CN110984117A - 一种用于软土地基处理的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于软土地基处理的装置及方法，所述装置包括：排水板(4)、集水井(7)、压排水管(6)，所述压排水管(6)以管道方式连接所述排水板(4)的底部和所述集水井(7)的底部；加压模块，所述加压模块包括：薄膜(12)、堆载体(13)和空压机(1)；所述薄膜(12)具有气密性且覆盖在所述软土地基上方；堆载体(13)，所述堆载体(13)设置在所述薄膜(12)上方；空压机(1)，所述空压机(1)的加压端连通所述薄膜(12)的下部，通过使得所述薄膜(12)下的软土地基土层处于高于大气气压的状态而启动地下水的排水过程。

Description

一种用于软土地基处理的装置及方法

技术领域

本发明涉及地基处理的技术领域，特别是对利用空气压力变化对软土地基进行处理的装置及方法。

背景技术

软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。软土具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。

软土地基是泛指由强度低，压缩量较高的软弱土层构成的地基。由于软土强度低，沉降量大，往往给道路、建筑物等工程带来很大的危害。因而，在实际工程中，通常都需要对软土地基进行固结处理。

当前，行业内对于软土地基的处理方法通常有：堆载预压法、真空预压法、以及复合地基处理法等。

其中，堆载预压法是在工程建设之前用大于或等于设计荷载的填土荷载，促使地基提前固结沉降以提高地基的强度，减少工后沉降。当强度指标达到设计要求数值后，卸去荷载。该法原理较成熟，施工简单，不需要特殊的施工机械和材料。但由于软土固结系数小，故软土的排水固结时间较长，因此工期较长。

真空预压法通过在土体中设置竖向插入的塑料排水板，上铺砂层，再覆盖薄膜封闭，抽气使膜下排水板和砂层等处于部分真空状态，排水砂垫层和竖向排水通道，真空度的传递从排水主管，经砂垫层再传至塑料排水板，进而加固软土层。考虑到真空度的传递经过排水主管、支管、砂垫层及塑料排水板，传递途径的多样造成了真空度的损失，影响了真空预压的效果。该方法不需要堆载，省去了加载和卸荷工序，缩短了预压时间，省去了大量堆载材料，所使用的设备及施工工艺均比较简单，无需大量的大型设备，便于大面积施工，然而其排水固结时间仍然较长。

复合地基处理法则泛指其他利用物理、化学等工艺对软土进行处理，以提高其承载力的方法。典型地有，水泥土搅拌桩法、换填垫层法、注浆法等。然而这些方法的成本较高，不利于大面积施工。

为了尽量缩短预压时间，提高固结效果，在常规的真空预压法的基础上，行业内提出了直排式真空预压法。直排式真空预压是将排水主管通过转接器、支管直接与塑料排水板连接，或仅设置条带砂垫层包裹真空管，使真空压力直接通过排水主管、转接器、支管传入到塑料排水板内的一定深度。简言之，相对于常规真空预压法，其减少了砂垫层或不用砂垫层，将真空管与排水板直接连接，目的是希望改变真空度的传递途径。减少真空度的传递损失，提高排水板中的真空压力，同时也节约砂垫层的成本。

此外，近年来又发展出了增压式真空预压(Over vacnm pressure)法，其是在塑料排水板间设置增压管，待常规真空预压法使得土体固结度达到30％～50％后，让增压管开始工作，增加增压管附近土体水头压力，使增压管附近土体与排水板的水压力差增加，迫使土中自由水进入排水板，使真空预压的加固效果得到改善。然而，增压式真空预压法在膜下真空状态时进行增压的做法会使得膜下真空度减小，此外可能在土体中产生滞留的气泡，不利于排水效果。

真空预压方法的主要原理在于，通过抽气使薄膜下处于真空状态，引起土中孔隙水压力降低，使土中形成负的超静孔隙水压力，在总应力没有增加的情况下，降低的孔隙水压力就等于增加的有效应力，从而使土体发生固结。但目前的真空预压方法仍然存在许多不足：常规真空预压和直排式真空预压均不降低土体中的地下水位，影响地基加固处理效果；增压式真空预压存在压力控制困难，在向土体压气的物理作用过程为气水置换，可能导致土中封存气体产生气爆安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于新原理的用于软土地基处理的装置及方法。

本发明提供一种用于软土地基处理的装置，所述装置包括：排水板，所述排水板是插入在软土地基中的具有竖向内部间隙和侧向孔隙的竖向排水构件；集水井，所述集水井的深度为10～20m；压排水管，所述压排水管以管道方式连接所述排水板的底部和所述集水井的底部；薄膜，所述薄膜具有气密性且覆盖在所述软土地基上方；堆载体，所述堆载体设置在所述薄膜上方；空压机，所述空压机的加压端连通所述薄膜的下部，通过使得所述薄膜下的软土地基土层处于高于大气气压的状态而启动地下水的排水过程。

