CN110847152A - 土壤原位高温烧结热处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤原位高温烧结热处理系统及方法，所述处理系统包括柱状热源、保温密封罩和控制器，所述柱状热源设置于土壤中设置的热源安装孔内，所述保温密封罩设置于柱状热源上方的地面上，所述保温密封罩通过蒸汽管与蒸汽收集装置相连，所述柱状热源与控制器相连。本发明实施简单，处理效果显著；施工周期短，施工成本低，快速解决土壤地基承载力不足的问题；适用范围广泛，社会经济效益显著。

Description

土壤原位高温烧结热处理系统及方法

技术领域

本发明涉及地基施工技术领域，具体涉及一种土壤原位高温烧结热处理系统及方法。

背景技术

近几年来，我国城镇化建设呈现出快速发展的势头，建筑工程所延伸的地域更加广泛，呈现出建筑工程施工时所面临的地质条件多种多样化，为了保障建筑结构的质量，减少因地基承载力不足引起建筑发生不均匀沉降，引发建筑工程的质量问题影响人们的正常使用，必须对建筑地基进行预先处理，增强地基承载力。目前常用的在地基处理方法主要分为换填、压实、夯实和复合地基等；做换填地基时，不能将原有地基土很好的利用，需要更换质量要求高的填料，进而导致建筑用地的面积增大；压实和夯实地基，需要进行分层施工，施工缓慢，施工周期长。将地基做成复合地基时，建筑的荷载主要由桩基承担，没有充分发挥地基土的承载力。为了充分发挥建筑地基土的承载力，减少建筑工程对土地的占用，缩短施工周期，降低工程造价，需要一种新的建筑地基处理方法满足建筑工程领域的技术需求。

将地基土原位处理是地基土充分利用的理想方法，目前国内外学者关于原位热加固地基的处理方法已经做了大量的研究工作，但目前多数是采用加热促渗的方法使软弱地基排水固结，热源温度受到各种条件的限制土体升温幅度较低，不能完全的改变土的性质，另外此类方法在加固地基时存在工期长地基强度增长慢的问题。目前公开的专利技术主要是电加热的方法促渗，进而使地下水以上的土体固结。但是现有的处理方法均利用加热的方式，缩短土体排水固结的时间，进而使土体的承载能力提高，但是加热的温度受限土体没有彻底的改变，土体承载能力增加的效果不理想。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种土壤原位高温烧结热处理系统及方法。本发明采用的技术手段如下：

一种土壤原位高温烧结热处理系统，包括柱状热源、保温密封罩和控制器，所述柱状热源设置于土壤中设置的热源安装孔内，所述保温密封罩设置于柱状热源上方的地面上，所述保温密封罩通过蒸汽管与蒸汽收集装置相连，所述柱状热源与控制器相连。

进一步地，所述处理系统还包括侧面保温装置，所述侧面保温装置设置于土壤内，并将所有柱状热源围合在一个空间内。

进一步地，所述柱状热源为电热管，所述电热管通过控制器与电源相连，所述电热管包括电热管外壳和设置于电热管外壳内部空间的电阻丝，所述电阻丝与所述电热管外壳之间填充有导热材料。

进一步地，所述蒸汽收集装置的底部通过管路与液体净化装置相连，所述蒸汽收集装置的顶部通过管路与气体分级净化处理装置相连。

进一步地，所述保温密封罩包括金属外壳和设置于金属外壳内的保温层，所述保温密封罩的内顶面与地面的距离为0.3-0.5m。

进一步地，所述侧面保温装置和柱状热源均竖直设置，所述侧面保温装置下端的深度比柱状热源下端的深度深0.3-0.5m。

进一步地，本发明还包括温度监测系统，所述温度监测系统包括设置于柱状热源处的热源温度传感器和设置于柱状热源周围的土壤中的土壤温度传感器，所述热源温度传感器和土壤温度传感器均与控制器相连。

