CN115262525B - 一种热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，包括设置在地基内的电极组件、架设在电极组件上的热蒸发组件和连接电极组件的直流电源；通过电极组件向阳极汇集土体中的孔隙水，进而在电渗的作用下运移至位于地基上部阴极，在热蒸发组件的作用下孔隙水从液态向气态转换或直接以液态的形式向上排出，有效解决了深层土固结效果较差的问题；本发明可提高软土地基一定深度下的固结效果，进而提高地基整体的承载能力，满足实际工程的具体要求。

Description

一种热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置
技术领域
本发明涉及一种固化富水地区软土的装置，尤其涉及一种热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置。
背景技术
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。因此，在进行工程建设之前，必须对其进行有效加固。
采取电渗排水固结是现有技术中一种固化地基的常用方法，通过在软土地基施加直流电场作用，使得土体中孔隙水与弱结合水从阳极向阴极移动的排水固结方法。然而，电渗法在实际操作中，仍会产生加固周期过长、加固深度不足等问题，且杆式电极组件范围较小，在电渗过程中难免出现阳极局部缺水的状况，无法快速且广泛的去除装置覆盖范围内的软土中的水分。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种能够高效固土并广泛应用的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置。
技术方案：本发明所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，包括埋设在土体内的多根电极组件、架设在电极组件上的热蒸发组件和连接电极组件的直流电源；
其中，热蒸发组件为中空的盒体，盒体的侧壁为设有通孔的流通层，盒体底部为吸附层，吸附层上覆盖设置有用于光热转化的加热层，加热层上设有加热孔道，盒体顶部为透明的挥发层，挥发层上设有挥发孔道；
电极组件由中空的管道Ⅰ、阴极和阳极组成，管道Ⅰ下端设有阳极并连接直流电源的正极，管道Ⅰ的上端连接热蒸发组件的吸附层，管道Ⅰ上端的外表面设有阴极并连接到直流电源的负极。
优选的，设置与电极组件的管道Ⅰ相对应的管道Ⅱ，管道Ⅱ一端连接热蒸发组件的挥发层，另一端连接抽气泵；通过抽气作用，一方面可以抽出部分孔隙水，另一方面可以通过其吸力，汇集阳极附近的孔隙水，进而在电场作用下向阴极迁移。
优选的，挥发层为隔热材质，挥发孔道的直径为2～5cm。
优选的，加热层由光伏材料组成，加热孔道的直径为1～3cm。
优选的，通孔内设有风扇。
优选的，吸附层为亲水材质并与地表贴合，形成充分接触。
优选的，阳极为金属空心管，管壁开设阳极孔道，阳极的构造便于抽出软土中空气和部分孔隙水；阳极外壁设有包封的过滤棉，以防抽气过程中引入土颗粒堵塞管道Ⅰ。
优选的，阳极下端固定连接实心的阳极锥头，实心锥体便于安插管道Ⅰ，减小扰动。
优选的，阴极为均匀缠绕于管道Ⅰ顶端的外壁的金属丝，有效增大了与土体的接触面积。
优选的，平行设置多条管道Ⅰ，并采用错位间隔的形式进行布置，管道Ⅱ可选择分别与若干抽气泵连接，以提高其效率。
优选的，直流电源为局部土体提供电场，根据阴极和阳极之间的具体间距调节电压，电压大小与阴阳极距离之比为电势梯度，电势梯度为0.1V/cm，以保证在该电势梯度下电渗效果良好，有效提高孔隙水自阳极向阴极迁移的效率。
发明原理：本发明所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，吸附层为亲水材质，能够及时吸附暂存从阳极深处迁移到阴极表层软土中过饱和的孔隙水；加热层能够吸收太阳能并给周围环境提供一个较高的温度，从而蒸发吸附层中暂存的孔隙水，使其从液态向气态进行转变，经由加热孔道向上运移；流通层结构呈中空形式，隔热材质，能够充分保存加热层散发的热量，减少外溢，流通层四壁开设若干通孔，对应通孔处布设风扇，风扇可通过集气充分利用富水地区风力资源充足的良好条件，通过风扇增强流通层内空气流通对于蒸发的促进作用，加快蒸发过程；挥发层为隔热材质，能够充分保存加热层散发的热量，减少外溢，挥发层上表面布有若干挥发孔道，方便孔隙水蒸发后进入空气中。
