专利名称：真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法
技术领域：
本发明涉及一种岩土工程领域的地基加固方法，具体涉及一种真空预压联合电渗法对地基加固处理方法，主要适用于软土、超软土地基或污泥的排水处理。
背景技术：
19世纪初，俄国学者Reuss发现了粘土中的电渗现象。20世纪30年代LeoCasagrande意识到电渗处理对提高细粒土的抗剪强度和稳定性有重要作用，并将电渗技术应用于岩土工程中的软土加固。之后各国学者对其开展了大量的研究工作，工程中也有了成功的应用。电渗法具有加固速度快，对细颗粒、低渗透性土有良好的加固效果等优点，且具有排出土体中弱结合水的功效。但是，电渗法的应用也饱受阳极腐蚀、界面电阻过大等问题的困扰。单独电渗作用加固软粘土地基，在土中水从阳极区向阴极区汇集作用下，将造成 处理后的土体沿阳极向阴极方向含水率从低到高分布，表明电渗后期效率降低、阴极排水效率较低。因此，电渗加固软粘土地基往往需对电渗阴极进行特殊设置，以满足电渗排水要求，这也造成了电渗阴极的造价一般高于金属阳极。自从上世纪80年代真空预压技术的提出与应用后，经过不断的改进与发展，真空预压技术已成为软土地基处理最为有效的方法之一。从早先的砂垫层与竖向砂井排水，发展到塑料排水板与砂垫层排水、直排式真空预压、密闭式真空预压等工法，真空预压技术已广泛应用于软土地基处理与围垦造地等工程。真空预压法在加固高压缩性、高含水率软粘土地基工程应用中具有高效、经济的优势。但其在后期处理中也存在塑料排水板淤堵、土体加固后期真空度传递受阻等问题，导致真空预压法后期处理效率降低、处理效果不明显等问题。真空预压处理后的土体也呈现出以排水板位置为中心向四周扩散方向，含水率逐渐升高的现象，表明其加固软土地基也存在不均匀性问题，靠近塑料排水板越近的土体其加固效果越好。真空预压与电渗法的联合应用受到了国内外专家学者的广泛关注，真空预压与电渗法联合作用发挥了两者间的联合优势，但既有真空预压与电渗法联合加固技术采用传统真空预压联合电渗法加固软粘土地基的方法，往往需对电渗阴极进行特殊构造，造成施工成本的增加。专利号为ZL200810024511. I的发明专利公开了一种基于真空电渗复合预压法的软土地基加固方法，虽直接采用钢筋作为电渗电极，但由于其采用的是传统真空预压法，因此无法对膜下塑料排水板中的真空与土中塑料排水板中的真空进行独立控制，将造成真空联合电渗时真空度的浪费，且其塑料排水板与钢筋电极的布置形式，未能充分利用塑料排水板布设间距与电渗电极布设间距的契合点优势，电渗电极间距布置过大，将影响电渗排水的有效性。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服真空预压法单独作用、电渗法单独作用以及传统真空预压联合电渗法的上述缺陷，提供一种真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，采用立体密闭独立式真空预压法与使用普通金属钢筋作为电渗电极的电渗法进行联合加固。在布置真空预压系统时，利用独立的密封接头、密封水管、密封主管及抽真空设备，分别将插入土体中的塑料排水板和铺设在土体表面的塑料排水板连接成为独立的两套密闭真空系统，两套真空系统能够独立进行开关控制与抽真空大小调节；在布置真空系统完成后，在各排土中塑料排水板间隔间成排插设钢筋电极，并进行钢筋电极与真空预压密封系统穿孔处的密封处理。本发明在进行第一阶段真空预压单独作用加固时，能够提高真空度传递与利用效率，提升深层土体排水效果，对土体通电进行第二阶段真空预压联合电渗法进行施工时，能够有效改善真空预压法与电渗法单独作用时加固土体不均匀、真空预压单独作用时塑料排水板淤堵、传统真空预压法联合电渗法作用时能耗高、效率低等问题，显著改善土体处理的均匀性、提高土体整体加固效果，实现联合加固施工的快速、高效与节能。为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案
一种真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，包括以下步骤
①立体密闭式真空预压系统布置
