CN111519601B - 一种利用水蒸汽增湿土体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用水蒸汽增湿土体的方法，属于岩土工程施工领域。该增湿土体的方法，包括步骤：安装由储桶、增湿管、输气管、调压阀和水蒸汽发生器组成的增湿设备，所述增湿管垂直设于储桶中间并通过输气管连接调压阀；调压阀通过输气管连接水蒸汽发生器；装填土样；开启水蒸汽发生器并设定调压阀的压力为0.02‑0.10MPa，进行第一次增湿，20‑30min后关闭；对土样基面进行密封，返潮处理10‑12h；开启水蒸汽发生器并设定调压阀的压力为0.07‑0.15MPa，进行第二次增湿，6‑7h后关闭。本发明不仅能够快速、均匀、可控地对大体积土体增湿，更能有效增强压力梯度、含水率梯度和温度梯度作用下的热质耦合扩散迁移，具有增湿均匀性好的优点。

Description

一种利用水蒸汽增湿土体的方法
技术领域
本发明属于岩土工程施工领域，尤其涉及一种利用水蒸汽增湿土体的方法。
背景技术
天然黄土广泛分布于我国西北地区，具有厚度大、强度小、含水率低和湿陷性强等显著特点，由于其结构和成分组成的特殊性，遇水浸湿后强度迅速降低，变形大幅增加，严重影响构筑物施工。因此，要解决黄土的湿陷性问题，提高地基承载力和抗变形能力，需在构筑物施工前作地基处理。现有地基处理方法有强夯、换土、挤密桩及土体增湿。前三种适用于较薄土层地基。土体增湿常用于深厚土层地基，其通过工程措施处理湿陷土层，改善其土壤结构和基本特性，以达到消除其湿陷性的目的。而增湿强夯法作为一种高效、经济的地基处理方式，土体含水率的不均匀性限制了其广泛应用，因为土体含水率适中时，夯击才能达到最好的击实效果，含水率过大、过小都大幅影响夯击效果。
目前，常用的土体增湿方法包括：预湿法、浸水法和袋装砂井注水增湿法，其中，预湿法增湿时间较快，增湿程度易于控制，增湿效果较好，但无法批量增湿，仅适用于实验室少量土体增湿；浸水法可以批量增湿，但增湿时间过长，增湿均匀性较差，增湿范围难以控制；袋装砂井注水增湿法的增湿时间相对较短，但增湿均匀性差、增湿范围小的问题依旧存在。
鉴于此，本领域重点研究如何使土体的含水率快速、均匀地增加。王铁行等人在《考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度试验研究》中公开了“蒸汽增湿可大幅缩短时间，且增湿后土样水分均匀性较好，可应用于非饱和黄土的增湿”。但该蒸汽增湿仅用于实验室少量土体增湿，且采用高压锅内多次增湿的方法。但天然黄土层为多孔介质黄土的集合，其孔隙弯曲性、不定向性和随机性复杂，导致水蒸汽增湿土体时弥散效应严重，增湿过程受到土性微观结构参数(颗粒比表面积、孔隙性状、毛细管弯曲特性、孔隙和颗粒尺度等)和流体输运特性(流体性质、雷诺数)等多种因素的影响大，且土体中的水蒸汽运移时在土颗粒的阻碍下，随着运移距离增大，流动速率减小，逐渐被土颗粒吸附，如何增强压力梯度、温度梯度和含水率梯度间的耦合作用对水蒸汽迁移的影响是重点和难点。
发明内容
本发明通过公开一种利用水蒸汽增湿土体的方法，解决了现有利用蒸汽规模化增湿的土体含水率均匀性差的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种利用水蒸汽增湿土体的方法，包括如下步骤：
S1、安装增湿设备
所述增湿设备由上端开口的储桶、增湿管、输气管、调压阀和水蒸汽发生器组成；
所述增湿管的长度大于所述储桶的高度，且增湿管垂直位于所述储桶中间；所述增湿管上端连接所述输气管；所述输气管的另一端连接所述调压阀；所述调压阀的另一端通过所述输气管连接所述水蒸汽发生器；
S2、装填土样
将土样装填在所述储桶中，装填量为土样恰好填满储桶；
S3、分段增湿
开启所述水蒸汽发生器并设定所述调压阀的压力为0.02-0.10MPa，进行第一次增湿，20-30min后关闭；
对第一次增湿的土样基面进行密封，返潮处理10-12h；
开启所述水蒸汽发生器并设定所述调压阀的压力为0.07-0.15MPa，进行第二次增湿，6-7h后关闭，即完成对土样的增湿。
优选地，所述储桶的直径为增湿管直径的40-50倍。
优选地，第一次增湿的压力为0.05MPa，时间为30min。
优选地，第二次增湿的压力为0.10MPa，时间为6.5h。
优选地，所述增湿管包括：管体；
