一种水平真空预压联合电渗加固吹填软土的设备及方法技术

本发明专利技术属于岩土工程和水利工程研究相关技术领域，公开了一种水平真空预压联合电渗加固吹填软土的设备及方法。该设备包括：水平排水板、排水管、排水支管、电渗电源、阀门、水汽分离器、真空压力表、真空泵和排水泵；通过将水平排水板上下分层铺设，结合电渗电源的电渗固结、真空泵的真空荷载，使得场地中真空场、电渗场和重力场相一致，避免了其能量相互抵消，从而提高了固结效率，减少了能耗。该方法基于上述设备，可以将吹填过程与排水固结过程同时进行，避免了竖向排水板弯折及插板扰动问题，这是现有吹填软土排水固结方法都不具有的特点，可以显著缩短施工时间，且提高了对深层软土的加固效果。

A Equipment and Method of Horizontal Vacuum Preloading Combined with Electroosmosis for Reinforcing Drainage Filling Soft Soil

The invention belongs to the related technical field of geotechnical engineering and hydraulic engineering research, and discloses a horizontal vacuum preloading combined with electroosmotic consolidation device and method for filling soft soil. The equipment includes: horizontal drainage plate, drainage pipe, drainage branch pipe, electroosmotic power supply, valve, water vapor separator, vacuum pressure gauge, vacuum pump and drainage pump; by laying the horizontal drainage plate in different layers, combining with electroosmotic consolidation of electroosmotic power supply and vacuum load of vacuum pump, the vacuum field, electroosmotic field and gravity field in the site are consistent, and the energy offset is avoided. The consolidation efficiency is improved and energy consumption is reduced. Based on the above-mentioned equipment, this method can simultaneously carry out the filling process and drainage consolidation process, avoiding the bending of vertical drainage plate and disturbance of plug board. This is a characteristic of the existing drainage consolidation method of dredger fill soft soil, which can significantly shorten the construction time and improve the reinforcement effect of deep soft soil.

