CN105603964A - 中心对称电渗电极装置及其电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力方法 - Google Patents

中心对称电渗电极装置及其电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中心对称电渗电极装置及其电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力方法，中心对称电渗电极装置包括低压直流电源和阳极工件，所述低压直流电源的正极通过导线与阳极工件连接，所述低压直流电源的负极通过导线与钢圆筒连接，阳极工件以钢圆筒中心轴为中心，在钢圆筒的外侧和/或内侧形成阳极工件的圆形阵列，即阳极工件沿钢圆筒的圆周进行均匀分布，本发明的中心对称电渗电极装置以土为导电介质，打开低压直流电源和开关后，可以在地基土中实现电渗，使得土中水体向阴极汇集，改变大直径钢圆筒附近土体的物理力学性质，减小钢圆筒与土体间的摩阻力，提高钢圆筒上拔效率。

Description

中心对称电渗电极装置及其电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力方法
技术领域
本发明属于港口和海洋工程中海上人工岛或码头的护岸结构施工技术领域，具体来说涉及一种中心对称电渗电极装置及其电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力方法。
背景技术
大直径钢圆筒在港口和海洋工程中被广泛采用，比较典型的应用是大直径圆筒护岸结构。大直径圆筒结构于二十世纪四十年代始创于法国。在1947年～1949年间，法国的勒阿弗尔港首先用9m直径的圆筒设计和建造了长度为308m的帕斯基耶爱尔曼码头。从六十年代末到七十年代初，用大直径圆筒建造码头和防波堤，多采用装配式薄壳构件和预应力构件，马赛—弗斯港便是其中最明显的实例。另外，1970年在法国拉—帕利斯港用直径为11m的双圆筒结构建成1000m长的码头，它使得在单筒直径不大的情况下，能保证建筑物有较高的稳定性。在其他国家，大直径圆筒结构也得到了广泛应用。前苏联在1965年开始采用大直径圆筒结构建造码头，1969年在前苏联阿斯特拉罕建成的一座外接圆直径为7.5m的正多边形码头，减少了对大型起重设备的使用和依赖，使得这种竖向装配式结构在建设实践中具有了更强的生命力。
二十世纪八十年代初期，大直径钢圆筒作为一种护岸结构形式被引入我国。大直径钢圆筒在岸壁工程中可以直接插入软土地基中，避免了地基土体的大开挖或采用特殊的地基加固处理，而且能充分发挥地基对结构的稳定作用，在钢圆筒沉设完毕后结构自身即可满足稳定的要求，可作为后方陆域形成的围堰而不需专门修建临时围堰或接岸结构。因此，在某些特定的地质条件下，该结构在工期及造价上比其它传统结构型式具有较大的优势。举世瞩目的港珠澳大桥工程，在海上人工岛的建造过程中，采用了直径20多米的钢圆筒作为护岸结构。
欲将大直径钢圆筒插入软土地基中，需采用相应的下沉工艺。下沉工艺主要有重力压沉法和振动下沉法。重力压沉法就是利用自重和外加荷载将大直径圆筒压沉至设计高程，外加荷载可以是水箱压载、抽真空产生的荷载、或者两者同时作用，也可以辅以水冲、开挖等技术手段。振动下沉方法根据振动锤动力源的不同又分为电动和液压两种不同振动锤，电动振动锤依靠电机带动不能进行水下作业，对施工环境要求较高。液压振动锤不但可以进行水下作业，而且动力功率配置也比电动锤强劲。在某些情况下，大直径钢圆筒仅作为一种短期的护岸结构使用，在服役一段时间和外侧其他护岸结构形成后，出于经济环保等方面的考虑，常常需要将其移走，因此，原来下沉的钢圆筒需要进行上拔施工。