设置在管体上端的螺纹孔；以及
设在管体壁的若干蒸汽扩散孔，所述蒸汽扩散孔中设有阻泥网。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明通过控制压力和时间的分段式增湿方法，增强了压力梯度和含水率梯度耦合对水蒸汽运移的驱动作用，不仅能够快速、可控地对大体积土体进行增湿，提高了土体含水率均匀性，而且能调控土体含水率达到最优值，满足了高能强夯法处理大厚度湿陷性黄土地基的要求。
2.本发明操作简单易实施，可控化程度高，能够批量增湿，具有快速、经济、均匀增湿土体的特点，有效克服了传统增湿方法存在的增湿时间长、增湿均匀性差、增湿范围难以控制的问题；本发明可与高能强夯结合，并应用于处理大厚度湿陷性黄土地基，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例安装的增湿设备的结构示意图；
图2为本发明实施例增湿管的结构示意图；
图3为本发明实施例增湿后土体含水率随土层厚度的变化曲线；
图中，1-储桶、2-增湿管、3-输气管、4-调压阀、5-水蒸汽发生器、6-温湿度传感器、21-管体、22-蒸汽扩散孔、23-阻泥网、24-螺纹孔。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合附图对实施例的技术方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
参见图1至图3：图1至图3提供了本发明的一种利用水蒸汽增湿土体的方法的具体实施例，其中，图1为本发明实施例安装的增湿设备的结构示意图；图2为本发明实施例增湿管的结构示意图；图3为本发明实施例增湿后土体含水率随土层厚度的变化曲线。
如图1至图3所示，本发明提供了一种利用水蒸汽增湿土体的方法，包括如下步骤：
S1、安装增湿设备
所述增湿设备由储桶1、增湿管2、若干输气管3、调压阀4和水蒸汽发生器5组成；
所述增湿管2的长度大于所述储桶1的高度，且增湿管2垂直位于所述储桶1中间；所述增湿管2的上端连接所述输气管3；所述输气管3的另一端连接所述调压阀4；所述调压阀4的另一端通过所述输气管3连接所述水蒸汽发生器5；
S2、装填土样
将土样装填在所述储桶1中，装填量为土样恰好填满储桶1；
S3、分段增湿
开启所述水蒸汽发生器5并设定所述调压阀4的压力为0.02-0.10MPa，进行第一次增湿，20-30min后关闭；
对第一次增湿的土样基面进行密封，返潮处理10-12h；
开启所述水蒸汽发生器5并所述设定调压阀4的压力为0.07-0.15MPa，进行第二次增湿，6-7h后关闭，即完成对土样的增湿。
在本发明的优选实施方案中，所述储桶1的直径为增湿管2直径的40-50倍。
在本发明的优选实施方案中，第一次增湿的压力为0.05MPa，时间为30min。
在本发明的优选实施方案中，第二次增湿的压力为0.10MPa，时间为6.5h。
在本发明的优选实施方案中，所述增湿管2包括：管体21；
设置在管体上端的螺纹孔24；以及
设在管体21壁的若干蒸汽扩散孔22，所述蒸汽扩散孔22中设有阻泥网23。
本发明可应用于较大批量/规模的土体增湿，操作简单易实施，可控化程度高，尤其与高能强夯结合用于处理大厚度湿陷性黄土地基，可有效控制增湿程度和范围，具有快速、经济、均匀增湿土体的优点。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明的技术方案作详细描述。
实施例1
本实施例1提供了一种利用水蒸汽增湿土体的方法，包括以下：
S1、安装增湿设备
所述增湿设备由三个储桶1、三根增湿管2、若干输气管3、调压阀4和电热水蒸汽发生器5组成，其中，
本实施例所述储桶1为直径为200cm、高度为100cm的敞口模型钢桶；
本实施例所述增湿管2是由下端封口的钢管制成管体21，管体21的长度为120cm、直径为5cm，在管体21上端设有螺纹孔24，并沿管体21的长度方向每隔10cm，在管体21的管壁上对称设置的四个蒸汽扩散孔22，蒸汽扩散孔22的直径为2mm，各蒸汽扩散孔中设有阻泥网23，所述阻泥网23可以为通用纱布；
本实施例所述输气管3为常规的橡胶管；
本实施例所述调压阀4的量程为0.25MPa，精度为10kPa；
本实施例所述水蒸汽发生器5的额定蒸发量为8kg/h，额定蒸汽温度151℃，蒸汽压力可通过调压阀4控制；