一种土壤原位高温烧结热处理方法，包括以下步骤：

a.根据地基承载力要求，确定柱状热源的布置形式、间距和温度，进行单次处理面积的施工网格划分，标记各部件的安装位置；

b.在步骤a标记的热源安装位置通过机械方法进行热源安装孔的施工，在热源安装孔内埋设柱状热源和热源温度传感器，在土体的预定位置加工土壤温度监测孔，将土壤温度传感器设置与所述土壤温度监测孔中；

c.在单次处理面积的单个网格上方加盖保温密封罩，所述保温密封罩上的出气孔通过管线与蒸汽收集装置相连；

d.开启柱状热源，进行烧结。

进一步地，步骤c中，在单次处理面积的单个网格的周围设置侧面保温装置。

进一步地，将蒸汽收集装置中收集的蒸汽导入气体分级净化处理装置进行处理，将蒸汽收集装置中的冷凝水导入液体净化器进行处理。

与现有技术比较，本发明所述的一种土壤原位高温烧结热处理系统及方法具有以下优点：

1、实施简单，处理效果显著：

在地基表面划分原位高温烧结网格系统，通过高温烧结热处理的方式对处理范围内的土体进行加热，在热源的高温作用下快速烘干，土体出现失水干缩和土自重压力作用下的压缩现象，促使土体更加密实，结构更加紧密。同时在加热的过程中土中的某些物质在高温的作用下发生化学反应，待土壤冷却以后即使是将土壤放到原来的地质环境中土壤也不会发生水解变化，土体的承载能力产生根本性的改变，促使烧结热源作用范围内土体承载能力得到显著提高。

2、施工周期短，施工成本低，快速解决土壤地基承载力不足的问题：

本发明由于采用原位高温烧结热处理系统，将热源埋置在指定的处理深度位置并填充导热性能优越的粉末材料，同时设置保温密封系统。这些设置形式一方面可以使热源周围土体温度快速升高和土中水加速挥发，另一方面原位高温烧结热处理方法中主要的设施都可以循环使用，提高了材料的利用率，减少了对社会资源的占用，有利于工程成本的控制，在工程应用中为地基加固处理提供了一种新方法

3、适用范围广泛，社会经济效益显著：

在密封保温罩和高温热源的双重作用下，在布置热源的土壤范围内，土体可以被加热到500℃以上。土壤加热500℃以上且持续加热数小时后可以形成高强度的烧结土柱桩，能够显著增强土体的承载能力。经过高温烧结形成的烧结土柱桩既可以用于建筑地基加固，也可以用于基坑开挖时的边坡支护。当土体加热到500℃以上时，土壤中的很多有机污染物会发生热解挥发，所以本发明还可以用于污染土的修复工程。

附图说明

图1是本发明实施例的结构原理示意图。

图2是本发明实施例所述的温度监测系统布置示意图。

图3是本发明实施例所述的保温密封罩的结构示意图。

图4是本发明实施例所述的单元板的结构示意图。

图5是本发明实施例的施工网格划分和保温密封罩拼装示意图。

图6是本实施例的温度梯度图。

具体实施方式

如图1所示，一种土壤原位高温烧结热处理系统，包括柱状热源1、保温密封罩2和电源控制器3，所述柱状热源1设置于土壤中设置的热源安装孔4内，所述保温密封罩2设置于柱状热源1上方的地面上，所述保温密封罩2通过蒸汽管与蒸汽收集装置5相连，所述柱状热源1与电源控制器3相连。

作为优选方案，还可以设置侧面保温装置6，所述侧面保温装置6设置于土壤内，并将所有柱状热源1围合在一个空间内。

本实施例所述柱状热源1采用电热管，所述电热管通过电源控制器3与电源7相连，所述电热管包括电热管外壳和设置于电热管外壳内部空间的电阻丝，所述电阻丝与所述电热管外壳之间填充有导热材料，本实施例中，所述导热材料为镁粉，所述电热管外壳材料为不锈钢管，所述电热丝材料为铁铬合金材料。加热管采用缩管机、灌粉机、和调速电机等机械设备经过拉丝、缩管、灌粉和压实等工艺进行加工生产。由于热源安装孔4和电热管的直径相差较大，为加快电热管热能向土体中散发减少加热管和土体之间的接触热阻，同时起到保护电热管，提高加热管的使用寿命，在高温电热管的周围填充可回收利用的镁质粉末材料、石英砂或铁氧化剂，土体加热固结完成后先将加热管抽提出来，然后采用抽吸设备将填充材料收集再利用。为加快土壤提高承载力，提高烧结后土壤的耐久性，还可以在柱状热源1的周围加入氟化钙粉末材料或者在土体加热前将氟化钙溶液注入热源安装孔4，借助高温的热扩散作用促进氟化钙与柱状热源周围的土发生化学反应，改变土体的物质组成，进而改变土体的微观结构，达到增加地基承载能力的目标。

