CN103726486A - 直流电场增强真空预压软地基处理法 - Google Patents
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Abstract
直流电场增强真空预压软地基处理法，通过在真空预压软地基处理区域设置直流电场作业井，安装直流电源，在直流电场作业井中垂直向放置阳极放电电极或阴极放电电极，将直流电源与阳极放电电极或阴极放电电极用电缆相连接，在真空预压施工期间启动直流电源，使直流电源输出直流电流，直流电流通过电缆传输到阳极放电电极，阳极放电电极向软地基处理区域的软土层释放直流电流，在阳极放电电极和阴极放电电极间的软土层中形成直流电场，对真空预压软地基处理区域的软土层进行直流电场处理。本发明不仅能显著增强淤泥质土的真空预压软地基处理的施工效果，实现降低施工能耗和施工成本、缩短施工工期的目的，而且能有效地进行深厚层的淤泥质土软地基处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种软地基处理工法，尤其是一种直流电场增强真空预压软地基处理法。
背景技术
真空预压工法作为软地基处理工程施工的重要工法，在沿海滩涂开发、填海造地等工程项目中发挥着非常重要的作用。随着市场的不断发展以及受限于砂土资源的稀缺，自然沉积形成或人工吹填形成的淤泥质土越来越多地成为真空预压软地基处理工程的施工对象。但是现有的真空预压工法在对淤泥质土进行软地基处理时存在普遍的困难，主要原因是：
1）、淤泥质土的的固体颗粒细、粘性高、渗透率极低，在淤泥质土中真空度的传递和排水固结的效果差。
2）、淤泥质土往往含有大量的呈絮状或胶状的有机物，淤泥质土中细小的固体颗粒和絮状或胶状有机物在真空预压排水固结期间易堵塞土体中的毛细排水通道和塑料排水板的滤布，导致真空预压过程中即使提高真空度或延长抽真空时间也难以达到处理效果的“干抽”现象。
3）、对淤泥质土进行真空预压软地基处理的区域大部分是在沿海滩涂地区或近海地区，淤泥中的盐碱含量高，在真空预压期间盐碱成份析出后也会产生结晶体堵塞土体中的毛细排水通道和塑料排水板的滤布。
根据施工实践，对淤泥质土进行真空预压软地基处理时，塑料排水板的滤布在开始抽真空30天后会出现明显的堵塞现象，以塑料排水板为中心的半径20cm以外的淤泥质土区域的真空度传递和排水固结效果会明显下降。
4）、淤泥质土的软土层以20m以上的深厚软土层为主，尤其是大多数吹填淤泥的填海造地工程往往在吹填层以下还有深厚的自然沉积形成的软土层，同时，随着填海造地工程的不断推进，吹填海域的吹填软土层也会越来越深厚，因此对淤泥质土的软地基处理工程需要解决深厚软土层的软地基处理技术问题。由于真空预压技术自身的局限，单独采用真空预压技术进行软地基处理的最佳处理深度在10m以内，有效处理深度也仅在20m左右，显然单独采用真空预压技术不能胜任以淤泥质土为主的深厚软土层的软地基处理施工技术要求。
为了加强对淤泥质土的真空预压软地基处理效果，满足工程设计要求，现有的真空预压软地基处理技术通常是增加塑料排水板的插板密度并延长真空预压软地基处理的施工工期，但仍然不能解决淤泥质土土层和塑料排水板滤布的堵塞现象，对淤泥质土的真空预压软地基处理的施工效果仍然不好。
近年来，随着市场的需求，软地基处理行业开始不断出现创新技术，如研究用电渗工法联合真空预压工法或用塑料排水板直接连接真空管的直排式真空预压工法等施工技术，这些新技术对真空预压软地基处理效果都有所提高，但仍然没有根本解决淤泥质土在真空预压过程中的低渗透率和自堵塞问题，在处理淤泥质土的软地基时效果仍不理想。尤其是在对深厚层淤泥质土的软地基处理方面，目前软地基处理行业还没有出现突破性的技术创新。
本发明的宗旨是结合淤泥质土的特点和针对现有的对淤泥质土进行真空预压软地基处理技术存在的问题，并借鉴石油采油行业的直流电场排堵增油技术以及地质勘探行业的电法勘探技术，从疏通、排堵、驱水引流的角度提出利用直流电场增强真空预压软地基处理的新的技术方案，以显著增强淤泥质土的真空预压软地基处理的施工效果，尤其是解决深厚层淤泥质土的软地基处理的技术难题，同时实现降低施工能耗和施工成本、缩短施工工期的目的。
发明内容
本发明的具体技术方案如下。
1、直流电场增强真空预压软地基处理法，其特征在于包括以下步骤：
