CN105297704A - 一种电渗增强桩加固软基装置及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电渗增强桩加固软基装置及施工方法，包括导电复合材料，所述导电复合材料由粘贴有金属丝的条状碳纤维布组成，导电复合材料通过环氧树脂均匀竖向密贴于预制桩表面；预制桩底部设有钢制桩靴，导电复合材料底端互相联通并置于钢制桩靴内；在导电复合材料外部包裹有一层钢丝网，并沿预制桩每间隔一定距离设置一个固定钢环；导电复合材料顶端通过导线与直流电源的正极相连；预制桩之间的软土地基中插入有导电排水管，导电排水管一方面通过水平排水管与真空泵相连，另外一方面也通过导线与直流电源的负极相连。本发明的有益效果是：消散并且提高桩侧摩阻力，结构合理,质量可靠、施工效率高。
Description
技术领域
本发明属于地基加固工程领域，特别涉及一种电渗增强桩加固软基装置及施工方法，适用于软土地基处理施工。
背景技术
我国沿海广泛分布着大量深厚软土地基，土质主要为淤泥质土。由于软土地基具有含水量高、压缩性大、渗透性低等特点，在建筑工程、道路工程等施工前通常需要进行地基处理。预制桩是应用非常普遍的软土地基处理方法，最为常见的预制桩桩型为钢筋混凝土管桩或钢筋混凝土方桩，具有单桩承载力高、成桩质量可靠、施工效率高等优点。
预制桩施工通常采用夯击、振动或静压的方式施工，由于软土地基含水量很高，渗透性又比较差，预制桩沉桩过程中会在桩下部产生很高的超孔隙水压力，超孔隙水压力难以消散，不仅使预制桩沉桩困难，而且会产生严重的挤土效应，致使周围已经施工完成的预制桩上浮、倾斜甚至断桩。同时，预制桩沉桩会造成桩侧土体结构破坏，抗剪强度严重削弱甚至丧失，沉桩完成后抗剪强度需要很长时间才能恢复，预制桩承载力增长缓慢，影响施工工期。另外一个方面，预制桩表面光滑，桩周软土抗剪强度又较低，因而桩侧摩阻力偏低，单桩承载力不高，通常需要较密的桩间距方能提供需要的地基承载力，造成预制桩软基处理成本较高，资源浪费。另外，桩周软土在上覆荷载作用下固结沉降，往往后产生较大负摩阻力，降低预制桩单桩承载力。
综上所述，预制桩加固软土地基具有挤土效应严重、承载时效性差、桩侧摩阻力低、负摩阻力大等问题，亟需通过改进技术解决这些问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种消散并且提高桩侧摩阻力，结构合理的电渗增强桩加固软基装置及施工方法。
为了实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：
这种电渗增强桩加固软基装置，包括导电复合材料，所述导电复合材料由粘贴有金属丝的条状碳纤维布组成，导电复合材料通过环氧树脂均匀竖向密贴于预制桩表面；预制桩底部设有钢制桩靴，导电复合材料底端互相联通并置于钢制桩靴内；在导电复合材料外部包裹有一层钢丝网，并沿预制桩每间隔一定距离设置一个固定钢环；导电复合材料顶端通过导线与直流电源的正极相连；预制桩之间的软土地基中插入有导电排水管，导电排水管一方面通过水平排水管与真空泵相连，另外一方面也通过导线与直流电源的负极相连。
作为优选：所述预制桩为任意截面的钢筋混凝土预制桩。
作为优选：所述导电复合材料为条状碳纤维布表面通过导电胶带粘贴根及以上金属丝，金属丝可用铜丝、不锈钢丝或钛丝；
作为优选：导电复合材料沿预制桩竖向粘贴，在预制桩表面均匀间隔布设，并在预制桩底端通过金属丝互相连通。
作为优选：所述钢制桩靴为槽状，其截面形状与预制桩底部截面形状相同，内部空间比预制桩底部略大。
作为优选：所述导线采用铝芯或铜芯绝缘线，导线与导电复合材料连接时采用导线裸露部分与铜丝和碳纤维布互相缠绕连接的方式。
作为优选：导电排水管采用带孔的碳纤维管或镀锌钢管，管外包土工滤布，也可采用以导电塑料制作成内芯的导电塑料排水板。
作为优选：所述水平排水管采用PVC或PE管，通过三通与导电排水管连接，水平排水管汇总到一根排水主管上，排水主管连接真空泵。