所述的蒸汽收集装置5是将土体在加热过程中产生的混合有害气体通过管线收集至处理器进行处理，对于蒸汽的处理具体的分为两部分，其一对于收集的有害气体采用现有的气体分级净化处理装置进行处理，其二对于收集冷却形成的有害液体采用现有的液体净化处理装置进行处理。所述的管线连接处均采用热熔连接，防止有害物质泄漏。所述蒸汽收集装置5在底部通过管线与液体净化装置9相连，所述蒸汽收集装置5的顶部通过管线与气体分级净化处理装置10相连。

如图3所示，所述保温密封罩2包括金属外壳和设置于金属外壳内的保温层，所述保温密封罩2的内顶面与地面的距离为0.3-0.5m。本实施例的保温密封罩2由多块单元板11拼接而成，依据单次高温烧结热处理的面积进行设计生产，然后进行现场拼装，接缝处进行保温密封处理，为了起到密封和保温的双重作用，本实施例所述单元板11的边缘处为台阶状结构，所述单元板11包括铁皮外壳和填充于铁皮外壳内的保温材料，所述保温材料为陶瓷纤维毯、酚醛泡沫板或玻璃丝棉卷毡，相邻单元板11的台阶状边缘相互拼接，通过长杆螺栓12固定，且缝隙处设有垫片13，如图4和图5所示。侧面保温装置6根据具体的情况，可以采取在侧面插入保温档板的方式，挡板的插入深度要比热源的埋置深度大0.3-0.5m，本例中采用改进双层钢板桩的形式借助打桩机械将钢板桩插入加热土体周围，减小热量进一步散发至更外层土体。所述侧面保温装置6和柱状热源1均竖直设置，所述侧面保温装置6下端的深度比柱状热源1下端的深度深0.3-0.5m，进一步减少热量的散失。

如图2所示，本发明还包括温度监测系统，所述温度监测系统包括设置于柱状热源1处的热源温度传感器14和设置于柱状热源1周围的土壤中的土壤温度传感器15，所述的热源温度传感器14和土壤温度传感器15均与温度采集器16相连，所述温度采集器16通过连接线16’与电源控制器3相连，热源温度监测主要是为时时控制加热热源的温度，监测点也就是热源温度传感器14的位置点一般选择布置在柱状热源1的管壁位置，土体温度场的监测点也就是土壤温度传感器15的位置点一般选择在土体温度场温度最低点至柱状热源1水平和竖直等间距线性布置，其中竖向监测点的最低点为地层底边界最高点为土体表面，可以在距离柱状热源1不同距离处设置多个土壤温度传感器15，通过这种措施可以保障土体达到烧结热处理的温度要求，减小因热源温度过高增加能量的消耗，同时还能得到土体中的温度场分布情况，根据温度监控的数据判断土体的烧结情况，所述热源温度传感器14和土壤温度传感器15均与电源控制器3相连，所述温度监测系统还包括电源路开闭控制设备，通过控制器控制开闭，实时控制柱状热源1的温度。

一种土壤原位高温烧结热处理方法，包括以下步骤：

a.对需要处理的地基场地进行施工前的准备工作，划分一次拟处理的施工面积，根据地基承载力要求，确定柱状热源1的布置形式、间距和温度，进行单次处理面积的施工网格划分，标记各部件的安装位置，如图5所示。本实施例选用30m×30m或50m×50m的形式作为一次的处理面积，根据一次处理面积再详细划分热源布设的网格系统，具体一次处理面积和热源布设网格系统的划分形式还需要依据现场的地质条件和设计要求进行设计。

