CN114858895A - 一种电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置,包括:试验土箱,所述试验土箱底部开设纵向排水口,与底座内横向排水通道连通,纵向排水口中心为热水进水口,与底座内横向热水通道相连,所述试验土箱底部纵向排水口处布设土工布过滤所排孔隙水;阴极;阳极;太阳能加热装;水循环通道;直流电源,分别连接阳极和阴极,为土体提供持续稳定的电压;还公开了采用上述试验装置的电化学固结排水循环加热阴极局部土体试验方法。本装置可适用于任何软土的固结试验,并且试验结束后进行清洗可重复使用,经济效益较高。
Description
技术领域
本发明涉及软土固结技术或地基处理领域,尤其是涉及一种电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置及试验方法。
背景技术
软土具有天然含水量高、孔隙率大、压缩性高、流变性显著、强度低、渗透性差等工程性质。我国的软土分布的地域广阔,主要分布在有较厚的第四纪松软层覆盖的河流及湖泊附近以及沿海地区,如上海和广州等地的三角洲相沉积软土,天津、大连、宁波等地的滨海相沉积软土,福州闽江口地区的溺谷相沉积软土等。天然软土较差的物理特性使得其变形或沉降变大、固结变慢、需要更长时间的压缩稳定,所形成的地基有突出的不均匀沉降问题和较差的承载力和稳定性,难以满足工程要求,近年来,随着社会经济的快速发展,土地资源变得日益紧张,而面积广阔的软土成为沿海城市发展面临的难题,例如建筑工程中的地基问题,道路工程中的路基问题以及市政工程中市政管道和隧道工程中的开挖问题,此外,利用疏浚淤泥进行的围海造陆所形成的地基面临更加棘手的问题。在进行工程建设之前,必须对其进行有效加固。
电渗法加固软土地基经历了很长的历史时期,自1939年以来,国内外学者在不同的领域对电渗法进行了工程应用,包括排水固结、提高摩擦桩承载力、基坑开挖中控制孔隙水等。由于电渗透系数受土颗粒大小的影响较小,根据土体类型的不同,水力渗透系数的变化范围为10-7~10-9(m/s),而电渗渗透系数的变化范围为10-4~10-5(m2/s V),因而可以处理常规地基处理方法较难应对的低渗透系数的软土,是一种比较有前景的地基处理方法。但电渗技术也因其金属电极腐蚀较大、加固后土体强度不均匀和能耗过高而很难在工程实践中推广应用。电化学加固技术是集排水与促进土体胶结于一体的新型加固技术。电化学加固技术是在土体中插入金属电极管,通过向电极中注入不同的化学浆液,化学浆液中的离子与土中的极性水分子形成水合离子或水合分子,在直流电场的作用下,发生一系列物理化学反应,包括电渗、电泳、电解、水化、离子交换、矿物分解、离子沉淀等。水合离子或水合分子的迁移使地基土的物理化学性质发生改变,土体的性质得到改善和提高。但与阳极相比,阴极附近土体的强度仍然相对较低,采用阴极局部加热的方法能够有效促进该部分土体的固结效果,从而提高该处土体的强度性能,进而使土体固结效果更为均匀。综上,通过结合电化学和阴极局部加热的方法,能够为软土的排水固结提供新的途径。
发明内容
发明目的:为了克服背景技术的不足,本发明第一目的是公开一种电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置;
第二目的是公开采用上述试验装置的电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验方法。
技术方案:本发明公开的电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置,包括:
试验土箱,所述试验土箱底部开设纵向排水口,与底座内横向排水通道连通,纵向排水口中心为热水进水口,与底座内横向热水通道相连,所述试验土箱底部纵向排水口处布设土工布过滤所排孔隙水;
阴极,所述阴极包括加热管以及其外壁缠绕的粗铜丝,其末端连接外部直流电源阴极;