作为优选：所述直流电源采用电流以方波形式输出的脉冲式直流电源。
这种电渗增强桩加固软基装置的施工方法，包括以下步骤：
1)在条状碳纤维布上用导电胶带粘贴根及以上金属丝，形成导电复合材料，根据工程需要制备多根导电复合材料。
2)按照预制桩桩底形状和尺寸预制钢制桩靴。
3)将碳纤维管或镀锌钢管周身钻设小孔并外包土工滤布，形成导电排水管，或者直接采用导电塑料制作成内芯的导电塑料排水板。
4)在预制桩表面均匀间隔粘贴多根导电复合材料，采用环氧树脂作为胶结剂，导电复合材料沿预制桩竖向粘贴。
5)将导电复合材料在桩底互相联通并将钢制桩靴安装在桩底，导电复合材料置于钢制桩靴内。
6)在预制桩及导电复合材料外部包裹一层钢丝网，沿预制桩竖向每隔一定距离安装一个固定钢环固定钢丝网。
7)将设有导电复合材料和钢制桩靴的预制桩压入软土地基，导电复合材料通过导线与直流电源正极连接，导电复合材料用作阳极。对于挤土效应不严重的情况，直接将预制桩压至设计深度，然后再连接导线；对于挤土效应严重的情况，在压桩前就将桩侧导电复合材料通过导线连接到直流电源的正极，在压桩过程中即启动直流电源进行电渗，降低压桩引起的超孔隙水压力。
8)将导电排水管在设计位置引孔插入软土地基中，通过导线与直流电源负极连接，导电排水管作为阴极。
9)在导电排水管顶端通过三通连接水平排水管，水平排水管汇总到一根排水主管上并连接真空泵。
10)启动直流电源和真空泵使桩侧的水分在电场作用下流向导电排水管并排出地基。
11)压桩结束后持续电渗和排水，提高桩侧摩阻力，直至单桩承载力达到设计要求或导电排水管无水排出。
本发明的有益效果是：
1)电渗能够促使桩周的孔隙水迅速流向桩间的阴极管，在打桩施工过程即开始电渗，打桩产生的超孔隙水压力在电渗作用下能够得以迅速消散，能够显著减轻沉桩引起的挤土效应，防止挤土效应对周边管线、建筑物等的影响；
2)沉桩完成之后，电渗作用能够继续促进桩周土体固结，加快桩承载力增长，提高预制桩承载力的时效性，实现上部结构快速加载；
3)由于电渗能够对软土中细颗粒周围的弱结合水起作用，在持续的电渗作用下，桩侧土体中的水分逐渐被疏干，桩周土体强度显著提高，同时桩-土界面上的电化学作用增强了桩-土界面的强度，从而能够大大增加桩侧摩阻力，使电渗增强桩获得比无电渗作用预制桩更高的承载力，可以根据设计在一定程度上减少深厚软粘土中摩擦桩的桩长。
4)本发明不仅解决预制桩的摩阻力问题，同时还促使桩间土的固结排水。地基中的水在电渗作用下流向排水导电管，并通过真空泵从排水导电管中排出，软土得到固结沉降，对桩间土的加固作用显著，桩间土的承载力提高对提高预制桩复合地基的复合地基承载力十分有利。
5)本发明所述的导电复合材料采用结构加固工程中常用的条状碳纤维布，利用导电胶带将两根铜丝粘贴在条状碳纤维布上，制作成导电复合材料，这种复合材料具有高强度、高导电性和高耐腐蚀性的特点。
6)本发明在桩底设置有钢制桩靴，在沉桩过程中对导电复合材料具有较好的保护作用，防止预制桩下沉中对导电复合材料造成损伤。
7)本发明在导电复合材料外设置有钢丝网并每隔一定距离设置有固定钢环，钢丝网一方面保护导电复合材料不被沉桩阻力破坏，另外一方面也使导电复合材料互相连通起来，从事提高导电的均匀性，防止局部损坏而导致导电中断，固定钢环用于固定钢丝网和导电复合材料。
附图说明
图1是导电复合材料示意图；
图2是电渗增强桩横截面图；
图3是电渗增强桩立面图；
图4是电渗增强桩加固软基装置平面布置图；
图5是电渗增强桩加固软土地基示意图；
附图标记说明：金属丝1；导电胶带2；碳纤维布3；预制桩4；导电复合材料5；钢丝网6；固定钢环7；钢制桩靴8；电渗增强桩9；导电排水管10；导线11；直流电源12；水平排水管13；排水主管14；真空泵15；软土地基16；持力层17。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。
