地区，电渗作用失效将导致非常严重的后果。同时，中国专利CN201210476152.X公开了一种建筑地基液化的真空抽水装置及其施工方法，地震过程中产生的极高的超静孔隙水压力，能否在单纯真空渗流场中短时间水平向渗流到垂直管道中，还是一个问题，加之抽真空前管道中存留的空气及真空泵功率的限制，使其在用于建筑物实时抗震防液化中还存在一定的不足。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种电渗法应用于软粘土地基处理及建筑物抗震防液化中所需要的基于分段式电渗电极的电渗排水系统，其中的电渗电极可承受各种土壤环境及电化学反应的腐蚀，并可作为排水抽气通道，在软基处理时结合其电渗排水系统可实时将电渗过程中产生的气体及水排出，并应用电渗区域优化思想，实现电渗设备的高效利用。在进行建筑物抗震防液化处理时，电渗作用使液化土层中的超孔隙水压力通过电渗电极中的排水通道及时消散，防止液化土层地震液化，且电渗设备耐久实用，可经历多次地震，适用于各种地质环境。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于分段式电渗电极的电渗排水系统，包括分段式排水电极管，导电滤布，可编程直流电源，排水管，定时控制器，真空泵，电缆，地震波实时监测报警器。分段式排水电极管由目前耐腐蚀性极好同时价格合理的石墨材料制成，考虑到石墨材质强度高、韧性和塑性差等力学性能以及工程实践中对电渗电极强度和韧性的要求，电渗电极管做成分段式，以满足运输及施工的要求，同时在分段式排水电极管周身涂有石墨电极抗氧化剂，进一步提高电极的耐蚀性能及使用寿命，每段排水电极管通过柔性导电接头连接，使电渗电极在水平方向上能够承受一定的应力和变形，而不至于产生破坏。排水电极管周身均匀布有排水孔并包裹导电滤布，在遇到工程中电极经常出现裂缝的情况下，能够有效的改善电极与周围土体的界面电阻增大现象。进行软基加固时，可编程直流电源在间歇通电与极性转化的基础上，实现通电间歇期间及时给需要通电区域通电，来进行区域间的优化调整，确保电渗仪无间断工作的同时减少了电渗仪的使用数量。进行建筑物地基抗震防液化处理时，在基坑开挖后按设计的间距插入排水电极管至液化地层，将由新型排水电极组成的垂直排水系统与排水管连通，再将排水管接入真空泵，用电缆分别将阳极和阴极连接起来，并与定时控制器相连，定时控制器分别与真空泵、电渗仪和地震波实时监测报警系统相连。

所述的分段式排水电极管的直径可根据工程要求设计，内径为4-10cm，壁厚随直径的不同，从0.4-1.0cm不等，其周身排水孔梅花形均匀布置，排水孔的直径为0.5-1cm。排水电极管2-4m左右一根，其两端分别刻有内螺纹。

所述的柔性导电接头由柔性石墨制成，长度在10-15cm不等，周身刻有与排水电极管的内螺纹相吻合的外螺纹，在其中间部位约2cm宽度范围内设有垫层，且与排水电极管的外直径保持一致。

所述的定时控制器在进行建筑物地基抗震防液化处理时，可接受地震波实时监测报警器分析出的地震报警信息，并自动开启电渗仪及真空泵的开关。

根据以上技术方案，本发明可实现的有益效果是：

(1)新型电极由特殊材料研制，能够承受各种土质环境及电化学腐蚀，能够长久保证电渗过程中土体中的电场强度维持在设计范围内。其具有运输及施工所必须的强度及韧性，可作排水抽气通道又可作电渗电极，简化了施工程序，提高了工作效率。

(2)在进行软土地基处理时借助区域优化方法，可最大限度的提高电渗仪的工作效率，而电渗仪在工程实际中往往是造成工程花费很大的因素之一，这样可显著降低工程造价。在保证地基加固效果的同时又可降低工程造价，为电渗法及其与其他技术的方法的真正推广应用提供了保障。

(3)在进行建筑物抗震防液化处理时，耐腐蚀的电渗电极在经历多次地震电渗作用后长久可用，通过电渗和真空负压作用可将地震过程中液化土层中产生的超孔隙水压力及时的由排水通道排出，从而避免超孔隙水压力对上部土体造成冲击破坏和液化土层的地震液化，保证建筑物的长久稳定安全。

综上所述，本发明所述的一种基于分段式电渗电极的电渗排水系统，有效解决了软基处理过程中电渗电极腐蚀严重导致的加固效果差及电渗仪利用效率低下等问题，应用于建筑物抗震防液化时，能够快速消散地震作用产生的超孔隙水压力，真正避免了液化土层的地震液化，进而防止了液化土层地震液化对上部建筑物产生不良影响。该基于分段式电渗电极的电渗排水系统结构简单，施工方便，耐久实用，为电渗法在软基加固及建筑物抗震设防等领域的推广应用提供了技术支持与保障。

