CN105714763B - 一种季节性冻胀地基处理方法及处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种季节性冻胀地基处理方法及处理装置，其中处理方法的步骤为：在待处理地基上打伸入地基活动层底部的钻孔；在所述钻孔内注入盐溶液；在注入盐溶液的相邻两钻孔内各插入一个电极，并在两电极间施加电压对两钻孔间的活动层进行电解。在电解时，以每三个钻孔为一个施工循环，阳极位于两阴极之间，循环内阳极不动，阴极换位。本发明方法电解所产生的气体以气泡或者气体通道形式长期滞留在土体孔隙当中，占据了原有孔隙水渗流通道，导致土体渗透系数减小，阻碍了下部富水土层对活动层冻结锋面的水分补给，造成分凝冻胀量减小，并减弱了传统盐化方法中盐分随地下水渗流的损失。

Description

一种季节性冻胀地基处理方法及处理装置

技术领域

本发明涉及一种地基冻胀危害的处理方法及装置，具体涉及一种利用电解与盐化相结合的处理冻胀的处理方法及装置。

背景技术

我国约有98.9%的面积分别被不同类型的冻土所覆盖，对工程建设影响较大的冻土区的面积占全国面积的75%，而季节冻土占我国国土面积的53.5%。季节冻土是一种含冰晶的特殊土水体系，外界温度变化会引起土体状态发生改变，存在冬冻夏融的季节活动层，工程灾害中普遍关注的是季节冻土活动层的冻胀问题。冻胀是由于土中水的冻结和冰体(特别是凸镜状冰体)的增长引起土体膨胀、地表不均匀隆起的作用。从机理出发，冻胀可分为原位冻胀与分凝冻胀，其中原位冻胀引起的冻胀量十分微小，分凝冻胀才是构成土体冻胀的主要组成，其冻胀机理主要分为两个物理过程：土中水分迁移与成冰作用。活动层的冻融循环改变了冻土地基表层土体结构性能和承载能力，使其产生变形、冻胀、沉降、裂缝等，给冻土区工程的建设和运营所带来的不可忽视的危险和灾害。

目前工程上主要治理地基冻胀的方法有：机械法（换填、强夯）、热物理法（隔热层）、物理化学法（盐化、添加憎水物）等。换填是指将容易产生冻胀的细颗粒土用粗砂、砾石等非冻胀性土体材料置换，以消除或削弱天然地基的冻胀性；强夯是指提高土体密实程度，将部分孔隙水排出，减缓冻胀；设置隔热层是通过设置具有一定刚度的土工织物或泡沫材料改变其下土层中的温度进程，改变水分迁移的方向，消除冻胀；盐化是指在活动层中添加盐分，降低孔隙水冰点，对土体冻胀规律进行改良；添加憎水物是指向土体中掺入少量憎水性物质，使土颗粒表面具有良好的憎水性，从而削弱或消除地表水下渗及阻止地下水上移，使土体的含水量减少，以达到削弱冻胀的目的。

工程实践表明，传统方法均可以到达一定的处理冻胀的效果。但是工程应用中仍存在不少问题，归纳起来主要有：

（1）换填对材料要求严格，不一定能够就地取材，且施工量巨大，造价过高；

（2）强夯有效处理深度有限，且易对附近既有建筑物造成振动损坏；

（3）隔热层容易受到腐蚀及外力的破坏，处理效果随冻融循环次数衰减；

（4）盐化处理后，由于浓度梯度的不同造成盐分扩散，且渗流对其稳定性影响巨大，处理效果随时间衰减；

（5）添加憎水物如工业凡士林、渣油等，属于工业原料对环境不利。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对传统处理冻胀地基的不足，提出一种盐化电解处理地基的操作方法。

