CN108385661B - 一种全真空强排水装置及强排水方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全真空强排水装置，包括真空生成器、进气管、出气管、排水板，其中所述真空生成器包括设置在其内的喷嘴、接收套管，喷嘴的进气端和出气端分别与进气管、出气管连接；所述真空生成器上设置有排水板接驳口，排水板接驳口连通真空生成器真空区域。在使用本发明提供的装置时，将进气管、出气管和排水板分别连接真空生成器的进气端、出气端和排水板接驳口，施工时真空生成器随排水板一起打入地下；进行地基排水固结处理或地下水降水时，向进气管注入高压气体，气体从出气端高速排出，此时在真空生成器内形成真空负压，排水板中形成全真空且排水板中的水全部被清空而迅速进入真空生成器，并不断地经由出气管跟随高速气流一起被排出地表。

Description

一种全真空强排水装置及强排水方法

技术领域

本发明涉及地基排水固结领域，更具体地，涉及一种全真空强排水装置及强排水方法。

背景技术

目前对软土地基进行排水固结或者进行深层地下水降水时，存在着两大技术问题，一是现有的软土地基真空预压排水固结法中真空吸力在竖向排水通道中的传递需要时间且其强度随着地基深度的增加而逐渐衰减，二是理论上普通抽水泵无法将地下水降水深度超过10m（实际只有8m左右）。以上两大问题一直亟待好的技术工法来解决。刚性排水管的强排水固结法一定程度解决了上述问题，但是该工法在用于地基排水固结工法中也有一些局限，如存在刚性的强排水管随着软土地基沉降而刺出地表，其造价高、运输不便、施工效率低、排水存在间隙而效率不高及需要搭接或锯短等不足。

发明内容

本发明为解决以上现有实际工程中的两大问题，提供了一种全真空强排水装置。该装置不仅可以应用于普通的柔性的塑料排水板作为竖向排水通道的地基排水固结，还可以用于深度远超过10m的深层地下水的降水，如基坑降水、井点降水，巧妙地解决了深层地下水降水难的问题和深部地基真空吸力不足的问题。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种全真空强排水装置，包括真空生成器、进气管、出气管、塑料排水板，其中所述真空生成器包括设置在其内的喷嘴和接收套管，喷嘴的进气端和出气端分别与进气管、接收套管进气端连接，接收套管的出气端与出气管连接；所述真空生成器上设置有排水板接驳口，排水板接驳口连通真空生成器真空区域；排水板设置排水板接驳口上，其内部的排水通道与喷嘴连通。

在使用本发明提供的装置时，首先将进气管、出气管和排水板分别连接真空生成器的进气端、出气端和排水板接驳口，施工时真空生成器随排水板一起打入地下；进行地基排水固结处理或地下水降水时，向进气管注入高压气体，气体从真空生成器的出气端高速排出，此时在真空生成器内形成真空负压，排水板中的水全部被清空而迅速进入真空生成器，并不断地经由出气管跟随高速气流一起被排出地表，排水板中形成全真空并叠加外围土中地下水水压，在土中形成可大于一个真空压力的压差荷载。这样地下水水压和和真空生成器产生的负压共同形成的压差荷载使得地基土固结排出的水源源不断地进入排水板，排水板中的水持续被清空而进入真空生成器中，且不断地经由出气管随着高速气流一起被排出地表。其降水深度可远大于10m，起固结作用的压差荷载可远大于一个真空压力，对地基排水固结效果极佳，其排水路径明确且与管中真空无冲突，排水板内始终保持清空状态，且排水板全长度范围内均处于高真空状态，土中水始终处于被排出状态，排水过程连续流畅，高效节能。

优选地，所述喷嘴的出气端与出气管之间设置有接收套管，接收套管与出气管连接，接收套管与喷嘴的出气端相对设置，且接收套管刚好能够接收喷嘴发射出的全部气流，喷嘴与接收套管之间留有空隙，排水板接驳口通过该空隙与喷嘴的出气端连通。

