CN114315063A - 一种淤泥固化装置和淤泥固化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及淤泥处理技术领域，具体而言，涉及一种淤泥固化装置和淤泥固化方法。所述的淤泥固化装置包括与淤泥处理区的一端依次相连接的气液分离装置和抽真空装置，以及与所述淤泥处理区的另一端相连接的注浆装置；所述淤泥处理区的表面还设置有密封层。该淤泥固化装置可将ISS直接注入淤泥处理区内的待固化处理的淤泥中，且通过真空预压，能够实现淤泥的有效固化。采用该装置固化淤泥不仅作用工程量小、作用深度较深，且具有成本低，可以实现就地取材、原位固化淤泥的优点。
Description
技术领域
本发明涉及淤泥处理技术领域，具体而言，涉及一种淤泥固化装置和淤泥固化方法。
背景技术
在我国沿海及各大江大河的入海三角洲冲积平原地区，广泛分布着海相沉积、湖相沉积和河相沉积的淤泥。淤泥具有高含水量、大孔隙、低密度、低强度、高压缩性、低透水性、中等灵敏度等特点，存在细粒土占比过大、有机质与重金属离子污染程度较高等不良性质，不适宜直接利用和弃置处理。因此，对大面积淤泥的处理及资源化利用具有重要意义。
土壤固化剂是指土壤固化外加剂。传统的土壤固化剂包括水泥、石灰、粉煤灰等。但是，这些土壤固化剂存在一定的缺陷。例如，石灰的早期强度很难达到施工要求；水泥存在干缩性大、结构易开裂、水稳定性差等缺陷。
因此，用于淤泥固化的新型材料的应用越来越广泛。淤泥固化的新型材料主要包括离子固化剂(Ionic Soil Stabilizer，以下简称为ISS)、高分子和纳米材料等。其中，ISS区别于传统固化材料，其具有渗透性更高和材料成本更低的特点。
向土壤中加入固化剂，使经过处理后的土壤具有良好的工程特性是较为先进的化学加固法。化学加固能改进土壤的工程性质，包括增加压实度、密度等，但是，现有技术中化学加固法是采用机械拌和的方式将固化剂加入土体中，这存在作用工程量大、作用深度浅的问题。
因此，提供一种低成本的、可以就地取材、原位固化淤泥的装置和方法具有重要意义。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种淤泥固化装置，通过设置抽真空装置，气液分离装置，密封层和注浆装置，可将ISS直接注入淤泥处理区内的待固化处理的淤泥中，并且通过真空预压，能够实现淤泥的有效固化。采用该装置固化淤泥不仅作用工程量小、作用深度较深，而且具有成本低，可以实现就地取材、原位固化淤泥的优点。
本发明的第二目的在于提供一种淤泥固化方法，采用ISS注入并联合真空预压的方法，提高了土体平均表面沉降量，提高了排水量和排水速率，作用深度较深，有效提高了固结效率。并且，固化后淤泥的含水率低，平均抗压强度高，可以满足多数施工机械行走的强度需求。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种淤泥固化装置，包括与淤泥处理区的一端依次相连接的气液分离装置和抽真空装置，以及与所述淤泥处理区的另一端相连接的注浆装置；
所述淤泥处理区作为待固化处理的淤泥的处理区域；
所述注浆装置用于向所述待固化处理的淤泥中注入ISS；
所述气液分离装置用于分离气体和液体；
所述抽真空装置用于使所述淤泥处理区内的淤泥形成负压状态；
所述淤泥处理区的表面还设置有密封层。
优选地，所述淤泥固化装置还包括设置在所述淤泥处理区内的监测装置；
优选地，所述监测装置包括至少一个真空度检测装置和至少一个位移测量装置；所述真空度检测装置用于监测所述淤泥在加固过程中的真空度值；所述位移测量装置用于监测所述淤泥在加固过程中的沉降值；
优选地，所述监测装置包括至少三个真空度检测装置，和/或，至少三个位移测量装置。
