CN106988297A - 电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法。通过深层搅拌机械将工业废渣混合粉料与软黏土强制搅拌成桩，在搅拌桩桩体内和桩体旁边分别插入钢花管作为阴极，在桩周土体内插入石墨电极作为阳极，然后通以低压直流电。在电场作用下，带正离子的极性水分子由阳极向阴极附近流动，通过阴极钢花管抽排水，桩周土快速固结压密，强度增加；同时，电渗过程中阴极产生大量OH^‑离子并聚集在阴极附近，工业废渣混合粉料在碱激发作用下不断生成硅酸盐及硅铝酸盐凝胶，使得桩体强度大幅度提高。本发明施工工艺简单，可操作性强，地基加固效果显著，而且仅利用工业废渣作为桩体固化剂，无需外掺碱性激发剂，节能环保，经济性明显。

Description

电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法

所属领域

本发明涉及一种加固软黏土地基的方法，尤其涉及一种电渗联合碱激发加固软黏土地基及其施工方法，主要适用于淤泥地基、吹填土地基等的处理，属于岩土工程技术领域。

背景技术

碱激发胶凝材料主要以硅铝质工业固体废弃物(如粉煤灰、矿渣、钢渣、赤泥)为原料，在常温或稍高温度环境下通过碱激活剂作用，由解聚到缩聚形成的一种以离子键和共价键为主，由[SiO₄]和[AlO₄]四面体结构单元通过共用氧交替键合而构成的具有三维空间网状结构的聚硅铝酸盐凝胶。该材料的独特结构，使其具有许多硅酸盐水泥基材料难以达到的优异性能，在力学性能、体积稳定性、耐化学侵蚀、耐高温及固定重金属等方面尤为突出，且其能耗低、排放少，被认为是一种具有广阔应用前景的新型低碳胶凝材料。但在制备过程中，为了提高硅铝质原料的溶出，需要掺加大量苛性碱、水玻璃等碱激发剂，这将导致硬化产物出现严重的析碱、泛碱现象，并对周围环境造成一定的污染，且强碱性激发剂生成成本高，限制了其在土体固化中的应用。

电渗法是在地基中插入阴阳电极并通以低压直流电，通过产生电动效应来提高软黏土强度的一种软基加固方法。电动效应主要表现为电渗与电泳，在直流电场作用下，土体孔隙中带正离子的极性水分子将从阳极流向阴极形成电渗，通过阴极管抽排水，可以加快软土固结，而带负电荷的土颗粒向阳极移动形成电泳，土颗粒沉积在阳极附近，使得阳极附近的土体加密，强度增加。该法施工荷载小，排水速度主要取决于电力渗透性能而非土体的水力渗透性能，可以快速排出土体中的自由水和部分弱结合水。此外，该法无需水泥、砂石等建筑材料，施工过程中无粉尘污染、无噪音，且无需大型的施工机械。但电渗法也会存在电极损耗严重、地基土体处理不均等缺点，而且处理周期相对较长，处理后强度提高有限。

在本发明之前，中国专利“联合化学溶液注入电渗法处理软土地基及其施工方法”(ZL 201110083840.5)公开了一种化学溶液注入电渗法加固软黏土地基的施工方法，在地基中插入金属电极并分别在阴阳电极中注入硅酸钠溶液和氯化钙溶液，然后通以直流电，形成电渗和化学反应，从而降低土中含水率，加速地基土固结压密，且化学反应所产生的沉淀物对土体颗粒起到一定的胶结作用。相对于普通电渗法，该法可以有效提高渗透速率、缩短工期、提高处理后土体强度，但仍然存在施工周期较长、地基土体处理不均等缺点，而且电极附近注入大量的硅酸钠和氯化钙溶液，增加了处理费用。中国专利“一种淤泥地基的真空预压-电渗联合加固装置及方法”(ZL 201210219013.9)公开了一种利用无砂垫层真空预压联合电渗法处理超软淤泥地基的装置及方法，真空预压在前期作用，排出土体中的大部分自由水，电渗介入后可进一步排出单纯真空预压作用无法排出的部分自由水和弱结合水，该法虽然处理效果较为理想，但施工工艺复杂且工期长。中国专利“一种化学溶液注入电渗法联合碎石桩处理软土地基的施工方法”(ZL 201110083345.4)公开了一种化学溶液注入电渗法联合碎石桩复合地基方法，首先在软弱土地基中打入碎石桩，然后在碎石桩内插入金属电极并注入化学溶液，最后通以直流电，土体中水及化学溶液形成电渗和化学反应，软弱土体中的水从碎石桩顶部排出，化学反应所产生的沉淀物对碎石桩体和土体都起到一定的胶结作用。该方法同时在土体内增设竖向增强体和化学电渗土体，可有效地提高复合地基处理强度，但化学反应生成的沉淀物在碎石桩体中分布不均，且对桩体强度提高有限，在较大荷载作用下会导致整体沉降过大。此外，通过金属电极注入大量硅酸钠和氯化钙溶液不仅增加处理成本，还会对土体环境造成一定的污染。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有碱激发胶凝材料固化软黏土时消耗大量强碱性激发剂，固化成本高，对土体环境造成一定的污染；普通电渗法存在处理周期相对较长，地基土体处理不均且处理后强度增加有限等缺陷，提出一种电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法。本发明将电渗法施工与工业废渣搅拌桩施工结合起来，通过电渗及碱激发作用实现桩体及桩周土体的共同增强效果，处理后地基承载力大幅度提高，工后沉降显著降低。