技术方案：

一种季节性冻胀地基处理方法，其特征在于，步骤为：

在待处理地基上打伸入地基活动层底部的钻孔；

在所述钻孔内注入盐溶液；

在注入盐溶液的相邻两钻孔内各插入一个电极，并在两电极间施加电压对两钻孔间的活动层进行电解。

在电解时，以每三个钻孔为一个施工循环，阳极位于两阴极之间，循环内阳极不动，阴极换位。

所述钻孔的孔距为3~4m。

所述盐溶液的浓度为0.4~1.2 mol/l。

所述注入盐溶液的流量为0.2~1.2 l/min，单孔注入溶液的持续时间为10~15分钟。

所述电解的电解电压为6~36v，电流为0.2~1.2A，电解时间为10~15分钟。

一种季节性冻胀地基处理装置，其特征在于：包括盐化装置和电解装置，所述盐化装置包括压缩机、储罐、导管以及具有喷液孔的喷液管，所述导管一端通过所述压缩机与所述储罐连接，导管的另一端与所述喷液管连接，在所述导管上设置有流量表、压力表和控制阀门；所述电解装置包括由直流电源、连接在直流电源两极的导线以及连接在每根导线末端的电极构成的电解回路，在该电解回路上设置有电闸刀、电流表以及电压表。

所述喷液管和电极为同一空心金属管。

在与所述直流电源阳极连接的导线上设置有电闸刀，在与所述直流电源阴极连接的导线上设置有电流表，在两个电极之间设置有电压表。

所述空心金属管由前段、尾段与若干节中间段组成，各段用螺纹连接，在前段与中间段金属管表面设有若干直径为0.8~1.2mm的喷液孔。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）主要针对季节性冻土活动层，注入盐水降低土体孔隙水结冰点，导致处理区内土体在冬季冻结时间较短或者不冻结。

2）由于电解所产生的气体以气泡或者气体通道形式长期滞留在土体孔隙当中，占据了原有孔隙水渗流通道，导致土体渗透系数减小，阻碍了下部富水土层对活动层冻结锋面的水分补给，造成分凝冻胀量减小，并减弱了传统盐化方法中盐分随地下水渗流的损失。

3）电解注气后，土体饱和度降低。由于气体具有较强压缩性，若冬季温度低于含盐孔隙水的冰点，孔隙水冻结体积膨胀，可在孔隙内部压缩气体体积，使土体总体积膨胀趋势减小，土体冻胀现象减弱。

4）盐化与电解相结合，盐分极大降低两电极之间土体孔隙水电阻率，电解电压不需太大即可产生较大电流，完成电解过程，产生足量气体，不仅节约电能，还可保证施工安全。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2活动层盐化操作示意图；

图3活动层电解操作示意图；

图4 空心金属管构造示意图；

图5为电极钻孔平面布置示意图；

其图中有：活动层1，钻孔2，不冻土层3，空心金属管4，连接器5，导管6，流量表7，压力表8，控制阀门9，压缩机10，储罐11，导线夹12，电压表13，导线14，电流表15，电闸刀16，直流电源17，前段41，中间段42，尾段43。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

如图1、图2和3所示，一种季节性冻胀地基的处理装置，包括空心金属管4，连接器5，导管6，流量表7，压力表8，控制阀门9，压缩机10，储罐11，导线夹12，电压表13，导线14，电流表15，电闸刀16以及直流电源17。其中，空心金属管4通过钻机打入活动层底部并在盐化与电解过程中分别充当喷液管与电极。

空心金属管4由前段41、尾段43与若干节中间段42拼接组成，前段包括长40~50cm且直径为60~70mm的不锈钢管和高度为14~16cm实心钢锥组成，中间段与后段为与前段相同的不锈钢管，前段与中间段钢管表面设有若干直径为0.8~1.2mm的喷液孔，钢管与钢锥表面均有镀有红铜，三段用螺纹连接，详见图4。空心金属管分段为适应不同厚度活动层，达到充分注盐效果；高度为15cm实心钢锥为提高钻孔效率而设置；喷气孔直径选取0.8~1.2mm，为防止在喷液完成后粗颗粒土体回流进入喷气头内部形成堵塞体，影响喷液效果；表面镀有红铜提高电极电解效果，防止盐分腐蚀并保证产气速率；电极尾端设置内螺纹，与钻机相连。

导管6为承压导管，内径为50～60mm，管壁厚度为2.5～3.5mm，设计承压值大于400kPa的PVC管。PVC管的设计承压值在满足正常注盐水压力的同时，还应满足引起管内压力升高的特殊情况，如空心金属管堵塞，损坏等。