优选地，所述注浆装置的另一端还连接有动力装置，所述动力装置用于将所述ISS注入所述淤泥处理区内；
优选地，所述动力装置包括空气压缩机和/或泵。
优选地，所述淤泥处理区与所述气液分离装置通过排水管相连接；
优选地，所述排水管的材质包括金属单质、合金、聚氯乙烯、橡胶、无规共聚聚丙烯和交联聚乙烯中的至少一种；
优选地，所述排水管在靠近所述淤泥处理区的一端还设置有集水装置，所述集水装置用于收集并暂时储存所述淤泥处理区内的液体。
优选地，所述集水装置内设置有反滤材料，和/或，所述集水装置的表面设置有反滤层；
优选地，所述反滤材料包括砂砾石、木质纤维素、合成纤维、发泡塑料聚合物、聚乙烯醇、天然海绵、合成海绵、无纺布、石料、聚醚、煤渣和活性炭中的至少一种；
优选地，所述反滤层的材质包括土工织物、土工格栅、土工膜和土工网中的至少一种。
本发明还提供了一种淤泥固化方法，使用如上所述的淤泥固化装置，包括如下步骤：
(a)、待所述淤泥固化装置完成连接后，开启抽真空装置，进行真空预压，抽出所述淤泥处理区内的气体和液体；待所述抽真空装置的数值稳定后将其关闭；
(b)、将ISS注入置于所述淤泥处理区内的淤泥中后，继续开启抽真空装置，进行真空预压，抽出所述淤泥处理区内的气体和液体；待所述抽真空装置的数值稳定后，关闭所述抽真空装置，得到经过固化处理后的淤泥；
优选地，步骤(a)和步骤(b)重复至少一次。
优选地，步骤(a)中，在所述使所述淤泥固化装置完成连接之后，所述开启抽真空装置之前，还包括检测所述淤泥固化装置的气密性，和/或，检查所述淤泥固化装置中的各个装置是否能正常使用的步骤。
优选地，步骤(b)中，在所述进行真空预压的过程中，还包括监测所述淤泥在加固过程中的真空度值和/或沉降值的步骤；
优选地，在所述进行真空预压的过程中，还包括监测抽出的所述液体的体积的步骤；
优选地，待所述抽真空装置的数值稳定，且所述淤泥的沉降速率不大于0.1cm/d、抽出的所述液体的质量小于0.1kg/d后，关闭所述抽真空装置。
优选地，步骤(b)中，所述ISS包括环氧树脂、乙二醇二乙酸酯、吐温40、磺化油、聚阴离子纤维素、高铁酸钾、高分子吸水树脂、水性聚氨酯、聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、聚合氯化铝铁、聚合硅酸铝和丙烯酸中的至少一种；
优选地，所述ISS的用量为所述淤泥质量的12％～30％；
优选地，所述ISS的质量分数为50％～60％。
优选地，所述ISS中还混合有水玻璃。
优选地，步骤(a)和/或步骤(b)中，所述抽真空装置的数值稳定在-0.06MPa至-0.08MPa之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的淤泥固化装置，通过设置抽真空装置，气液分离装置，密封层和注浆装置，可将ISS直接注入淤泥处理区内的待固化处理的淤泥中，并且通过真空预压，能够实现淤泥的有效固化。采用该装置固化淤泥不仅作用工程量小、作用深度较深，而且具有成本低，可以实现就地取材、原位固化淤泥的优点。
(2)本发明所提供的淤泥固化方法，采用ISS注入并联合真空预压的方法，固化后淤泥含水率降至45.17％，平均抗压强度达到0.301MPa，可以满足多数施工机械行走的强度需求。同时，与仅真空预压相比，ISS联合真空预压处理淤泥，平均表面沉降提高了26.49％，排水量提高了78.65％，排水速率得到提升，ISS的注入有效提高了固结效率。
(3)本发明所提供的淤泥固化方法，作用深度随排水管深度变化，固结距离随注浆压力变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的淤泥固化装置的结构示意图；
图2为本发明提供的淤泥固化装置的另一结构示意图；
