CN111074878B - 一种淤长型滩涂地基加固装置及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种淤长型滩涂地基加固装置及其施工方法，所述加固装置包括空心钢板、空心钢筒、钢绞线、实心钢球、砂垫层、真空装置、电渗装置和真空密封膜，空心钢板横向平铺，空心钢板连接处设置空心钢筒，用螺栓连为整体，钢绞线一端与空心钢球相连，另一端与电渗装置正极相连固定于空心钢板中部，空心钢筒与电渗装置负极相连，空心钢板上方设置砂垫层，砂垫层内埋设真空装置，砂垫层顶部铺设真空密封膜。所述方法包括以下步骤：安装实心钢球、空心钢板、空心钢筒、砂垫层、真空装置、电渗装置、真空密封膜；抽真空，沉降固结，通电，沉降固结，真空固结。本发明保证沉降、沉降差在控制范围内的同时提高土的抗剪强度和地基承载力，降低含水率。

Description

一种淤长型滩涂地基加固装置及其施工方法

技术领域

本发明涉及滩涂地基加固，具体为一种淤长型滩涂地基加固装置及其施工方法。

背景技术

沿海滩涂既属于土地，又是海域的组成部分，主要由不同空间位置的潮上带、潮间带和潮下带三部分组成，根据其不同的基质物质组成可分为泥滩、沙滩、岩滩和生物滩。在我国分布最为广泛的沿海滩涂为潮间带滩涂。由于潮汐的作用，潮间带滩涂在高潮时淹没，低潮时露出，是我国重要的后备土地资源，具有面积大、分布集中、区位条件好、农牧渔业和生态旅游业综合开发潜力大的特点，属于特殊的复合生态系统。在沿海复杂的气候环境影响下，沿海滩涂会发生不同的形态变化，据此可将其划分为稳定型滩涂、淤长型滩涂和侵蚀型滩涂。目前我国南方滩涂开发区域多为淤长型潮间带滩涂，其潮滩宽阔平坦，地形分异小，风浪小，且该区域的土层由水流携带黏土、泥沙、有机质等沉积而成，主要为大面积、一定厚度饱和的流塑状淤泥质软土，具有低渗透性、高塑性、高压缩性、高盐碱、高灵敏度等特点，在其上进行基础设施开发建设时存在地基沉降不均匀、地基承载力不足等问题，因此有必要在环保的前提下针对这种不良地质进行加固处理。

目前国内外采用的淤泥质软粘土地基加固处理方法主要包括换土垫层法、强夯法、预压法、电渗法、高压旋喷注浆法、水泥土搅拌法等。考虑实际工程情况，换土垫层法和强夯法需要使用大型器械进行施工，造价较高且施工难度较大。传统的预压法包括真空预压法和堆载预压法，相较而言真空预压法比堆载预压法更清洁易控，但加固耗时较长。电渗法适用于渗透系数小的软黏土地基，具有较快的加固速率，但加固的均匀程度难以控制，加固效果不理想。目前滩涂地基加固研究的主要趋势为探索采用较为环保且其配合比能够满足固化要求的新型固化剂结合注浆搅拌对地基进行加固处理，这一方法难以避免造成水土环境污染，且搅拌不均等问题会导致不同深度土体固化程度不一致，存在一定的安全隐患与缺陷。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种同时提高土的抗剪强度和地基承载力、降低含水率的淤长型滩涂地基加固装置，本发明的另一目的是提供一种排水速率快、施工效率高、在环保、噪音污染小的前提下使土体产生均匀固结沉降的淤长型滩涂地基加固装置的施工方法。

技术方案：本发明所述的一种淤长型滩涂地基加固装置，包括空心钢板、空心钢筒、钢绞线、实心钢球、砂垫层、真空装置、电渗装置和真空密封膜，空心钢板横向平铺，空心钢板的连接处设置空心钢筒，空心钢板的中心穿过钢绞线，钢绞线一端与空心钢球相连，另一端与电渗装置的正极相连，空心钢筒与电渗装置的负极相连，电渗过程中水流、气体等流向阴极、而土体颗粒则有靠近阳极的趋势，能够进一步提高深部土体固结的效果，空心钢板的上方设置砂垫层，砂垫层内设置真空装置，砂垫层顶部设置真空密封膜。薄壁的空心钢板和带孔的空心钢筒拼接形成形态稳定的整体结构，利用真空预压和电渗相结合的方法对一定面积、深度范围内土层进行加固，从而使地基产生均匀固结沉降，提高地基承载力。

