CN105239557A - 冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置，包括点阵分布埋设在待排水加固软土内的冷冻管，还包括点阵分布埋设在待排水加固软土内的塑料排水板，冷冻管与塑料排水板错开分布，塑料排水板通过真空射流泵与集水箱连通，冷冻管一端与盐水循环箱连通，另一端通过盐水泵与盐水循环箱连通，盐水循环箱与盐水冷却装置连接。还公开了冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的方法，利用细颗粒软土土体在冻结时有明显的冻胀现象,使真空压力场与冻胀挤密压力场“有效叠加”，可以使水分排出速率提高数倍。

Description

冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土力学与工程领域中对细颗粒软土土体排水固结地基处理技术领域，具体涉及冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置，同时还涉及冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的方法，此方法和装置不仅适用于各类灵敏度高的饱和软粘土地基加固，而且适用于初始承载力基本为零的以细颗粒为主且各类疏浚吹填淤泥土深、浅层全范围内的同时加固。

背景技术

目前最常采用真空预压技术、真空联合堆载预压技术，但是真空预压技术、真空联合堆载预压技术等均对于黏粒含量高、渗透系数极低的细颗粒软土存在如下不足：（1）排水效率低，（2）真空荷载持续时间长，能耗大，（3）处理深度和处理效果（承载能力）有限。

由于人工冻结后的土体具有完整性好、强度高、不透水的特征，早在19世纪，人们采用人工冻结加固地层的方法，解决了松软含水地层施工的各类塌陷问题，如1862年的英国南威尔士矿山、1883年德国阿尔巴时德煤矿、1997年挪威奥斯陆海湾海底隧道施工、1955我国开滦煤矿林西风井施工、1998年北京地铁国贸桥车站东侧的南隧道施工等。随着我国城市地下工程的日益增多，冻结法已广泛地应用于城市地下工程中。对于这些工程来说，冻胀是不利的，如冻胀会对地表建筑物、交通和地下管线（如电力电缆、通讯电缆、供、排水管、煤气管道等）产生破坏作用。

但对于大面积的细颗粒软土，由于还处于待开发状态，冻胀不仅不会造成结构物或构筑物的破坏，还可以利用冻胀的体积增大，占位空间的特点，冻胀区域周边软土受到冻胀力，产生挤压变形从而加速软土的固结与排水。

为了克服先前真空预压处理方法中上述4个主要不足以及充分地利用细颗粒软土冻胀特性，有必要设计一种能有效提高排水固结的方法，能进行深层土体加固的方法和装置。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种冻胀挤密融缩致裂法结合真空预压加速软土固结的方法，该方法能有效改善传统真空预压排水效率低、降低真空荷载持续时间，减小能耗，以及有效增大处理深度和加强处理效果。该方法不仅适用于各类饱和软土地基加固，而且尤其适用于以细颗粒为主的软土地基深层和浅层全范围内的同时加固，更能满足实际工程的需求。

本发明的另一个目的是在于提供了一冻胀挤密融缩致裂法结合真空预压加速软土固结的装置，该装置结构简单、实施简便、稳定性好、实用性强，并可根据土体的实时加固情况配置冻胀和融缩过程，排水效率高，灵活度和适应性强，具有广泛的应用前景。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置，包括点阵分布埋设在待排水加固软土内的冷冻管，还包括点阵分布埋设在待排水加固软土内的塑料排水板，冷冻管与塑料排水板错开分布，塑料排水板通过真空射流泵与集水箱连通，冷冻管一端与盐水循环箱连通，另一端通过盐水泵与盐水循环箱连通，盐水循环箱与盐水冷却装置连接。

如上所述的盐水冷却装置包括设置在盐水循环箱内的箱内氨循环管路，箱内氨循环管路一端通过氨压缩机与列管式循环冷凝器连接，列管式循环冷凝器与冷却塔连接，冷却塔通过冷却水泵与箱内氨循环管路另一端连接。

冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置，还包括均按照设定间距布置的水平向真空排水支管和真空排水主管，塑料排水板的顶部与真空排水支管连接，真空排水主管与真空射流泵连接，真空射流泵与集水箱连接。