图3为本发明提供的淤泥固化装置的又一结构示意图；
图4为本发明提供的真空探头的固定位置的俯视图；
图5为本发明提供的真空探头的固定位置的剖面图；
图6为本发明提供的表面沉降观测点的位置图；
图7为本发明提供的方案一淤泥固化过程中各测点的沉降值随时间的变化图；
图8为本发明提供的方案二淤泥固化过程中各测点的沉降值随时间的变化图；
图9为本发明提供的方案一的排水量随时间的变化图；
图10为本发明提供的方案二的排水量随时间的变化图；
图11为本发明提供的方案二固化完成的淤泥固结体的实物图；
图12为本发明提供的方案二固化完成的淤泥固结体的俯视图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明提供了一种淤泥固化装置，如图1所示，所述淤泥固化装置包括与淤泥处理区的一端依次相连接的气液分离装置和抽真空装置，以及与所述淤泥处理区的另一端相连接的注浆装置；
所述淤泥处理区作为待固化处理的淤泥的处理区域；
所述注浆装置用于向所述待固化处理的淤泥中注入ISS；
所述气液分离装置用于分离气体和液体；
所述抽真空装置用于使所述淤泥处理区内的淤泥形成负压状态；
所述淤泥处理区的表面还设置有密封层。
本发明所提供的淤泥固化装置，通过设置抽真空装置，气液分离装置，密封层和注浆装置，可将ISS直接注入淤泥处理区内的待固化处理的淤泥中，并且通过真空预压，能够实现淤泥的有效固化。采用该装置固化淤泥不仅作用工程量小、作用深度较深，而且具有成本低，可以实现就地取材、原位固化淤泥的优点。
其中，ISS是指离子固化剂(Ionic Soil Stabilizer)，其是一种淤泥固化的新型材料，其具有渗透性高和材料成本低的优点。
通过设置抽真空装置对置于所述淤泥处理区内的待固化处理的淤泥进行真空预压，并在真空预压过程中通过注浆装置向淤泥内注入ISS，淤泥内的水在真空压力作用下被顺利排出，有利于促进固化。
在本发明一些具体的实施例中，所述气液分离装置包括气液分离器。
其中，气液分离器采用离心分离、丝网过滤的原理，实现粗过滤除去空气中部分水分的分离装置。它主要由筒体、旋风分离器、高效破沫网、排污阀等主要部件组成。
所述淤泥处理区尺寸可根据实际需求而设定。在本发明一些具体的实施例中，所述淤泥处理区的内部尺寸为1m×1m×0.5m，外部尺寸为2m×2m×0.5m。
优选地，所述淤泥处理区的内部由木模板支撑，外部用淤泥或粘土压实。
在本发明一些具体的实施例中，所述密封层的材质包括土工膜。优选地，所述密封层的边缘用淤泥或粘土压实。
在本发明一些具体的实施例中，在所述淤泥处理区的顶端覆盖所述土工膜，并在所述淤泥处理区的四周留设45～55cm(优选为50cm)用粘土平铺覆盖压边密封。
优选地，土工膜为HDPE土工膜。HDPE土工膜抗老化性好、韧度高、抗穿刺能力强。
在本发明一些具体的实施例中，所述淤泥固化装置还包括设置在所述淤泥处理区内的监测装置。
优选地，所述监测装置包括至少一个(还可以选择两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个)真空度检测装置和至少一个(还可以选择两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个)位移测量装置；所述真空度检测装置用于监测所述淤泥在加固过程中的真空度值；所述位移测量装置用于监测所述淤泥在加固过程中的沉降值。
优选地，所述监测装置包括至少三个真空度检测装置，和/或，至少三个位移测量装置。
所述监测装置用于掌握淤泥加固过程中真空度和表面沉降值的变化情况。通过对试验实测数据的分析、计算，可对淤泥的加固效果做出评估，实现对淤泥加固过程的动态监控。
优选地，所述监测装置包括至少五个真空度检测装置，和/或，至少八个位移测量装置。
