CN110670574B - 用于加固软黏土地基的强化电渗方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加固软黏土地基的强化电渗系统及方法，包括以下步骤：向软黏土地基中竖向和水平向打入电极，通过竖向电极之间形成水平电场，以及水平电极之间形成竖向电场，将土体中的水运移至阴极区域浅层土体，采用抽真空的方式将水排出，竖向阳极通电过程中进行喷雾加湿处理。本发明可以将汇聚于阴极处的水有效排出土体，延长电极使用寿命，解决了常规电渗法土体加固不均匀，阳极腐蚀严重等难题，操作简便，效率高且成本低。

Description

用于加固软黏土地基的强化电渗方法及系统

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种加固软黏土地基的强化电渗方法。

背景技术

当土体中插入阴、阳电极并接通直流电源后，在电源电场力的作用下，电源负极的电子通过导线迁移到阴极，同时阳极上的电子通过导线迁移到电源正极，为了维持阴、阳电极电子的流动，阴极必须不断的失去电子，而阳极必须不断的得到电子。由于电子不能从阴极直接进入土体中的水溶液到达阳极，因此在阴极和水溶液的界面处就发生了消耗电子的还原反应，在阳极和水溶液的界面处则发生产生电子的氧化反应。同时，阴、阳电极上分别带有负电荷和正电荷，使两极间的土体存在电场，因此水溶液中的阴、阳离子分别向阳极和阴极移动，从而在水溶液中形成电流。其中，某些表面带有负电荷的细小土颗粒也产生向阳极移动的现象，此现象称为电泳。由于表面带有负电荷的大部分土颗粒具有比较稳定的结构而在电渗过程中不会产生移动，因此水溶液中可移动的阴离子数量远远小于阳离子的数量。同时，水溶液里的离子一般以水化离子的形式存在，水分子被束缚在离子周围的溶剂化层内，不能独立移动，只能与离子一起移动，因此水溶液中相对过剩的水化阳离子在向阴极移动的过程就形成电渗。

各国学者基于室内试验、现场试验、工程应用以及计算理论等方面对电渗法开展了诸多研究，报道了其在各种土壤类型中的应用，包括有机质土、泥炭土、含油淤泥、工业尾矿、疏浚淤泥、吹填淤泥、废弃泥浆、海洋底泥、污染土、城市污泥等。但存在以下几个方面的问题制约着电渗法的推广应用：

（1）电势的传递效率降低，由于阳极附近土体中的水向阴极方向运移，阳极附近土体含水率逐渐降低，电阻逐渐增大，以及阳极受到腐蚀等影响，产生明显的电势降，仅有75%以下的额定电压有效。

（2）加固土体的不均匀性，工程结束后检测发现阳极区域土体抗剪强度上升明显，阴阳电极中间的土体抗剪强度次之，而阴极处土体抗剪强度仍较低，这与阴极附近土体中的水不能有效排出土体表面，土体含水率仍较高有关。

发明内容

发明目的：提供一种加固软黏土地基的强化电渗方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种用于加固软黏土地基的强化电渗系统，包括：

竖向排水组件，包括布设在地基中的多组竖向阴极和多组竖向阳极，与所述竖向阴极和竖向阳极电连接的第一直流电源，以及一端延伸至竖向阴极处、另一端与真空射流泵连接的排水管；在竖向阳极和竖向阴极之间形成横向电场，在工作状态下，水向竖向阴极集中；

横向排水组件，沿竖向阴极长度方向设置的两组以上的水平电极，以及可与所述水平电极电连接的第二直流电源，位于上层的水平电极与第二直流电源的阴极连接；在水平电极之间形成竖直向上的电场，在工作状态下，水沿竖直方向朝阴极的顶部集中。