1）、在真空预压软地基处理区域设置若干个直流电场作业井，直流电场作业井以向地下垂直向埋设塑料管或金属管或复合材料管的方式设置，所述的塑料管或金属管或复合材料管的朝下的一端的端部密封，塑料管或金属管或复合材料管的管壁上设有若干个透水孔，透水孔外设有滤布或滤网或滤膜；
2）、在真空预压软地基处理区域安装直流电源，在至少一个直流电场作业井中放置阳极放电电极，在至少一个直流电场作业井中放置阴极放电电极，在真流电场作业井中阳极放电电极的放置深度大于阴极放电电极的放置深度，直流电源与阳极放电电极和阴极放电电极通过电缆相连接；
3）、在真空预压施工装置进行抽真空和排水固结的施工作业期间，启动直流电源，直流电源输出的直流电流通过电缆传输到阳极放电电极，阳极放电电极向软地基处理区域的软土层释放直流电流，在阳极放电电极和阴极放电电极间的软土层中产生直流电场，对软地基处理区域的软土层进行直流电场处理。
2. 根据技术方案1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，一个优选的技术方案是：放置阳极放电电极的直流电场作业井与放置阴极放电电极的直流电场作业井间隔设置，即相邻的2个放置阳极放电电极的直流电场作业井中间设置有1个放置阴极放电电极的直流电场作业井，相邻的2个放置阴极放电电极的直流电场作业井中间设置有1个放置阳极放电电极的直流电场作业井。
3. 根据技术方案1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，一个优选的技术方案是：所述的直流电源的输出的直流电的额定电压为10—1000伏。
4 根据技术方案1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，一个优选的技术方案是：所述的阳极放电电极或阴极放电电极为铜棒。
5. 根据技术方案1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，一个优选的技术方案是：在同一个直流电场作业井中串联连接两个以上的阳极放电电极或串联连接两个以上的阴极放电电极，串联连接的两个阳极放电电极或串联连接的两个阴极放电电极中间的连接部的外部包裹有绝缘体。
6 根据技术方案1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，一个优选的技术方案是：在真空预压软地基处理区域的密封系统外向部分或全部直流电场作业井内铺设注水水管，在直流电场处理期间通过注水水管向设置有阳极放电电极的直流电场作业井的底部或下部注水以增加直流电场的导电介质。
7. 根据技术方案1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，一个优选的技术方案是：在真空预压施工装置进行抽真空和排水固结的施工作业期间，对软地基处理区域设置的直流电场作业井的井口进行密封处理。
8. 根据技术方案1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，一个优选的技术方案是：在真空预压施工装置进行抽真空和排水固结的施工作业期间，使用部分或全部直流电场作业井间歇性地分若干次轮流进行直流电场处理。
本发明主要是基于以下的技术原理：
1、在软地基处理区域的淤泥质土的软土层的特点：是含水率非常高，通常达到80%以上；固体颗粒细小，多数为粒径小于0.01mm的粘土；富含颗料更小的胶质。在软土层中，水是一端呈阳性的强极性分子，而固体颗粒物和胶质的表面均呈阴极性，尤其是固体颗粒物越细小胶质越多阴极性越强，在双极性作用以及水的液面存在张力下，淤泥质土中吸附水的比重较大。软土层中的吸附水很难在真空预压的作用下排出，但通过在真空预压软地基处理区域的软土层内进行直流电场处理，能够在淤泥质土中形成离子场，改变淤泥质土的双电层和水的液面张力，使大量的吸附水在电离子的作用下成为容易通过真空预压排出的自由水。
2、由于在软土层中阳极放电电极的上方放置有阴极放电电极，在阳极放电电极和阴极放电电极之间的软土层中就存在很强的电势差，软土层中经过电离作用后带阴离子的细小固体颗粒物和胶质向下方的阳极放电电极方向移动，带阳离子的自由水向上方的阴极放电电极方向移动，从而出现电泳效果。同时，在离子流的作用还能附加在真空预压在软土层中产生的真空负压差的作用之上，加快的水的渗流速度，并利用离子流通道排除软土层中的堵塞现象。