【技术实现步骤摘要】
一种水平真空预压联合电渗加固吹填软土的设备及方法
本专利技术属于岩土工程和水利工程研究相关
，具体涉及一种水平真空预压联合电渗加固高含水率吹填软土的设备及方法。
技术介绍
随着国家工程建设的发展，围海造陆工程、河湖水体治理工程及尾矿、污泥等的处理工程日益增多，涉及到软土(淤泥)的疏浚、吹填和加固等过程，。这类工程中涉及到的饱和软土具有含水量高、细颗粒含量高、孔隙比大、压缩性大、渗透性小等特点。如何快速的实现此类饱和软土的排水加固，对于后续场地及土地资源的科学规划、设计与施工具有重要意义。由于该饱和软土的承载力很低(吹填结束时其强度几乎为零)、压缩性很大(有些软土的最终沉降量可达到初始高度的一半以上)，施工人员和施工设备无法进入场地进行作业，因此一些传统的排水固结方法如堆载预压、强夯等无法施展。目前，真空预压固结法和电渗固结法对此类软土加固的可行性和有效性都已在实际工程中得到了验证，但这两种方法也各有不足之处。对于真空预压固结方法而言，在处理渗透系数相对较大的土体时，该方法的处理效率及效果都是非常好的，但是对于渗透系数较小(低于10-8cm/s)的土体，该方法的处理效果就大大降低。而且，真空预压固结方法只能排出软土内的自由水，并不能排出其结合水。因此，对于黏粒含量较多、结合水含量较大的饱和软土，其处理效果是大打折扣；现行的真空预压固结方法多采用竖向插板，在土体固结过程中常常会出现排水板弯折问题，导致真空荷载传递效率严重降低，深层土体的处理效果较差，甚至导致排水固结方案失效。电渗固结方法不受吹填软土特殊性质的影响，且加固速率较快，尤其是对黏粒含量较多、渗透性较差的饱和软土具有良好的加固效果。然而，在电渗过程中，土体内特别是电极附近会产生许多的微裂缝，由于微裂缝处电阻率很大，在电渗固结过程中损耗了大量的电能，使得施工成本增高；另外，由于电渗排水固结只能排出软土中的孔隙水，却不改变土体骨架。因此，电渗方法常常需要结合其他加固方法同时使用才能达到预期的处理效果。采用真空荷载联合电渗固结相结合的方法，由于真空荷载的存在，可以有效地排出电渗所产生的聚集在电极附近的氢气和氧气(电渗过程中电解反应的产物)，减小了界面电阻，降低了电能消耗。但是，现行的真空荷载联合电渗固结方法在应用过程中依然存在缺陷，具体如下：(1)土体排水固结过程中常常产生排水板弯折，真空度传递效率低，深层软土处理达不到预期；(2)电渗过程中土体出现裂缝致使电阻增大，电渗效率降低，电能消耗增大；(3)真空压力场与电场的能量相抵消，导致排水效率低，能耗增大等。上述问题尚无有效方法或措施可以解决。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种水平真空预压联合电渗加固吹填软土的设备及方法，其目的在于，通过上下分层铺设水平排水板，结合真空场、电渗场和重力场的作用，提升固结效率，减少能耗，由此解决现有技术低效率、高能耗的问题。针对现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提供一种水平真空预压联合电渗加固吹填软土的设备，包括：水平排水板、排水管、排水支管、电渗电源、阀门、水汽分离器、真空压力表、真空泵和排水泵；多层水平排水板上下布置，相邻的两层水平排水板之间用于吹填一层软土，水平排水板层数根据设定的吹填软土层数设置；各水平排水板一端均通过一排水管连接水汽分离器上端；各排水支管一端分别连接不同层的水平排水板，另一端连接排水管，且各排水支管独立设有阀门；真空泵连接水汽分离器上端，真空压力表设于水汽分离器上；排水泵连接水汽分离器下端；电渗电源的阳极和阴极分别连接需要电渗排水的吹填软土层对应的上下两层水平排水板；或者，电渗电源与各层水平排水板连接，相邻层的水平排水板连接的极性相反。进一步地，还包括水平排水管、水平管三通接口和水平排水板接口；多个水平排水管和多个水平管三通接口分别设于各层水平排水板一端；各层水平排水板均由多块排水板并排构成，同层的多块排水板各自通过一个水平排水板接口和一个三通接口连接本层的水平排水管；每层水平排水管连接一个排水支管。为了实现上述目的，本专利技术还提供了一种如上所述的设备进行水平真空预压联合电渗加固吹填软土的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在吹填场地底层铺设第一层水平排水板，并将该层水平排水板与水汽分离器连接，且水汽分离器与真空泵和排水泵分别连接；(2)进行第一层软土吹填，当软土达到预设的一定高度之后，打开真空泵并打开第一层水平排水板与水汽分离器之间的阀门以施加真空荷载，此时软土吹填和真空预压排水同时进行；(3)继续进行软土吹填，当软土高度达到第一层的设计高度时，暂停软土吹填，铺设第二层水平排水板；然后继续进行第二层软土吹填，并将第一层和第二层水平排水板分别与电渗电源的阴极和阳极连接，此时真空预压排水、电渗排水和软土吹填三者同时进行；(4)当第二层排水板上方的软土达到一定高度之后，打开连接第二层水平排水板与水汽分离器之间的阀门以施加真空荷载，然后继续进行软土吹填，直至达到设计的第二层吹填高度；(5)暂停吹填，铺设第三层水平排水板，并将该层排水板连接电渗电源上与第二层水平排水板电性相反的电极，进行第二层软土电渗排水，并继续吹填第三层软土；(6)当第三层排水板上方的第三层软土达到预设的一定高度之后，打开连接第三层排水板与水汽分离器之间的阀门以施加真空荷载；重复上述步骤进行逐层吹填及排水，直至达到设计的总吹填高度。进一步地，水平排水板为电动土工合成材料或排水板联合金属导线。进一步地，单个排水板的宽度在10–20cm之间，厚度不小于4mm，同一水平层面上的各排水板之间的间距为5-15倍的排水板宽度；进一步地，每一层的各水平排水板都用电导线连接电渗电源(6)；进一步地，真空泵所施加的真空荷载不低于70kPa；排水泵与水汽分离器的底部连接，为了持续为水平排水板提供真空荷载，当水汽分离器内的水达到指定高度后，由排水泵将水排出。进一步地，当前铺设的最顶层的水平排水板上方的软土吹填高度不小于0.3m时，在该当前最顶层水平排水板上施加真空荷载。进一步地，竖直方向相邻两层水平排水板之间的间距在1-2m之间；进一步地，在进行电渗固结时，软土中两相邻水平排水板之间竖直方向上的电势梯度在1-2V/cm之间，在电渗固结前期，底层排水板与电源阴极连接，其相邻排水板层连接相反的电源电极；在电渗固结后期，可以选择将连接电源阳极的排水板层的真空荷载关掉。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术不需要在场地铺设砂垫层，可以在吹填的同时进行排水固结，并且可以借助土体自重进行排水固结，因此采用该方法可以缩短施工工期，节约施工成本；(2)采用水平铺设排水板，从根本上避免了传统竖向排水板常常发生的排水板弯折问题，从而提高了真空压力在排水板内的传递效率，使得加固效果得到增强，且水平铺设的排水板自身具有一定的抗剪强度，排水固结完成之后，可以增大土体的整体强度；(3)由于排水板是水平铺设的，每层排水板上部都有一定厚度的土体覆盖，在其上部土体自重作用下，避免了在电渗过程中土体出现裂缝而导致电阻增大的问题，从而提高了电渗固结效率，大大减小了能耗；(4)本专利技术对吹填软土进行分层处理，使得深层软土的加固效果得到显著提高；(5)本专利技术中每一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水平真空预压联合电渗加固吹填软土的设备，其特征在于，包括：水平排水板(2)、排水管(5)、排水支管(16)、电渗电源(6)、阀门(17)、水汽分离器(7)、真空压力表(9)、真空泵(10)和排水泵(8)；多层水平排水板(2)上下布置，相邻的两层水平排水板(2)之间用于吹填一层软土，水平排水板(2)层数根据设定的吹填软土层数设置；各水平排水板(2)一端均通过一排水管(5)连接水汽分离器(7)上端；各排水支管(16)一端分别连接不同层的水平排水板(2)，另一端连接排水管(5)，且各排水支管(16)独立设有阀门(17)；真空泵(10)连接水汽分离器(7)上端，真空压力表(9)设于水汽分离器(7)上；排水泵(8)连接水汽分离器(7)下端；电渗电源(6)的阳极和阴极分别连接需要电渗排水的吹填软土层对应的上下两层水平排水板(2)；或者，电渗电源(6)与各层水平排水板(2)连接，相邻层的水平排水板(2)连接的极性相反。