b.根据拟定的土壤处理实施方案，在步骤a标记的热源安装位置通过机械冲孔的方法进行热源安装孔4的施工，热源安装孔4的直径一般不小于柱状热源1直径的1.5倍或更高，热源安装孔4的一般根据地层的情况一次成孔且深度相对于柱状热源1向下延伸0.3-0.5m，一次高温烧结的处理深度需根据具体现场情况而定，在热源安装孔4内埋设柱状热源1和热源温度传感器14，在土体的预定位置加工土壤温度监测孔，将土壤温度传感器15设置与所述土壤温度监测孔中，柱状热源1埋置在热源安装孔4的中心位置，柱状热源1和热源安装孔4的孔壁之间填充传热性能优越的粉末材料(例如镁质粉末材料、石英砂或铁氧化剂)加快土体升温，或者将柱状热源1直接插入土体。热源温度传感器14内置在热源安装孔4的内部，土体温度场测量、热源控制系统的布置根据从热源至温度场的最低温度点的距离等间距布置，最后将所用温度传感器通过导线连接到温度显示控制器。一次处理面积的网格划分常采用等边三角形、正方形或六边形等边多边形划分形式，在现场应用时还需要根据场地条件具体设计，通过不同的布置方式使各个柱状热源1之间相互作用，柱状热源1的热量相互作用在土体中累积迭加形成加强温度场，进而达到土壤的处理强度目标和缩短时间的工期目标。具体的热源布置形式需要处理的土体承载力的要求，考虑时间、成本和强度三者的最优组合。一般可以选择全深度范围处理或者选择分层处理，柱状热源1之间的间距一般选择为1-3m，处理后的土样单轴抗压强度范围为0.2-5MPa。将柱状热源埋入土体后，将数根柱状热源通过星形接线法接入加热电源电路。

c.在单次处理面积的单个网格上方加盖保温密封罩2，所述保温密封罩2上的出气孔通过管线与蒸汽收集装置5相连；

d.开启柱状热源1，进行烧结。

步骤c中，保温密封罩2的施工方法为在离地面一定高度的范围内拼装保温密封罩2，还可以根据需要在单次处理面积的单个网格的周围设置侧面保温装置6。布设依据处理土体的具体情况，若需处理的土体上层覆土较深，根据一次处理土体的表侧面积比决定是否需要采取侧面保温方式；若需处理的土体上层覆土较浅，根据一次处理土体的表侧面积比采取顶面、侧面或组合的保温方式进行保温系统的布设。顶面的保温密封罩2由多个单元板11拼接而成，依据一次加热的处理面积进行单块单元板11设计生产，在板材靠近土体的一面粘贴耐高温且厚度大于5cm的保温材料，本实施例中柱状热源1的间距为1.5m，保温密封罩2的单元板尺寸为3×3m。现场搭设安装支架，将单元板11现场拼装罩于被加热土体的上方，在土体和保温密封罩2之间预留0.3-0.5m的蒸汽挥发空间，并且均匀预留蒸汽挥发连接孔。保温密封罩2和蒸汽连接口的安装要求密封严格、且能承受一定的蒸汽压力，单次使用后可直接移动至下次使用。侧面的保温系统根据一次处理的土层面积，采取相应的隔离保温措施，降低热量的消散。侧面保温装置6根据具体的情况，可以采取在侧面插入保温挡板，挡板的深度比热源深度大0.3-0.5m，或者不对侧面进行保温处理。

土壤烧结过程中的温度测量与热源温度控制：在土壤加热过程中的采用K型热电偶测量热源的温度和加热处理土体温度最低点的温度，根据热源到温度最低点的聚集等间距布置3-5只热电偶，测量土体的温度梯度情况。实验过程中根据土体的升温速率通过温度控制器16即时调整热源温度，这样能够在较短的时间内将土体加热到指定的温度，同时能够减少在加热过程中的电能消耗。在土体温度场升温的初始阶段土壤中的温度分布不均匀，主要是通过恒定热源温度对土体进行加热；待土体温度场的最低温度达到加热目标温度后，转为变热源温度进行加热，即根据土壤温度场中温度最低点的温度，控制加热电路加热和保温两种状态的转换。通过这种措施可以保障土体达到烧结热处理的温度要求，减小因热源温度过高增加能量的消耗，同时还能得到土体中的温度场分布情况，根据温度监控的数据判断土体的烧结情况，如图5所示，此图是将温度监测系统采集的温度数据进行计算机辅助分析生成的温度场分布图，此图随加热时间延长进行实时的更新，针对不同的地基处理目标要求可以根据温度场的分布情况判断土体的烧结情况，作为判断是否终止加热的辅助措施。