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种中心对称电渗电极装置及其电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力方法，该中心对称电渗电极装置以土中大直径钢圆筒为阴极，以均布在钢圆筒的外侧和/或内侧的阳极工件为阳极，阴极以导线连接低压直流电源负极，阳极连接低压直流电源正极，在钢圆筒上拔之前，利用电渗作用将土中水体向阴极钢圆筒处汇集，从而减小钢圆筒与土体间的摩阻力。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种中心对称电渗电极装置，包括低压直流电源和阳极工件，所述低压直流电源的正极通过导线与阳极工件连接，所述低压直流电源的负极通过导线与钢圆筒连接，阳极工件以钢圆筒中心轴为中心，在钢圆筒的外侧和/或内侧形成阳极工件的圆形阵列，即阳极工件沿钢圆筒的圆周进行均匀分布。
在上述技术方案中，所述阳极工件以钢圆筒中心轴为中心，在钢圆筒的外侧和内侧形成阳极工件的圆形阵列，即阳极工件沿钢圆筒的圆周进行均匀分布。
在上述技术方案中，所述阳极工件与钢圆筒外壁距离为2-10m，优选为2-6m。
在上述技术方案中，所述低压直流电源与钢圆筒和阳极工件之间的导线上均设有开关，用于接通或断开低压直流电源与钢圆筒和阳极工件之间的连接。
在上述技术方案中，所述低压直流电源的电压为6伏-36伏。
在上述技术方案中，所述阳极工件插入土中深度与钢圆筒插入土中深度的差的绝对值小于钢圆筒插入土中深度值的30％。
在上述技术方案中，所述阳极工件和钢圆筒的长度相同，阳极工件插入土中深度与钢圆筒插入土中深度相同。
在上述技术方案中，所述阳极工件并联在一根环状的导线上，所述环状的导线与低压直流电源的正极相连。
在上述技术方案中，所述低压直流电源的正极通过导线与阳极工件连接，其中，一个阳极工件通过一根导线与低压直流电源连接。
用上述中心对称电渗电极装置进行电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力的方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将所述阳极工件以钢圆筒中心轴为中心，在钢圆筒的外侧和/或内侧打设形成阳极工件的圆形阵列，即阳极工件沿钢圆筒的圆周进行均匀分布；
在步骤1中，采用静压或振动下沉方法打设阳极工件。
在步骤1中，在钢圆筒的外侧和内侧均打设形成阳极工件的圆形阵列。
步骤2，将低压直流电源的正极通过导线与阳极工件连接，将所述低压直流电源的负极通过导线与钢圆筒连接，通以直流电后，使钢圆筒和阳极工件之间的土中水聚集在钢圆筒的外壁周围；
在步骤2中，用环氧树脂对步骤2中的连接处进行防腐蚀处理。
在步骤2中，将所述阳极工件并联在一根环状的导线上，将所述环状的导线与低压直流电源的正极相连。
在步骤2中，将所述低压直流电源的正极通过导线与阳极工件连接，其中，一个阳极工件通过一根导线与低压直流电源连接。
步骤3，接通低压直流电源，持续10分钟至120分钟后，切断低压直流电源，移除导线；
在步骤3中，接通低压直流电源，持续20分钟至60分钟后，切断低压直流电源。
步骤4，上拔钢圆筒，上拔阳极工件。
相比于现有技术，本发明的中心对称电渗电极装置以土为导电介质，打开低压直流电源和开关后，可以在在地基土中实现电渗，使得土中水体向阴极汇集，改变大直径钢圆筒附近土体的物理力学性质，减小钢圆筒与土体间的摩阻力，提高钢圆筒上拔效率。
附图说明
图1为本发明的中心对称电渗电极装置的结构示意图；
图2为本发明的中心对称电渗电极装置的俯视图；
图3为本发明的中心对称电渗电极装置的剖视图；
图4为模型槽的俯视图；
图5为模型槽的侧视图；
图6为钢圆筒入土深度为5cm时电流密度—摩阻力关系曲线；
图7为钢圆筒入土深度为10cm时电流密度—摩阻力关系曲线。
其中，1为低压直流电源，2为阳极工件，3为钢圆筒，4为导线，5为开关,6为模型槽的长，7为模型槽的宽，8为模型槽的高。
具体实施方式