真空装置包括真空探头、真空泵、真空表、排水管和集水罐，排水管的一端与真空探头相连接并埋于砂垫层中，另一端与集水罐相连，集水罐与真空泵相连，集水罐上设置真空表。

电渗装置包括直流电源和导线，直流电源的正极通过导线与钢绞线相连，负极通过导线与空心钢筒相连。

空心钢板上部平直，下部为圆齿状凸弧，增大了钢板与淤泥质软土的接触面积，充分利用了浮力和粘滞力同时减轻自重，避免了固结前铺设的结构因自重和地基承载力不足而产生的大幅度下沉，空心钢板为正六边形。空心钢筒梅花形均匀分布在空心钢板的六个角上，在阴极周围梅花形布置较多阳极能进一步提高电渗排水的效果。空心钢筒的侧壁由上至下设有逐渐加密的小孔，提供滩涂地区淤泥质软土的渗流路径，从而加快土中水和土中气的快速排出。空心钢筒的底部为封底密闭圆锥状尖角，顶部一端设有突出的带孔外环，空心钢筒通过带孔外环、螺栓与空心钢板固连成整体，避免了局部固结速度不同而导致的沉降差，保证结构在控制范围内发生均匀沉降。

空心钢板与钢绞线的连接处设置绝缘垫圈。实心钢球的底部为尖锥形，有利于快速下沉定位，缩短施工工期的同时保证土中气体和水顺利向上排出。通过控制钢绞线长度并依靠其自重和尖底沉至预设位置，使位于深部土层的钢球和钢筒之间形成电势差，保证电渗渗流路径与真空抽水一致，均为由下至上的竖向排水。

上述淤长型滩涂地基加固装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤一，在滩涂淤泥质软土地基上定位安装好空心钢板、空心钢筒、实心钢球，用螺栓将空心钢板和空心钢筒连接形成整体，与实心钢球相连的钢绞线穿过空心钢板中心小孔并套上绝缘垫圈；

步骤二，在空心钢板上部安装真空装置以及电渗装置后铺设砂垫层，在砂垫层上部铺设真空密封膜，其中与钢绞线相连的实心钢球接电渗装置的正极作为阳极，空心钢筒接电渗装置的负极作为阴极；

步骤三，将真空密封膜下的整体抽成真空状态，使真空密封膜内外产生气压差，淤泥质软土层产生固结压力将土中水和土中气经由空心钢筒排出，当内排水量不再增加或明显降低时，停止抽真空使其自然沉降固结，待沉降稳定后进行电渗加固处理，将空心钢筒作为阴极，沉至一定深度的尖底实心钢球作为阳极，通电后使得土中弱结合水和游离态气体、水进一步排出，排水量不再增加时关闭电源，使其自然沉降固结，待沉降稳定后再进行真空预压处理。

尖底实心钢球的沉降深度根据加固滩涂地基所需达到的承载力要求、所需加固土层的厚度换算得到，根据不同工况来确定其所需达到的承载力要求。

真空固结的过程是将真空密封膜下部的土体抽成真空状态利用大气压差施加压力从而排出土中的水和气体，先真空固结，然后电渗固结，最后真空固结这样一个真空-电渗-真空联合的交替固结并间隔使用的一种方法，能够有效加快排水速率，缩短施工工期，保证在环保、噪音污染小的前提下使土体产生均匀固结沉降，其中先进行真空固结处理能够将地基表面的积水和气体排出，使电极与土体更加紧密接触以降低界面电阻，从而降低电渗的能耗，之后采用电渗固结能够将土中弱结合水、游离态的水和气体进一步排出，提高加固效率，最后采用真空加固可以加速排出汇聚在电极处的气体和水，避免堆积以减少裂缝的产生，从而保证地基产生均匀固结。真空固结和电渗固结交替保证合理的时间间隔能够有效地提高固结效率，间隔时间过短会导致无法充分发挥排水作用，间隔时间太长会增加该方法的能耗，因此控制好合理的间隔时间能够进一步提高该加固方法的效率。