在进一步的实施例中，在水平截面，所述水平电极均匀布设在竖向阴极之间。

在进一步的实施例中，所述竖向阴极处铺设有砂垫层，所述排水管埋设于所述砂垫层中，排水管的进水端设置有密封盖。

在进一步的实施例中，所述密封盖采用PVC制作。

在进一步的实施例中，所述竖向阳极为管体，管身上设置有若干通孔。

在进一步的实施例中，所述竖向阳极与喷雾系统连通，通过喷雾加湿使竖向阳极内外表面保持潮湿。

一种用于加固软黏土地基的强化电渗方法，采用上述任一项所述的强化电渗系统；所述方法包括如下步骤：

步骤1、在软黏土地基中打入竖向阳极和竖向阴极，并在竖向阴极之间设置水平电极；布设第一直流电源、第二直流电源及导线；布设排水管的一端连接密封盖的排水孔，将密封盖压入土体，排水管另一端与真空射流泵连接；

步骤2、启动竖向排水组件和横向排水组件，对软黏土地基进行处理，使水从竖向阳极向竖向阴极移动，再从竖向阴极底部向顶部移动，并通过排水管排出；

步骤3、重复步骤2，直至土体强度达到设计要求，回收横向排水组件和竖向排水组件。

在进一步的实施例中，所述步骤2中，竖向排水组件的工作过程包括：将竖向阳极与第一直流电源的正极连接，竖向阴极与第一直流电源的负极连接，开启第一直流电源，通电过程中使用喷头在竖向阳极内部上下移动对竖向阳极内壁喷雾加湿。

在进一步的实施例中，所述步骤2中，横向排水组件的工作过程包括：

将最底端的水平电极连接第二直流电源的正极，其相邻的水平电极连接第二直流电源的负极，一段时间后停止通电，再将从下向上数的第二根水平电极连接第二直流电源的正极，第三根水平电极连接第二直流电源的负极，通电一段时间，依次进行，直至土体表面的水平电极为阴极，水汇聚于土体表面以下约0.5 m深度范围以内。

一种用于加固软黏土地基的强化电渗方法，包括如下步骤：

第1步、按设计间距及布置形式，采用人工或机械的方式向软黏土地基中竖向打入电极，在竖向阴极电极之间水平打入若干根水平电极，电极打入前均与导线连接，连接处做好防水处理；

第2步、在打入水平电极正上方的土体表面铺设砂垫层，在砂垫层中埋设一段排水管，排水管的一端连接密封盖的排水孔，将密封盖压入土体，排水管另一端与真空射流泵连接；

第3步、将竖向阳极与第一直流电源的正极连接，竖向阴极与第一直流电源的负极连接，开启第一直流电源，通电过程中使用喷头在竖向阳极内部上下移动对竖向阳极内壁喷雾加湿；

第4步、将最底端的水平电极连接第二直流电源的正极，其相邻的水平电极连接第二直流电源的负极，一段时间后停止通电，再将从下向上数的第二根水平电极连接第二直流电源的正极，第三根水平电极连接第二直流电源的负极，通电一段时间，依次进行，直至土体表面的水平电极为阴极，水汇聚于土体表面以下预定深度范围以内；

第5步、开启真空射流泵，将汇聚于浅层土体的水排出；

第6步、重复步骤3~5步，直至土体强度达到设计要求，回收横向排水组件和竖向排水组件。

有益效果：本发明在软黏土地基中通过水平电场、竖向电场及抽真空的共同作用，实现软黏土的均匀加固，并通过对阳极的喷雾加湿处理保护阳极，延长电渗有效处理时间，解决现有电渗法有效处理时间短、土体加固不均匀、阳极处电势降严重等难题，提高了软黏土的排水固结速率，改善了电渗法的加固效果；此外本发明操作简单，能够快速而高效的实现软黏土的加固。

附图说明

图1是本发明用于加固软黏土地基的强化电渗法操作示意图。

图2是本发明的电极布置剖面示意图。

图3是本发明的电极布置平面示意图。

图4是本发明的排水示意图。

图5是本发明水平电极放置管的示意图。

图中各附图标记为：软黏土1、竖向阳极2、竖向阴极3、水平电极4、导线5、直流电源6、喷头7、水管8、水箱9、砂垫层10、密封盖11、排水管12、真空射流泵13、排水孔14、水平电极放置管15、导向部16、绝缘套17。

