CN105155508B - 一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，包括步骤：一、确定处理区域：根据湿陷性黄土地区建筑规范，确定湿陷性黄土地基的平面处理范围和处理厚度；二、钻孔并对钻孔周围土体进行微波照射加热：采用工程地质钻机钻孔，钻孔的深度与湿陷性黄土地基的处理厚度相同，钻孔的布置形式为梅花形、矩形或长方形；在钻孔的过程中，每钻完一个钻孔，均采用钻孔周围土体微波加热装置对钻孔周围土体自下向上分段进行微波照射加热；三、钻孔充填：采用粘性土充填各个钻孔，并进行分层夯实。本发明方法步骤简单，实现方便，能有效地消除黄土地基的湿陷性，适应范围广，无污染，现场易控制，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

Description

一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法。

背景技术

黄土指的是在干燥气候条件下形成的多孔性具有柱状节理的黄色粉性土，湿陷性黄土受水浸湿后会产生较大的沉陷。黄土在世界上分布相当广泛，占全球陆地面积的十分之一，中国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家，我国西北的黄土高原是世界上规模最大的黄土高原，华北的黄土平原是世界上规模最大的黄土平原。由于黄土具有大孔隙和较小的密度，特别是湿陷性黄土遇水后，不仅土体强度降低而且土体结构发生破坏后产生显著的沉降，造成了大量的地基失稳事故。加热焙烧法是黄土地基消除湿陷性的一种方法，传统加热采用汽油、天然气等各种燃料作为加热源，存在污染、难以控制、处理深度浅、湿陷性消除不彻底等各种缺点，严重的限制了加热法消除黄土地基湿陷性的技术发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，其方法步骤简单，实现方便，能有效地消除黄土地基的湿陷性，适应范围广，无污染，现场易控制，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，其特征在于该方法包括以下步骤:

步骤一、确定处理区域：根据湿陷性黄土地区建筑规范(GB50025-2004)，确定湿陷性黄土地基的平面处理范围和处理厚度；

步骤二、钻孔并对钻孔周围土体进行微波照射加热：采用工程地质钻机钻孔，钻孔的深度与湿陷性黄土地基的处理厚度相同，钻孔的布置形式为梅花形、矩形或长方形，相邻两个钻孔之间的间距为400mm～1500mm；在钻孔的过程中，每钻完一个钻孔，均采用钻孔周围土体微波加热装置对钻孔周围土体自下向上分段进行微波照射加热；

所述钻孔周围土体微波加热装置包括工程地质钻机本体和微波发射机构，所述工程地质钻机本体包括钻机底盘、设置在钻机底盘底部的履带式行走机构和设置在钻机底盘顶部的动力头，所述微波发射机构包括放置在钻机底盘顶部的磁控管、连接在动力头上且能够由动力头带动旋转的第一波导、竖直连接在第一波导底部的第二波导和连接在第二波导底部且用于伸入钻孔内对钻孔周围土体进行微波照射加热的微波天线，所述第一波导通过与其转动连接的第三波导与磁控管连接；所述第一波导、第二波导和第三波导的内径相等；

步骤三、钻孔充填：采用粘性土充填各个钻孔，并进行分层夯实。

上述的一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，其特征在于：步骤二中采用钻孔周围土体微波加热装置对钻孔周围土体自下向上分段进行微波照射加热时的微波功率为10kW～20kW。

上述的一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，其特征在于：步骤二中采用钻孔周围土体微波加热装置对钻孔周围土体自下向上分段进行微波照射加热时的微波照射时间根据二维瞬态热传导控制方程 $k{\▿}^{2}T(x,y;t)+Q(x,y;t)=\mathrm{\ρ}C\frac{\∂T(x,y;t)}{\∂t}$ 确定，将与钻孔的距离与相邻两个钻孔之间的间距相等的点的温度达到450℃时的微波照射时间确定为钻孔的微波照射时间；其中，T(x,y；t)为微波照射时间为t时(x,y)点位置处的温度，为梯度算子且k为黄土地基的导热系数，ρ为黄土地基的密度，C为黄土地基的比热容，Q(x,y；t)为微波照射时间为t时(x,y)点位置处的热量，且Q(x,y；t)根据公式计算得到，其中，P_d为微波的功率密度，f为微波发散频率，ε_o为真空介电系数，ε"_r为黄土地基的介电损耗因子，E_o为电场有效值且P为微波的功率，Z为微波的阻抗，B为第一波导、第二波导和第三波导的内径。