通过调整电极组件排布，使阳极预埋于土体内部，阴极布设在表层土，可实现土中水克服重力向地表迁移，通过在土体表面设置蒸发层，进而能够以蒸发的形式将土中的孔隙水排出，可有效解决电渗法加固周期过长、加固深度不足的工程问题。通过施加管道抽气，一定程度上可在将周围的水分向阳极汇集，从而有效扩大土体加固范围，实现土体加固的广度和深度的进一步提升，解决杆式电极组件带来的阳极局部缺水的问题。本发明可促进软土中孔隙水先在电渗作用下克服重力向阴极迁移，进而在热蒸发组件的作用下向上排出，达到就地固化软土的效果，能够同时弥补热蒸发对软土的加固深度有限以及电渗法加固效果不均等缺陷，通过抽气作用向阳极汇集土体中的孔隙水，进而在电渗的作用下运移至位于地基上部阴极，在热蒸发组件的作用下孔隙水从液态向气态转换或直接以液态的形式向上排出，有效解决了深层土固结效果较差的问题。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本发明充分利用富水地区太阳能和风能充足的自然条件，结合热蒸发和电渗法处理软土地基，可实现土中水的自下而上排出，避免上方阴极附近排水淤堵，且能够有效提高固化效率，相对于纯电渗方案可省时40％，同时可将土体含水率降至30％以下；(2)本发明可提高软土地基一定深度下的固结效果，与现有技术相比，加固深度最大可增加2倍以上，且在抽气泵作用下能够进一步扩大水平方向阳极影响范围，进而提高地基整体的承载能力，满足实际工程的具体要求。
附图说明
图1为本发明的实施例1的结构示意图；
图2为本发明的实施例2的结构示意图；
图3为热蒸发组件的结构示意图；
图4为电极组件的结构示意图；
图5为阳极的结构示意图；
图6为阴极的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，包括热蒸发组件1、电极组件2、直流电源3。
热蒸发组件1，自上而下包括挥发层101、流通层103、加热层105和吸附层107。挥发层101为隔热材质，有效减少加热层105所散发热量的外溢浪费，其表面贯通若干挥发孔道102，用于排放被蒸发的孔隙水。流通层103上设有通孔104，通孔104内设置风扇，在风扇的作用下，流通层103内部可充分汇集装置周围的风力资源，以提高蒸发速度。加热层105由光伏材料构成，能够充分吸收太阳能并提供持续的热能以供促进蒸发作用，其间开设若干加热孔道106便于气态及液态孔隙水的流通。吸附层107为亲水材质，能够充分吸收软土地基上部汇集的孔隙水，以便蒸发过度。
电极组件2，包括管道Ⅰ201、阴极202和阳极203。管道Ⅰ201上端连接抽气泵4，下端连接阳极203，以防水胶固定粘接，中间段保持完整连续，防止阳极203以外的部分漏气；阴极202为铜丝，均匀缠绕于管道Ⅰ201外壁，有效增加了阴极202的影响范围，位于软土地基表层下部，通过导线连接到直流电源3的负极；阳极203为铁质空心管，具有良好的导电性能，管壁开设若干阳极孔道204，下端为实心铁质的阳极锥头205，施工前需在阳极203外壁封裹好过滤棉，充分过滤土中孔隙水，防止土颗粒堵塞通道。
实施例2
如图2-6所示，与实施例1的装置相比，进一步增加管道Ⅱ206和抽气泵4。
热蒸发组件1，自上而下包括挥发层101、流通层103、加热层105和吸附层107。挥发层101为隔热材质，有效减少加热层105所散发热量的外溢浪费，其表面贯通若干挥发孔道102，用于排放被蒸发的孔隙水。流通层103上设有通孔104，通孔104内设置风扇，在风扇的作用下，在风扇的作用下，流通层103内部可充分汇集装置周围的风力资源，以提高蒸发速度。加热层105由光伏材料构成，能够充分吸收太阳能并提供持续的热能以供促进蒸发作用，其间开设若干加热孔道106便于气态及液态孔隙水的流通。吸附层107为亲水材质，能够充分吸收软土地基上部汇集的孔隙水，以便蒸发过度。
电极组件2，包括管道Ⅰ201、阴极202和阳极203。管道Ⅰ201上端连接抽气泵4，下端连接阳极203，以防水胶固定粘接，中间段保持完整连续，防止阳极203以外的部分漏气；阴极202为铜丝，均匀缠绕于管道Ⅰ201外壁，有效增加了阴极202的影响范围，位于软土地基表层下部，通过导线连接到直流电源3的负极；阳极203为铁质空心管，具有良好的导电性能，管壁开设若干阳极孔道204，下端为实心铁质的阳极锥头205，施工前需在阳极203外壁封裹好过滤棉，充分过滤土中孔隙水，防止土颗粒堵塞通道。
热蒸发组件1的挥发层101上设置与电极组件2的管道Ⅰ201相对应的管道Ⅱ206，并连接抽气泵4。
采用实施例2的装置进行热蒸发联合电渗固化富水地区软土的施工方法，包括以下步骤：
(1)在软土地基表面布置相应尺寸的热蒸发组件1，热蒸发组件1的吸附层107与地表贴合，在对应位置开孔以便于布置电极组件2，电级组件2深入软土地基内部，用导线分别连接好阴阳电极组件，阳极203外壁封裹好过滤棉，以阳极锥头205为起始端从热蒸发组件1上对应的孔道下放管道Ⅰ201至所需的加固深度；