优选地，所述真空生成器的上部为长方块体，下部为与长方块体尺寸相适应的半圆柱体，长方块体上设置有一扁平凹槽状的排水板接驳口，排水板接驳口左右两侧分别设置有进气管接口和出气管接口，进气管、出气管分别通过进气管接口和出气管接口与真空生成器的进气端和出气端连接。真空生成器的喷嘴可以将高速度的气流挤压形成高速紊流射流，带走真空生成器内部空间的空气和水分，进而在所述真空生成器中形成真空负压。

优选地，所述真空生成器为十字柱状，其顶部设置有扁平凹槽状的排水板接驳口，进气管接口和出气管接口设置在真空生成器的前后侧面上，进气管、出气管分别通过进气管接口和出气管接口与真空生成器的进气端和出气端连接。真空生成器的喷嘴可以将高速度的气流挤压形成高速紊流射流，带走真空生成器内部空间的空气和水分，进而在所述真空生成器中形成真空负压。

同时，本发明还通过了一种应用以上装置的强排水方法，其具体的方案如下：

将进气管、出气管和排水板分别连接真空生成器的进气端、出气端和排水板接驳口，施工时真空生成器随排水板一起打入地下；进行地基排水固结处理或地下水降水时，向进气管注入高压气体，气体从真空生成器的出气端高速排出，此时在真空生成器内形成真空负压，排水板中的水全部被清空而迅速进入真空生成器，并不断地经由出气管跟随高速气流一起被排出地表，排水板中形成全真空并叠加外围土中地下水水压，在土中形成可大于一个真空压力的压差荷载。

优选地，地基排水固结处理或地下水降水完成后，用网筛过滤出粉砂，用过滤出的粉砂制备水泥砂浆，将排水板顶部的密封膜撕开，将制备的水泥砂浆由排水板顶部灌入排水板的排水通道中；通过底部的真空吸力，水泥砂浆可充满整个排水板，使得排水板在工后不在具有排水的作用，以阻止或延缓软土工后沉降的发生。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）排水板中的水被清空而进入真空生成器后，被高速气流从出气管带出，使得整个排水板在排水过程中都始终保持清空状态及高真空的状态，其排水路径明确且与管中真空无冲突，地基土中水始终处于被排出状态，排水过程连续流畅。

（2）在排水板底部生成真空，可充分利用水的自重应力，再叠加真空吸力，形成的高压差荷载可远大于1个大气压，不仅极大地节约了能量，而且解决了普通抽水泵就无法将地下水降水深度超过10m（实际只有8m左右）的问题和常规真空预压排水固结法中真空吸力在竖向排水通道中的传递需要时间且强度随着地基深度增加而逐渐衰减的问题。

（3）软土地基处理结束后，通过灌入水泥砂浆，达到阻止或延缓软土工后沉降的目的。同时还使得工后处理的排水板具有一定的桩基础作用。

附图说明

图1为全真空排水装置的打设示意图。

图2为横向型真空生成器的结构三视（剖面）图。

图3为喷嘴的结构示意图。

图4为横向型真空生成器的原理图。

图5为竖向型真空生成器的结构三视（剖面）图。

图中：1为进气管；2为出气管；3为排水板；4为真空生成器；5为密封膜；6为上覆砂层；7为软弱土层；8为进气接口；9为出气接口；10为喷嘴；11为接收套管；12为排水板接驳口；13为真空区域。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，设地面下3m至20m为软弱土层，其上部覆盖有3m厚的砂层，地下水位线的深度为2m。排水板的宽度为100mm，厚约5mm。采用横向型真空生成器（结构如说明书附图2）。真空生成器长约130mm，底部半圆柱直径为30mm，整体高度为120mm。真空生成器上部左右两端分别为进气管接口和出气管接口，进气管的内径为5mm，外径为7mm；出气管的内径为7.5mm，外径为9.5mm。真空生成器中间为排水板接驳口凹槽，该凹槽宽100mm，厚度约为5mm，凹槽深度80mm。