阳极,所述阳极设有多根,上端以导线连通围绕阴极均匀排列,并与外部直流电源阳极相连,所述阳电极中间空心且外壁开孔,包括促进管中化学浆液从阳极向阴极流动的内外向孔洞和促进化学浆液在阳极附近扩散的周围向孔洞,并用土工布包裹好,阳极底端为锥形,便于安插入土体;
太阳能加热装置,所述太阳能加热装置包括进水通道、出水通道、外部吸热层以及内部隔热层,其中进水通道与试验土箱的排水通道和加热管上端贯通,将试验排水和加热管内传热后的水汇集到太阳能加热装置中循环加热使用,其中出水通道与试验土箱的热水进水口贯通,将处理后的水传入加热管对土体进行循环加热,其中外部吸热层通过吸收太阳光的热量对装置内的水进行加热,其中内部隔热层起保温作用,以防加热水在流入土体前散失热量;
水循环通道,所述水循环通道连通试验土箱、加热管和太阳能加热装置;
直流电源,所述直流电源正负极分别连接阳极和阴极,为土体提供持续稳定的电压。
进一步的,所述试验土箱整体为亚克力材质,加热管为导热塑料材质,所述阳极为低碳钢材质,所述水循环通道为隔热塑料材质。
进一步的,所述试验土箱底部排水口与横向排水通道和热水通道同时相连,其中热水通道向内延伸至热水进水口,通过加热管持续对土体提供热量。
进一步的,所述粗铜丝在加热管外壁呈螺旋状分布,有效增大了电极与土体的接触面积。
进一步的,所述周围向孔洞间距大于内外向孔洞间距,方便化学浆液在阳极附近扩散。
一种电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验方法,采用上述试验装置,包括以下步骤:
S1、在阳光充足处依次连接试验土箱、阴极和太阳能加热装置,通过水循环通道形成整体;
S2、向试验土箱内装土足量土样并安插好阳极后,通过对应的导线将阳极和阴极分别与直流电源的正负极接通,并打开电源进行电渗处理;
S3、在电渗过程中向阳极空心处注入一定量的化学浆液,在电渗过程中排出的土体间孔隙水通过排水口进入水循环通道汇集于太阳能加热装置,吸收太阳光热量后再通过横向热水通道流入加热管对阴极附近土体进行局部加热;
S4、当直流电源所示电流值降低至一定限度且相对稳定后则视为固结完成,关闭直流电源,取出固结土体进行相关物化性能测定,并对试验装置进行清洗以备下次使用。
工作原理:土体中的孔隙水在电场的作用下从阳极向阴极汇聚,表面带负电的土颗粒则从阴极向阳极汇聚,固结土体强度提高。在电渗过程中注入相应的化学浆液与土中离子反应生成胶结物填充土中孔隙,土体强度指标进一步增强。软土电渗固结通常存在阴阳极附近土体强度的差异现象,一般地,阴极附近土体的固结效果相对于阳极较差,本试验装置通过利用电渗排水通过吸收太阳光热量后对阴极局部进行加热处理,能够有效提高阴极附近土体的固结效果,从而减小阴阳极附近土体强度差异,进而提高固结土体的整体均匀性。
有益效果:与现有技术相比,本发明优点为:
1、合理利用电渗过程中所排出的孔隙水,并通过水循环通道进行循环使用,避免了电渗排水的搁置状况;
2、采用太阳能加热技术,在提高土体固结效果的同时减少了能源的损耗,并且可以重复使用,符合可持续发展要求;
3、在加热管外壁均匀缠绕粗铜丝作阴极,有效增大了电极与土体的接触面积和阴极附近土体的受热面积;
4、阳极可充当注浆管,四壁均开设孔洞,一方面可以促进化学浆液从阳极向阴极的移动,另一方面能够使化学浆液在阳极附近扩散开,增大与土体的接触面积,提高化学反应范围;
5、该装置可适用于任何软土的固结试验,并且试验结束后进行清洗可重复使用,经济效益较高。
附图说明
图1为本发明整体结构图;
图2为本发明试验土箱结构图;
图3为本发明阴极结构图;
图4为本发明阳极结构图;
图5为本发明太阳能加热装置结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1-5所示的电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置,包括:
试验土箱1,所述试验土箱1底部开设纵向排水口101,与底座内横向排水通道102连通,纵向排水口101中心为热水进水口105,与底座104内横向热水通道103相连,所述试验土箱1底部纵向排水口101处布设土工布过滤所排孔隙水。所述试验土箱1底部排水口101与横向排水通道102和热水通道103同时相连,其中热水通道103向内延伸至热水进水口105,通过加热管201持续对土体提供热量。
如图2所示,所述试验土箱1底座内横向排水通道102和热水通道103分别通向两侧,热水进水口105位于纵向排水口101中心位置,固结过程中的排水从热水进水口105和纵向排水口101之间的空隙处经土工布过滤后流入横向排水通道102。
阴极2,所述阴极2包括加热管201以及其外壁缠绕的粗铜丝202,所述粗铜丝202在加热管201外壁呈螺旋状分布。其末端连接外部直流电源6阴极,为试验土体提供足额电压。
如图3所示,所述阴极2的加热管201连接热水进水口105,经太阳能加热装置4处理后的水循环流入加热管201对阴极局部土体进行加热处理,粗铜线202连接外部直流电源6,与阳极3之间形成一定电势梯度的电场作用于土体。
阳极3,所述阳极3设有四根,上端以导线301连通围绕阴极2均匀排列,并与外部直流电源6阳极相连,所述阳电极3中间空心且外壁开孔,包括促进管中化学浆液从阳极向阴极流动的内外向孔洞302和促进化学浆液在阳极附近扩散的周围向孔洞303,并用土工布包裹好,所述周围向孔洞303间距大于内外向孔洞302间距。阳极3底端304为锥形,便于安插入土体。
如图4所示,所述阳极3充当注浆管,从其上端空心处注入化学浆液,进而从内外向孔洞302和周围向孔洞303经过土工布的过滤后渗入土体,发生化学反应,产生胶结物填充土体间孔隙。
太阳能加热装置4,如图5所示,所述太阳能加热装置4包括进水通道401、出水通道402、外部吸热层403以及内部隔热层404,其中进水通道401与试验土箱1的排水通道102和加热管201上端贯通,将试验排水和加热管201内传热后的水汇集到太阳能加热装置4中循环加热使用,其中出水通道402与试验土箱1的热水进水口105贯通,将处理后的水传入加热管201对土体进行循环加热,其中外部吸热层403通过吸收太阳光的热量对装置内的水进行加热,其中内部隔热层404起保温作用,以防加热水在流入土体前散失热量。
水循环通道5,所述水循环通道5连通试验土箱1、加热管201和太阳能加热装置4。
直流电源6,所述直流电源6正负极分别连接阳极3和阴极2,为土体提供持续稳定的电压。
所述试验土箱1整体为亚克力材质,加热管201为导热塑料材质,所述阳极3为低碳钢材质,所述水循环通道5为隔热塑料材质。
采用上述的试验装置进行电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验方法,包括以下步骤:
(1)按照图1所示连接完毕后放置于水平地面;
(2)在纵向排水口101处和阳极3外壁布置好土工布后向试验土箱1中装填试验土样;
(3)将阳极3和阴极2分别连接至直流电源6的正负极,并开启电源,开始电渗固结处理;
(4)在电渗过程中从阳极3上端空心处注入化学浆液,透过内外向孔洞302和周围向孔洞303及外壁缠裹的土工布后渗入土体;
(5)在土体固结过程中,所排孔隙水在水循环通道5流动,并经太阳能加热装置4处理后对阴极附近土体进行循环加热;
(6)待直流电源所示电流值降低至一定限度且相对稳定后则视为固结完成,此时断开电源,终止试验;
(7)对固结土体进行相应的物化性质测试,并及时清洗试验设备以备下次使用。
其中,太阳能加热操作为现有技术中常用的试验装置。
采用本方法的试验注意事项如下:
a、试验后注意清洗装置中的孔道,并及时更换土工布,以防发生堵塞;
b、白天试验时可及时调整太阳能加热装置4的朝向,以吸收到充足的太阳能储备用于夜间试验,防止试验因能源不足而发生中止;
c、装置接口处涂抹保护液,防止磨损;
d、电极腐蚀会影响试验结果,需及时更换阳极3和粗铜线202。
Claims (6)
1.一种电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置,其特征在于,包括:
试验土箱(1),所述试验土箱(1)底部开设纵向排水口(101),与底座内横向排水通道(102)连通,纵向排水口(101)中心为热水进水口(105),与底座(104)内横向热水通道(103)相连,所述试验土箱(1)底部纵向排水口(101)处布设土工布过滤所排孔隙水;
阴极(2),所述阴极(2)包括加热管(201)以及其外壁缠绕的粗铜丝(202),其末端连接外部直流电源(6)阴极;
阳极(3),所述阳极(3)设有多根,上端以导线(301)连通围绕阴极(2)均匀排列,并与外部直流电源(6)阳极相连,所述阳电极(3)中间空心且外壁开孔,包括促进管中化学浆液从阳极向阴极流动的内外向孔洞(302)和促进化学浆液在阳极附近扩散的周围向孔洞(303),并用土工布包裹好,阳极(3)底端(304)为锥形,便于安插入土体;
太阳能加热装置(4),所述太阳能加热装置(4)包括进水通道(401)、出水通道(402)、外部吸热层(403)以及内部隔热层(404),其中进水通道(401)与试验土箱(1)的排水通道(102)和加热管(201)上端贯通,将试验排水和加热管(201)内传热后的水汇集到太阳能加热装置(4)中循环加热使用,其中出水通道(402)与试验土箱(1)的热水进水口(105)贯通,将处理后的水传入加热管(201)对土体进行循环加热,其中外部吸热层(403)通过吸收太阳光的热量对装置内的水进行加热,其中内部隔热层(404)起保温作用,以防加热水在流入土体前散失热量;
水循环通道(5),所述水循环通道(5)连通试验土箱(1)、加热管(201)和太阳能加热装置(4);
直流电源(6),所述直流电源(6)正负极分别连接阳极(3)和阴极(2),为土体提供持续稳定的电压。
2.根据权利要求1所述的电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置,其特征在于:所述试验土箱(1)整体为亚克力材质,加热管(201)为导热塑料材质,所述阳极(3)为低碳钢材质,所述水循环通道(5)为隔热塑料材质。
3.根据权利要求1所述的电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置,其特征在于:所述试验土箱(1)底部排水口(101)与横向排水通道(102)和热水通道(103)同时相连,其中热水通道(103)向内延伸至热水进水口(105),通过加热管(201)持续对土体提供热量。
4.根据权利要求1所述的电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置,其特征在于:所述粗铜丝(202)在加热管(201)外壁呈螺旋状分布。
5.根据权利要求1所述的电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验装置,其特征在于:所述周围向孔洞(303)间距大于内外向孔洞(302)间距。
6.一种电化学固结排水循环加热阴极局部土体的试验方法,其特征在于,采用权利要求1所述的试验装置,包括以下步骤:
S1、在阳光充足处依次连接试验土箱(1)、阴极(2)和太阳能加热装置(4),通过水循环通道(5)形成整体;
S2、向试验土箱(1)内装土足量土样并安插好阳极(3)后,通过对应的导线将阳极(3)和阴极(2)分别与直流电源(6)的正负极接通,并打开电源进行电渗处理;
S3、在电渗过程中向阳极(3)空心处注入一定量的化学浆液,在电渗过程中排出的土体间孔隙水通过排水口(101)进入水循环通道(5)汇集于太阳能加热装置(4),吸收太阳光热量后再通过横向热水通道(103)流入加热管(201)对阴极附近土体进行局部加热;
S4、当直流电源(6)所示电流值降低至一定限度且相对稳定后则视为固结完成,关闭直流电源(6),取出固结土体进行相关物化性能测定,并对试验装置进行清洗以备下次使用。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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