如图1所示在条状碳纤维布3上粘贴金属丝1，碳纤维布3宽度为10cm，金属丝1采用铜丝，通过导电胶带2将两根铜丝分别粘贴在碳纤维布3上形成导电复合材料5。采用环氧树脂作为粘结剂将导电复合材料5密贴在预制桩4表面上，预制桩4采用直径为60cm的钢筋混凝土预应力管桩，沿竖向均匀布设8根导电复合材料5。将导电复合材料5在预制桩4底端互相连通并置于钢制桩靴8内，在复合材料外再包裹一层钢丝网，钢丝网网眼尺寸可取4-8cm，钢丝网底端也置于钢制桩靴8内，钢制桩靴8为圆筒状，内径比预制桩4外径略大，可容纳粘贴导电复合材料5并包裹钢丝网6的预制桩4桩端。沿预制桩4竖向每隔2m设置一个固定钢环7将钢丝网6紧紧箍紧在预制桩4上，固定钢环7可采用环形钢筋焊接固定，也可预制钢环通过螺栓拧紧固定。粘贴有导电复合材料5并包裹有钢丝网6的预制桩4形成了电渗增强桩9，电渗增强桩9的示意图如图2和图3所示。
导电复合材料5顶端通过绝缘铜芯线与直流电源的正极相连，绝缘铜芯线的粗细根据桩间距和土壤的电导率计算电流量确定。将碳纤维管或镀锌钢管周身钻满小孔并包裹土工滤布制作成导电排水管10，碳纤维管或镀锌钢管外直径可采用24-32cm，壁厚1.5-3mm，也可以直接采用导电塑料作内芯的导电塑料排水板。导电排水管插入在相邻四根桩的中间位置，导电排水管通过水平排水管13与真空泵15相连，水平排水管13采用pvc或ppr管，水平排水管13由排水支管通过三通接入排水主管14，排水主管14连接真空泵15。导电排水管10通过绝缘铜芯线与直流电源12的负极相连。直流电源12采用方波输出方式的脉冲式直流电源12。上述电渗增强桩加固软基装置如图4和图5所示。
电渗增强桩加固软基装置的施工方法，包括如下步骤：
1)在条状碳纤维布3上用导电胶带2粘贴两根及以上金属丝1，形成导电复合材料5，根据工程需要制备多根导电复合材料5；
2)按照预制桩4桩底形状和尺寸预制钢制桩靴8；
3)将碳纤维管或镀锌钢管周身钻设小孔并外包土工滤布，形成导电排水管10，或者直接采用导电塑料制作成内芯的导电塑料排水板；
4)在预制桩4表面均匀间隔粘贴多根导电复合材料5，采用环氧树脂作为胶结剂，导电复合材料5沿预制桩4竖向粘贴；
5)将导电复合材料5在桩底互相联通并将钢制桩靴8安装在桩底，导电复合材料置于钢制桩靴内；
6)在预制桩4及导电复合材料5外部包裹一层钢丝网6，沿预制桩4竖向每隔一定距离安装一个固定钢环7固定钢丝网6；
7)将设有导电复合材料5和钢制桩靴8的预制桩4压入软土地基16，导电复合材料5通过导线11与直流电源12正极连接，导电复合材料5用作阳极；对于挤土效应不严重的情况，直接将预制桩4压至设计深度，然后再连接导线11；对于挤土效应严重的情况，在压桩前就将桩侧导电复合材料5通过导线11连接到直流电源12的正极，在压桩过程中即启动直流电源12进行电渗，降低压桩引起的超孔隙水压力；
8)将导电排水管10在设计位置引孔插入软土地基16中，通过导线11与直流电源12负极连接，导电排水管10作为阴极；
9)在导电排水管10顶端通过三通连接水平排水管13，水平排水管13汇总到一根排水主管14上并连接真空泵15；
10)启动直流电源12和真空泵15使桩侧的水分在电场作用下流向导电排水管10并排出地基；
11)压桩结束后持续电渗和排水，提高桩侧摩阻力，直至单桩承载力达到设计要求或导电排水管10无水排出。
Claims (10)
1.一种电渗增强桩加固软基装置，其特征在于：包括导电复合材料(5)，所述导电复合材料(5)由粘贴有金属丝(1)的条状碳纤维布(3)组成，导电复合材料(5)通过环氧树脂均匀竖向密贴于预制桩(4)表面；预制桩(4)底部设有钢制桩靴(8)，导电复合材料(5)底端互相联通并置于钢制桩靴(8)内；在导电复合材料(5)外部包裹有一层钢丝网(6)，并沿预制桩(4)每间隔一定距离设置一个固定钢环(7)；导电复合材料(5)顶端通过导线(11)与直流电源(12)的正极相连；预制桩(4)之间的软土地基(16)中插入有导电排水管(10)，导电排水管(10)一方面通过水平排水管(13)与真空泵(15)相连，另一方面也通过导线(11)与直流电源(12)的负极相连。