大直径钢圆筒自身重量很大，因此其上拔施工较下沉施工更为困难，一般采用动力更为强劲的液压振动锤。钢圆筒上拔过程中的阻力主要是圆筒侧壁与地基土间的摩擦力(摩擦阻力)和重力。重力无法改变，因此减小上拔阻力的主要途径是减少圆筒侧壁与地基土间的摩擦力。土是固－液－气三相分散系。土的固相即土颗粒，其表面通常带有负电荷，在外加电场作用下，向电势高处运动，此现象称为电泳；土的液相即土中水，它极易和被溶解的物质如水中的阳离子结合成水化阳离子，在外加电场作用下，向电势低处运动，此现象称为电渗。电渗使得土中水分发生迁移，从而改变土体的物理力学性质，本发明正式利用这个原理减小钢圆筒与土体间的摩阻力。
下面结合附图和实施例对本发明的中心对称电渗电极装置及其电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力方法进行详细说明。
如图1-3所示，一种中心对称电渗电极装置，包括低压直流电源1和16根竖直的阳极工件2，阳极工件以钢圆筒3中心轴为中心，在钢圆筒的外侧和内侧打设形成阳极工件的圆形阵列(内侧和外侧阳极工件的数量相同，各8根)，即阳极工件沿钢圆筒的圆周进行均匀分布。其中，每8根阳极工件并联在一根环状的导线上，环状的导线与低压直流电源的正极相连，低压直流电源的负极通过导线与钢圆筒焊接连接，阳极工件为钢筋或钢管，阳极工件和钢圆筒的长度相同，阳极工件插入土中深度与钢圆筒插入土中深度相同。低压直流电源与钢圆筒和阳极工件之间的导线4上均设有开关5。在外加电场作用下，土中的水向电势低处运动，进行电渗。电渗使得土中水分发生迁移，从而改变钢圆筒周围土体的物理力学性质，减小钢圆筒与土体间的摩阻力。
根据本发明的中心对称电渗电极装置，本发明的实施例中进行了室内模型试验来测试其效果，所用到的仪器设备如下：加工的钢圆筒(直径220毫米，高397毫米)、长方体形的模型槽(如图4、5所示，其长5为500毫米、宽7为360毫米、高8为507毫米)；尼龙绝缘连接件；低压直流电源(PS-305D直流稳压电源)；4根钢筋(直径长35cm)；多股式导线。
室内模型试验实施例1
(1)装样：将试验用土(在本发明的实施例中，实验用土采自软土地基)装入模型槽内，厚度不小于25cm，装好后尽量整平土样表面；
(2)连接试验设备：将加工的钢圆筒通过尼龙绝缘连接件与试验机(岛津电子万能试验机)连接，其中，钢圆筒安装在尼龙绝缘连接件的下端，在试验机的测试平台上铺设塑料布，将模型槽放置在塑料布上，使模型槽的中心与其上方的钢圆筒中心正对；开动试验机，试验机(钢圆筒不通电的情况下)以10mm/min的速率将钢圆筒压入模型槽中的土样内5cm，拔起钢圆筒，对钢圆筒拔出过程的摩擦阻力(贯入力)进行测量。重新整平土样，试验机(钢圆筒不通电的情况下)再次以10mm/min的速率将钢圆筒压入模型槽中的土样内5cm。
(3)达到预定的入土深度后，按照本发明的方法打设钢筋、连接通电线路，具体步骤如下：
步骤1，在土中，在钢圆筒的内侧以钢圆筒的中心轴为中心径向均匀打设4根钢筋，钢筋与钢圆筒外壁距离4cm、入土4cm；
步骤2，连接通电线路：将4根钢筋并联在一根环状的导线上，将该环状的导线与低压直流电源的正极电连接，用于使钢筋的表面带正电荷；将低压直流电源的负极通过导线与钢圆筒焊接连接，用于使钢圆筒的表面带负电荷，以使钢圆筒和钢筋之间的土中水聚集在钢圆筒的外壁周围；连接后，用环氧树脂对焊接连接处进行防腐蚀处理。
步骤3，在稳定电压的情况下接通低压直流电源，持续10分钟，切断低压直流电源，拔起钢圆筒，对钢圆筒拔出过程的摩擦阻力进行测量。
按照上述方法，对不同电流大小下的钢圆筒拔出过程中的摩擦阻力进行测量。
步骤4，上拔钢圆筒，上拔钢筋。
室内模型试验实施例2
相比于室内模型试验实施例1，室内模型试验实施例2除了钢圆筒压入模型槽中的土样内的深度不同之外，其余均相同，在室内模型试验实施例2中钢圆筒压入模型槽中的土样内10cm。