具体实施方式

如图1所示，用于加固软黏土地基的强化电渗系统，主要包括竖向排水组件、横向排水组件。分别用于形成横向电场和纵向电场，使水沿固定方向集中并排出。

竖向排水组件，包括布设在地基中的多组竖向阴极和多组竖向阳极，与所述竖向阴极和竖向阳极电连接的第一直流电源，以及一端延伸至竖向阴极处、另一端与真空射流泵连接的排水管；在竖向阳极和竖向阴极之间形成横向电场，在工作状态下，水向竖向阴极集中；

横向排水组件，沿竖向阴极长度方向设置的两组以上的水平电极，以及可与所述水平电极电连接的第二直流电源，位于上层的水平电极与第二直流电源的阴极连接；在水平电极之间形成竖直向上的电场，在工作状态下，水沿竖直方向朝阴极的顶部集中。

本发明加固软黏土地基的处理方法，主要包括以下步骤：

步骤1：按设计间距及布置形式，采用人工或机械的方式向软黏土地基中竖向打入电极，在竖向阴极电极之间水平打入若干根电极，电极打入前均与导线连接，连接处做好防水处理；

步骤2：在打入水平电极正上方的土体表面铺设砂垫层，在砂垫层中埋设一段排水管，排水管的一端连接密封盖的排水孔，将密封盖压入土体，排水管另一端与真空射流泵连接；

步骤3：将竖向阳极与直流电源的正极连接，竖向阴极与直流电源的负极连接，开启直流电源，通电过程中使用喷头在竖向阳极内部上下移动对竖向阳极内壁喷雾加湿；

步骤4：将最底端的水平电极连接直流电源的正极，其相邻的水平电极连接直流电源的负极，一段时间后停止通电，再将从下向上数的第二根水平电极连接直流电源的正极，第三根水平电极连接直流电源的负极，通电一段时间，依次进行，直至土体表面的水平电极为阴极，水汇聚于土体表面以下约0.5m深度范围以内；

步骤5：开启真空射流泵，将汇聚于浅层土体的水排出；

步骤6：重复步骤S3~S5步，直至土体强度达到设计要求，回收横向排水组件和竖向排水组件。

需要注意的是，在步骤1中，竖向电极可呈矩形或梅花形布置形式，同性及异性电极间距为1~1.5m。水平电极的打设位置位于两竖向阴极中间处，水平电极的长度为1m，水平电极在土中的竖向间距为1m。可根据软黏土的打设难易程度确定竖向及水平电极打设深度，对于机械难以进入的软黏土地基，可在场地铺设编织布，借助泡沫板人工打设电极3~4m深，浅层土体处理完毕后，达到机械可以进场的要求，再以相同的方式进行二次处理。

在步骤2中，密封盖为PVC材质，形状类似无盖正方体箱，顶盖的长和宽为0.8~1m，箱体高度为0.5~0.8m，厚度为0.5~1cm，将密封盖口朝下打入土中，密封盖的顶盖上有一个5~10cm的排水孔。

在步骤3中，竖向阳极为管体，管身打满小孔，在竖向阳极管内通过高压喷头喷雾加湿，保持阳极内外表面潮湿即可。

在步骤4中，当土体含水率高于80%时，相邻水平电极在一次循环中的通电时间为0.5~1h，当土体含水率低于80%时，相邻水平电极在一次循环中的通电时间延长至2~4h。

在进一步的实施例中，上述横向排水组件还包括水平电极放置管15，沿水平电极放置管的长度方向设置两排以上的通孔，每组通孔对称设置。通过L形导向管将水平电极和导线安装在预定位置，形成多层水平电极的布设方式，同一水平面的导线，连接直流电源的同一极。