如上所述的冻结管一端与盐水去路支管连接，另一端与盐水回路支管连接，盐水去路支管连接盐水去路主管，盐水回路支管连接盐水回路主管，盐水去路主管连接盐水循环箱，盐水回路主管通过盐水泵连接盐水循环箱。

如上所述的冷冻管构成加固区，加固区上覆盖密封膜，加固区周边的密封膜置于待排水加固软土中。

冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的方法，包括以下步骤：

步骤1、在待排水加固软土上，铺设砂垫层，在砂源紧缺或待排水加固软土为超软淤泥土时，铺设一层编织布并加铺无纺土工布；

步骤2、将冷冻管以点阵分布打设进入待排水加固软土中，各个冷冻管形成加固区，并使冷冻管上顶端没入待排水加固软土表面设定深度；

步骤3、将冻结管一端连接盐水去路支管，另一端连接盐水回路支管，盐水去路支管连接盐水去路主管，盐水回路支管连接盐水回路主管，盐水去路主管直接连接盐水循环箱，盐水回路主管连接盐水泵，盐水泵连接盐水循环箱，盐水循环箱中的箱内氨循环管路连接氨压缩机；氨压缩机连接列管式循环冷凝器，列管式循环冷凝器与冷却塔相连，冷却塔与冷却水泵连接，冷却水泵与盐水循环箱中的箱内氨循环管路连接。

步骤4、成排插入的塑料排水板，在平面布置上与冷冻管错开并以点阵状布置，并使塑料排水板上端出露于无纺土工布或砂垫层上；

步骤5、按照设定间距布置水平向真空排水支管；

步骤6、按照设定间距布置水平向真空排水主管；

步骤7、在塑料排水板的上端出露位置，将塑料排水板用无纺土工布条与水平向真空排水支管的对应开口处绑扎连接；

步骤8、加固区上方铺设密封膜，并将加固区周边密封膜置入待排水加固软土中；

步骤9、布设真空射流泵；

步骤10、开启真空射流泵，使塑料排水板、水平向真空排水支管、水平向真空排水主管处于负压状态；

步骤11、通过监测密封膜下真空度的真空表，调整射流泵的功率或数量，整个密封膜下真空度稳定在设定范围，每间隔设定时间使整个密封膜下真空度呈阶段性递增变化一次；

步骤12、通过集水箱统计集水速率的变化情况，绘制集水速率与时间关系曲线，在集水速率与时间关系曲线的达到斜率为0时，开启盐水泵、冷却水泵和氨压缩机；

步骤13、继续通过集水箱监测和绘制集水速率与时间关系曲线，待集水速率与时间关系曲线的斜率再次为0时，关闭盐水泵、冷却水泵和氨压缩机使土体自然解冻产生融缩裂隙，待土体完全解冻后设定时间间隔后再次开启盐水泵、冷却水泵和氨压缩机；

步骤14、重复上述步骤12、13，直至待排水加固软土的土体含水率、静力触探的贯入应力和十字板剪切测试的剪切强度达到设定要求。

技术原理：根据水在摄氏零度结冰的过程中，体积增大和产生占位空间，使周边物体的受到冻胀力的作用。细颗粒土的冻胀不只是孔隙水9%体积膨胀造成，还有水分向冻结锋面冻结成冰而造成。水分迁移后冻结往往形成冰透镜体。但对于大面积的细颗粒软土，由于还处于开发状态，冻胀不仅不会造成结构物或构筑物的破坏，还可以利用冻胀的体积增大，占位空间的特点，冻胀区域周边软土产生挤压变形从而导致土体固结加快。细颗粒软土土体在冻结时有明显的冻胀现象，在冰融化的过程中又会导致土体体积缩小，土体受拉而产生较多张拉裂隙，孔隙比增大，透水性、压缩系数均增加数倍。且由于黏土的颗粒尺寸小，比表面积大，土颗粒与液相表面的作用强烈，随着孔隙体积的增大，自由水含量增加，水的流动性增强，渗透性提高。冻土融化时，冰变成水而体积减少，造成土颗粒的又一次位移，已有的大孔隙不能恢复到冻前的小孔隙，致使土体变得疏松，孔隙比增大，导水系数增加。导水系数的变化直接影响着固结过程中超孔隙水压力的产生和消除，加快已融土的变形进程。所以，冻融过程中土体的裂隙率和含水率的变化会导致土体渗透性的变化。再结合真空预压排水系统，在冻胀时，使真空压力场与冻胀挤密压力场“有效叠加”，可以使水分排出速率提高数倍；在融缩时，由于土体裂隙变多，土体更加疏松，孔隙比增大，导水系数增加，在真空压力场条件下，也加速了土体的排水固结。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1）设计了冻胀挤密系统，在结合真空预压的条件下，利用细颗粒软土土体在冻结时有明显的冻胀现象,使真空压力场与冻胀挤密压力场“有效叠加”，可以使水分排出速率提高数倍；