本发明的模型试验实施例中根据钢圆筒最终入土深度的不同进行了两种情况下的试验：第一种情况下钢圆筒最终入土深度(钢圆筒底端和土表面的距离)为5cm、第二种情况下钢圆筒最终入土深度为10cm，每种情况均对不同电流密度大小时钢圆筒的侧壁摩阻力(贯入力)进行测量，如图6-7。由图可得，在钢圆筒压入模型槽中的土样内5cm的情况下，当电流密度为140(A/m2)时，单位面积摩擦阻力为1kPa，而在没有通电的情况下，其单位面积摩擦阻力为6kPa。在钢圆筒压入模型槽中的土样内10cm的情况下，当电流密度为70(A/m2)时，单位面积摩擦阻力为0.3kPa，而在没有通电的情况下，其单位面积摩擦阻力为7kPa。由此可知，单位面积的摩阻力随电流密度的增加而减小，即在通电后，本发明的中心对称电渗电极装置可减小钢圆筒与土体间的摩阻力，进而提高钢圆筒上拔效率。
根据上述室内模型试验结合本发明的技术方案进行中试，同样表现出与模拟试验相同的技术效果。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种中心对称电渗电极装置，其特征在于，包括低压直流电源和阳极工件，所述低压直流电源的正极通过导线与阳极工件连接，所述低压直流电源的负极通过导线与钢圆筒连接，阳极工件以钢圆筒中心轴为中心，在钢圆筒的外侧和/或内侧形成阳极工件的圆形阵列，其中，阳极工件沿钢圆筒的圆周进行均匀分布。
2.根据权利要求1所述的中心对称电渗电极装置，其特征在于，所述阳极工件以钢圆筒中心轴为中心，在钢圆筒的外侧和内侧形成阳极工件的圆形阵列，即阳极工件沿钢圆筒的圆周进行均匀分布。
3.根据权利要求1所述的中心对称电渗电极装置，其特征在于，所述阳极工件与钢圆筒外壁距离为2-10m，优选为2-6m，所述低压直流电源的电压为6伏-36伏。
4.根据权利要求1所述的中心对称电渗电极装置，其特征在于，所述低压直流电源与钢圆筒和阳极工件之间的导线上均设有开关，用于接通或断开低压直流电源与钢圆筒和阳极工件之间的连接。
5.根据权利要求1所述的中心对称电渗电极装置，其特征在于，所述阳极工件插入土中深度与钢圆筒插入土中深度的差的绝对值小于钢圆筒插入土中深度值的30％；优选为所述阳极工件和钢圆筒的长度相同，阳极工件插入土中深度与钢圆筒插入土中深度相同。
6.根据权利要求1所述的中心对称电渗电极装置，其特征在于，所述阳极工件并联在一根环状的导线上，所述环状的导线与低压直流电源的正极相连。
7.根据权利要求1所述的中心对称电渗电极装置，其特征在于，所述低压直流电源的正极通过导线与阳极工件连接，其中，一个阳极工件通过一根导线与低压直流电源连接。
8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的中心对称电渗电极装置进行电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，将所述阳极工件以钢圆筒中心轴为中心，在钢圆筒的外侧和/或内侧打设形成阳极工件的圆形阵列，即阳极工件沿钢圆筒的圆周进行均匀分布；
步骤2，将低压直流电源的正极通过导线与阳极工件连接，将所述低压直流电源的负极通过导线与钢圆筒连接，通以直流电后，以使钢圆筒和阳极工件之间的土中水聚集在钢圆筒的外壁周围；
步骤3，接通低压直流电源，持续10分钟至120分钟后，切断低压直流电源，移除导线；
步骤4，上拔钢圆筒，上拔阳极工件。
9.根据权利要求8所述的中心对称电渗电极装置进行电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力的方法，其特征在于，在步骤1中，采用静压或振动下沉方法打设阳极工件；在步骤1中，在钢圆筒的外侧和内侧均打设形成阳极工件的圆形阵列；在步骤2中，用环氧树脂对步骤2中的连接处进行防腐蚀处理；在步骤2中，将所述阳极工件并联在一根环状的导线上，将所述环状的导线与低压直流电源的正极相连。
10.根据权利要求8所述的中心对称电渗电极装置进行电渗减小大直径钢圆筒上拔阻力的方法，其特征在于，在步骤2中，将所述低压直流电源的正极通过导线与阳极工件连接，其中，一个阳极工件通过一根导线与低压直流电源连接；在步骤3中，接通低压直流电源，持续20分钟至60分钟后，切断低压直流电源。
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