3、软土层中的水富含溶解盐类，因此软土层中的水在直流电场处理过程中可作为主要的导电介质，而软土层中的水及溶解盐类在导电的过程中自身又会产生电解效应，电解产生的大量的气泡在细微空间中不断爆裂形成的动能不仅能毛细排水通道，还可以在软土层中形成新的排水通道 。
4、由于直流电场的作用不受软土层深度的影响，通过直流电场作业井将阳极放电电极放置于软地基处理深度超过20m的真空预压施工区域的底部软土层，可以使直流电场在发挥疏通、排堵、驱水引流作用的同时，还能和真空预压一起形成上下层“接力”处理软地基的效果，直流电场能够通过离子场将真空预压影响区域以下的软土层中的大量的吸附水分离为自由水，并将真空预压影响区域以下的软土层中的自由水通过电泳作用向上传导至真空预压影响区域，从而实现对真空预压影响区域以下的软土层的排水固结。
本发明公开的技术方案通过在真空预压软地基处理区域以向地下垂直向埋设塑料管或金属管或复合材料管的方式设置若干个直流电场作业井，塑料排水板或金属管或复合材料管可用打桩设备埋设，施工简便，能够对连接电缆以及阳极放电电极或阴极放电电极进行有效的防护；所设透水孔能够使软土层中的水进入直流电场作业井内成为导电介质，并将透水孔作为放电通道，所设滤布或滤网或滤膜能够使软土层的固体颗粒物不能进入直流电场作业井从而避免直流电场作业井发生堵塞。
本发明公开的技术方案是在至少一个直流电场作业井中放置阳极放电电极，在至少一个直流电场作业井中放置阴极放电电极。当在部分直流电场作业井中放置阳极放电电极或阴极放电电极时，阳极放电电极或阴极放电电极在所放置的直流电场作业井中使用后移至其他的直流电场作业井中继续使用，可以节省施工成本，并能够针对真空预压软地基处理区域内不同区块对直流电场处理的需求灵活安排直流电场处理的施工作业。
本发明公开的技术方案将阳极放电电极放置于阴极放电电极的垂直深度以下，在直流电场处理产生的电泳作用下，软土层中的水向上渗流，软土层中的固体颗粒物向下沉积，能够有效地配合和增强真空预压的排水固结效果。
本发明公开的技术方案通过对真空预压软地基处理区域的软土层尤其是淤泥质土的软土层进行直流电场处理，能显著提高真空预压施工效果、节省施工能耗和施工成本、缩短施工工期。
本发明公开的技术方案对盐碱成份高或有机质含量大以及因其他因素存在真空预压施工过程中软土层和塑料排水板滤布堵塞现象的软地基处理区域的真空预压软地基处理施工也具有同样的有益效果。
本发明公开的优选的技术方案之一是“放置阳极放电电极的直流电场作业井与放置阴极放电电极的直流电场作业井间隔设置，即相邻的2个放置阳极放电电极的直流电场作业井中间设置有1个放置阴极放电电极的直流电场作业井，相邻的2个放置阴极放电电极的直流电场作业井中间设置有1个放置阳极放电电极的直流电场作业井”。本优选的技术方案能够在同一个真空预压软地基处理区域内形成几个连续的直流电场，提高直流电场处理效果。
本发明公开的优选技术方案之二是“根据技术方案1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，一个优选的技术方案是：所述的直流电源的输出的直流电的额定电压为10—1000伏”。本优选的技术方案提供了进行直流电场增强真空预压软地基处理法施工时直流电源的优选的额定电压范围。直流电场增强真空预压软地基处理法施工时根据软地基处理设计标准、施工工期、直流电场作业井的间距以及软地基处理区域的电阻率的不同，在对直流电源的输出额定电压和电流量选择上有很宽的范围，原则上，当使用较低的额定电压时使用较大的电流量，当使用较高的额定电压时使用相对较小的电量。
本发明公开的优选的技术方案之三是“所述的阳极放电电极或阴极放电电极为铜棒”。本优选的技术方案将阳极放电电极或阴极放电电极确定为铜棒能够利用铜材的优良的导电性，避免因放电电极因电阻过大而在直流电场处理过程中发生严重的电蚀情形而影响放电效果。作为放电电极的铜棒在直流电场处理后能够回收并反复使用。
本发明公开的优选的技术方案之四是“在同一个直流电场作业井中串联连接两个以上的阳极放电电极或串联连接两个以上的阴极放电电极，串联连接的两个阳极放电电极或串联连接的两个阴极放电电极中间的连接部的外部包裹有绝缘体”。本优选的技术方案能够有效利用真空预压软地基处理过程中的地下水位变化来维持和改善直流电场处理的效果。在真空预压软地基处理的前期，地下水位较高，上层软土层的导电性较好，串联的位于上方的阳极放电电极或阴极放电电极能充分放电，发挥对上层软土层的直流电场处理作用；在真空预压软地基处理的后期，地下水位较低，软土层上层的导电性较差，串联的位于上方的阳极放电电极或阴极放电电极不能充分放电，而串联的位于下方的阳极放电电极或阴极放电电极能够充分放电，发挥对下层软土层的直流电场处理作用。