2）在上述冻胀挤密融缩致裂循环中，土体融缩受拉而产生较多张拉裂隙，致使土体变得疏松，孔隙比增大，导水系数，压缩系数均增加数倍，加快固结过程中超孔隙水压力的产生和消除，排水效率成倍提高，从而使土体快速固结。

3）一次加固即可处理深层软土，浅层和深层承载力均可达到80kPa以上；

4）采用上述系统能有效降低负载时间，提高排水固结效率，地基处理沉降均匀、缩短工期，经济节约明显优势。

5）可以方便灵活地处理不同含水率、不同黏粒含量等各类细颗粒软土土体，具有适用范围广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明平面布置示意图.

图中：1、冷却塔；2、冷却水泵；3、列管式循环冷凝器；4、氨压缩机；5、盐水循环箱；5a、箱内氨循环管路；6、盐水泵；7、盐水去路主管；8、盐水回路主管；9、盐水去路支管；10、盐水回路支管；11、真空射流泵；11a、溢流孔；12、塑料排水板；13、水平向真空排水支管；14、冻结管；15、待排水加固软土或超软淤泥土；16、水平向真空排水主管；17、密封膜下真空度的真空表；18、PVC管；19、集水箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

实施例1

冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置，包括点阵分布埋设在待排水加固软土内的冷冻管14，还包括点阵分布埋设在待排水加固软土内的塑料排水板12，冷冻管14与塑料排水板12错开分布，塑料排水板12通过真空射流泵11与集水箱19连通，冷冻管14一端与盐水循环箱5连通，另一端通过盐水泵6与盐水循环箱5连通，盐水循环箱5与盐水冷却装置连接。

优选的，盐水冷却装置包括设置在盐水循环箱5内的箱内氨循环管路5a，箱内氨循环管路5a一端通过氨压缩机4与列管式循环冷凝器3连接，列管式循环冷凝器3与冷却塔1连接，冷却塔1通过冷却水泵2与箱内氨循环管路5a另一端连接。

优选的，还包括均按照设定间距布置的水平向真空排水支管13和真空排水主管16，塑料排水板12的顶部与真空排水支管13连接，真空排水主管16与真空射流泵11连接，真空射流泵11与集水箱19连接。

优选的，冻结管14一端与盐水去路支管9连接，另一端与盐水回路支管10连接，盐水去路支管9连接盐水去路主管7，盐水回路支管10连接盐水回路主管8，盐水去路主管7连接盐水循环箱5，盐水回路主管8通过盐水泵6连接盐水循环箱5。

优选的，冷冻管14构成加固区，加固区上覆盖密封膜，加固区周边的密封膜置于待排水加固软土中。

冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的方法，包括以下步骤：

步骤1、在待排水加固软土上，铺设砂垫层，在砂源紧缺或待排水加固软土为超软淤泥土15时，铺设一层编织布并加铺无纺土工布；

步骤2、将冷冻管14以点阵分布打设进入待排水加固软土中，各个冷冻管14形成加固区，并使冷冻管14上顶端没入待排水加固软土表面设定深度；

步骤3、将冻结管14一端连接盐水去路支管9，另一端连接盐水回路支管10，盐水去路支管9连接盐水去路主管7，盐水回路支管10连接盐水回路主管8，盐水去路主管7直接连接盐水循环箱5，盐水回路主管8连接盐水泵6，盐水泵6连接盐水循环箱5，盐水循环箱5中的箱内氨循环管路5a连接氨压缩机4；氨压缩机4连接列管式循环冷凝器3，列管式循环冷凝器3与冷却塔1相连，冷却塔1与冷却水泵2连接，冷却水泵2与盐水循环箱5中的箱内氨循环管路5a连接。