技术方案：本发明的一种电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法，通过深层搅拌机械将工业废渣混合粉料与软黏土强制搅拌成搅拌桩，在搅拌桩桩体内和桩体旁边分别插入钢花管作为阴极，在桩周土体内插入抗氧化石墨电极作为阳极，然后通以低压直流电，通过阴极钢花管抽排水，桩周土快速固结压密；同时电渗过程中阴极产生大量OH^-离子并聚集在阴极附近，工业废渣混合粉料在碱激发作用下不断生成硅酸盐及硅铝酸盐凝胶，从而使得桩体强度大幅度提高。

所述的工业废渣混合粉料是由粉煤灰、粒化高炉矿渣和钢渣经过自然风干、磨细活化分选后制得的高活性微粉，其原料的质量百分比为：50％～70％低钙粉煤灰微粉、15～25％粒化高炉矿渣微粉、15～25％钢渣微粉，细度均控制在400～600m²/kg，搅拌桩中混合粉料掺量为10％～15％。

所述的钢花管带有锥头，钢花管外径为30～50mm，壁厚为2～4mm，在软黏土以下部分钢花管周身梅花形布置孔径为5～8mm的排水孔并包裹导电滤布，在地基以上部分设置排气孔。

所述的钢花管插设深度为设计桩底以下1.5～2.0m，且露出地面0.2～0.5m。

所述的石墨电极外面涂有抗氧化剂，其直径为20～40mm，长度与阴极钢花管相同。

该方法采用的具体步骤如下：

1)清表回填，施工放样，利用深层搅拌机械将工业废渣混合粉料与原位软黏土强制搅拌成桩；

2)利用桩机液压在搅拌桩桩体中心和桩体旁边分别压入钢花管作为阴极，并将石墨电极压入桩周土体作为阳极，钢花管和石墨电极采用平行错位方式布置；

3)沿阴极布置PVC排水支管，并将其通过塑料软管和管件接头分别与阴极钢花管和PVC排水总管相连接，然后将PVC排水总管与射流泵连接；

4)将石墨电极、阴极钢花管分别通过电缆线串联起来，并分别与直流电源的正负极连接；

5)接通直流电源，利用射流泵抽出电渗至阴极钢花管内的地下水，电渗施工采用间歇通电方式，每通电8～10h，间歇4～5h；

6)随着通电时间的持续，阴极处的工业废渣搅拌桩桩体强度逐渐提高，阳极附近的桩周土体含水量降低，土体强度不断增加，当电渗排水量明显减小或者搅拌桩桩体强度达到设计值时，即可停止电渗施工，完成软黏土地基加固；

7)清理施工场地，拆除排水管道和电缆线，拔出抗氧化石墨电极和钢花管以供重复使用。

有益效果：将电渗法与工业废渣搅拌桩结合起来，通过电渗及碱激发作用实现了桩体及桩周土体的共同增强效果，大幅度提高了软黏土地基强度。与常规搅拌桩技术相比，本发明的桩体固化剂采用价格低廉的工业废渣混合料，并利用电渗过程中阴极产生的大量OH^-离子实现碱激发作用，无需外掺高成本的碱性激发剂，即可得到承载性能与耐久性能较高的桩体，同时，电渗和电泳作用还有效提高了阳极附近的桩周土体强度。本发明不仅施工工艺简单，可操作性强，地基加固效果显著，而且节能环保，经济性明显。

