CN109208575B - 一种药剂-水平真空联合加固高含水率吹填软土的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩土工程和水利工程研究技术领域，公开了一种药剂‑水平真空联合加固高含水率吹填软土的方法。该方法不需要铺设砂垫层，从而大大降低施工成本；采用水平排水板，避免了传统的竖向排水板法易出现的弯折问题以及排水板周围土体的扰动问题，从而提高了真空荷载在排水板中的传递效率，而且可以依靠土体自重进行排水，提高了排水效率；由于该方法在吹填过程中添加了絮凝剂，不仅可以增大土体渗透性，而且通过絮凝成团增大土体粒径有效缓解了排水板淤堵情况，从而提高了真空荷载在土体中的传递效率，进而有效提高了土体排水固结速率，缩短了施工时间，节约了施工成本。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程和水利工程研究相关技术领域，具体涉及一种化学药剂联合水平排水板-真空预压的加固高含水率吹填软土方法。
背景技术
近年来，围海造陆工程、清淤工程日益增多，涉及到软土(淤泥)的疏浚、吹填和加固等过程，如何快速地实现软土(淤泥)的脱水加固对后续科学规划软土地基设计与施工具有重要意义。目前，饱和软土加固技术众多，真空预压方法是实际工程中常用的一种。国内外众多学者通过理论分析、模型试验以及现场试验等手段对真空预压加固方法进行了研究分析，该方法的有效性也得到了广泛的认可。
但是，传统真空预压加固方法在实际工程应用中依然存在一些缺陷，具体如下：(1)对于传统的真空预压加固方法，在施工现场往往需要铺设砂垫层，大大增加施工成本，尤其是对于大面积吹填工程或场地附近砂资源稀缺的施工地区；(2)由于疏浚淤泥初始强度几乎为零，吹填结束后施工人员和设备无法直接进场作业，吹填结束后必须晾晒一段时间(数周至数年时间不等)之后才能进行排水板安装然后才能开始加固，其吹填过程与加固过程截然分开，导致真空排水加固方法整体效率不高；(3)随着真空加固的进行，竖向排水板周围土体细颗粒聚集，发生排水板淤堵现象，使得后期排水十分困难；(4)传统真空预压加固法均使用竖向排水板，在软土发生大变形沉降后竖向排水板易发生严重弯折，会大大降低真空荷载的传递效率，且导致深部软土加固效果变差，降低了其整体排水效率和加固效果；(5)竖向排水板的插板过程会对排水板周围土体造成扰动(即形成了涂抹区)，涂抹区的土体渗透性较差且容易造成排水板淤堵，尤其是在高黏粒含量或渗透性较差的饱和软土处理过程中，淤堵现象更为严重。现有研究表明，淤堵是导致现行真空预压加固方法效率不佳的最主要因素；(6)现行多数真空预压加固方法，施工结束后会把竖向排水板残留在土体中，导致下卧深厚软土层的孔隙水通过排水通道不断排出，场地易发生较大工后沉降。上述缺陷导致传统真空预压加固方法在实际工程中的应用受到限制。因此，本领域亟需研发出一种更高效便捷的真空预压加固方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种化学药剂联合水平真空预压加固高含水率吹填软土的方法，其目的在于，通过布置排水板避免铺设砂垫层，从而在节省施工成本的同时加快施工进度。
为实现上述目的，本发明提供了一种药剂-水平真空联合加固高含水率吹填软土的方法，包括以下步骤：
(1)确定并配置适用于待加固软土的最佳絮凝剂类型及添加量；
(2)在场地底层铺设第一层水平排水板，将水平排水板和水汽分离器通过管道连接，水汽分离器分别与真空泵和抽水泵连接；
(3)进行第一层软土吹填，同时在吹填入口处将配制好的絮凝剂溶液添加到软土中；
(4)当水平排水板上方软土达到预设的一定高度之后，打开真空泵施加真空荷载，使软土吹填过程和真空固结过程同时进行，直至达到设计的第一层吹填高度；
(5)暂停软土吹填，铺设第二层排水板，并将第二层排水板与水汽分离器通过管道连接，随后使吹填场地静置以使软土内水分形成上清液，然后将土体上清液抽除；
(6)继续进行软土吹填，同时在吹填入口处将配制好的絮凝剂溶液添加到软土中，当第二层排水板之上的软土达到预设的一定高度之后，打开连通第二层排水板和水汽分离器之间对应的阀门以施加真空荷载，此时软土吹填过程与真空固结过程继续同时进行，直至达到设计的第二层吹填高度；
(7)按照上述步骤依次进行不同层次的软土吹填，直至达到设计的总吹填高度。