步骤4、成排插入的塑料排水板12，在平面布置上与冷冻管14错开并以点阵状布置，并使塑料排水板12上端出露于无纺土工布或砂垫层上；

步骤5、按照设定间距布置水平向真空排水支管13；

步骤6、按照设定间距布置水平向真空排水主管16；

步骤7、在塑料排水板12的上端出露位置，将塑料排水板12用无纺土工布条与水平向真空排水支管16的对应开口处绑扎连接，形成真空预压排水系统；

步骤8、加固区上方铺设密封膜，并将加固区周边密封膜置入待排水加固软土中；

步骤9、布设真空射流泵11；

步骤10、开启真空射流泵11，使塑料排水板12、水平向真空排水支管13、水平向真空排水主管16处于负压状态；

步骤11、通过监测密封膜下真空度的真空表17，调整射流泵11的功率或数量，整个密封膜下真空度稳定在设定范围，每间隔设定时间使整个密封膜下真空度呈阶段性递增变化一次；

步骤12、通过集水箱19统计集水速率的变化情况，绘制集水速率与时间关系曲线，在集水速率与时间关系曲线的达到斜率为0时，开启盐水泵6、冷却水泵2和氨压缩机4；

步骤13、继续通过集水箱19监测和绘制集水速率与时间关系曲线，待集水速率与时间关系曲线的斜率再次为0时，关闭盐水泵6、冷却水泵2和氨压缩机4使土体自然解冻产生融缩裂隙，待土体完全解冻后设定时间间隔后再次开启盐水泵6、冷却水泵2和氨压缩机4；

步骤14、重复上述步骤12、13，直至待排水加固软土的土体含水率、静力触探的贯入应力和十字板剪切测试的剪切强度达到设定要求。

实施例2：

冻胀挤密融缩致裂法结合真空加速软土固结的装置，包括冻胀系统和真空预压排水系统两部分。

冻胀系统，包括盐水循环子系统和氨循环子系统。

盐水循环子系统包括有盐水循环箱5、盐水泵6、盐水去路主管7、盐水回路主管8、盐水去路支管9、盐水回路支管11、冻结管14。其主要作用是将待排水加固软土或超软淤泥土土体的热量用冻结管14中的盐水吸收、再通过盐水泵6将盐水泵入盐水回路支管11和盐水回路主管8，直至盐水循环箱5，再将冷却的盐水通过盐水去路主管7、盐水去路支管9和冻结管14使低温盐水再次进入待排水加固软土或超软淤泥土土体中进行循环。

氨循环系统包括冷却塔冷却塔1、冷却水泵2、列管式循环冷凝器3、氨压缩机4、箱内氨循环管路5a，其主要作用是将盐水循环箱5中的盐水携带的热量通过氨从液态变为气态的过程吸收，再将氨气用氨压缩机4进行压缩形成高压氨气，通过列管式循环冷凝器3将高压氨气冷却为氨水，再通过冷却水泵2将氨水泵入冷却塔1将氨水降温，最后将冷却塔1的低温氨水连接盐水循环箱5内的箱内氨循环管路5a再次吸收盐水的热量，进入下一次循环。经过多次循环后，使冻结管待排水加固软土或超软淤泥土土体冻胀，从而挤密周边软土，使其产生变形，加快周边软土的排水固结。所述融缩致裂是指将盐水循环系统和氨循环系统关闭，从而使冻胀的土体融缩，增加土体裂隙，增大孔隙比，使导水系数提高数倍，加速土体的排水固结。

冻胀系统，其连接方式是：将冻结管14一端连接盐水去路支管9，另一端连接盐水回路支管10，盐水去路支管9连接盐水去路主管7，盐水回路支管10连接盐水回路主管8，盐水去路主管7直接连接盐水循环箱5，盐水回路主管8连接盐水泵6，盐水泵6连接盐水循环箱5，盐水循环箱5分别连接列管式循环冷凝器3和氨压缩机4；氨压缩机4连接列管式循环冷凝器3中，列管式循环冷凝器3与冷却水泵2和冷却塔1相连，冷却水泵2直接与冷却塔1连接。