优选地，所述真空度检测装置可采用任意地、常规的能够检测真空度的装置，也可以采用制得的检测真空度的装置。
在本发明一些具体的实施例中，采用本发明自制的真空探头作为真空度检测装置。该真空探头由防震真空表(上海联力仪表有限公司生产)、管道压转换接头和PU管(内径为2mm)组成。
优选地，所述位移测量装置包括沉降尺和/或位移计。
所述位移测量装置用于定点定时测量泥面的高度，从而掌握淤泥的固结程度。
在本发明一些具体的实施例中，所述注浆装置的另一端还连接有动力装置，所述动力装置用于将所述ISS注入所述淤泥处理区内；
优选地，所述动力装置包括空气压缩机和/或泵。
在本发明一些具体的实施例中，如图2所示，所述动力装置选自空气压缩机，所述空气压缩机的一端连接有压力罐，所述压力罐的另一端连接有注浆管路。所述注浆管路用于作为连接所述动力装置和所述淤泥处理区的连接管，可用于将所述ISS由所述压力罐输送至置于所述淤泥处理区的所述淤泥内。
在本发明一些具体的实施例中，如图2所示，所述注浆管路的另一端连接有注浆花管，所述注浆花管的材质包括PVC。
优选地，所述注浆花管的内径为25mm，在所述注浆花管上每间隔50mm的间距设置内径为5mm的孔洞。所述孔洞至少为3个(还可以选择4个、5个或8个)。
优选地，采用全空段静压渗透注浆。借助气压，通过注浆管把能凝结固化的浆液注入所述淤泥处理区内的待固化处理的淤泥中。浆液以填充、渗透或挤密等方式，赶走土颗粒间的水分和空气后占据其位置。经一定时间后，浆液凝结充塞孔隙，将原来松散的颗粒胶结成一个结构强度大、防渗性能好的一个整体。
在本发明一些具体的实施例中，如图3所示，所述淤泥处理区与所述气液分离装置通过排水管相连接。
优选地，所述排水管的材质包括金属单质、合金、聚氯乙烯(PVC)、橡胶、无规共聚聚丙烯(PPR)和交联聚乙烯中的至少一种。
优选地，所述排水管在靠近所述淤泥处理区的一端还设置有集水装置，所述集水装置用于收集并暂时储存所述淤泥处理区内的液体。
在本发明一些具体的实施例中，所述排水管呈竖向排列(即垂直于各装置的连接方向)。
设置所述集水装置能够增大排水管与淤泥的接触面，增加储存液体的空间。
在本发明一些具体的实施例中，所述集水装置位于淤泥表面以下，采用竖向布置或斜向布置，兼具集水、排水、排气功能。所述集水装置内径9mm，外径12mm。为提高真空抽排效率，末端竖向抽排段扩径为70mm，外部包裹不少于2层反滤层，内部用反滤材料充填反滤，管体间隔5cm开孔，孔径3mm。
在本发明一些具体的实施例中，所述排水管、所述抽真空装置和所述气液分离装置采用硬质管(包括PU管、PE管、PPR管和镀锌钢管中的至少一种)、快速接口、阀口和橡胶管连接。
所述硬质管的内径为7～70mm，还可以选择10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、40mm、50mm、60mm或65mm；所述硬质管的外径为10～75mm，还可以选择15mm、20mm、25mm、30mm、40mm、50mm、60mm或70mm。
在本发明一些具体的实施例中，所述集水装置内设置有反滤材料，和/或，所述集水装置的表面设置有反滤层，孔径符合保土、透水、防淤堵三个反滤准则。
优选地，所述反滤材料包括砂砾石、木质纤维素、合成纤维、发泡塑料聚合物(聚合物发泡材料)、聚乙烯醇、天然海绵、合成海绵、无纺布、石料(石材、岩石)、聚醚、煤渣和活性炭中的至少一种；
优选地，所述反滤层的材质包括土工织物、土工格栅、土工膜和土工网中的至少一种。
本发明还提供了一种淤泥固化方法，使用如上所述的淤泥固化装置，包括如下步骤：