上述的一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，其特征在于：所述第二波导的两端分别为波导公接头和波导母接头，所述第一波导与第二波导连接的一端为波导母接头，所述第一波导与第三波导连接的一端为转动头连接腔，所述第三波导与第一波导连接的一端为用于转动连接到转动头连接腔内的转动头；所述波导公接头的外轮廓为楔形，所述波导公接头的外表面上设置有外螺纹；所述波导母接头上设置有与波导公接头相配合的楔形孔，所述楔形孔的内表面上设置有与所述外螺纹相配合的内螺纹，所述第一波导与第三波导通过转动头连接腔和转动头转动连接，所述第二波导与第一波导通过波导公接头和波导母接头螺纹连接。

上述的一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，其特征在于：所述微波天线由三根并排设置的裂缝天线组成，每根所述裂缝天线上均设置有多个横向裂缝。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的方法步骤简单，实现方便且成本低。

2、本发明通过增加钻孔的深度，能有效的处理深层黄土，处理深度不受周围条件的限制。

3、本发明采用微波加热的方法，具有整体性、瞬时性、高效性、可控性等许多优点，不污染周围的环境，无燃烧燃料产生的废料，提高了劳动生产率，节约了施工时间，改进了传统湿陷性黄土加热法，克服了传统加热法加固深度较浅、热效率低、加固时间长、现场不易控制、产生污染等缺点。

4、本发明方法现场易于控制、无明火、无污染，安全环保；同时，加热速度快，热利用效率高，具有很高的经济效果。

5、本发明的钻孔周围土体微波加热装置通过在现有技术中的工程地质钻机上加装磁控管、波导和微波天线来实现，结构简单，实现方便，还能够达到钻孔内周围土体均匀加热的目的。

6、本发明不仅能消除黄土地基的湿陷性，而且能有效的提高黄土地基的承载力，能够用于新建建筑物及构筑物的地基处理，也能够用于已建建筑物的地基补强加固，还适用于小型滑坡及黄土隧道的开挖等。

7、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的方法步骤简单，实现方便，能有效地消除黄土地基的湿陷性，适应范围广，无污染，现场易控制，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为本发明钻孔周围土体微波加热装置的结构示意图。

图3为本发明第二波导与微波天线的连接示意图。

图4为图3的仰视图。

图5为本发明第二波导的结构示意图。

图6为本发明第一波导的结构示意图。

图7为本发明第二波导与第一波导通过波导公接头和波导母接头螺纹连接的连接示意图。

图8为本发明第一波导与第三波导通过转动头连接腔和转动头转动连接的连接示意图。

附图标记说明:

1—钻机底盘；2—履带式行走机构；3—动力头；

4—磁控管；5—第一波导；6—第二波导；

7—微波天线；8—第三波导；9—裂缝天线；

10—横向裂缝；11—波导公接头；12—波导母接头。

具体实施方式

如图1所示，本发明的微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，包括以下步骤:

步骤一、确定处理区域：根据湿陷性黄土地区建筑规范(GB50025-2004)，确定湿陷性黄土地基的平面处理范围和处理厚度；

步骤二、钻孔并对钻孔周围土体进行微波照射加热：采用工程地质钻机钻孔，钻孔的深度与湿陷性黄土地基的处理厚度相同，钻孔的布置形式为梅花形、矩形或长方形，相邻两个钻孔之间的间距为400mm～1500mm；在钻孔的过程中，每钻完一个钻孔，均采用钻孔周围土体微波加热装置对钻孔周围土体自下向上分段进行微波照射加热；