真空生成器内部主要由喷嘴，排水板接驳口和接受套管组成。喷嘴如图3所示，收缩段夹角为30°，扩散段夹角为15°，喷嘴中间平直段长度为10mm，内径为2~3mm。其中，喷嘴扩散段两翼的延长线正好交于接受套管的平直段内。高速流体经过真空生成器内的喷嘴后，形成的紊流射流。在紊流射流中，由于其中各个小团体是作杂乱运动的，因此它们不可避免地撞击射流两侧的静止空气，依靠流体的粘性，带动射流流体两侧的一些空气起向前运动，将真空生成器内的气体带走从而在区域13处形成真空。真空区域13处通过排水板接驳口与排水板连接，从而使得排水板中具有真空吸力。真空生成器原理图见说明书附图4，其中长箭头代表气流方向，箭头越长代表气流速度越快；短箭头代表水流方向；圆形箭头代表高速气流所产生的卷流。由图4可知，高速气流经过喷嘴收缩段和平直段时，速度急剧上升，然后由扩散段扩散形成紊流射流，紊流射流的卷吸使得周围形成卷流进而生成一个负压区域。水由排水板进入真空生成器后，经过该负压局域的吸引，由卷流卷吸进入高速气体，随着高速气体一起由出气口排出。

将排水板、进气管、出气管分别连接至真空生成器对应位置并密封，将排水板距地面4米以上的排水板用密封膜密封以防上覆砂层泄露真空吸力，用插板机将组合后的装置逐一打入地下20m过程中，剪断排水板密封膜上部并再次密封，使得具有排水功能的排水板全部埋于淤泥顶面以下1m中，剪断进气管和出气管使得进气管和出气管在地表露出50cm。在进气管上部连接流速测试器及压力泵；出气管上部连接真空泵，使整个排水更加流畅。

由紊流射流的定义及雷诺数计算公式得进气管应当注入气体气压为200kPa，气体流速不小于15m/s。气体经过真空生成器喷嘴平直段时，由于内径变小，气体速度提升至60m/s，之后经过喷嘴扩散段形成紊流射流，携带区域13处的空气及水分进入接受套管中，并由出气管喷出地面完成排水。

软土地基处理结束之后，用0.1mm的网筛过滤出粉砂，用过滤出的粉砂制备水泥砂浆，向水泥砂浆中加入微沫剂、防水粉调节稠度至70。将排水板顶部的密封膜撕开，将制备的水泥砂浆由排水板顶部灌入排水板的排水通道中。通过底部的真空吸力，水泥砂浆可充满整个排水板，使得排水板在工后不在具有排水的作用，以阻止或延缓软土工后沉降的发生。同时还使得工后处理的排水板具有一定的桩基础的作用。

实施例2

设地面下3m至20m为软弱土层，其上部覆盖有3m厚的砂层，地下水位线的深度为2m。排水板的宽度为100mm，厚约5mm；进气管的内径为5mm，外径为7mm；喷嘴平直段长度为10mm，内径为2mm；出气管的内径为7.5mm，外径为9.5mm。

采用竖向型真空生成器（结构见说明书附图5）。真空生成器宽104mm，最厚处厚40mm，高110mm。真空生成器上部前后两侧的上端分别为进气口和出气口，进气管的内径为5mm，外径为7mm；出气管的内径为7.5mm，外径为9.5mm。真空生成器喷嘴平直段长度为10mm，内径为2mm。真空生成器中间为排水板接口凹槽，该凹槽接口宽100mm，厚度约为5mm，凹槽深度60mm。