如此，在整个排水过程中，土体中的水分排出后，土体仍然处于高气压状态下，土层的承载状态未发生明显地变化，从而不会产生如真空预压排水法那样的边排水，伴随着土体固结的缓慢过程。而在空压机停止工作后，高气压状态解除，堆载体的重量作用在已经排出地下水的地基土上，这样没有地下水的地基土的压缩固结过程可以迅速完成。

在一个实施方式中，由薄膜、堆载体和空压机构成加压模块，所述加压模块还包括透气层，所述透气层设置在所述软土地基上方且位于所述薄膜下方。

透气层能够保护排水设施并具有良好的透气性能。设置透气层的另一个作用在于，其可以与薄膜接触以保护薄膜的完整。

在一个实施方式中，所述排水板插入所述软土地基的一端具有板靴。

在一个实施方式中，所述压排水管的一端连通设置在所述板靴内的容水空间。

在一个实施方式中，所述排水板插入所述软土地基的深度至少为膜下空气压力对应的水柱高度。

本发明还提供一种用于软土地基处理的方法，包括根据前述任一项所述的用于软土地基处理的装置，其中：包括以下步骤：

S1：在待处理的软土地基中设置集水井、排水板以及压排水管；

S2：在待处理的软土地基上设置加压模块，所述加压模块至少包括空压机、薄膜以及堆载体；

S3：启动所述空压机使得所述薄膜下的软土地基土层处于高于大气气压的状态，启动地下水的排水过程。

在一个实施方式中，所述方法进一步包括：

S4：在排水过程完成以后，停止所述空压机的工作，使得所述堆载体压缩非饱和软土地基完成土体固结。

在一个实施方式中，在地下水的排水过程中，所述薄膜下气压最大能达到与所述堆载体的重量平衡的状态。

附图说明

图1为本发明的用于软土地基处理的装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特征细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

在本发明的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请所提供的实施例中，应理解，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。

实施例

本发明具体涉及一种用于软土地基处理的装置及方法。

如图1所示，用于软土地基处理的装置包括：空压机1、充气管2、透气层3、排水板4、板靴5、压排水管6、集水井7、抽水泵8、水位控制器9、排水管10、地面11、薄膜12、堆载体13等多个工作模块。

以下分别进行详细描述：

排水板

排水板是插入在软土地基中的竖向排水构件，其具有一定的竖向内部间隙和侧向孔隙，以利于土体中的水进入排水板。尽管处于业内通用名称的考虑，本发明采用排水板进行描述，但应当理解的，具有竖向和侧向排水通道的排水构件可以作为本发明描述的排水板的等同替代。

典型的排水板4可以是工程中通用的塑料排水板。为提高排水效率，并利于插入土体的施工，排水板4的端部设置板靴5。

排水板的分布原则通常根据所处理的软土地基面积大小，可按照不同的间隔和排列方式对塑料排水板进行平面布置。应当理解的是，尽管可以采用各种形式的平面布置方式，但均应基于塑料排水板4的排水半径进行合理设置。

排水板插入土体的深度根据地基处理的需要进行选择，但排水板插入软土地基的深度至少为膜下空气压力对应的水柱高度。

在本发明示例性的实施方式中，塑料排水板的插入深度可以为15m，平面间隔设置可以为2m。

压排水管

压排水管6连通排水板4的底部与集水井7(将在下文详细描述)的底部。典型的，压排水管6可以直径5mm的细管，其一端通过排水板4内部延伸到板靴5内，另一端延伸至集水井7的底部。

典型的,可以在板靴5的内部设置容水空间，压排水管6的一端将该容水空间与集水井7的底部连通。

汇集多个排水板4的压排水管6可通过管网汇流到集水井7。

集水井

在待处理的软土地基附近，设置集水井7。典型的集水井7可以采用钻孔和/或人工挖孔的方式。

进一步地，集水井7的底部设置向外部排水设施。典型的可以是抽水泵8和排水管10连接的排水设施。通过排水设施，将集水井7中的地下水排放到待处理的软土地基之外。

进一步的，排水设施还可以包括水位控制器9，其可以用于检测控制集水井7中的地下水位的预设深度，通常该预设深度的位置可用于确定启停抽水泵工作的条件。

例如，预设深度也可以是某一个预设范围值，在集水井7中的地下水位超过预设值上限时，水位控制器9控制排水设施工作，以降低集水井7中的地下水位至预设值下限的位置，控制排水设施停止排水工作。

在本发明示例性的实施方式中，集水井7的深度可为15m。

加压模块

加压模块用于对软土地基中的地下水加压，以使得软土地基中的地下水承受较大的压力，经过压排水管6排到集水井7中。

加压模块包括：透气层3、薄膜12、空压机1以及堆载体13。

其中，透气层设置在插入排水板4并铺设压排水管网后的软土地基的地面11上方，典型的透气层3可以是砂垫层，其能够保护排水设施并具有良好的透气性能。设置透气层3的另一个作用在于，其可以与薄膜12接触以保护薄膜的完整。

