CN107724379B - 一种电化学-真空预压加固软基的方法 - Google Patents

一种电化学-真空预压加固软基的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电化学‑真空预压加固软基的方法，所述方法首先采用电化学注浆使得碳酸钠溶液和氯化钙溶液形成胶结结晶，将细小粘土颗粒胶结为大颗粒；其次，结合真空预压将进行排水固结。本发明所述电化学‑真空预压加固软基的方法通过析出碳酸钙结晶使得细小粘土颗粒变成较大粘土颗粒，土体的渗透性增大，改善了真空预压的排水效果；本发明所述方法对于低渗透性的软基土采用电渗法注入化学溶液，促进了化学溶液的渗入，加快了其化学反应，能够均匀、充分改变土颗粒大小，加固后土体强度更加均匀；本发明所述方法中的注浆材料绿色经济，析出的碳酸钙晶体绿色无害，材料利用率高，有效节约了软基土的处理费用。

Description

一种电化学-真空预压加固软基的方法
技术领域
本发明属于地基土体加固技术领域，涉及一种加固地基的方法，具体为一种能够改变软粘土颗粒粒径大小及真空预压加固软基的电化学-真空预压加固软基的方法。
背景技术
软弱地基的排水固结是人类社会发展中的一个重要工程问题。随着社会经济的不断发展，基建用地需求不断增大，对高含水量、高压缩性、低渗透性及低强度软弱地基的开发利用变得越来越重要。目前工程上加固软弱地基的常规处理方法有堆载预压法、真空预压法、化学灌浆法、电渗法以及真空-电渗法。
现有技术一的技术方案
堆载预压法主要通过先在软基中不同部位施打塑料排水板或袋装砂井，然后在软基上堆载，增加土体中的附加应力，对软基进行预压。地基在预压荷载作用下排水固结，地基强度得以提高。
现有技术一的缺点
该加固方法施工工期长，工程造价较高，加固过程中需要控制一定的堆载速率，施工有一定困难；而且当软粘土土层厚度较大时，堆载预压处理效果不佳。
现有技术二的技术方案
真空预压法首先将塑料排水板插入软土地层内，形成软土层的竖向排水通道，利用地表砂，形成水平方向排水通道，再在地表砂层上覆盖不透气的密封薄膜，使软土地层与大气隔绝形成密封系统，然后用胶皮管将埋设在砂垫层内的主管与抽真空设备连成一体，利用抽真空装置将膜下空气抽出，使土体与排水通道、垫层之间形成压差，在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由塑料排水板、砂层和主、支滤管排出膜外，从而使土体固结压密。
现有技术二的缺点
该方法由于塑料排水板易淤堵、土体加固后真空度传递受阻导致了真空预压法后期处理效率降低，下部土体处理效果不明显，施工前往往需要二次处理，工程造价较高。
现有技术三的技术方案
化学灌浆法是通过将化学薄浆注入土壤孔隙或者直接与土壤混合来增强其强度，从而减弱土壤的渗透性。
现有技术三的缺点
该方法易对环境造成危害且成本通常很高，工程应用价值小，有些国家已经采取措施禁止使用化学灌浆技术用来加固地基土。
现有技术四的技术方案
电渗法通过在地基土中插入金属电极，并通以直流电，在电场作用下，土中水从阳极流向阴极并在阴极将其排出，从而降低了高粘性土的含水率，改善了地基土的强度。
现有技术四的缺点
该方法存在金属电极易腐蚀、电量和电极消耗较大等问题，电渗过程中逸出的气泡影响加固效果。
现有技术五的技术方案
真空-电渗法主要通过前期使用真空预压法加固软土地基，抽出土体孔隙中的部分自由水；后期真空预压法加固效果逐渐减弱时采用电渗法，同时抽真空不停止。电渗法促使土体孔隙中的部分自由水和弱结合水排出，可以进一步改善地基土的加固效果。
现有技术五的缺点
该方法所使用的导电塑料排水板易弯折，排水效果不佳特别是后期排水能力明显下降，加固后土体强度不均匀。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的缺陷，针对上述软弱地基加固技术中存在的诸多问题，获得一种能够快速、高效、绿色、经济的软基加固方案，本发明提供了一种电化学-真空预压加固软基的方法。
技术方案：一种电化学-真空预压加固软基的方法，所述方法首先采用电化学注浆使得碳酸钠溶液和氯化钙溶液形成胶结结晶，将细小粘土颗粒胶结为大颗粒；其次，结合真空预压将进行排水固结。
优选的，所述方法具体包含以下步骤：