(a)、待所述淤泥固化装置完成连接后，开启抽真空装置(还包括打开气液分离装置的阀门)，进行真空预压，抽出所述淤泥处理区内的气体和液体；待所述抽真空装置的数值稳定后将其关闭(即停止排气抽水)；
(b)、将ISS(预先配置好一定浓度的ISS水溶液)注入置于所述淤泥处理区内的淤泥中后，继续开启抽真空装置，进行真空预压，抽出所述淤泥处理区内的气体和液体(即排气抽水)；待所述抽真空装置的数值稳定后，关闭所述抽真空装置，得到经过固化处理后的淤泥。
优选地，步骤(a)和步骤(b)重复至少一次。还可以重复两次、三次、四次或者五次，以提高淤泥的固化效果。
本发明所提供的淤泥固化方法，采用ISS注入并联合真空预压的方法，与仅真空预压(不注入ISS)相比，ISS联合真空预压处理淤泥，平均表面沉降提高了26.49％，排水量提高了78.65％，排水速率得到提升，ISS的注入有效提高了固结效率。
并且，固化后淤泥含水率降至45.17％，平均抗压强度达到0.301MPa，固化效果明显提高。
具体地，从水分转化的角度来看，常规的固化材料-水泥与土产生水化反应将孔隙水更多的转化为了水化产物，而新型材料ISS则是主要利用疏水特性使得孔隙水渗出。在没有外力排水的情况下，孔隙水仍大量存在于孔隙中，所以ISS固化后淤泥试样含水率高。因此，本发明通过采用ISS，并联合真空预压法固化淤泥，结合外力进行排水处理，有利于顺利排出孔隙水。
其中，真空预压法是一种排水固结法。排水固结法是通过在地基中设置砂井等竖向排水体，然后先行加载预压使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的办法。加压系统以负压形式加载固结作用荷载的排水固结技术即为真空预压技术。
ISS使得土体由亲水性变为憎水性，部分吸附水得以排出，通过离子交换的化学反应形成的“自由水”在较小的机械压力作用下就可以被排出，ISS对淤泥固化效果较好，有利于进一步进行机械振动、夯实等作用来提高土体密实度。
ISS固化淤泥过程中适当结合外力排水，有利于促进固化。本发明基于真空辅助注浆技术和真空预压软基加固原理，进行ISS联合真空预压固化淤泥，ISS在真空压力与注浆压力共同作用下注入并固化淤泥，淤泥在负压荷载下联合ISS作用的固结效果好。
在本发明一些具体的实施例中，在步骤(a)之前，还包括对待处理的场地进行截断、疏导和排除表面可流动的积水的步骤。
其中，所述待处理的场地包括海湾、湖沼以及河湾等。由于淤泥是海湾、湖沼或河湾中水流缓慢的环境中有微生物参与作用的条件下所形成的一种近代沉积物。因此如果要对天然场地(即海湾、湖沼以及河湾等)中的淤泥进行固化处理，则在对淤泥进行固化处理之前，需要先去除天然场地中的水，然后再安装固化装置，进行固化处理。
在本发明一些具体的实施例中，步骤(a)中，在所述使所述淤泥固化装置完成连接之后，所述开启抽真空装置之前，还包括检测所述淤泥固化装置的气密性，和/或，检查所述淤泥固化装置中的各个装置是否能正常使用的步骤。
优选地，在所述使所述淤泥固化装置完成连接之后，所述开启抽真空装置之前，还包括检查气液分离装置和密封层是否有破损的步骤。
在本发明一些具体的实施例中，步骤(b)中，在所述进行真空预压的过程中，还包括监测所述淤泥在加固过程中的真空度值和/或沉降值的步骤；
优选地，在所述进行真空预压的过程中，还包括监测抽出的所述液体的体积的步骤；
优选地，待所述抽真空装置的数值稳定，且所述淤泥的沉降速率不大于0.1cm/d、抽出的所述液体的质量小于0.1kg/d后，关闭所述抽真空装置。
在本发明一些具体的实施例中，步骤(b)中，所述ISS包括环氧树脂、乙二醇二乙酸酯、吐温40、磺化油、聚阴离子纤维素(水溶性纤维素醚类衍生物，简称PAC)、高铁酸钾、高分子吸水树脂(简称SAP)、水性聚氨酯(水分散聚氨酯)、聚丙烯酰胺、聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铝铁(PAFC)、聚合硅酸铝和丙烯酸中的至少一种。