附图说明

图1是本发明新型分段排水电渗电极的结构原理示意图。

图2是本发明的柔性导电接头的结构示意图。

图3是本发明应用于地基处理时的工作示意图。

图4是本发明应用于建筑物抗震防液化处理时的工作示意图。

图中：1、石墨电极抗氧化剂；2、排水孔；3、内螺纹；4、内腔；5、外螺纹；6、垫层；7、分段式排水电极管；8、柔性导电接头；9、导电滤布；10、真空泵；11、可编程直流电渗；12、电缆；13、排水管道；14、三通接头；15、两通接头；16、地震波实时监测报警器；17、定时控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，本发明所述的分段式电渗电极，包括分段式排水电极管7、柔性导电接头8和导电滤布9。分段式排水电极管7由目前耐腐蚀性极好同时价格合理的石墨材料制成，考虑到工程实践中对电渗电极强度和韧性的要求，以及石墨材质强度高、韧性和塑性差等力学性能，电渗电极7做成长度为2-4m不等的分段式，以满足运输及 施工的要求，同时在分段式排水电极管7周身涂有石墨电极抗氧化剂1，进一步提高电极的耐蚀性能及使用寿命。分段式排水电极管7周身均匀布置梅花形排水孔2，两端分别刻有4-6cm长度的内螺纹3。柔性导电接头8由柔性石墨制成，长度在10-15cm不等，周身刻有与排水电极管7的内螺纹3相吻合的外螺纹5，在其中间部位约2cm宽度范围内设有垫层6，内腔4与垫层6直径分别与排水电极管7的内外直径保持一致。每段排水电极管7通过柔性导电接头8连接，使电渗电极7在水平方向上能够承受一定的应力和变形，而不至于产生破坏。电渗电极7周身包裹导电滤布9，可防止细小颗粒进入电极管7内阻塞排水孔2，同时在遇到工程中电极经常出现裂缝的情况下，能够有效的改善电极与周围土体的界面电阻增大现象。导电滤布9是在滤布生产过程中添加导电纤维，以实现其导电功能，其加工制造采用十分成熟的现有技术。

参照图3、4，本发明所述基于分段式电渗电极的电渗排水系统，包括电渗电极7、可编程直流电源11、排水管14、定时控制器17、真空泵10、电缆12、地震波实时监测报警器16。进行软基加固时，可编程直流电源11可以在整合了间歇通电与极性转化技术的基础上，自动实现区域的优化调整，在部分区域通电间歇阶段给需要通电的电渗区域提供直流电源，确保直流电源11无间断工作的同时减少直流电源11的使用数量。以电渗作用单独进行地基处理为例，介绍一下其具体施工步骤：

1)、根据设计深度要求，用柔性导电接头8组装分段式排水电极管7，并在外面包裹导电滤布9；2)、考虑实际地质条件，采用人工或机械方法在基地中按照预定的电极排布形式打孔至设计深度，并将新型排水电极7插入其中；3)、利用两通接头15、三通接头14将新型排水电极7组成的垂直排水系统与排水管13相连，再将水平排水管13与真空泵10连接；4)、用电缆12分别将每个区域的阳极和阴极连接起来，根据预先设计的间歇通电时间以及可编程直流电源11的工作性能，将若干区域的电缆12接入直流电源11，并在直流电源11中设定间歇通电与极性转化的施工参数，打开直流电源11的开关，开始电渗处理。

在进行建筑物地基抗震防液化处理时，耐腐蚀的电渗电极7在经历多次地震电渗作用后长久可用，通过电渗和真空负压作用可将地震过程中液化土层中产生的超孔隙水压力及时由排水通道排出，从而避免超孔隙水压力对上部土体造成冲击破坏和液化土层的地震液化，保证建筑物的长久稳定安全。下面介绍一下其具体施工步骤：

1)、建筑物地基需进行抗震防液化处理时，依据工程地质勘查结果，确定地基液化层的深度；2)、根据设计深度要求，用柔性导电接头8组装分段式排水电极管7，仅在土层液化层使用打设排水孔2的电渗电极7上，并在外面包裹导电滤布9；3)、当建筑物基坑开挖至设计深度时，按照预定的电极排布形式打孔至设计深度，并将新型排水电极7插入其中；4)、利用两通接头15、三通接头14将新型排水电极7组成的垂直排水系统与排水管13连通，再将水平排水管13接入真空泵10；5)、用电缆12分别连接阳极和阴极，并接入定时控制器17，定时控制器17分别与真空泵10、电渗仪11和地震波实时监测报警器16相连。

本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种基于分段式电渗电极的电渗排水系统，包括分段式排水电极管，导电滤布，可编程直流电源，排水管，定时控制器，真空泵，电缆，地震波实时监测报警器，其特征在于：分段式排水电极管由石墨制成，外面涂有石墨电极抗氧化剂，每段排水电极管通过柔性导电接头连接，排水电极管周身均匀布有排水孔并包裹导电滤布，软基加固中用电缆分别连接每个区域的阳极和阴极，根据预先设计的间歇通电时间以及可编程直流电源的工作性能，将若干区域的电缆接入直流电源，并在直流电源中设定间歇通电与极性转化的施工参数，抗震设防中按设计的间距插入排水电极管至液化地层，用电缆分别连接阳极和阴极，并接入定时控制器，排水电极组成的垂直排水系统与排水管连通，再将排水管与真空泵连接，定时控制器分别与真空泵、电渗仪和地震波实时监测报警器相连。

2.根据权利要求1所述一种基于分段式电渗电极的电渗排水系统，其特征在于所述的分段式排水电极管的内径为4-10cm，壁厚随直径的不同，从0.4-1.0cm不等；排水电极管周身排水孔呈梅花形均匀布置，排水孔的直径为0.5-1cm；排水电极管2-4m一根，其两端分别刻有内螺纹。