直流电源17的电压电流值均可从0~额定值（原则上不超过36v）连续可调，恒压状态恒流状态自动转换。电压在36v以内，确保施工人员生命安全。

本发明的处理方法，具体操作步骤如下：

1）根据地质勘察结果与当地气候特点，了解场地地基活动层的位置和深度，确定空心金属管4的钻孔的深度；

2）电极孔定位：如图5所示，钻孔2采用梅花形布置在活动层1上，钻孔2间距为3~4m；

3）埋设电极：利用钻机将空心金属管4垂直钻入活动层，使空心金属管4与活动层底部对齐，并使空心金属管4顶部露出地表；

4）注盐：将空心金属管4以上部分拆除，确保空心金属管4顶部裸露出地表，利用连接器5将导管6将空心金属管4相连，利用导管6将压缩机10与储罐11相连，并在压缩机10与空心金属管4之间设置压力表8、流量表7，如图2所示；利用压缩机10将盐水注入土体，压力从0kPa开始增加，观察流量表7读数，流量应控制在0.2~1.2 l/min，单次持续时间为10~15分钟，盐水为除氯盐外的部分可溶性盐溶液，其浓度宜为0.4~1.2 mol/l；

5）电解：利用导线14与导线夹12将直流电源17两极与两空心金属管4分别相连，电流表15串联于直流电源17与阳极之间，电压表13与两空心金属管4并联，通电进行电解，如图3所示；电解电压一般为6~36v，电流为0.2~1.2A，电解时间为10~15分钟，电解时施工人员需站在直流电源旁的绝缘板上进行，以免电压过大发生意外；

6）电极换位：在同一电解时间内阴极产生气体为阳极两倍，施工时不能按照“一阴一阳”的顺序进行施工，应以每三孔为一个施工循环，阳极位于两阴极之间，具体布点见图5，循环内第一次电解完成后，阳极保持原位，将阴极拔出，回填钻孔，按照步骤3钻入与阳极的等距相邻孔位，再按照步骤4、5进行注盐与电解；

7）重复步骤3、4、5、6，直至钻孔全部施工完毕；

8）机械拆除，施工完毕。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种季节性冻胀地基处理方法，其特征在于，步骤为：

在待处理地基上打伸入地基活动层底部的钻孔；

在所述钻孔内注入盐溶液；

在注入盐溶液的相邻两钻孔内各插入一个电极，并在两电极间施加电压对两钻孔间的活动层进行电解。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：在电解时，以每三个钻孔为一个施工循环，阳极位于两阴极之间，循环内阳极不动，阴极换位。

3.根据权利要求1或2所述的处理方法，其特征在于：所述钻孔的孔距为3~4m。

4.根据权利要求1或2所述的处理方法，其特征在于：所述盐溶液的浓度为0.4~1.2mol/l。

5.根据权利要求1或2所述的处理方法，其特征在于：所述注入盐溶液的流量为0.2~1.2l/min，单孔注入溶液的持续时间为10~15分钟。

6.根据权利要求1或2所述的处理方法，其特征在于：所述电解的电解电压为6~36v，电流为0.2~1.2A，电解时间为10~15分钟。

7.一种用于权利要求1所述的季节性冻胀地基处理方法的季节性冻胀地基处理装置，其特征在于：包括盐化装置和电解装置，所述盐化装置包括压缩机、储罐、导管以及具有喷液孔的喷液管，所述导管一端通过所述压缩机与所述储罐连接，导管的另一端与所述喷液管连接，在所述导管上设置有流量表、压力表和控制阀门；所述电解装置包括由直流电源、连接在直流电源两极的导线以及连接在每根导线末端的电极构成的电解回路。

8.根据权利要求7所述的处理装置，其特征在于：所述喷液管和电极为同一空心金属管。

9.根据权利要求7所述的处理装置，其特征在于：在与所述直流电源阳极连接的导线上设置有电闸刀，在与所述直流电源阴极连接的导线上设置有电流表，在两个电极之间设置有电压表。

10.根据权利要求8所述的处理装置，其特征在于：所述空心金属管由前段、尾段与若干节中间段组成，各段用螺纹连接，在前段与中间段金属管表面设有若干直径为0.8~1.2mm的喷液孔。