工作原理：通过真空泵将真空密封膜下的整体抽成真空状态，使膜内外产生气压差，淤泥质软土层产生固结压力将土中水和土中气经由空心钢筒排出，当土中含水率降至一定程度，即持续1h内排水量几乎不再增加时关闭真空泵，使其自然沉降固结，当持续1h内沉降几乎无变化即沉降稳定后通电进行电渗固结处理，将空心钢筒作为阴极，沉至一定深度(根据滩涂地基固结所需达到的承载力要求换算得到的所需加固土层深度)的尖底实心钢球作为阳极，通电使土中弱结合水、游离态气体和游离态水沿空心钢筒进一步排出，同时底部土体也得到了加固，最后当持续1h内排水量几乎不再增加时关闭电源，使其自然沉降固结，当持续1h内沉降几乎无变化即沉降稳定后打开真空泵进行真空固结处理从而使得整体结构沉降更为均匀达到地基加固的目的。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、对淤长型滩涂地区淤泥质软粘土地基进行加固，排出地基中气体、游离水和弱结合水，保证沉降、沉降差在控制范围内的同时提高土的抗剪强度和地基承载力，降低含水率；

2、空心钢板下部设计成圆齿状凸弧，增大了空心钢板与滩涂淤泥质软土的接触面积，充分利用了浮力和粘滞力的同时减轻自重，避免了固结前铺设的结构因自重和地基承载力不足而产生的大幅度下沉；

3、将带孔特制空心钢筒与钢板用螺栓连接成整体，避免了局部固结速度不同而导致的地基表面沉降差，保证结构在控制范围内发生均匀沉降；

4、空心钢筒根据固结时土中水和土中气的渗流路径分析设置由上至下逐渐加密的小孔，提供滩涂地区淤泥质软土的渗流路径，有利于加快土中水和土中气的快速排出；

5、将带孔特制的空心钢筒底部设置成尖锥形，有利于快速下沉定位，缩短施工工期的同时保证土中气体和水顺利向上排出

6、将实心钢球底部设计为锥形并绑接钢绞线，下放时有利于快速定位下沉，通过控制钢绞线长度并依靠其自重和尖底沉至预设位置，使位于深部土层的实心钢球和空心钢筒之间形成电势差，保证电渗渗流路径与真空抽水一致，均为由下至上的竖向排水；

7、将空心钢筒接电源负极作为阴极，实心钢球接电源正极作为阳极，电渗过程中水流、气体等流向阴极、而土体颗粒则有靠近阳极的趋势，这能够进一步提高深部土体固结的效果；

8、在空心钢圆筒周围梅花形布置较多的实心钢球，即在阴极周围梅花形布置较多阳极能进一步提高电渗排水的效果；

9、采用真空-电渗-真空联合加固的方法能够有效加快排水速率，缩短施工工期，保证在环保、噪音污染小的前提下使土体产生均匀固结沉降，其中先进行真空固结处理能够将地基表面的积水和气体排出，使电极与土体更加紧密接触以降低界面电阻，从而降低电渗的能耗，之后采用电渗固结能够将土中弱结合水、游离态的水和气体进一步排出，提高加固效率，最后采用真空加固可以加速排出汇聚在电极处的气体和水，避免堆积以减少裂缝的产生，从而保证地基产生均匀固结；

10、真空固结和电渗固结交替保证合理的时间间隔能够有效地提高本固结方法的效率。

附图说明

图1是本发明的剖示图；

图2是本发明空心钢板1的平铺示意图；

图3是本发明空心钢板1的剖示图；

图4是本发明空心钢板1的俯视图；

图5是本发明空心钢筒2的俯视图；

图6是本发明空心钢筒2的剖示图。

具体实施方式

以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。

如图1，在滩涂淤泥质软土地基上定位安装好空心钢板1、空心钢筒2、实心钢球4，用螺栓9将空心钢板1和空心钢筒2连接形成整体。在空心钢板1上部安装真空装置6以及电渗装置7后铺设砂垫层5，在砂垫层5上部铺设真空密封膜8。真空装置6包括真空探头601、真空泵602、真空表603、排水管604和集水罐605，排水管604的一端与真空探头601相连接并埋于砂垫层5中，另一端与集水罐605相连，集水罐605的封盖上安装真空表603，同时封盖上设有两个接口，一个连接排水管604，另一个与真空泵602相连接。电渗装置7包括直流电源701和导线702，直流电源701的正极通过导线702与钢绞线3相连，与钢绞线3相连的实心钢球4作为阳极，负极通过导线702与空心钢筒2相连，空心钢筒2作为阴极。