如图2、图3和图4所示，所述钻孔周围土体微波加热装置包括工程地质钻机本体和微波发射机构，所述工程地质钻机本体包括钻机底盘1、设置在钻机底盘1底部的履带式行走机构2和设置在钻机底盘1顶部的动力头3，所述微波发射机构包括放置在钻机底盘1顶部的磁控管4、连接在动力头3上且能够由动力头3带动旋转的第一波导5、竖直连接在第一波导5底部的第二波导6和连接在第二波导6底部且用于伸入钻孔内对钻孔周围土体进行微波照射加热的微波天线7，所述第一波导5通过与其转动连接的第三波导8与磁控管4连接；所述第一波导5、第二波导6和第三波导8的内径相等；具体实施时，可以在用于钻孔的工程地质钻机上加装磁控管4和第三波导8，在钻完一个孔时，取下连接在工程地质钻机的动力头3上的钻杆和连接在钻杆上的钻头，然后在动力头3上装上第一波导5，连接第一波导5和第三波导8，并在第二波导6上连接上微波天线7后，再连接第二波导6与第一波导5，构成所述钻孔周围土体微波加热装置；其中，第一波导5采用外径与钻杆相同尺寸的中空结构，第一波导5和动力头3的连接方式与现有技术中钻杆和动力头3的连接方式相同，从而动力头3能够带动第一波导5旋转，第一波导5再通过第二波导6带动微波天线7旋转，能够达到钻孔内周围土体均匀加热的目的。

步骤三、钻孔充填：采用粘性土充填各个钻孔，并进行分层夯实。

本实施例中，步骤二中采用钻孔周围土体微波加热装置对钻孔周围土体自下向上分段进行微波照射加热时的微波功率为10kW～20kW。

本实施例中，步骤二中采用钻孔周围土体微波加热装置对钻孔周围土体自下向上分段进行微波照射加热时的微波照射时间根据二维瞬态热传导控制方程 $k{\▿}^{2}T(x,y;t)+Q(x,y;t)=\mathrm{\ρ}C\frac{\∂T(x,y;t)}{\∂t}$ 确定，将与钻孔的距离与相邻两个钻孔之间的间距相等的点的温度达到450℃时的微波照射时间确定为钻孔的微波照射时间；其中，T(x,y；t)为微波照射时间为t时(x,y)点位置处的温度，为梯度算子且 ${\▿}^2=\▿\·\▿=\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2},$ k为黄土地基的导热系数(单位为W/(m·℃))，ρ为黄土地基的密度(单位为kg/m³)，C为黄土地基的比热容(单位为J/(kg·℃))，Q(x,y；t)为微波照射时间为t时(x,y)点位置处的热量(单位为W/m³)，且Q(x,y；t)根据公式计算得到，其中，P_d为微波的功率密度(单位为W/m³)，f为微波发散频率(单位为Hz)，ε_o为真空介电系数，ε_o的取值为8.854×10^-12F/m；ε″_r为黄土地基的介电损耗因子，E_o为电场有效值(单位为V/m)，且P为微波的功率(单位为W)，Z为微波的阻抗(单位为Ω)，B为第一波导5、第二波导6和第三波导8的内径(单位为m)。

如图5～图8所示，本实施例中，所述第二波导6的两端分别为波导公接头11和波导母接头12，所述第一波导5与第二波导6连接的一端为波导母接头12，所述第一波导5与第三波导8连接的一端为转动头连接腔13，所述第三波导8与第一波导5连接的一端为用于转动连接到转动头连接腔13内的转动头14；所述波导公接头11的外轮廓为楔形，所述波导公接头11的外表面上设置有外螺纹；所述波导母接头12上设置有与波导公接头11相配合的楔形孔，所述楔形孔的内表面上设置有与所述外螺纹相配合的内螺纹，所述第一波导5与第三波导8通过转动头连接腔13和转动头14转动连接，所述第二波导6与第一波导5通过波导公接头11和波导母接头12螺纹连接。

如图3和图4所示，本实施例中，所述微波天线7由三根并排设置的裂缝天线9组成，每根所述裂缝天线9上均设置有多个横向裂缝10。

本发明采用微波加热的方法，具有整体性、瞬时性、高效性、可控性等许多优点，不污染周围的环境，无燃烧燃料产生的废料，提高了劳动生产率，节约了施工时间，改进了传统湿陷性黄土加热法，克服了传统加热法加固深度较浅、热效率低、加固时间长、现场不易控制、产生污染等缺点；不仅能消除黄土地基的湿陷性，而且能有效的提高黄土地基的承载力，能够用于新建建筑物及构筑物的地基处理，也能够用于已建建筑物的地基补强加固，还适用于小型滑坡及黄土隧道的开挖等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，其特征在于该方法包括以下步骤:

步骤一、确定处理区域：根据湿陷性黄土地区建筑规范，确定湿陷性黄土地基的平面处理范围和处理厚度；

步骤二、钻孔并对钻孔周围土体进行微波照射加热：采用工程地质钻机钻孔，钻孔的深度与湿陷性黄土地基的处理厚度相同，钻孔的布置形式为梅花形、矩形或长方形，相邻两个钻孔之间的间距为400mm～1500mm；在钻孔的过程中，每钻完一个钻孔，均采用钻孔周围土体微波加热装置对钻孔周围土体自下向上分段进行微波照射加热；

所述钻孔周围土体微波加热装置包括工程地质钻机本体和微波发射机构，所述工程地质钻机本体包括钻机底盘(1)、设置在钻机底盘(1)底部的履带式行走机构(2)和设置在钻机底盘(1)顶部的动力头(3)，所述微波发射机构包括放置在钻机底盘(1)顶部的磁控管(4)、连接在动力头(3)上且能够由动力头(3)带动旋转的第一波导(5)、竖直连接在第一波导(5)底部的第二波导(6)和连接在第二波导(6)底部且用于伸入钻孔内对钻孔周围土体进行微波照射加热的微波天线(7)，所述第一波导(5)通过与其转动连接的第三波导(8)与磁控管(4)连接；所述第一波导(5)、第二波导(6)和第三波导(8)的内径相等；

步骤三、钻孔充填：采用粘性土充填各个钻孔，并进行分层夯实；

步骤二中采用钻孔周围土体微波加热装置对钻孔周围土体自下向上分段进行微波照射加热时的微波照射时间根据二维瞬态热传导控制方程确定，将与钻孔的距离与相邻两个钻孔之间的间距相等的点的温度达到450℃时的微波照射时间确定为钻孔的微波照射时间；其中，T(x,y；t)为微波照射时间为t时(x,y)点位置处的温度，为梯度算子且k为黄土地基的导热系数，ρ为黄土地基的密度，C为黄土地基的比热容，Q(x,y；t)为微波照射时间为t时(x,y)点位置处的热量，且Q(x,y；t)根据公式计算得到，其中，P_d为微波的功率密度，f为微波发散频率，ε_o为真空介电系数，ε"_r为黄土地基的介电损耗因子，E_o为电场有效值且P为微波的功率，Z为微波的阻抗，B为第一波导(5)、第二波导(6)和第三波导(8)的内径。

2.按照权利要求1所述的一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，其特征在于：步骤二中采用钻孔周围土体微波加热装置对钻孔周围土体自下向上分段进行微波照射加热时的微波功率为10kW～20kW。

3.按照权利要求1所述的一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，其特征在于：所述第二波导(6)的两端分别为波导公接头(11)和波导母接头(12)，所述第一波导(5)与第二波导(6)连接的一端为波导母接头(12)，所述第一波导(5)与第三波导(8)连接的一端为转动头连接腔(13)，所述第三波导(8)与第一波导(5)连接的一端为用于转动连接到转动头连接腔(13)内的转动头(14)；所述波导公接头(11)的外轮廓为楔形，所述波导公接头(11)的外表面上设置有外螺纹；所述波导母接头(12)上设置有与波导公接头(11)相配合的楔形孔，所述楔形孔的内表面上设置有与所述外螺纹相配合的内螺纹，所述第一波导(5)与第三波导(8)通过转动头连接腔(13)和转动头(14)转动连接，所述第二波导(6)与第一波导(5)通过波导公接头(11)和波导母接头(12)螺纹连接。

4.按照权利要求1所述的一种微波加热消除黄土地基湿陷性的方法，其特征在于：所述微波天线(7)由三根并排设置的裂缝天线(9)组成，每根所述裂缝天线(9)上均设置有多个横向裂缝(10)。