经过上述步骤完成土壤原位高温烧结热处理之后，即可进行竣工检验，根据竣工检验的要求，在土壤温度场分布图中，取样分析温度场范围内土的基本物理性质指标，现场检测土体的承载能力(强度指标)和变形模量，进行综合判断土壤高温烧结的情况是否符合设计的要求。检测方法可以采用原位检测，如静载荷检测、静力触探检测；土工试验检测，如取样检测。基于温度场的分析主要是机理的分析，通过取样借助微观试验分析土体结构和矿物成份的变化情况，进而判断土壤烧结后承载能力的变化情况。

本实施例通过蒸汽收集装置对土体加热过程中产生的气体进行收集，将蒸汽收集装置5中收集的蒸汽导入气体分级净化处理装置10进行处理，将蒸汽收集装置5中的冷凝水导入液体净化装置9进行处理，减少在高温烧结地基处理时产生的有害气体对环境的污染。在大面积施工前可以进行小面积的试验，根据大气污染物排放标准中的检测规定，取样检测土体在高温烧结过程中挥发的蒸汽里所含有的污染物种类，如果蒸汽符合大气排放标准可以不进行后期的蒸汽处理，如果不合格大气排放标准根据蒸汽中的具体成份选择合适的处理剂进行分级处理，减少对环境的二次污染。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种土壤原位高温烧结热处理系统，其特征在于，包括柱状热源、保温密封罩和控制器，所述柱状热源设置于土壤中设置的热源安装孔内，所述保温密封罩设置于柱状热源上方的地面上，所述保温密封罩通过蒸汽管与蒸汽收集装置相连，所述柱状热源与控制器相连。

2.根据权利要求1所述的土壤原位高温烧结热处理系统，其特征在于，还包括侧面保温装置，所述侧面保温装置设置于土壤内，并将所有柱状热源围合在一个空间内。

3.根据权利要求1所述的土壤原位高温烧结热处理系统，其特征在于，所述柱状热源为电热管，所述电热管通过控制器与电源相连，所述电热管包括电热管外壳和设置于电热管外壳内部空间的电阻丝，所述电阻丝与所述电热管外壳之间填充有导热材料。

4.根据权利要求1所述的土壤原位高温烧结热处理系统，其特征在于，所述蒸汽收集装置的底部通过管路与液体净化装置相连，所述蒸汽收集装置的顶部通过管路与气体分级净化处理装置相连。

5.根据权利要求1所述的土壤原位高温烧结热处理系统，其特征在于，所述保温密封罩包括金属外壳和设置于金属外壳内的保温层，所述保温密封罩的内顶面与地面的距离为0.3-0.5m。

6.根据权利要求1所述的土壤原位高温烧结热处理系统，其特征在于，所述侧面保温装置和柱状热源均竖直设置，所述侧面保温装置下端的深度比柱状热源下端的深度深0.3-0.5m。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的土壤原位高温烧结热处理系统，其特征在于，还包括温度监测系统，所述温度监测系统包括设置于柱状热源处的热源温度传感器和设置于柱状热源周围的土壤中的土壤温度传感器，所述热源温度传感器和土壤温度传感器均与控制器相连。

8.一种土壤原位高温烧结热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.根据地基承载力要求，确定柱状热源的布置形式、间距和温度，进行单次处理面积的施工网格划分，标记各部件的安装位置；

b.在步骤a标记的热源安装位置通过机械方法进行热源安装孔的施工，在热源安装孔内埋设柱状热源和热源温度传感器，在土体的预定位置加工土壤温度监测孔，将土壤温度传感器设置与所述土壤温度监测孔中；

c.在单次处理面积的单个网格上方加盖保温密封罩，所述保温密封罩上的出气孔通过管线与蒸汽收集装置相连；

d.开启柱状热源，进行烧结。

9.根据权利要求8所述的土壤原位高温烧结热处理方法，其特征在于，步骤c中，在单次处理面积的单个网格的周围设置侧面保温装置。

10.根据权利要求8所述的土壤原位高温烧结热处理方法，其特征在于，将蒸汽收集装置中收集的蒸汽导入气体分级净化处理装置进行处理，将蒸汽收集装置中的冷凝水导入液体净化器进行处理。

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