本发明公开的优选的技术方案之五是“在真空预压软地基处理区域的密封系统外向部分或全部直流电场作业井内铺设注水水管，在直流电场处理期间通过注水水管向设置有阳极放电电极的直流电场作业井的底部或下部注水以增加直流电场的导电介质”。本优选的技术方案能避免由于设置有阳极放电电极的直流电场作业井内的作为导电介质的水的水量不足而影响直流电场电能传导效果的现象，同时，通过加注适量的水作为导电介质能够增强直流电场的处理效果。
本发明公开的优选的技术方案之六是“根据技术方案1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，一个优选的技术方案是：在真空预压施工装置进行抽真空和排水固结的施工作业期间，对软地基处理区域设置的直流电场作业井的井口进行密封处理”。本优选的技术方案能够避免因直流电场处理施工作业导致真空预压软地基处理区域内的真空度的流失。
本发明公开的优选的技术方案之七是“在真空预压施工装置进行抽真空和排水固结的施工作业期间，使用部分或全部直流电场作业井间歇性地分若干次轮流进行直流电场处理”。实施本优选的技术方案，在进行直流电场增强真空预压软地基处理法的施工过程中，能够在确保施工效果的同时有效地减少施工能耗和节省施工成本。
附图说明
图1是直流电场增强真空预压软地基处理法的施工示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例
如图1所示，对一个场地边长为200m×200m面积为40000m2的正方形的淤泥质土的真空预压软地基处理区域1实施直流电场增强真空预压软地基处理法的施工，软地基处理设计深度为30m，施工作业按以下实施步骤进行：
1）、在真空预压软地基处理区域1设置直流电场作业井3，直流电场作业井3以向地下垂直向埋设塑料管的方式设置，塑料管的朝下的一端的端部密封，塑料管的管壁上设有若干个透水孔，透水孔外设有滤网。
直流电场作业井1的设置与塑料排水板2的施工同时进行，直流电场作业井1的设置深度为30m；塑料管为PVC塑料管，塑料管的内径为8cm，壁厚为3mm；透水孔的孔径为5mm；滤网为200目绦纶丝网，包裹在透水孔外并用胶水粘牢。
在真空预压软地基处理区域1共按8×8的矩阵设置64个直流电场作业井3，每两个相邻的直流电场作业井3的间距为25m，直流电场作业井3的矩阵至真空预压软地基处理区域1的边线的距离为12.5m。
在全部直流电场作业井3中放置阳极放电电极7或阴极放电电极6，放置阳极放电电极7的直流电场作业井3与放置阴极放电电极6的直流电场作业井3间隔设置，即相邻的2个放置阳极放电电极7的直流电场作业井3中间设置有1个放置阴极放电电极6的直流电场作业井3，相邻的2个放置阴极放电电极6的直流电场作业井3中间设置有1个放置阳极放电电极7的直流电场作业井3。
2）、在真空预压软地基处理区域1安装直流电源4，在至少一个直流电场作业井3中放置阳极放电电极7，在至少一个直流电场作业井3中放置阴极放电电极6，在真流电场作业井3中阳极放电电极7的放置深度大于阴极放电电极6的放置深度，直流电源4与阳极放电电极7和阴极放电电极6通过电缆5相连接。
直流电源4的额定电压为450伏，额定电流为500安培；阳极放电电极7和阴极放电电极6为长10cm直径3cm的黄铜棒，在同一个直流电场作业井3中按3m间距串联连接3个阳极放电电极7或按3m间距串联连接3个阴极放电电极6，串联连接的两个阳极放电电极7或串联连接的两个阴极放电电极6中间的连接部的外部包裹有绝缘体；将串联连接的阳极放电电极7或阴极放电电极6用电缆5与直流电源4连接并从直流电场作业井3的井口将串联连接的阳极放电电极7或阴极放电电极6放入直流电场作业井3内，最下方的阳极放电电极7放置于距离直流电场作业井3的井口29m深的位置，最上方的阴极放电电极6放置于距离直流电场作业井3的井口1m深的位置。
在全部直流电场作业井3内铺设注水水管，注水水管的长度为29m内径为3cm，在直流电场处理期间通过注水水管向设置有阳极放电电极7的直流电场作业井3的底部或下部注水以增加直流电场的导电介质。