(2)导线连接直流电源3对应的正负极，管道Ⅰ201连接抽气泵4；
(3)接通直流电源3并调节至所需的电势梯度，向软土地基施加电场，开始电渗；
(4)打开抽气泵4，开始向外抽气，促进阳极203附近孔隙水汇集；
(5)通过测试表层软土的物化性能，对比工程实际的要求，并检测吸附层107的含水量确定固结完成的时间；切断直流电源3静置一段时间后，取出施工装置，包括热蒸发组件1和电极组件2，及时清洗并检查装置的受损程度以备再次使用。
在抽气泵的吸力作用下，软土地基一定深度下的孔隙水向阳极汇集，在电场作用下再从深处的阳极克服重力向浅处的阴极迁移，进而吸附暂存于热蒸发组件，最后在温度升高和上方空气流通速度增大的条件下持续蒸发至空气中，从而提高一定深度的软土地基承载力以满足实际工程需求。保持吸附层与地表的充分接触，可根据施工场地的大小选择热蒸发组件的尺寸，综合考虑软土性质和场地大小确定各管道Ⅰ之间的间距，根据所需加固的深度确定提供的电压大小，根据实际需求调整抽气泵的使用数量。
对实施例1和实施例2进行固土能力检测：固结处理过程中每4小时测定一次表层土体承载力，直至阴极层附近的地基强度满足《建筑地基基础设计规范》相应要求后停止施工。
与纯电渗方案相比，实施例1通过结合热蒸发和电渗法对软土进行固化的过程，在地基强度达到标准的情况下，固化过程的时长至少缩短40％。
实施例2在实施例1的基础上增加抽气泵，其主要作用为在下层土中阳极附近含水率降低至极限时，通过抽气作用将阳极影响范围外土中水吸引至阳极附近，以实现水平固结范围的扩大，亦可透过过滤层和阳极孔道抽出部分土中自由水，进一步提高固结效率，可将土体含水率降至30％以下。

Claims (10)

1.一种热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，其特征在于，包括埋设在土体内的多根电极组件(2)、架设在电极组件(2)上的热蒸发组件(1)和连接电极组件(2)的直流电源(3)；
其中，热蒸发组件(1)为中空的盒体，盒体的侧壁为设有通孔(104)的流通层(103)，盒体底部为吸附层(107)，吸附层(107)上设有用于光热转化的加热层(105)，加热层(105)上设有加热孔道(106)，盒体顶部为透明的挥发层(101)，挥发层(101)上设有挥发孔道(102)；
电极组件(2)由中空的管道Ⅰ(201)、阴极(202)和阳极(203)组成，管道Ⅰ(201)下端设有阳极(203)并连接直流电源(3)的正极，管道Ⅰ(201)的上端连接热蒸发组件(1)的吸附层(107)，管道Ⅰ(201)上端的外表面设有阴极(202)并连接到直流电源(3)的负极。
2.根据权利要求1所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，其特征在于，在挥发层(101)上设置与管道Ⅰ(201)位置相对应的管道Ⅱ(206)，管道Ⅱ(206)上端汇集并连接抽气泵(4)。
3.根据权利要求1所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，其特征在于，挥发层(101)为隔热材质制备而成。
4.根据权利要求1所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，其特征在于，挥发孔道(102)的直径为2～5cm。
5.根据权利要求1所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，其特征在于，通孔(104)内设有风扇。
6.根据权利要求1所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，其特征在于，加热孔道(106)的直径为1～3cm。
7.根据权利要求1所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，其特征在于，吸附层(107)为亲水材质并与地表贴合。
8.根据权利要求1所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，其特征在于，阳极(203)为金属空心管，管壁开设阳极孔道(204)，阳极(203)外壁设有过滤棉。
9.根据权利要求1所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，其特征在于，阳极(203)下端固定连接实心的阳极锥头(205)。
10.根据权利要求1所述的热蒸发联合电渗固化富水地区软土的装置，其特征在于，阴极(202)为均匀缠绕于管道Ⅰ(201)外壁的金属丝。
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