真空预压排水系统包括真空射流泵11、溢流孔11a、塑料排水板12、水平向真空排水支管13、水平向真空排水主管16、密封膜下真空度的真空表17、PVC管18、集水箱19。密封膜其作用一，是传递真空和排除水分，具体为通过真空射流泵11形成的负压，通过连接真空射流泵11的水平向真空排水主管16和水平向真空排水支管13传递给塑料排水板12，待排水加固软土或超软淤泥土的水在负压的作用下进入塑料排水板12，再通过水平向真空排水支管13和水平向真空排水主管16排出到真空射流泵11的水箱中。其作用二，是监测集水速率，具体为将真空射流泵11的水箱中溢流孔11a中的水通过PVC管18与集水箱19相连，集水箱19设置有刻度的标尺，通过记录设定时间间隔的集水量，计算集水速率，即集水速率=集水量/时间间隔，所述时间间隔为1h或2h或5h或12h或24h。

密封膜下真空度的真空表17与塑料软管的一端连接，塑料软管的另一端用无纺布包裹，用尼龙扣固定在密封膜下。在塑料排水板12的出露位置，将塑料排水板12用无纺土工布条与水平向真空排水支管13的对应开口处绑扎连接，形成真空预压排水系统；水平向真空排水支管13按照设定间距布置，所述的设定间距可以为0.5或1或2或3或4或或5或6或7或8或9或10m；水平向真空排水支管13与水平向真空排水主管16相互垂直布置，水平向真空排水支管13与水平向真空排水主管16用三通管连接，水平向真空排水主管16按照设定间距布置，所述的间距为2或5或10或或15或20或25或30或35或40或45或50m；水平向真空排水主管16与真空射流泵11相连，真空射流泵11上部设置有溢流孔11a，用PVC管18将溢流孔11a与集水箱19连接。

冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的方法：

（1）在待排水加固软土上，铺设细度模数在3.7-2.5的中粗砂垫层，砂垫层厚度为30cm~50cm，在砂源紧缺或待排水加固软土为超软淤泥土15时（即待排水加固软土的初始承载力为0MPa），铺设一层150g/m²编织布并加铺一层200g/m²无纺土工布；

（2）将冷冻管14以点阵分布打设进入待排水加固软土中，各个冷冻管14形成正方形加固区，所述正方形加固区边长为0.5m或0.8m或1m或1.2m或1.5m或1.8m或2m或4m，并使冷冻管14上顶端没入待排水加固软土表面一定深度，所述深度为0.5m或0.8m或1m或1.2m或1.5m或1.8m或2m。

（3）将冻结管14一端连接盐水去路支管9，另一端连接盐水回路支管10，盐水去路支管9连接盐水去路主管7，盐水回路支管10连接盐水回路主管8，盐水去路主管7直接连接盐水循环箱5，盐水回路主管8连接盐水泵6，盐水泵6连接盐水循环箱5，盐水循环箱5中的箱内氨循环管路5a连接氨压缩机4；氨压缩机4连接列管式循环冷凝器3，列管式循环冷凝器3与冷却塔1相连，冷却塔1与冷却水泵2连接，冷却水泵2与盐水循环箱5中的箱内氨循环管路5a连接。

（4）成排插入的塑料排水板12作为深度方向排水系统，在平面布置上与冷冻管14错开并以点阵状布置，并使塑料排水板12上端出露于无纺土工布或砂垫层上5-10cm；

（5）按照设定间距布置水平向真空排水支管13，所述的设定间距可以为0.5或1或2或3或4或或5或6或7或8或9或10m；

（6）按照设定间距布置水平向真空排水主管16，所述的间距为2或3或5或或10或15或25或30或35或40或45或50m；

（7）在塑料排水板12的上端出露位置，将塑料排水板12用无纺土工布条与水平向真空排水支管16的对应开口处绑扎连接，形成真空预压排水系统。

（8）完成上述步骤（7）之后在正方形加固区上方铺设2层厚0.12～0.16mm的密封膜，并将加固区周边密封膜膜置入待排水加固软土中达到密封作用；

（9）布设真空射流泵11，可按每1000m²待加固面积布设一台真空射流泵11；

（10）开启真空射流泵11，使塑料排水板12、水平向真空排水支管13、水平向真空排水主管16处于负压状态，检查真空预压排水系统是否工作正常，如正常，则进行下一步工序，如不正常，待排查故障之后进入下一步工序；