优选地，所述ISS的用量为所述淤泥质量的12％～30％；包括但不限于13％、15％、17％、19％、20％、22％、24％、25％、27％、29％中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
优选地，所述ISS的质量分数为50％～60％，包括但不限于51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
优选地，所述ISS中还混合有水玻璃。所述水玻璃是指硅酸钠的水溶液。通过在ISS中混合水玻璃一起使用，能够提高固化后的淤泥的耐热和耐酸性。
在本发明一些具体的实施例中，步骤(a)和/或步骤(b)中，所述抽真空装置的数值稳定在-0.06MPa至-0.08MPa之间。
在本发明一些具体的实施例中，所述使所述淤泥固化装置连接的过程，具体包括以下步骤：将所述排水管和所述注浆管路分别与所述抽真空装置和所述空气压缩机相连接，然后将所述排水管和所述注浆管路提前埋设在淤泥处理区中，将本发明自制的真空探头按预定的位置固定，然后倒入淤泥土至预订刻度，立即用土工膜(密封层)遮盖住，防止降雨对试验的影响。
然后，检查土工膜(密封层)是否有破损与气液分离装置、各管路的气密性，进行真空传递效率测试。将真空探头端部密封，接入排水管。打开抽真空装置，比较真空探头显示的真空度与真空泵提供的真空压力，确认真空传递效率。泄压时注意管路接口是否有漏气声。结果显示真空探头测得的真空度与仪器显示的真空度完全一致，认为排水管、快速接口的密封性好，排水通道的阻力小，未造成真空传递损失。
同时，向压力罐中注水，打开空气压缩机，确认注浆装置的正常使用及ISS注入时的压力。优选地，在ISS注入过程中控制压强为0.15MPa。
优选地，在淤泥中一共布设5个自制真空探头。如图4和图5所示，所述真空探头的固定位置为：1个真空探头布设在淤泥面、密封层下，用于观测密封层的密封效果。余下4个真空探头在排水管端，距表面30cm的测点A、B、C、D处。
在本发明一些具体的实施例中，真空排气持续时间(即抽真空的时间)总长为140～170h(还可以选择150h或160h)；注浆过程持续1～3h(还可以选择2h)。
此外，本申请还采用本申请所提供的淤泥固化装置以及本申请所提供的淤泥固化方法，对淤泥进行了不注入ISS(即只进行真空预压，以下简称为方案一)和注入ISS(即加入ISS并联合真空预压的方法，以下简称为方案二，所加入的ISS主要由乙二醇二乙酸酯、吐温40、磺化油、聚阴离子纤维素组成)的对比试验，期间对淤泥表面沉降量进行监测、对排水量(由淤泥中排出的水量)进行监测，再测定这两种方案经过固化处理后得到的土体的力学性能(结果如表1所示)。
其中，表面沉降监测的方法如下：利用埋设的沉降尺与直角尺定点定时测量泥面高度，掌握淤泥固结程度。如图6所示，在土体中一共布设8个表面沉降观测点，每个测点与最近的排水点水平距离35cm。1、2号测点位于淤泥面角点上，35cm范围内各自仅有1个排水点。3号、4号、5号测点位于淤泥面侧边中点，35cm距离范围内有2个排水点。6号测点位于淤泥面中心处，35cm距离范围内存在4个排水点。7号、8号测点分别位于1号管路和2号管路排水点正上方。
在不注入ISS时，各测点表面沉降发展情况如图7所示。在注入ISS时，各测点表面沉降发展情况如图8所示。能够看出，方案二(ISS联合真空预压)固化试验平均沉降为2.39cm，而方案一(仅真空预压，不加入ISS)试验的平均沉降为1.89cm，即，方案二较方案一在相同时间内沉降量提高了26.49％。