进一步地，步骤(1)中，取均匀的相同体积的软土样本分别装入不同的真空抽滤模型箱中并在真空抽滤模型箱底部放置水平排水板，然后配制絮凝剂溶液，将含有不同质量的絮凝剂溶液倒入不同的含有软土样本的模型箱中，并充分搅拌均匀；然后施加真空荷载，并测量不同时间段内各模型箱中软土的出水量，出水量最大的样本对应的絮凝剂即为适用于该软土的最佳絮凝剂，而对应的絮凝剂添加量即为适用于该软土的最佳添加量。
进一步地，在进行室内真空抽滤模型箱试验时，每个真空抽滤模型箱中放入的软土样本体积不少于15L，至少要取四组不同的絮凝剂添加量进行试验，施加的真空荷载不小于70kPa，施加真空荷载的时间不少于10小时。
进一步地，步骤(2)中，单个排水板的宽度在20-50cm之间，厚度不小于3.5mm；同一水平面上的各个排水板间距为5-10倍的单个排水板宽度。
进一步地，水汽分离器与真空泵和排水泵相连，水汽分离器上有真空压力表，可随时显示水汽分离器内的真空压力值；真空泵与水汽分离器顶部相连，可以给水汽分离器提供真空预压荷载；排水泵与水汽分离器底部相连，当水汽分离器内水位达到一定高度之后，可由排水泵将水汽分离器内的水排出。
进一步地，步骤(4)中当排水板之上的软土高度不小于0.5m的时候，方可打开连通该层排水板与水汽分离器之间的阀门，并打开真空泵施加真空压力，所施加的真空荷载不宜小于80kPa。
进一步地，步骤(4)中所述的设计吹填高度，即上下相邻两层排水板之间的间距为5-10倍单个排水板宽度。
进一步地，步骤(6)中所述不同水平面上的水平排水板均独立设置阀门，可以分别控制不同水平面上的排水板是否施加真空荷载。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)相比传统的真空预压加固方法，本发明所述方法不需要铺设砂垫层，节省施工成本的同时加快了施工进度，尤其是对于大面积及缺砂地区的吹填工程，采用本发明所述方法尤为有利；
(2)通过采用水平排水板而不是竖向排水板，避免了排水板的弯折变形问题以及对排水板周围土体的扰动，提高了真空荷载的传递效率，且铺设水平排水板相比竖向排水板更加简便易于操作。采用水平排水板可以利用饱和软土自身重力进行排水，而不是完全依赖于真空预压荷载，从而提高了脱水效率；
(3)采用传统的真空预压方法常出现淤堵现象，尤其是在黏粒含量较高、渗透性较差的软土中尤为严重。这不仅降低了真空荷载的传递效率，而且导致排水板渗透性减小，从而使得脱水效率显著降低，导致加固效果不佳。添加絮凝剂可以有效改善土体的粒径分布并提高土体渗透性，从而预防排水板淤堵问题并增强真空荷载的传递效率，进而提高脱水效率及加固效果；
(4)水平排水板是在吹填过程中就已铺设，介入时间早，因此可以实现边吹填-边加固，无需像竖向排水板那样必须等到吹填作业结束并晾晒后才开始加固，大大地缩短工期，而且还可以更有效地加固深层软土，提高深层软土的加固效果；
(5)由于排水板本身有较高的抗剪强度，排水板水平铺设在软土中具有加筋的效果，可以进一步提高处理后场地的整体强度及稳定性。
附图说明
图1是本发明现场施工示意图；
图2是是水平排水板与水平排水管连接方式示意图；
图3是排水管与水汽分离器连接方式示意图；
图4是同一水平面的水平排水板固定示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-软土或淤泥，2-水平排水板，3-水平连接管，4-吹填淤泥，5-添加絮凝剂溶液，6-排水管，7-阀门，8-水汽分离器，9-真空压力表，10-大功率真空泵，11-排水泵，12-水平排水板接口，13-三通接口，14-连通水平连接管的排水管，15-连接水汽分离器的排水管，16-连接真空泵的管道，17-固定条板，18-固定箍。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参考图1至图3，本发明提供的化学药剂联合水平真空预压排水加固软土方案，所述技术方法可实现边吹填-边固结，大大提高加固效率，且避免了排水板弯折问题和淤堵问题，提高了真空荷载的传递效率和长期加固效果，且无需铺设砂垫层，降低了施工成本，且该施工方法简便易于操作。该药剂-真空联合加固高含水率吹填软土方法涉及的设备主要包括：水平排水板2、水平连接管3、絮凝剂溶液管5、排水管6、阀门7、水汽分离器8、真空压力表9、真空泵10、排水泵11、三通管13和水平排水板接口12。