【技术特征摘要】
1.一种水平真空预压联合电渗加固吹填软土的设备，其特征在于，包括：水平排水板(2)、排水管(5)、排水支管(16)、电渗电源(6)、阀门(17)、水汽分离器(7)、真空压力表(9)、真空泵(10)和排水泵(8)；多层水平排水板(2)上下布置，相邻的两层水平排水板(2)之间用于吹填一层软土，水平排水板(2)层数根据设定的吹填软土层数设置；各水平排水板(2)一端均通过一排水管(5)连接水汽分离器(7)上端；各排水支管(16)一端分别连接不同层的水平排水板(2)，另一端连接排水管(5)，且各排水支管(16)独立设有阀门(17)；真空泵(10)连接水汽分离器(7)上端，真空压力表(9)设于水汽分离器(7)上；排水泵(8)连接水汽分离器(7)下端；电渗电源(6)的阳极和阴极分别连接需要电渗排水的吹填软土层对应的上下两层水平排水板(2)；或者，电渗电源(6)与各层水平排水板(2)连接，相邻层的水平排水板(2)连接的极性相反。2.如权利要求1所述的一种水平真空预压联合电渗加固吹填软土的设备，其特征在于，还包括水平排水管(15)、水平管三通接口(14)和水平排水板接口(12)；多个水平排水管(15)和多个水平管三通接口(14)分别设于各层水平排水板(2)一端；各层水平排水板(2)均由多块排水板并排构成，同层的多块排水板各自通过一个水平排水板接口(12)和一个三通接口(14)连接本层的水平排水管(15)；每层水平排水管(15)连接一个排水支管(16)。3.一种基于权利要求1或2所述设备进行水平真空预压联合电渗加固吹填软土的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在吹填场地底层铺设第一层水平排水板(2)，并将该层水平排水板(2)与水汽分离器(7)连接，且水汽分离器(7)与真空泵(10)和排水泵(8)分别连接；(2)进行第一层软土吹填，当软土达到预设的一定高度之后，打开真空泵(10)并打开第一层水平排水板(2)与水汽分离器(7)之间的阀门(17)以施加真空荷载，此时软土吹填和真空预压排水同时进行；(3)继续进行软土吹填，当软土高度达到第一层的设计高度时，暂停软土吹填，铺设第二层水平排水板(2)；然后继续进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋丁豹，蒲诃夫，周洋，李展毅，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42