在进一步的实施例中，所述强化电渗方法的步骤1中，在安装水平电极时，L形导向管延伸至某一通孔处，导向管的末端与通孔连通，带有导线的电极沿L形导向管延伸至通孔处，并沿通孔向外运动预定距离。将L形导向管从导线的另一端拿出，重复上述步骤，直至安装好所有水平电极。

在步骤4中，进行竖向排水时，将同一水平面的水平电极连接直流电源的同一极，另一水平面的水平电极连接直流电源的另一极，形成阴极在上，阳极在下的电场分布，将水集中至阴极的顶部附近。

同一水平面的水平电极的间距可以通过绝缘套的长度进行调节。

总之，本发明提供的一种加固软黏土地基的强化电渗方法具有以下优点：第一，在软黏土地基中通过水平电场、竖向电场及抽真空的共同作用，实现软黏土的均匀加固，并通过对阳极的喷雾加湿处理保护阳极，并延长电渗有效处理时间，解决现有电渗法有效处理时间短、土体加固不均匀、阳极处电势降严重等难题，提高了软黏土的排水固结速率，降低了能耗，改善了电渗法的加固效果。第二，本发明便于操作，快速而高效，缩短工期，节省造价。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于加固软黏土地基的强化电渗系统，其特征在于，包括：

竖向排水组件，包括布设在地基中的多组竖向阴极和多组竖向阳极，与所述竖向阴极和竖向阳极电连接的第一直流电源，以及一端延伸至竖向阴极处、另一端与真空射流泵连接的排水管；在竖向阳极和竖向阴极之间形成横向电场，在工作状态下，水向竖向阴极集中；

横向排水组件，沿竖向阴极长度方向设置的两组以上的水平电极，以及可与所述水平电极电连接的第二直流电源，位于上层的水平电极与第二直流电源的阴极连接；在水平电极之间形成竖直向上的电场，在工作状态下，水沿竖直方向朝阴极的顶部集中；

在水平截面，所述水平电极均匀布设在竖向阴极之间；

所述竖向阳极为管体，管身上设置有若干通孔；

所述竖向阳极与喷雾系统连通，通过喷雾加湿使竖向阳极内外表面保持潮湿；

所述竖向阴极处铺设有砂垫层，所述排水管埋设于所述砂垫层中，排水管的进水端设置有密封盖。

2.根据权利要求1所述的用于加固软黏土地基的强化电渗系统，其特征在于，所述密封盖采用PVC制作。

3.一种用于加固软黏土地基的强化电渗方法，其特征在于，采用权利要求1至2任一项所述的强化电渗系统；所述方法包括如下步骤：

步骤1、在软黏土地基中打入竖向阳极和竖向阴极，并在竖向阴极之间设置水平电极；布设第一直流电源、第二直流电源及导线；布设排水管的一端连接密封盖的排水孔，将密封盖压入土体，排水管另一端与真空射流泵连接；

步骤2、启动竖向排水组件和横向排水组件，对软黏土地基进行处理，使水从竖向阳极向竖向阴极移动，再从竖向阴极底部向顶部移动，并通过排水管排出；

步骤3、重复步骤2，直至土体强度达到设计要求，回收横向排水组件和竖向排水组件。

4.根据权利要求3所述的用于加固软黏土地基的强化电渗方法，其特征在于，所述步骤2中，竖向排水组件的工作过程包括：将竖向阳极与第一直流电源的正极连接，竖向阴极与第一直流电源的负极连接，开启第一直流电源，通电过程中使用喷头在竖向阳极内部上下移动对竖向阳极内壁喷雾加湿。

5.根据权利要求3所述的用于加固软黏土地基的强化电渗方法，其特征在于，所述步骤2中，横向排水组件的工作过程包括：

将最底端的水平电极连接第二直流电源的正极，其相邻的水平电极连接第二直流电源的负极，一段时间后停止通电，再将从下向上数的第二根水平电极连接第二直流电源的正极，第三根水平电极连接第二直流电源的负极，通电一段时间，依次进行，直至土体表面的水平电极为阴极，水汇聚于土体表面以下0.5 m深度范围以内。

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