多层水平排水板2上下布置，相邻的两层水平排水板2之间用于吹填一层软土，水平排水板2层数根据设定的吹填软土层数设置；絮凝剂溶液管5用于在吹填软土时添加絮凝剂；各水平排水板2一端均通过一排水管6连接水汽分离器8上端，各排水管6独立设有阀门7；真空泵10连接水汽分离器8上端，真空压力表9设于水汽分离器8上；排水泵11连接水汽分离器8下端。
多个水平连接管3和多个三通管13分别设于各层水平排水板2一端；各层水平排水板2均由多块排水板并排构成，同层的多块排水板各自通过一个水平排水板接口12和一个三通管13连接本层的水平连接管3。
铺设的单个排水板的宽度在20-50cm之间，厚度不小于3.5mm；同一水平面上的各个排水板间距为5-10倍的单个排水板宽度。上下相邻两层排水板2之间的间距为5-10倍单个排水板宽度。
本实施方式为化学药剂联合水平真空预压排水加固软土方法，上述设备的使用、铺设方法及吹填过程主要包括以下步骤：
步骤(1)，在场地吹填之前首先要取软土样本进行室内真空抽滤模型箱试验，以确定最佳絮凝剂种类及其最佳添加量。首先需要配置不同浓度的絮凝剂溶液，然后分别将含有不同质量絮凝剂的溶液倒入不同的含有软土样本的模型箱中(体积不小于15L)，并充分搅拌均匀。然后施加不小于70kPa的真空荷载，并测量不同时间段内(不少于10小时)模型箱中软土的出水量，出水量最大的样本即对应适用于该软土的最佳絮凝剂及最佳添加量。
步骤(2)，首先在场地底层铺设第一层水平排水板，将水平排水板和水汽分离器通过管道连接，具体连接方式如图2和图3所示，水汽分离器分别与真空泵和抽水泵连接，如图1所示。水平排水板的宽度一般为20-50cm之间，同一水平层面上相邻两排水板之间的间距为5-10倍排水板宽度，并用固定板条和固定箍进行固定，如图4所示。水汽分离器顶部与真空泵连接(如图1和图3所示)，可以在水汽分离器内形成稳定的负压，真空荷载一般不小于80kPa；水汽分离器底部与排水泵连接。
如图1所示，当水汽分离器内的水达到一定高度后，可以通过连接其底部的管道经排水泵排出，以保证水汽分离器能够提供稳定的真空负压输出；水平排水板与水汽分离器相连，每一水平层面的排水板与水汽分离器都有一个单独的阀门，可以控制该水平层面的排水板是否连通真空荷载，如图1和图3所示。
步骤(3)，在施工场地进行软土吹填，并在吹填出口处按照上述方法得到的最佳絮凝剂添加量掺加到软土中，如图1所示。
步骤(4)，吹填一段时间之后，水平排水板上的软土达到一定厚度(一般取0.5m)，此时可以打开真空泵，待水汽分离器内真空压力值稳定之后，再打开连通该层水平排水板与水汽分离器之间的阀门，开始施加真空荷载。软土吹填过程与真空预压加固过程同时进行，直至达到设计第一层吹填高度。
步骤(5)，暂停吹填，铺设第二层水平排水板，并将该层水平排水板与水汽分离器连接，两者之间有单独的阀门，如图1和图3所示，即不同水平层可以单独分别控制是否施加真空压力。上下相邻两层水平排水板之间的间距，即设计的每层吹填高度，一般可以设置为5-10倍的排水板宽度。将吹填场地静置12个小时左右，然后抽走土体上层清液。
步骤(6)，继续进行软土吹填，同时在吹填软土入口处将配制好的絮凝剂溶液添加到软土中，当第二层排水板之上的软土达到一定高度之后，打开连通第二层排水板和水汽分离器之间的阀门，吹填过程与真空固结过程同时进行，直至达到设计的第二层吹填高度。
步骤(7)，按照上述步骤依次进行不同层次的软土吹填，直至达到设计的总吹填高度。
该方法不需要铺设砂垫层，从而大大降低施工成本；且由于该方法采用水平排水板，避免了传统的竖向排水板法易出现的弯折问题以及排水板周围土体的扰动问题，从而提高了真空荷载在排水板中的传递效率，而且可以依靠土体自重进行排水，提高了排水效率；由于该方法在吹填过程中添加了絮凝剂，不仅可以增大土体渗透性，而且通过絮凝成团增大土体粒径有效缓解了排水板淤堵情况，从而提高了真空荷载在土体中的传递效率，进而有效提高了土体排水固结速率，缩短了施工时间，节约了施工成本；采用该施工方法可以使软土吹填过程和真空预压排水过程同时进行，而不必等吹填完工并晾晒之后再进行真空预压排水，在缩短施工周期的同时还可以更有效的加固场地深层软土，使得处理之后的深层软土比常规方法处理的深层软土强度更高，且由于水平排水板自身的抗剪切作用，使得处理后场地的整体强度得到显著提高