（11）通过监测密封膜下真空度的真空表17，调整射流泵11的功率或数量，整个密封膜下真空度稳定在-30±5kPa左右，每间隔1~2天使整个密封膜下真空度呈阶段性递增变化10kPa一次，即阶段性变化是指-30kPa、-40kPa、-50kPa、-60kPa、-70kPa、-80kPa、-90kPa；最后使真空膜下真空度稳定在-90kPa；

（12）通过集水箱19计算一定时间间隔的集水速率的变化情况，所述一定时间间隔可以为5h，绘制集水速率与时间关系曲线，在集水速率与时间关系曲线的达到斜率为0时，开启盐水泵6、冷却水泵2和氨压缩机4，其中，盐水循环子系统运行模式为：将待排水加固软土的热量用冻结管14中的盐水吸收、通过盐水泵6将盐水泵入盐水回路支管和盐水回路主管，直至流入盐水循环箱5，再将冷却的盐水通过盐水去路主管7、盐水去路支管9和冻结管14使低温盐水再次进入待排水加固软土中进行循环。氨循环子系统运行模式为将盐水循环箱5中的盐水携带的热量通过氨从液态变为气态的过程吸收，再将氨气用氨压缩机4进行压缩形成高压氨气，通过列管式循环冷凝器3将高压氨气冷却为氨水，再通过冷却水泵2将氨水泵入冷却塔1将氨水降温，最后将冷却塔1的低温氨水连接盐水循环箱再次吸收盐水的热量，进入下一次循环。

（13）继续通过集水箱19监测和绘制集水速率与时间关系曲线，待集水速率与时间关系曲线的斜率再次为0时，关闭盐水泵6、冷却水泵2和氨压缩机4使土体自然解冻产生融缩裂隙，待土体完全解冻后设定时间间隔后再次开启盐水泵6、冷却水泵2和氨压缩机4，所述设定时间为12h或24h或36或48h。

（14）重复上述步骤（12）（13），直至超软淤泥土区域的浅层和深层的土体含水率都有显著下降，静力触探的贯入应力和十字板剪切测试的剪切强度达到设计要求，方可卸载，持续时间约为20或26或31或35或40天。

实施例:3：

位于湖北鄂州梧桐湖新区后湖吹填区域，吹填平均深度约为3~6m。新近吹填淤泥具有含水率高，压缩性大，透水性差，初始承载力极低的特点。处理前试验区土土体含水率大于180%，湿密度1.42g/cm³,液限91.3%,塑限35.4%；颗粒组成大于0.075mm占比1.5%，0.075mm~0.005mm占比50.6%，小于0.005mm占比47.9%；此吹填淤泥土呈流动状态，为超软淤泥土，基本无初始承载力，需要进行处理，要求处理后地基承载力大于55kPa。

一种冻胀挤密融缩致裂法加速软土固结的方法，其步骤是：

（1）在待排水加固软土上，铺设一层150g/m²编织布加一层200g/m²无纺土工布；

（2）将冷冻管14呈正方形打设进入待排水加固软土或超软淤泥土中，所述正方形边长为1m，并使冷冻管14上顶端没入待排水加固软土或超软淤泥土15表面一定深度，所述深度为1m。

（3）将冻结管14一端连接盐水去路支管9，另一端连接盐水回路支管10，盐水去路支管9连接盐水去路主管7，盐水回路支管10连接盐水回路主管8，盐水去路主管7直接连接盐水循环箱5，盐水回路主管8连接盐水泵6，盐水泵6连接盐水循环箱5，盐水循环箱5中的箱内氨循环管路5a连接氨压缩机4；氨压缩机4连接列管式循环冷凝器3，列管式循环冷凝器3与冷却塔1相连，冷却塔1与冷却水泵2连接，冷却水泵2与盐水循环箱5中的箱内氨循环管路5a连接。