附图说明

图1为本发明的结构布置示意图。

图2为本发明的施工布置平面示意图。

图中：1为钢花管，2为排水孔，3为导电滤布，4为排气孔，5为石墨电极，6为工业废渣搅拌桩桩体，7为回填土，8为桩周土体，9为PVC排水支管，10为塑料软管，11为管件接头，12为PVC排水总管，13为射流泵，14为电缆线，15为直流电源。

具体实施方式

通过深层搅拌机械将工业废渣混合粉料与软黏土强制搅拌成桩，在搅拌桩桩体内和桩体旁边分别插入钢花管作为阴极，在桩周土体内插入抗氧化石墨电极作为阳极，然后通以低压直流电。在直流电场作用下，土体孔隙中带正离子的极性水分子由阳极向阴极附近流动形成电渗，通过阴极钢花管抽排水，桩周土快速固结压密；带负电荷的土颗粒向阳极移动形成电泳，土颗粒沉积在阳极附近，使桩周土体加密，强度显著提高。与此同时，电渗过程中阴极产生大量OH^-离子并聚集在阴极附近，致使搅拌桩桩体内pH值大幅度增加而呈强碱性，工业废渣混合粉料在碱激发作用下不断生成硅酸盐及硅铝酸盐凝胶，从而使得桩体强度大幅度提高。

本发明的工业废渣混合粉料是由粉煤灰、粒化高炉矿渣和钢渣经过自然风干、磨细活化分选后制得的高活性微粉，其原料配方(质量百分比)：50％～70％低钙粉煤灰微粉、15～25％粒化高炉矿渣微粉、15～25％钢渣微粉，细度均控制在400～600m²/kg，工业废渣搅拌桩中混合粉料掺量为10％～15％。

本发明的阴极采用带有锥头的钢花管，其外径为30～50mm，壁厚2～4mm，在软黏土以下部分钢花管周身梅花形布置孔径为5～8mm的排水孔并包裹导电滤布，在地基以上部分设置若干排气孔，以排出电极周围电解产生的气体，增加电渗效率。钢花管插设深度为设计桩底以下1.5～2.0m，且露出地面0.2～0.5m。为了减少电渗过程中阳极腐蚀和电能损耗，本发明的阳极采用外面涂有抗氧化剂的圆形石墨电极，其直径为20～40mm，长度与阴极钢花管相同。

本发明技术方案的施工方法，其主要技术步骤为：

(1)清表回填，施工放样，利用深层搅拌机械将工业废渣混合粉料与原位软黏土强制搅拌成桩；

(2)利用桩机液压在搅拌桩桩体中心和桩体旁边分别压入钢花管作为阴极，并将石墨电极压入桩周土体作为阳极，钢花管和石墨电极采用平行错位方式布置；

(3)沿阴极布置PVC排水支管，并将其通过塑料软管和管件接头分别与阴极钢花管和PVC排水总管相连接，然后将PVC排水总管与射流泵连接；

(4)将石墨电极、阴极钢花管分别通过电缆线串联起来，并分别与直流电源的正负极连接；

(5)接通直流电源，利用射流泵抽出电渗至阴极钢花管内的地下水，电渗施工采用间歇通电方式，每通电8～10h，间歇4～5h；

(6)随着通电时间的持续，阴极处的工业废渣搅拌桩桩体强度逐渐提高，阳极附近的桩周土体含水量降低，土体强度不断增加，当电渗排水量明显减小或者搅拌桩桩身强度达到设计值时，即可停止电渗施工，完成软黏土地基加固；

(7)清理施工场地，拆除排水管道和电缆线，拔出抗氧化石墨电极和钢花管以供重复使用。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

如图1和2所示，阴极采用带有锥头的钢花管1，其外径为30～50mm，壁厚2～4mm，在软黏土以下部分钢花管1周身梅花形布置孔径为5～8mm的排水孔2并包裹导电滤布3，在地基以上部分设置若干排气孔4，以排出电极周围电解产生的气体，增加电渗效率。钢花管1插设深度为设计桩底以下1.5～2.0m，且露出地面0.2～0.5m。为了减少电渗过程中阳极腐蚀和电能损耗，阳极采用外面涂有抗氧化剂的圆形石墨电极5，其直径为20～40mm，长度与阴极钢花管1相同。

本发明所述的工业废渣混合粉料是由粉煤灰、粒化高炉矿渣和钢渣经过自然风干、磨细活化分选后制得的高活性微粉，其原料配方(质量百分比)：50％～70％低钙粉煤灰微粉、15～25％粒化高炉矿渣微粉、15～25％钢渣微粉，细度均控制在400～600m²/kg，工业废渣搅拌桩6中混合粉料掺量为10％～15％。