排水量监测的方法如下：对气液分离装置(气液分离器)收集的液体称重并用量筒测量体积，得到排水量随时间的变化情况，方案一和方案二的结果分别如图9和图10所示。
从图9和图10中可以看出，方案二的排水速率在刚开始时达到顶峰，出水速率达到4.37kg/h。随着时间延长，130h后累积出水量持平，最终共排水61.10kg，相对于方案一排水总量34.20kg，提高了78.65％。同时，方案一刚开始排水速率仅2.14kg/h，远小于方案二。这说明ISS联合真空预压(方案二)的试验效果更好，有助于淤泥排水量和排水速率的提高。这是因为，ISS利用正压注入土体后一方面使得土体孔隙变大，短期土体渗透性变大，另一方面正向压力增加了孔隙水压力，有助于排水，从而提高了排水效率。
同时，从图10中可以看出，排出水的密度在变化。试验初期排水速率非常快，液体的密度高。中期排出水的密度逐渐减小，后期维持在一个较小的范围内。分析排出水的密度变化是因为土工布具有一定的渗透系数，排水时混入少量土颗粒。颗粒越多，则排出液体密度越大。初期观察到排出水异常浑浊，对应排水速率峰值，此时淤泥刚开始固结，土颗粒流动性大。中期排出水密度变小，排水速率变小，这是因为排水点周围土体变密实，孔隙变小，开始形成淤堵。后期ISS固化稳定，累积排水量持平。
从上述分析可以看出，ISS真空预压(即方案二)的试验效果更好，有助于淤泥排水量和排水速率的提高。
两种方案经过固化处理后得到的土体的力学性能如表1所示。
表1淤泥处理前和两种方案固化处理后的淤泥的力学指标
其中，表1中处理前后的淤泥的密度均为天然密度。
从表1能够看出，经方案二(ISS联合真空预压)处理后，土体工程性质得到明显改善。各土层含水量下降，孔隙比降低，力学强度指标增长明显。高含水率淤泥真空预压处理后，含水率下降，未获得抗压强度。ISS联合真空预压固化后，土体含水率下降接近液限，土体变密实，平均抗压强度达到0.301MPa，固化效果明显提高。
另外，将方案二最终固化完成的土体开挖后发现，如图11所示，ISS淤泥固结体呈山包状，显然以注浆管为扩散中心，深度越深ISS作用半径越大。以注浆管为中心在水平方向上ISS的最远作用范围为固结距离。则经测量ISS作用的固结距离为0.4m，超过排水管路与注浆管路的距离0.35m。且ISS作用影响了距泥面0.25～0.5m范围内的土体。固结土体的体积约为土体总体积的五分之一。如图12所示，从俯视图可以看出固结体的边界，四个排水管路点处皆有大量白色ISS胶体存在于土体。
由此可见，本发明通过采用ISS注入并联合真空预压固化淤泥的方法，固化后淤泥土的力学性能得到了提高。具体地，ISS真空预压固化后淤泥含水率降至45.17％，平均抗压强度达到0.301MPa，可以满足多数施工机械行走的强度需求。同时，与仅真空预压相比，ISS联合真空预压处理淤泥，平均表面沉降提高了26.49％，排水量提高了78.65％，排水速率得到提升，可见ISS的注入有效提高了固结效率。并且，ISS联合真空预压降低了土体含水率、增加了土体密实度，提高了土体的抗压强度，固化效果比真空预压法好。ISS淤泥固结体呈山包状，以注浆管为扩散中心，深度越深ISS作用半径越大。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；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范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (10)
1.一种淤泥固化装置，其特征在于，包括与淤泥处理区的一端依次相连接的气液分离装置和抽真空装置，以及与所述淤泥处理区的另一端相连接的注浆装置；
所述淤泥处理区作为待固化处理的淤泥的处理区域；