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种药剂-水平真空联合加固高含水率吹填软土的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）确定并配置适用于待加固软土的最佳絮凝剂类型及添加量；
（2）在场地底层铺设第一层水平排水板（2），将各水平排水板（2）的一端通过一排水管（6）和水汽分离器（8）连接，水汽分离器（8）分别与真空泵（10）和抽水泵（11）连接；
（3）进行第一层软土吹填，同时在吹填入口处将配制好的絮凝剂溶液添加到软土中；
（4）当水平排水板（2）上方软土达到预设的一定高度之后，打开真空泵（10）施加真空荷载，使软土吹填过程和真空固结过程同时进行，直至达到设计的第一层吹填高度；
（5）暂停软土吹填，铺设第二层排水板（2），并将第二层各排水板（2）的一端通过一排水管（6）与水汽分离器（8）连接，随后使吹填场地静置，然后将土体上清液抽除；
（6）继续进行软土吹填，同时在吹填入口处将配制好的絮凝剂溶液添加到软土中，当第二层排水板（2）之上的软土达到预设的一定高度之后，打开连通第二层排水板（2）和水汽分离器（8）之间对应的阀门（7）以施加真空荷载，此时软土吹填过程与真空固结过程继续同时进行，直至达到设计的第二层吹填高度；
（7）按照上述步骤依次进行不同层次的软土吹填，直至达到设计的总吹填高度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，取均匀的相同体积的软土样本分别装入不同的真空抽滤模型箱中并在真空抽滤模型箱底部放置水平排水板（2），然后配制絮凝剂溶液，将含有不同质量的絮凝剂溶液倒入不同的含有软土样本的模型箱中，并充分搅拌均匀；然后施加真空荷载，并测量不同时间段内各模型箱中软土的出水量，出水量最大的样本对应的絮凝剂即为适用于该软土的最佳絮凝剂，而对应的絮凝剂添加量即为适用于该软土的最佳添加量。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行室内真空抽滤模型箱试验时，每个真空抽滤模型箱中放入的软土样本体积不少于15 L，至少要取四组不同的絮凝剂添加量进行试验，施加的真空荷载不小于70 kPa，施加真空荷载的时间不少于10小时。
4. 如权利要求1~3任意一项所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，单个排水板（2）的宽度在20-50 cm之间，厚度不小于3.5 mm；同一水平面上的各个排水板间距为5-10倍的单个排水板宽度。
5.如权利要求1~3任意一项所述的方法，其特征在于，水汽分离器（8）与真空泵（10）和排水泵（11）相连，水汽分离器（8）上有真空压力表（9），可随时显示水汽分离器（8）内的真空压力值；真空泵（10）与水汽分离器（8）顶部相连，给水汽分离器（8）提供真空预压荷载；排水泵（11）与水汽分离器（8）底部相连，当水汽分离器（8）内水位达到一定高度之后，可由排水泵（11）将水汽分离器（8）内的水排出。
6. 如权利要求1~3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)中当排水板之上的软土高度不小于0.5 m的时候，方可打开连通该层排水板与水汽分离器之间的阀门，并打开真空泵施加真空压力，所施加的真空荷载不宜小于80 kPa。
7.如权利要求1~3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)中的设计吹填高度，即上下相邻两层排水板之间的间距为5-10倍单个排水板宽度。
8.如权利要求1~3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(6)中不同水平面上的水平排水板（2）均独立设置阀门（7），分别控制不同水平面上的排水板是否施加真空荷载。
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| 絮凝真空预压加固吹填淤泥试验研究;赵森;曾芳金;王军;符洪涛;王亚东;;岩石力学与工程学报(06);第1-5节 * |
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| CN109208575A (zh) | 2019-01-15 |
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