(1)在待加固软基区上钻孔并放置EKG注浆管a与EKG注浆管b，注浆管成列间隔布置，通过导线将EKG注浆管a与直流电源的阳极相连接作为阳极注浆管，EKG注浆管b与直流电源的阴极相连接作为阴极注浆管，从而构成阴极注浆管与阳极注浆管成列间隔布置；
(2)打开阀门，将碳酸钠溶液利用蠕动泵注入EKG注浆管a，与此同时，闭合直流电源的开关，在阴极注浆管与阳极注浆管之间的区域内形成一个直流电场，在直流电场作用4～8h后，切断直流电源的开关，关闭阀门；
(3)打开另一阀门，将氯化钙溶液利用蠕动泵注入EKG注浆管b，与此同时，闭合直流电源的开关，在直流电场作用4～8h后，切断直流电源的开关，关闭阀门，再静置5～10h，等待碳酸钠溶液与氯化钙溶液充分反应，析出碳酸钙结晶对土体进行胶结；
(4)将塑料排水管插入电化学处理后软基区内，形成软土层的竖向排水通道，利用砂垫层，形成水平方向排水通道，再在砂垫层上覆盖不透气的密封膜，使电化学处理后软基区与大气隔绝形成密封系统，然后用胶皮管将埋设在砂垫层内的主管与抽真空设备连成一体，利用真空泵将密封膜下空气抽出，进行排水固结，直至电化学处理后软基区沉降稳定，孔隙水无法继续排出。
优选的，步骤(2)和步骤(3)需重复3～5次。
优选的，步骤(2)中碳酸钠溶液与步骤(3)中氯化钙溶液的浓度相等。
优选的，步骤(2)中碳酸钠溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
优选的，步骤(3)中氯化钙溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
本发明提出的一种电化学-真空预压加固软基的方法的原理是通过电化学注浆，促使碳酸钠溶液和氯化钙溶液在软基土中发生化学反应析出碳酸钙结晶体，由于碳酸钙晶体绿色无害且具有一定的胶结作用，可将软基中的细小土颗粒变成大颗粒，再结合适合于处理大面积高含水量软基的真空预压法，进行排水固结提高软弱地基土的强度。本发明将电化学注浆法与真空预压法有机结合在一起，二者相辅相成，相互促进，通过诱导析出碳酸钙结晶体，将细小粘土颗粒胶结成较大颗粒，大大提高了真空预压的排水效率，从而形成一种新的软基加固方案。
有益效果：(1)本发明所述电化学-真空预压加固软基的方法通过析出碳酸钙结晶使得细小粘土颗粒变成较大粘土颗粒，土体的渗透性增大，改善了真空预压的排水效果；(2)本发明所述方法对于低渗透性的软基土采用电渗法注入化学溶液，促进了化学溶液的渗入，加快了其化学反应，能够均匀、充分改变土颗粒大小，加固后土体强度更加均匀；(3)本发明所述方法中的注浆材料绿色经济，析出的碳酸钙晶体绿色无害，材料利用率高，有效节约了软基土的处理费用。
附图说明
图1是本发明所述电化学注浆过程示意图；
其中，1为碳酸钠溶液，2蠕动泵，3为氯化钙溶液，4为EKG注浆管a，5为电场方向，6为EKG注浆管b，7为待加固软基区，8为出液口；
图2是本发明所述真空预压加固过程示意图；
其中，9为密封沟，10为密封膜，11为砂垫层，12为真空泵，13为塑料排水管，14为电化学处理后软基区。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
如图1、图2所示：
一种电化学-真空预压加固软基的方法，所述方法首先采用电化学注浆使得碳酸钠溶液和氯化钙溶液形成胶结结晶，将细小粘土颗粒胶结为大颗粒；其次，结合真空预压将进行排水固结。
所述方法具体包含以下步骤：
(1)在待加固软基区7上钻孔并放置EKG注浆管a 4与EKG注浆管b 6，注浆管成列间隔布置，通过导线将EKG注浆管a 4与直流电源的阳极相连接作为阳极注浆管，EKG注浆管b6与直流电源的阴极相连接作为阴极注浆管，从而构成阴极注浆管与阳极注浆管成列间隔布置；
(2)打开阀门，将碳酸钠溶液1利用蠕动泵2注入EKG注浆管a 4，与此同时，闭合直流电源的开关，在阴极注浆管与阳极注浆管之间的区域内形成一个直流电场，电场方向5如图1中所示，在直流电场作用4h后，切断直流电源的开关，关闭阀门；
(3)打开另一阀门，将氯化钙溶液3利用蠕动泵2注入EKG注浆管b 6，与此同时，闭合直流电源的开关，在直流电场作用4h后，切断直流电源的开关，关闭阀门，再静置5h，等待碳酸钠溶液与氯化钙溶液充分反应，析出碳酸钙结晶对土体进行胶结；