（4）成排插入塑料排水板12作为深度方向排水系统，在平面布置上与冷冻管14呈梅花状布置，并使塑料排水板12出露于无纺土工布上5-10cm；

（5）按照设定间距布置水平向真空排水支管13，所述的设定间距可以为1m，

（6）按照设定间距布置水平向真空排水主管16，所述的间距为3m；

（7）在塑料排水板12的出露位置，将塑料排水板12用无纺土工布条与水平向真空排水支管16的对应开口处绑扎连接，形成真空预压排水系统。

（8）完成上述步骤（7）之后在正方形加固区上方铺设2层厚0.16mm的密封膜，并将加固区周边密封膜置入待排水加固软土中达到密封作用；

（9）按每1000m²正方形加固区上布设一台真空射流泵11；

（10）开启真空射流泵11，使复塑料排水板12、水平向真空排水支管13、水平向真空排水主管16处于负压状态，检查真空预压排水系统是否工作正常，如正常，则进行下一步工序，如不正常，待排查故障之后进入下一步工序；

（11）通过密封膜下真空度的真空表17，调整射流泵11的功率，整个真空膜下真空度稳定在-30kPa左右，每间隔2天使真空度呈阶段性变化，所述阶段性变化是指-30kPa、-40kPa、-50kPa、-60kPa、-70kPa、-80kPa、-90kPa；所述真空开启持续时间为2d；最后使真空膜下真空度稳定在-90kPa；

（12）通过集水箱19计算一定时间间隔的集水速率的变化情况，所述一定时间间隔为5h，绘制集水速率与时间关系曲线，在集水速率与时间关系曲线的达到斜率接近于0时，开启冻胀系统，冻胀系统中的盐水循环子系统运行模式为：将待排水加固软土土体的热量用冻结管14中的盐水吸收、再通过盐水泵6将盐水泵入盐水回路支管11和盐水回路主管8，直至盐水循环箱5，再将冷却的盐水通过盐水去路主管7、盐水去路支管9和冻结管14使低温盐水再次进入待排水加固软土土体中进行循环。冻胀系统中的氨循环子系统运行模式为：将盐水循环箱5中的盐水携带的热量通过氨从液态变为气态的过程吸收，再将氨气用氨压缩机4进行压缩形成高压氨气，通过列管式循环冷凝器3将高压氨气冷却为氨水，再通过冷却水泵2将氨水泵入冷却塔1将氨水降温，最后将冷却塔1的低温氨水连接盐水循环箱5再次吸收盐水的热量，进入下一次循环。

（13）继续通过集水箱19监测和绘制集水速率与时间关系曲线，待集水速率与时间关系曲线的斜率再次接近于0时，关闭冻胀系统使土体自然解冻产生融缩裂隙，待土体解冻48h后再次开启冻胀系统。

（14）重复上述步骤（12）（13），直至待排水加固软土的浅层和深层（浅层指硬壳层，深度小于2m，深层一般指大于2m）的土体含水率都有显著下降，静力触探的贯入应力和十字板剪切测试的剪切强度成果达到设计要求，方可卸载，持续时间约为40天。

按照上述冻胀挤密融缩致裂法加速软土固结的方法，工作时间为40天，并检测待排水加固软土承载力，待排水加固软土的浅层承载力已达到80kPa,且4-10m待排水加固软土的承载力（经十字板剪切和静力触探换算）均已达到60-85kPa，达到了预期的处理目标。

经初步估算，本实施例施工费用为常规真空预压的55%-75%，且施工工期可以减少40%-60%，能耗降低20%-40%，一次加固即可处理深层软土，浅层和和深层地基承载力平均达到60-80kPa左右，达到加速细颗粒软土土体固结的目的，同时具有地基处理均匀、施工简便、负载时间短，经济节约的明显优势。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置，包括点阵分布埋设在待排水加固软土内的冷冻管（14），其特征在于，还包括点阵分布埋设在待排水加固软土内的塑料排水板（12），冷冻管（14）与塑料排水板（12）错开分布，塑料排水板（12）通过真空射流泵（11）与集水箱（19）连通，冷冻管（14）一端与盐水循环箱（5）连通，另一端通过盐水泵（6）与盐水循环箱（5）连通，盐水循环箱（5）与盐水冷却装置连接。