3）、在真空预压施工装置9进行抽真空和排水固结的施工作业期间，启动直流电源4，直流电源4输出的直流电流通过电缆5传输到阳极放电电极7，阳极放电电极7向软地基处理区域1的软土层10释放直流电流，在阳极放电电极7和阴极放电电极6间的软土层中10产生直流电场，对软地基处理区域1的软土层10进行直流电场处理。
在真空预压施工装置9进行抽真空和排水固结的施工作业期间，对软地基处理区域1设置的直流电场作业井3的井口使用真空密封膜和胶水进行密封处理。
在真空预压施工装置9进行抽真空和排水固结的施工作业期间，使用全部直流电场作业井3间歇性地分若干次轮流进行直流电场处理。全部直流电场作业井分为8个小组，每个小组为8个相邻的直流电场作业井，其中4个直流电场作业井3内放置阳极放电电极7，4个直流电场作业井3内放置阴极放电电极6。每个小组的直流电场作业井3同时进行直流电场处理，每次进行直流电场处理的时间为2个小时，间隔2个小时后进行下次直流电场处理，每连续进行3次直流电场处理后间隔2天再进行下一个连续3次的直流电场处理，在一个小组的直流电场作业井3进行直流电场处理的间歇期进行其他小组的直流电场作业井3的直流电场处理，依次循环。
Claims (8)
1.直流电场增强真空预压软地基处理法，其特征在于包括以下步骤：
1）、在真空预压软地基处理区域设置若干个直流电场作业井，直流电场作业井以向地下垂直向埋设塑料管或金属管或复合材料管的方式设置，所述的塑料管或金属管或复合材料管的朝下的一端的端部密封，塑料管或金属管或复合材料管的管壁上设有若干个透水孔，透水孔外设有滤布或滤网或滤膜；
2）、在真空预压软地基处理区域安装直流电源，在至少一个直流电场作业井中放置阳极放电电极，在至少一个直流电场作业井中放置阴极放电电极，在真流电场作业井中阳极放电电极的放置深度大于阴极放电电极的放置深度，直流电源与阳极放电电极和阴极放电电极通过电缆相连接；
3）、在真空预压施工装置进行抽真空和排水固结的施工作业期间，启动直流电源，直流电源输出的直流电流通过电缆传输到阳极放电电极，阳极放电电极向软地基处理区域的软土层释放直流电流，在阳极放电电极和阴极放电电极间的软土层中产生直流电场，对软地基处理区域的软土层进行直流电场处理。
2.根据权利要求1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，其特征是：放置阳极放电电极的直流电场作业井与放置阴极放电电极的直流电场作业井间隔设置，即相邻的2个放置阳极放电电极的直流电场作业井中间设置有1个放置阴极放电电极的直流电场作业井，相邻的2个放置阴极放电电极的直流电场作业井中间设置有1个放置阳极放电电极的直流电场作业井。
3.根据权利要求1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，其特征是：所述的直流电源的输出的直流电的额定电压为10—1000伏。
4.根据权利要求1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，其特征是：所述的阳极放电电极或阴极放电电极为铜棒。
5.根据权利要求1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，其特征是：在同一个直流电场作业井中串联连接两个以上的阳极放电电极或串联连接两个以上的阴极放电电极，串联连接的两个阳极放电电极或串联连接的两个阴极放电电极中间的连接部的外部包裹有绝缘体。
6.根据权利要求1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，其特征是：在真空预压软地基处理区域的密封系统外向部分或全部直流电场作业井内铺设注水水管，在直流电场处理期间通过注水水管向设置有阳极放电电极的直流电场作业井的底部或下部注水以增加直流电场的导电介质。
7.根据权利要求1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，其特征是：在真空预压施工装置进行抽真空和排水固结的施工作业期间，对软地基处理区域设置的直流电场作业井的井口进行密封处理。
8.根据权利要求1所述的直流电场增强真空预压软地基处理法，其特征是：在真空预压施工装置进行抽真空和排水固结的施工作业期间，使用部分或全部直流电场作业井间歇性地分若干次轮流进行直流电场处理。
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