(4)将塑料排水管13插入电化学处理后软基区14内，形成软土层的竖向排水通道，利用砂垫层11，形成水平方向排水通道，再在砂垫层11上覆盖不透气的密封膜10，使电化学处理后软基区14与大气隔绝形成密封系统，然后用胶皮管将埋设在砂垫层11内的主管与抽真空设备连成一体，利用真空泵12将密封膜10下空气抽出，进行排水固结，直至电化学处理后软基区14沉降稳定，孔隙水无法继续排出。
其中，上述步骤(2)和步骤(3)需重复3次。
所述步骤(2)中碳酸钠溶液与步骤(3)中氯化钙溶液的浓度相等；步骤(2)中碳酸钠溶液的浓度为0.1mol/L，步骤(3)中氯化钙溶液的浓度为0.1mol/L。
在本例中，电化学-真空预压法的加固机理为：1、碳酸钠溶液和氯化钙溶液中均存在自由移动的电子，在直流电场作用下发生快速移动，在土体中相遇时发生化学反应析出碳酸钙结晶；2、析出的碳酸钙结晶具有胶结作用，可将细小土颗粒胶结成较大颗粒，排水通道变大，更加利于土体的排水固结；3、抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体固结。
在本例中，电化学-真空预压法的加固效果表现为：1、软基土的渗透系数由原先的4.93×10-7cm/s提高到1.28×10-5cm/s；2、原先无承载力的软基土经电化学-真空预压处理后，其抗剪强度提高到17.6kPa。
实施例2
如图1、图2所示：
一种电化学-真空预压加固软基的方法，所述方法首先采用电化学注浆使得碳酸钠溶液和氯化钙溶液形成胶结结晶，将细小粘土颗粒胶结为大颗粒；其次，结合真空预压将进行排水固结。
所述方法具体包含以下步骤：
(1)在待加固软基区7上钻孔并放置EKG注浆管a 4与EKG注浆管b 6，注浆管成列间隔布置，通过导线将EKG注浆管a 4与直流电源的阳极相连接作为阳极注浆管，EKG注浆管b6与直流电源的阴极相连接作为阴极注浆管，从而构成阴极注浆管与阳极注浆管成列间隔布置；
(2)打开阀门，将碳酸钠溶液1利用蠕动泵2注入EKG注浆管a 4，与此同时，闭合直流电源的开关，在阴极注浆管与阳极注浆管之间的区域内形成一个直流电场，电场方向5如图1中所示，在直流电场作用6h后，切断直流电源的开关，关闭阀门；
(3)打开另一阀门，将氯化钙溶液3利用蠕动泵2注入EKG注浆管b 6，与此同时，闭合直流电源的开关，在直流电场作用6h后，切断直流电源的开关，关闭阀门，再静置7h，等待碳酸钠溶液与氯化钙溶液充分反应，析出碳酸钙结晶对土体进行胶结；
(4)将塑料排水管13插入电化学处理后软基区14内，形成软土层的竖向排水通道，利用砂垫层11，形成水平方向排水通道，再在砂垫层11上覆盖不透气的密封膜10，使电化学处理后软基区14与大气隔绝形成密封系统，然后用胶皮管将埋设在砂垫层11内的主管与抽真空设备连成一体，利用真空泵12将密封膜10下空气抽出，进行排水固结，直至电化学处理后软基区14沉降稳定，孔隙水无法继续排出。
其中，上述步骤(2)和步骤(3)需重复4次。
所述步骤(2)中碳酸钠溶液与步骤(3)中氯化钙溶液的浓度相等；步骤(2)中碳酸钠溶液的浓度为0.25mol/L，步骤(3)中氯化钙溶液的浓度为0.25mol/L。
在本例中，电化学-真空预压法的加固机理为：1、碳酸钠溶液和氯化钙溶液中均存在自由移动的电子，在直流电场作用下发生快速移动，在土体中相遇时发生化学反应析出碳酸钙结晶；2、析出的碳酸钙结晶具有胶结作用，可将细小土颗粒胶结成较大颗粒，排水通道变大，更加利于土体的排水固结；3、抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体固结。
在本例中，电化学-真空预压法的加固效果表现为：1、软基土的渗透系数由原先的4.5×10-7cm/s提高到1.38×10-5cm/s；2、原先无承载力的软基土经电化学-真空预压处理后，其抗剪强度提高到18.9kPa。
实施例3
如图1、图2所示：
一种电化学-真空预压加固软基的方法，所述方法首先采用电化学注浆使得碳酸钠溶液和氯化钙溶液形成胶结结晶，将细小粘土颗粒胶结为大颗粒；其次，结合真空预压将进行排水固结。
所述方法具体包含以下步骤：
(1)在待加固软基区7上钻孔并放置EKG注浆管a 4与EKG注浆管b 6，注浆管成列间隔布置，通过导线将EKG注浆管a 4与直流电源的阳极相连接作为阳极注浆管，EKG注浆管b6与直流电源的阴极相连接作为阴极注浆管，从而构成阴极注浆管与阳极注浆管成列间隔布置；