2.根据权利要求1所述的冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置，其特征在于，所述的盐水冷却装置包括设置在盐水循环箱（5）内的箱内氨循环管路（5a），箱内氨循环管路（5a）一端通过氨压缩机（4）与列管式循环冷凝器（3）连接，列管式循环冷凝器（3）与冷却塔（1）连接，冷却塔（1）通过冷却水泵（2）与箱内氨循环管路（5a）另一端连接。

3.根据权利要求2所述的冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置，其特征在于，还包括均按照设定间距布置的水平向真空排水支管（13）和真空排水主管（16），塑料排水板（12）的顶部与真空排水支管（13）连接，真空排水主管（16）与真空射流泵（11）连接，真空射流泵（11）与集水箱（19）连接。

4.根据权利要求3所述的冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置，其特征在于，所述的冻结管（14）一端与盐水去路支管（9）连接，另一端与盐水回路支管（10）连接，盐水去路支管（9）连接盐水去路主管（7），盐水回路支管（10）连接盐水回路主管（8），盐水去路主管（7）连接盐水循环箱（5），盐水回路主管（8）通过盐水泵（6）连接盐水循环箱（5）。

5.根据权利要求4所述的冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置，其特征在于，所述的冷冻管（14）构成加固区，加固区上覆盖密封膜，加固区周边的密封膜置于待排水加固软土中。

6.冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在待排水加固软土上，铺设砂垫层，在砂源紧缺或待排水加固软土为超软淤泥土（15）时，铺设一层编织布并加铺无纺土工布；

步骤2、将冷冻管（14）以点阵分布打设进入待排水加固软土中，各个冷冻管（14）形成加固区，并使冷冻管（14）上顶端没入待排水加固软土表面设定深度；

步骤3、将冻结管（14）一端连接盐水去路支管（9），另一端连接盐水回路支管（10），盐水去路支管（9）连接盐水去路主管（7），盐水回路支管（10）连接盐水回路主管（8），盐水去路主管（7）直接连接盐水循环箱（5），盐水回路主管（8）连接盐水泵（6），盐水泵（6）连接盐水循环箱（5），盐水循环箱（5）中的箱内氨循环管路（5a）连接氨压缩机（4）；氨压缩机（4）连接列管式循环冷凝器（3），列管式循环冷凝器（3）与冷却塔（1）相连，冷却塔（1）与冷却水泵（2）连接，冷却水泵（2）与盐水循环箱（5）中的箱内氨循环管路（5a）连接；

步骤4、成排插入的塑料排水板（12），在平面布置上与冷冻管（14）错开并以点阵状布置，并使塑料排水板（12）上端出露于无纺土工布或砂垫层上；

步骤5、按照设定间距布置水平向真空排水支管（13）；

步骤6、按照设定间距布置水平向真空排水主管（16）；

步骤7、在塑料排水板（12）的上端出露位置，将塑料排水板（12）用无纺土工布条与水平向真空排水支管（16）的对应开口处绑扎连接；

步骤8、加固区上方铺设密封膜，并将加固区周边密封膜置入待排水加固软土中；

步骤9、布设真空射流泵（11）；

步骤10、开启真空射流泵（11），使塑料排水板（12）、水平向真空排水支管（13）、水平向真空排水主管（16）处于负压状态；

步骤11、通过监测密封膜下真空度的真空表（17），调整射流泵（11）的功率或数量，整个密封膜下真空度稳定在设定范围，每间隔设定时间使整个密封膜下真空度呈阶段性递增变化一次；

步骤12、通过集水箱（19）统计集水速率的变化情况，绘制集水速率与时间关系曲线，在集水速率与时间关系曲线的达到斜率为0时，开启盐水泵（6）、冷却水泵（2）和氨压缩机（4）；

步骤13、继续通过集水箱（19）监测和绘制集水速率与时间关系曲线，待集水速率与时间关系曲线的斜率再次为0时，关闭盐水泵（6）、冷却水泵（2）和氨压缩机（4）使土体自然解冻产生融缩裂隙，待土体完全解冻后设定时间间隔后再次开启盐水泵（6）、冷却水泵（2）和氨压缩机（4）；

步骤14、重复上述步骤12、13，直至待排水加固软土的土体含水率、静力触探的贯入应力和十字板剪切测试的剪切强度达到设定要求。