2.根据权利要求1所述的电渗增强桩加固软基装置，其特征在于：所述预制桩(4)为任意截面的钢筋混凝土预制桩。
3.根据权利要求1所述的电渗增强桩加固软基装置，其特征在于：所述导电复合材料(5)为条状碳纤维布(3)表面通过导电胶带(2)粘贴两根及以上金属丝(1)，金属丝(1)可用铜丝、不锈钢丝或钛丝。
4.根据权利要求1所述的电渗增强桩加固软基装置，其特征在于：导电复合材料(5)沿预制桩(4)竖向粘贴，在预制桩(4)表面均匀间隔布设，并在预制桩(4)底端通过金属丝(1)互相连通。
5.根据权利要求1所述的电渗增强桩加固软基装置，其特征在于：所述钢制桩靴(8)为槽状，其截面形状与预制桩(4)底部截面形状相同，内部空间比预制桩(4)底部大。
6.根据权利要求1所述的电渗增强桩加固软基装置，其特征在于：所述导线(11)采用铝芯或铜芯绝缘线，导线(11)与导电复合材料(5)连接时采用导线(11)裸露部分与铜丝和碳纤维布(3)互相缠绕连接的方式。
7.根据权利要求1所述的电渗增强桩加固软基装置，其特征在于：导电排水管(10)采用带孔的碳纤维管或镀锌钢管，管外包土工滤布；或采用以导电塑料制作成内芯的导电塑料排水板。
8.根据权利要求1所述的电渗增强桩加固软基装置，其特征在于：所述水平排水管(13)采用PVC或PE管，通过三通与导电排水管(10)连接，水平排水管(13)汇总到一根排水主管(14)上，排水主管(14)连接真空泵(15)。
9.根据权利要求1所述的电渗增强桩加固软基装置，其特征在于：所述直流电源(12)采用电流以方波形式输出的脉冲式直流电源。
10.一种权利要求1所述的电渗增强桩加固软基装置的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)在条状碳纤维布(3)上用导电胶带(2)粘贴两根及以上金属丝(1)，形成导电复合材料(5)，根据工程需要制备多根导电复合材料(5)；
2)按照预制桩(4)桩底形状和尺寸预制钢制桩靴(8)；
3)将碳纤维管或镀锌钢管周身钻设小孔并外包土工滤布，形成导电排水管(10)，或者直接采用导电塑料制作成内芯的导电塑料排水板；
4)在预制桩(4)表面均匀间隔粘贴多根导电复合材料(5)，采用环氧树脂作为胶结剂，导电复合材料(5)沿预制桩(4)竖向粘贴；
5)将导电复合材料(5)在桩底互相联通并将钢制桩靴(8)安装在桩底，导电复合材料置于钢制桩靴内；
6)在预制桩(4)及导电复合材料(5)外部包裹一层钢丝网(6)，沿预制桩(4)竖向每隔一定距离安装一个固定钢环(7)固定钢丝网(6)；
7)将设有导电复合材料(5)和钢制桩靴(8)的预制桩(4)压入软土地基(16)，导电复合材料(5)通过导线(11)与直流电源(12)正极连接，导电复合材料(5)用作阳极；对于挤土效应不严重的情况，直接将预制桩(4)压至设计深度，然后再连接导线(11)；对于挤土效应严重的情况，在压桩前就将桩侧导电复合材料(5)通过导线(11)连接到直流电源(12)的正极，在压桩过程中即启动直流电源(12)进行电渗，降低压桩引起的超孔隙水压力；
8)将导电排水管(10)在设计位置引孔插入软土地基(16)中，通过导线(11)与直流电源(12)负极连接，导电排水管(10)作为阴极；
9)在导电排水管(10)顶端通过三通连接水平排水管(13)，水平排水管(13)汇总到一根排水主管(14)上并连接真空泵(15)；
10)启动直流电源(12)和真空泵(15)使桩侧的水分在电场作用下流向导电排水管(10)并排出地基；
11)压桩结束后持续电渗和排水，提高桩侧摩阻力，直至单桩承载力达到设计要求或导电排水管(10)无水排出。
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