(2)打开阀门，将碳酸钠溶液1利用蠕动泵2注入EKG注浆管a 4，与此同时，闭合直流电源的开关，在阴极注浆管与阳极注浆管之间的区域内形成一个直流电场，电场方向5如图1中所示，在直流电场作用8h后，切断直流电源的开关，关闭阀门；
(3)打开另一阀门，将氯化钙溶液3利用蠕动泵2注入EKG注浆管b 6，与此同时，闭合直流电源的开关，在直流电场作用8h后，切断直流电源的开关，关闭阀门，再静置10h，等待碳酸钠溶液与氯化钙溶液充分反应，析出碳酸钙结晶对土体进行胶结；
(4)将塑料排水管13插入电化学处理后软基区14内，形成软土层的竖向排水通道，利用砂垫层11，形成水平方向排水通道，再在砂垫层11上覆盖不透气的密封膜10，使电化学处理后软基区14与大气隔绝形成密封系统，然后用胶皮管将埋设在砂垫层11内的主管与抽真空设备连成一体，利用真空泵12将密封膜10下空气抽出，进行排水固结，直至电化学处理后软基区14沉降稳定，孔隙水无法继续排出。
其中，上述步骤(2)和步骤(3)需重复5次。
所述步骤(2)中碳酸钠溶液与步骤(3)中氯化钙溶液的浓度相等；步骤(2)中碳酸钠溶液的浓度为0.5mol/L，步骤(3)中氯化钙溶液的浓度为0.5mol/L。
在本例中，电化学-真空预压法的加固机理为：1、碳酸钠溶液和氯化钙溶液中均存在自由移动的电子，在直流电场作用下发生快速移动，在土体中相遇时发生化学反应析出碳酸钙结晶；2、析出的碳酸钙结晶具有胶结作用，可将细小土颗粒胶结成较大颗粒，排水通道变大，更加利于土体的排水固结；3、抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体固结。
在本例中，电化学-真空预压法的加固效果表现为：1、软基土的渗透系数由原先的4.26×10-7cm/s提高到1.7×10-5cm/s；2、原先无承载力的软基土经电化学-真空预压处理后，其抗剪强度提高到19.8kPa。

Claims (5)

1.一种电化学-真空预压加固软基的方法，其特征在于，所述方法首先采用电化学注浆使得碳酸钠溶液和氯化钙溶液形成胶结结晶，将细小粘土颗粒胶结为大颗粒；其次，结合真空预压将进行排水固结；所述方法具体包含以下步骤：
(1)在待加固软基区(7)上钻孔并放置EKG注浆管a(4)与EKG注浆管b(6)，注浆管成列间隔布置，通过导线将EKG注浆管a(4)与直流电源的阳极相连接作为阳极注浆管，EKG注浆管b(6)与直流电源的阴极相连接作为阴极注浆管，从而构成阴极注浆管与阳极注浆管成列间隔布置；
(2)打开阀门，将碳酸钠溶液(1)利用蠕动泵(2)注入EKG注浆管a(4)，与此同时，闭合直流电源的开关，在阴极注浆管与阳极注浆管之间的区域内形成一个直流电场，在直流电场作用4～8h后，切断直流电源的开关，关闭阀门；
(3)打开另一阀门，将氯化钙溶液(3)利用蠕动泵(2)注入EKG注浆管b(6)，与此同时，闭合直流电源的开关，在直流电场作用4～8h后，切断直流电源的开关，关闭阀门，再静置5～10h，等待碳酸钠溶液与氯化钙溶液充分反应，析出碳酸钙结晶对土体进行胶结；
(4)将塑料排水管(13)插入电化学处理后软基区(14)内，形成软土层的竖向排水通道，利用砂垫层(11)，形成水平方向排水通道，再在砂垫层(11)上覆盖不透气的密封膜(10)，使电化学处理后软基区(14)与大气隔绝形成密封系统，然后用胶皮管将埋设在砂垫层(11)内的主管与抽真空设备连成一体，利用真空泵(12)将密封膜(10)下空气抽出，进行排水固结，直至电化学处理后软基区(14)沉降稳定，孔隙水无法继续排出。
2.根据权利要求1所述的电化学-真空预压加固软基的方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)需重复3～5次。
3.根据权利要求1所述的电化学-真空预压加固软基的方法，其特征在于，步骤(2)中碳酸钠溶液与步骤(3)中氯化钙溶液的浓度相等。
4.根据权利要求1所述的电化学-真空预压加固软基的方法，其特征在于，步骤(2)中碳酸钠溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
5.根据权利要求1所述的电化学-真空预压加固软基的方法，其特征在于，步骤(3)中氯化钙溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
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