所述注浆装置用于向所述待固化处理的淤泥中注入ISS；
所述气液分离装置用于分离气体和液体；
所述抽真空装置用于使所述淤泥处理区内的淤泥形成负压状态；
所述淤泥处理区的表面还设置有密封层。
2.根据权利要求1所述的淤泥固化装置，其特征在于，所述淤泥固化装置还包括设置在所述淤泥处理区内的监测装置；
优选地，所述监测装置包括至少一个真空度检测装置和至少一个位移测量装置；所述真空度检测装置用于监测所述淤泥在加固过程中的真空度值；所述位移测量装置用于监测所述淤泥在加固过程中的沉降值；
优选地，所述监测装置包括至少三个真空度检测装置，和/或，至少三个位移测量装置。
3.根据权利要求1所述的淤泥固化装置，其特征在于，所述注浆装置的另一端还连接有动力装置，所述动力装置用于将所述ISS注入所述淤泥处理区内；
优选地，所述动力装置包括空气压缩机和/或泵。
4.根据权利要求1所述的淤泥固化装置，其特征在于，所述淤泥处理区与所述气液分离装置通过排水管相连接；
优选地，所述排水管的材质包括金属单质、合金、聚氯乙烯、橡胶、无规共聚聚丙烯和交联聚乙烯中的至少一种；
优选地，所述排水管在靠近所述淤泥处理区的一端还设置有集水装置，所述集水装置用于收集并暂时储存所述淤泥处理区内的液体。
5.根据权利要求4所述的淤泥固化装置，其特征在于，所述集水装置内设置有反滤材料，和/或，所述集水装置的表面设置有反滤层；
优选地，所述反滤材料包括砂砾石、木质纤维素、合成纤维、发泡塑料聚合物、聚乙烯醇、天然海绵、合成海绵、无纺布、石料、聚醚、煤渣和活性炭中的至少一种；
优选地，所述反滤层的材质包括土工织物、土工格栅、土工膜和土工网中的至少一种。
6.一种淤泥固化方法，使用权利要求1～5任一项所述的淤泥固化装置，其特征在于，包括如下步骤：
(a)、待所述淤泥固化装置完成连接后，开启抽真空装置，进行真空预压，抽出所述淤泥处理区内的气体和液体；待所述抽真空装置的数值稳定后将其关闭；
(b)、将ISS注入置于所述淤泥处理区内的淤泥中后，继续开启抽真空装置，进行真空预压，抽出所述淤泥处理区内的气体和液体；待所述抽真空装置的数值稳定后，关闭所述抽真空装置，得到经过固化处理后的淤泥；
优选地，步骤(a)和步骤(b)重复至少一次。
7.根据权利要求6所述的淤泥固化方法，其特征在于，步骤(a)中，在所述使所述淤泥固化装置完成连接之后，所述开启抽真空装置之前，还包括检测所述淤泥固化装置的气密性，和/或，检查所述淤泥固化装置中的各个装置是否能正常使用的步骤。
8.根据权利要求6所述的淤泥固化方法，其特征在于，步骤(b)中，在所述进行真空预压的过程中，还包括监测所述淤泥在加固过程中的真空度值和/或沉降值的步骤；
优选地，在所述进行真空预压的过程中，还包括监测抽出的所述液体的体积的步骤；
优选地，待所述抽真空装置的数值稳定，且所述淤泥的沉降速率不大于0.1cm/d、抽出的所述液体的质量小于0.1kg/d后，关闭所述抽真空装置。
9.根据权利要求6所述的淤泥固化方法，其特征在于，步骤(b)中，所述ISS包括环氧树脂、乙二醇二乙酸酯、吐温40、磺化油、聚阴离子纤维素、高铁酸钾、高分子吸水树脂、水性聚氨酯、聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、聚合氯化铝铁、聚合硅酸铝和丙烯酸中的至少一种；
优选地，所述ISS的用量为所述淤泥质量的12％～30％；
优选地，所述ISS的质量分数为50％～60％；
优选地，所述ISS中还混合有水玻璃。
10.根据权利要求6所述的淤泥固化方法，其特征在于，步骤(a)和/或步骤(b)中，所述抽真空装置的数值稳定在-0.06MPa至-0.08MPa之间。
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