将排水板、进气管、出气管分别连接至真空生成器对应位置并密封，用插板机将组合后的装置按设计图纸逐个打入地下20m处后，剪断排水板、进气管和出气管，使得排水板和进气管、出气管在地表分别露出20cm和50cm。所有进气管最终连接流速测试器及压力泵；出气管连接真空泵。用封闭膜覆盖整个区域使其与大气隔绝，密封膜端部进行埋压处理。打开压力泵及真空泵进行排水固结处理。

由紊流射流的定义及雷诺数计算公式得进气管应当注入气体气压为200kPa，气体流速不小于15m/s。气体经过真空生成器喷嘴平直段时，由于内径变小，气体速度提升至60m/s，之后经过喷嘴扩散段形成紊流射流，携带区域13处的空气及水分进入接受套管中，并由出气管喷出地面完成排水。

软土地基处理结束之后，用0.1mm的网筛过滤出粉砂，用过滤出的粉砂制备水泥砂浆，向水泥砂浆中加入微沫剂、防水粉调节稠度至70。将制备的水泥砂浆由排水板顶部灌入排水板的排水通道中。通过底部的真空吸力，水泥砂浆可充满整个排水板，使得排水板在工后不在具有排水的作用，以阻止或延缓软土工后沉降的发生。同时还使得工后处理的排水板具有一定的桩基础的作用。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种全真空强排水装置的强排水方法，其特征在于：所述全真空强排水装置，包括：真空生成器、进气管、出气管、排水板，其中所述真空生成器包括设置在其内的喷嘴和接收套管，喷嘴的进气端与进气管连接，喷嘴的出气端与接收套管的进气端连接，接收套管的出气端与出气管连接；所述真空生成器上设置有排水板接驳口，排水板接驳口与喷嘴连通，排水板设置在排水板接驳口上，其内部的排水通道与喷嘴连通；

所述接收套管与喷嘴的出气端相对设置，且接收套管刚好能够接收喷嘴发射出的全部气流，喷嘴与接收套管之间留有空隙，排水板接驳口通过该空隙与喷嘴的出气端连通；

所述喷嘴，收缩段夹角为30°，扩散段夹角为15°，喷嘴中间平直段长度为10mm，内径为2～3mm，喷嘴扩散段两翼的延长线正好交于接收套管的平直段内；

所述真空生成器的上部为长方块体，下部为与长方块体尺寸相适应的半圆柱体，长方块体上设置有一扁平凹槽状的排水板接驳口，排水板接驳口左右两侧分别设置有进气管接口和出气管接口，进气管通过进气管接口与喷嘴的进气端连接，出气管通过出气管接口与接收套管的出气端连接；

或者，所述真空生成器为十字柱状，其顶部设置有扁平凹槽状的排水板接驳口，进气管接口和出气管接口设置在真空生成器的前后侧面上，进气管通过进气管接口与喷嘴的进气端连接，出气管通过出气管接口与接收套管的出气端连接；

所述全真空强排水装置的强排水方法，包括以下内容：

将进气管连接真空生成器的进气端，将出气管连接真空生成器的出气端，将排水板连接真空生成器的排水板接驳口，施工时真空生成器随排水板一起打入地下；进行地基排水固结处理或地下水降水时，向进气管注入高压气体，气体从真空生成器的出气端高速排出，此时在真空生成器内形成真空负压，排水板中的水全部被清空而迅速进入真空生成器，并不断地经由出气管跟随高速气流一起被排出地表，排水板中形成全真空并叠加外围土中地下水水压，在土中形成可大于一个真空压力的压差荷载。

2.根据权利要求1所述的全真空强排水装置的强排水方法，其特征在于：地基排水固结处理或地下水降水完成后，用网筛过滤出粉砂，用过滤出的粉砂制备水泥砂浆，将排水板顶部的密封膜撕开，将制备的水泥砂浆由排水板顶部灌入排水板的排水通道中；通过底部的真空吸力，水泥砂浆可充满整个排水板，使得排水板在工后不在具有排水的作用，以阻止或延缓软土工后沉降的发生。