如图2-4，特制薄壁的空心钢板1为正六边形，角部存在内凹缺角且开有小孔，空心钢板1上部平直、下部为圆齿状凸弧，弧上为一系列凸出的小拱。空心钢板1中部开有小孔便于钢绞线3穿引。尖底实心钢球4用钢绞线3连接穿过特制薄壁空心钢板1中央小孔，在孔上安装绝缘垫圈10将结构密封，通过控制钢绞线3长度并依靠其自重和尖底沉至预设位置，同时钢绞线3上部留设一小段出露长度。带孔特制空心钢筒2呈梅花形布设于特制薄壁空心钢板1周围，其突出带孔外环搭接在空心钢板1上，两者之间用螺栓9连接形成整体结构。

如图5-6，带孔特制的空心钢筒2侧壁设有由上至下逐渐加密的小孔，底部为封底密闭圆锥状尖角，顶部一端设有突出的带孔外环，孔位设置与特制薄壁的空心钢板1上小孔位置相对应。

本发明的装置具体施工方式如下：

(1)清除待加固区域表面影响施工作业的杂物，进行场地平整；

(2)将尖底实心钢球4与钢绞线3绑扎焊接之后定位下沉至指定位置；

(3)铺设特制空心钢板1，使钢绞线3穿过其中心圆孔，并用绝缘垫圈10进行固定；

(4)下放特制空心钢筒2，搭接在空心钢板1上部，用螺栓9连接形成整体；

(5)在空心钢筒2上部中心位置处安装真空探头601，连接排水管604、集水罐605、真空表603和真空泵602；

(6)利用导线702将直流电源701正极与钢绞线3出露部分相连，将直流电源701负极与空心钢筒2内壁相连；

(7)在结构上部铺设砂垫层5；

(8)在砂垫层5上部铺设真空密封膜8；

(9)检查整体装置结构连接是否正确，排水管601是否破损，真空密封膜8是否破损，如无误则可判断装置密闭性良好；

(10)在检测装置密闭性良好的情况下开启真空泵进行真空固结，使真空表显示的真空度稳定在某一数值附近；

(11)待排水管604出水量变小或几乎停止排水后关闭真空泵602停止抽水，待地基沉降稳定后开启电源进行电渗固结，使直流电源输出电压稳定在某一数值附近；

(12)待排水管604出水量变小或几乎停止排水后关闭电源停止电渗，待地基沉降稳定后开启真空泵602进行真空固结，使真空表显示的真空度稳定在某一数值附近；

(13)待排水管604出水量变小或几乎停止排水后关闭真空泵停止抽水，待地基沉降稳定后撤除真空装置6和电渗装置7；

其中，主要操作机械包括起吊设备、注沙机、真空泵、发电装置，均为现有技术中常用的工程监测装置。

采用本方法的施工注意事项如下：

a、空心钢板1、空心钢筒2和实心钢球4应根据施工布置间距要求进行设计并工厂化加工，其中空心钢筒2外环小孔和空心钢板1小孔位置及尺寸应匹配，且内孔壁需设置螺纹；

b、实心钢球4上部设置钢环与钢绞线3进行绑扎焊接；

c、通过控制钢绞线3下放长度来判断尖底实心钢球4下沉深度，且下放过程应缓慢进行，避免过快导致偏离设计位置，钢绞线3端部预留一定的出露长度；

d、空心钢板1中心孔和钢绞线3之间设置绝缘垫圈10以固定钢绞线3，同时防止电渗过程中发生短路现象，要避免钢绞线3与空心钢板1直接接触；

e、下放空心钢筒2过程应缓慢进行，保证空心钢筒2外环的小孔与空心钢板1小孔相对应，用螺栓9连接形成整体；

f、真空探头601与排水管604端部连接布设在空心钢筒2上部位置，排水管604另一端、真空表603和真空泵602均应与集水罐605相连接保证整体结构的密闭性；

g、连接直流电源701正极的导线702与钢绞线3出露部分绑扎焊接，连接直流电源701负极的导线702与空心钢筒2内壁焊接；

h、真空装置6和电渗装置7布置完毕后，铺设水平砂垫层5进行密封，上表面应尽量平整，保证砂垫层5覆盖真空探头601、排水管604和导线702，最后在砂垫层5上部铺设真空密封膜8进行密封；

i、在真空加固前应检测装置的密闭性，在电渗加固前因检查线路连接情况保证施工顺利有序进行；

j、施工完毕后，再撤除真空装置6和电渗装置7。

Claims (8)