实施时，先清理地表及回填土方7，然后施工放样，利用深层搅拌机械将预先配制好的工业废渣混合粉料与原位软黏土强制搅拌成桩；利用桩机液压在搅拌桩桩体6中心和桩体6旁边振动沉入带有锥头的钢花管1作为阴极，并将抗氧化石墨电极5振动压入桩周土体8作为阳极，钢花管1和石墨电极5采用平行错位方式布置，阴阳电极间距为1.2～1.8m；沿阴极布置PVC排水支管9，并将其通过塑料软管10和管件接头11分别与阴极钢花管1和PVC排水总管12相连接，然后将PVC排水总管12与射流泵13连接；将石墨电极5、阴极钢花管1分别通过电缆线14串联起来，并分别与直流电源15的正负极连接；接通直流电源15，通以80V左右的直流电压，并利用射流泵13抽出电渗到阴极钢花管1附近的地下水，电渗施工时采用间歇通电方式，每通电8～10h，间歇4～5h；随着通电时间的持续，阴极处的工业废渣搅拌桩桩体6强度逐渐提高，阳极附近的桩周土体8含水量降低，土体强度不断增加，当电渗排水量明显减小或者搅拌桩桩体6强度达到设计值时，即可停止电渗施工，完成软黏土地基加固过程；清理施工场地，拆除PVC排水支管9、PVC排水总管12和电缆线14，拔出抗氧化石墨电极5和钢花管1以供重复使用。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法，其特征在于：通过深层搅拌机械将工业废渣混合粉料与软黏土强制搅拌成搅拌桩，在搅拌桩桩体内和桩体旁边分别插入钢花管作为阴极，在桩周土体内插入抗氧化石墨电极作为阳极，然后通以低压直流电，通过阴极钢花管抽排水，桩周土快速固结压密；同时电渗过程中阴极产生大量OH^-离子并聚集在阴极附近，工业废渣混合粉料在碱激发作用下不断生成硅酸盐及硅铝酸盐凝胶，从而使得桩体强度大幅度提高。

2.根据权利要求1所述的电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法，其特征在于：所述的工业废渣混合粉料是由粉煤灰、粒化高炉矿渣和钢渣经过自然风干、磨细活化分选后制得的高活性微粉，其原料的质量百分比为：50％～70％低钙粉煤灰微粉、15～25％粒化高炉矿渣微粉、15～25％钢渣微粉，细度均控制在400～600m²/kg，搅拌桩中混合粉料掺量为10％～15％。

3.根据权利要求1所述的电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法，其特征在于：所述的钢花管带有锥头，钢花管外径为30～50mm，壁厚为2～4mm，在软黏土以下部分钢花管周身梅花形布置孔径为5～8mm的排水孔并包裹导电滤布，在地基以上部分设置排气孔。

4.根据权利要求1或3所述的电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法，其特征在于：所述的钢花管插设深度为设计桩底以下1.5～2.0m，且露出地面0.2～0.5m。

5.根据权利要求1所述的电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法，其特征在于：所述的石墨电极外面涂有抗氧化剂，其直径为20～40mm，长度与阴极钢花管相同。

6.根据权利要求1所述的电渗联合碱激发加固软黏土地基的施工方法，其特征在于该方法采用的具体步骤如下：

1)清表回填，施工放样，利用深层搅拌机械将工业废渣混合粉料与原位软黏土强制搅拌成桩；

2)利用桩机液压在搅拌桩桩体中心和桩体旁边分别压入钢花管作为阴极，并将石墨电极压入桩周土体作为阳极，钢花管和石墨电极采用平行错位方式布置；

3)沿阴极布置PVC排水支管，并将其通过塑料软管和管件接头分别与阴极钢花管和PVC排水总管相连接，然后将PVC排水总管与射流泵连接；

4)将石墨电极、阴极钢花管分别通过电缆线串联起来，并分别与直流电源的正负极连接；

5)接通直流电源，利用射流泵抽出电渗至阴极钢花管内的地下水，电渗施工采用间歇通电方式，每通电8～10h，间歇4～5h；

6)随着通电时间的持续，阴极处的工业废渣搅拌桩桩体强度逐渐提高，阳极附近的桩周土体含水量降低，土体强度不断增加，当电渗排水量明显减小或者搅拌桩桩体强度达到设计值时，即可停止电渗施工，完成软黏土地基加固；

7)清理施工场地，拆除排水管道和电缆线，拔出抗氧化石墨电极和钢花管以供重复使用。