所述三根增湿管2分别垂直设置在三个储桶1的中间；每个增湿管2上端连接输气管3；所述输气管3的另一端连接调压阀4；所述调压阀4的另一端通过输气管3连接水蒸汽发生器5；
S2、装填土样
将实验土样装填在储桶1中，装填量以土样恰好填满储桶1为宜；
为提高增湿的可控化程度，本实施例在土样中每隔10cm安装一个温湿度传感器6，所述温湿度传感器6的量程0-100%（m3/m3），分辨率0.01%（m3/m3）；
本实施例所用实验土样为兰州重塑黄土，大孔发育，呈黄褐色-浅黄褐色，其基本物理性质指标见表1；
表1-试验土样的基本物理指标
Figure 197903DEST_PATH_IMAGE002
S3、分段增湿
开启水蒸汽发生器5并设定调压阀4的压力为0.05MPa，进行第一次增湿， 30min后关闭；
对第一次增湿的土样基面进行密封，返潮处理10-12h，本实施例所用密封土样基面的材料为塑料膜；
开启水蒸汽发生器5并设定调压阀4的压力为0.10MPa，进行第二次增湿，6.5h后关闭，即完成对土样的增湿。
测定增湿结果，如表2所示。
表2-本发明实施例1对土样增湿后含水率变化
Figure DEST_PATH_IMAGE004
根据表2可知，本发明利用水蒸气对试验土样增湿后，不同土层厚度的含水率差异不显著，说明本发明增湿的土体均匀性好，可有效控制增湿程度和范围。
对比试验1
安装增湿设备及装填土样同实施例1，不同之处在于增湿的步骤如下：
开启水蒸汽发生器5并设定调压阀4的压力为0.05MPa，进行单次增湿，6.5h后关闭，即完成对土体的增湿。
对比试验2
安装增湿设备及装填土样同实施例1，不同之处在于增湿的步骤如下：
开启水蒸汽发生器5并设定调压阀4的压力为0.10MPa，进行单次增湿，3.5h后关闭，即完成对土体的增湿。
分别测定对比试验1和对比试验2增湿的土体的含水率，结果见表3。
表3-对比实验增湿的土体含水率
Figure DEST_PATH_IMAGE006
通过表3可以看出，对比试验增湿率变化幅度大，说明增湿均匀性差。同时在增湿压力提高时，增湿率出现上升。
对实施例1和对比试验增湿后土体含水率随土层厚度的变化进行比较，其结果如图3。
通过图3可以看出，本发明增湿的土体在不同厚度的含水率差异较小，而对比试验1和2增湿的土体在不同厚度含水率差异较大，说明本发明方法能够有效提高增湿的土体的均匀性，可有效控制增湿程度和范围，同时本发明对不同厚度的增湿率明显高于对比试验，具有增湿率效果显著的优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用水蒸汽增湿土体的方法，其特征在于，包括步骤：
S1：安装增湿设备
所述增湿设备由储桶（1）、增湿管（2）、输气管（3）、调压阀（4）和水蒸汽发生器（5）组成；
所述增湿管（2）的长度大于所述储桶（1）的高度，且增湿管（2）垂直位于所述储桶（1）中间；所述增湿管（2）的上端连接所述输气管（3）；所述输气管（3）的另一端连接所述调压阀（4）；所述调压阀（4）另一端通过所述输气管（3）连接所述水蒸汽发生器（5）；
S2、装填土样
将土样装填在所述储桶（1）中，装填量为土样刚好填满所述储桶（1）；
S3、分段增湿
开启所述水蒸汽发生器（5）并设定所述调压阀（4）的压力为0.02-0.10MPa，进行第一次增湿，20-30min后关闭；
对第一次增湿的土样基面进行密封，返潮处理10-12h；
开启所述水蒸汽发生器（5）并设定所述调压阀（4）的压力为0.07-0.15MPa，进行第二次增湿，6-7h后关闭，即完成对土样的增湿。
2.根据权利要求1所述的利用水蒸汽增湿土体的方法，其特征在于，所述储桶（1）的直径为增湿管（2）直径的40-50倍。
3.根据权利要求1所述的利用水蒸汽增湿土体的方法，其特征在于，第一次增湿的压力为0.05MPa，时间为30min。
4.根据权利要求1所述的利用水蒸汽增湿土体的方法，其特征在于，第二次增湿的压力为0.10MPa，时间为6.5h。
5.根据权利要求1所述的利用水蒸汽增湿土体的方法，其特征在于，所述增湿管（2）包括：管体（21）；
设置在管体上端的螺纹孔（24）；以及
设在管体（21）壁的若干蒸汽扩散孔（22），所述蒸汽扩散孔（22）中设有阻泥网（23）。
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