1.一种淤长型滩涂地基加固装置，其特征在于：包括空心钢板（1）、空心钢筒（2）、钢绞线（3）、实心钢球（4）、砂垫层（5）、真空装置（6）、电渗装置（7）和真空密封膜（8），所述空心钢板（1）横向平铺，所述空心钢板（1）的连接处设置空心钢筒（2），所述空心钢板（1）的中心穿过钢绞线（3），所述钢绞线（3）一端与实心钢球（4）相连，另一端与电渗装置（7）的正极相连，所述空心钢筒（2）与电渗装置（7）的负极相连，所述空心钢板（1）的上方设置砂垫层（5），所述砂垫层（5）内设置真空装置（6），所述砂垫层（5）顶部设置真空密封膜（8）；所述空心钢板（1）上部平直，下部为圆齿状凸弧，所述空心钢板（1）为正六边形，所述空心钢筒（2）的侧壁由上至下设有逐渐加密的小孔。

2.根据权利要求1所述的一种淤长型滩涂地基加固装置，其特征在于：所述真空装置（6）包括真空探头（601）、真空泵（602）、真空表（603）、排水管（604）和集水罐（605），所述排水管（604）的一端与真空探头（601）相连接并埋于砂垫层（5）中，另一端与集水罐（605）相连，所述集水罐（605）与真空泵（602）相连，所述集水罐（605）上设置真空表（603）。

3.根据权利要求1所述的一种淤长型滩涂地基加固装置，其特征在于：所述电渗装置（7）包括直流电源（701）和导线（702），所述直流电源（701）的正极通过导线（702）与钢绞线（3）相连，负极通过导线（702）与空心钢筒（2）相连。

4.根据权利要求1所述的一种淤长型滩涂地基加固装置，其特征在于：所述空心钢筒（2）均匀分布在空心钢板（1）的六个角上。

5.根据权利要求1所述的一种淤长型滩涂地基加固装置，其特征在于：所述空心钢筒（2）的底部为封底密闭圆锥状尖角，顶部一端设有突出的带孔外环，所述空心钢筒（2）通过带孔外环、螺栓（9）与空心钢板（1）固连。

6.根据权利要求1所述的一种淤长型滩涂地基加固装置，其特征在于：所述空心钢板（1）与钢绞线（3）的连接处设置绝缘垫圈（10）。

7.根据权利要求1所述的一种淤长型滩涂地基加固装置，其特征在于：所述实心钢球（4）的底部为尖锥形。

8.根据权利要求1~7任一所述的一种淤长型滩涂地基加固装置的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，在滩涂淤泥质软土地基上定位安装好空心钢板（1）、空心钢筒（2）、实心钢球（4），用螺栓（9）将空心钢板（1）和空心钢筒（2）连接形成整体，与实心钢球（4）相连的钢绞线（3）穿过空心钢板（1）中心小孔并套上绝缘垫圈（10）；

步骤二，在空心钢板（1）上部安装真空装置（6）以及电渗装置（7）后铺设砂垫层（5），在砂垫层（5）上部铺设真空密封膜（8），其中与钢绞线（3）相连的实心钢球（4）接电渗装置（7）的正极作为阳极，空心钢筒（2）接电渗装置（7）的负极作为阴极；

步骤三，将真空密封膜（8）下的整体抽成真空状态，使真空密封膜（8）内外产生气压差，当内排水量不再增加或明显降低时，停止抽真空使其自然沉降固结，待沉降稳定后进行电渗加固处理，将空心钢筒（2）作为阴极，实心钢球（4）作为阳极，通电后排水量不再增加时关闭电源，使其自然沉降固结，待沉降稳定后再进行真空预压处理。

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