薄膜12覆盖在软土地基的上方，以保证待处理的软土地基与外界的气密性。

空压机1，其加压端与透气层3连通。空压机1启动后，将向薄膜12下部加压。

堆载体13，其均匀设置在薄膜12上方，在空压机1启动后，由于不透气的薄膜12下部气压增大，堆载体的重量转而由薄膜承担，从而使得薄膜下部气压最大可以达到与堆载体13重量平衡的状态。典型的，在本发明示例性的实施方式中，堆载体13可采用2m的厚土层。

如此，在空压机1工作状态下，不透气薄膜12下的排水板4和透气层3均处于高于大气气压的状态，使软土地基土层中的孔隙水压力提高，迫使地下水通过压排水管6流向集水井7，启动排水；软土地基中的地下水通过压排水管持续流出到集水井7中，并经过排水设施排出地下水。在地下水位降低到设计需求时，停止空压机的工作，此时，由于土体处于非饱和状态，在堆载体13的作用下，土体的压缩固结过程可以迅速完成。

即，在整个排水过程中，土体中的水分排出后，土体仍然处于高气压状态下，土层的承载状态未发生明显地变化，从而不会产生如真空预压排水法那样的边排水，伴随着土体固结的缓慢过程。而在空压机停止工作后，高气压状态解除，堆载体13的重量作用在已经排出地下水的地基土上，这样处于非饱和状态的地基土的压缩固结过程可以迅速完成。

换言之，在本发明的用于软土地基处理的装置中，土体的排水过程与土体的压缩变形固结的过程是互相独立的。

以下，进一步详细描述本发明的用于软土地基处理的方法，其包括：

S1：在待处理的软土地基中设置排水板4、集水井7以及压排水管6；

S2：在待处理的软土地基上设置加压模块，该加压模块至少包括空压机1、薄膜12以堆载体13；

S3：启动空压机1使得薄膜12下的软土地基土层处于高于大气气压的状态，启动排水。

进一步地，该方法还可以包括：

S4：排水完成以后，停止空压机1的工作，使得堆载体13压缩非饱和软土地基完成土体固结。

进一步地，加压模块中还包括设置在地面11上地透气层。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前叙述实施对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (8)

1.一种用于软土地基处理的装置，所述装置包括：

排水板(4)，所述排水板(4)是插入在软土地基中的具有竖向内部间隙和侧向孔隙的竖向排水构件；

集水井(7)，所述集水井(7)的深度为10～20m；

压排水管(6)，所述压排水管(6)以管道方式连接所述排水板(4)的底部和所述集水井(7)的底部：其特征在于：

所述装置还包括：加压模块，所述加压模块包括：

薄膜(12)，所述薄膜(12)具有气密性且覆盖在所述软土地基上方；

堆载体(13)，所述堆载体(13)设置在所述薄膜(12)上方；

空压机(1)，所述空压机(1)的加压端连通所述薄膜(12)的下部，通过使得所述薄膜(12)下的软土地基土层处于高于大气气压的状态而启动地下水的排水过程。

2.根据权利要求1所述的用于软土地基处理的装置，其特征在于：所述加压模块还包括透气层(3)，所述透气层(3)设置在所述软土地基上方且位于所述薄膜(12)下方。

3.根据权利要求1所述的用于软土地基处理的装置，其特征在于：所述排水板(4)插入所述软土地基的一端具有板靴(5)。

4.根据权利要求3所述的用于软土地基处理的装置，其特征在于：所述压排水管(6)的一端连通设置在所述板靴(5)内的容水空间。

5.根据权利要求1所述的用于软土地基处理的装置，其特征在于：所述排水板插入所述软土地基的深度至少为膜下空气压力对应的水柱高度。

6.一种用于软土地基处理的方法，包括根据权利要求1至5中任一项所述的用于软土地基处理的装置，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在待处理的软土地基中设置排水板(4)、集水井(7)以及压排水管(6)；

S2：在待处理的软土地基上设置加压模块，所述加压模块至少包括空压机(1)、薄膜(12)以及堆载体(13)；

S3：启动所述空压机(1)使得所述薄膜(12)下的软土地基土层处于高于大气气压的状态，启动地下水的排水过程。

7.根据权利要求6所述的用于软土地基处理的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

S4：在排水过程完成以后，停止所述空压机(1)的工作，使得所述堆载体(13)压缩非饱和软土地基完成土体固结。

8.根据权利要求6所述的用于软土地基处理的方法，其特征在于，在地下水的排水过程中，所述薄膜(12)下气压最大能达到与所述堆载体(13)的重量平衡的状态。

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