真空预压与电渗法联合加固中采用的真空预压法为立体密闭独立式真空预压法，其施工布置过程如下 a.在需要处理的场地上铺设第一道土工织物后，成排打设土中塑料排水板，将土中塑料排水板通过土中塑料排水板密封接头连接到不透气的密封钢丝水管上，再将各密封钢丝水管通过三通接头分别与不透气的密封钢丝主管相连，形成土中塑料排水板排水系统；
b.然后布置土体表面塑料排水板，将土体表面塑料排水板通过土体表面塑料排水板密封接头连接到不透气的另外的密封钢丝水管上，再将各密封钢丝水管通过另外的三通接头与另外的不透气的密封钢丝主管相连，形成土体表面塑料排水板排水系统，土体表面塑料排水板排水系统与土中塑料排水板排水系统采用不同的密封接头、不同的密封钢丝水管、不同的密封钢丝主管；
c.采用土工膜密封系统使步骤b中的土体表面塑料排水板排水系统与大气隔绝密封，进而在完成土工膜密封系统布置后，将土中塑料排水板排水系统的密封钢丝主管连接到土中塑料排水板抽真空设备上，并将土体表面塑料排水板排水系统的密封钢丝主管连接到土体表面塑料排水板抽真空设备上，形成两套完全独立的真空系统进行密闭直抽；
②电渗施工布置在步骤①中的真空预压系统布置完成之后，在同排的土中塑料排水板间隔间进行等间距地插入钢筋作为电渗电极，使电渗电极与土中塑料排水板一样成排布置，分别使用导线将同排的所有电渗电极串联连接形成整排的电渗电极单排系列，之后将间隔一排的电渗电极单排系列并联接入直流电渗仪的阴极接头，整体用作电渗阴极，再将其余间隔一排的电渗电极单排系列并联接入直流电渗仪的阳极接头，整体用作电渗阳极，对钢筋插入土体时造成的真空预压密封系统穿孔进行密封处理。本发明采用立体密闭独立式真空预压法与使用普通钢筋作为电渗电极的电渗法进行联合加固。施工前，先对真空预压系统与电渗系统进行布置，施工过程中，第一阶段进行真空预压加固软土地基的单独作业，利用真空预压的自身优势排出土体中大量的水分，第二阶段进行真空预压联合电渗法共同作业，利用两种方法联合作用的优势，继续排出土体中的水分。
在上述步骤②中，真空预压密封系统包括土工膜密封系统、土工膜和密封栓，密封处理的方法为使用土工膜包裹各电渗电极，将土工膜的下表面边缘与土工膜密封系统的上表面利用密封胶密封连接固定，在土工膜密封系统的穿孔处，土工膜的圆孔内表面与钢筋的侧表面通过密封栓进行密封连接固定。上述土中塑料排水板密封接头和土体表面塑料排水板密封接头为手形三通或手形四通。作为本发明技术方案的一种改进，土中塑料排水板排水系统和土体表面塑料排水板排水系统独立进行开关控制与抽真空大小调节。作为本发明技术方案的另一种改进，电渗电极采用普通光圆钢筋，且作为电渗阴极的钢筋直径小于作为电渗阳极的钢筋直径。
作为本发明技术方案的再另一种改进，密封钢丝水管与密封钢丝主管均采用耐压的钢丝水管构成。作为本发明技术方案的再另一种特别改进，土中塑料排水板的打设深度根据地基处理所需加固深度确定，土体表面塑料排水板的横向布设长度根据土中塑料排水板布设间距大小进行确定，或者在需要处理的场地范围内，根据工程实际需要采用通长布置的做法。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点
1.立体密闭独立式真空预压法可对膜下真空度与土中塑料排水板中的真空度进行独立控制，既能独立提高膜下真空度、土中塑料排水板中真空度，又能根据工程实际情况，实时控制膜下真空度与土中塑料排水板中真空度的量值大小及协同作业比例，将极大的提高真空预压法处理软土地基的处理效率。另外，通过独立控制膜下真空度与土中塑料排水板中真空度，可开展大量的工程实践与试验研究，对真空预压加固软土地基各处理阶段，膜下真空度与土中塑料排水板中真空度的最适宜量值及二者的最适宜作用比例进行探索研究，将获得对真空预压作用机理的深入认识，为工程科技人员更熟练的掌握真空预压地基处理技术奠定一定的基础；
2.真空预压法现场应用中，土中塑料排水板打设间距一般设置为Im左右，电渗法阴阳极间距一般设置为Im左右，两者在工艺设置上具有契合点。采用普通的金属电极光圆钢筋，直接插设于真空预压塑料排水板相邻位置，使塑料排水板与金属阴极共同作用整体作为电渗阴极，既能发挥电渗法将阳极区水分汇集阴极的作用，又能利用塑料排水板可抽出板周边区域土体中水分的作用，上述构造将能够节约传统电渗阴极的特殊构造费用，并能够解决真空预压单独作用时，距离塑料排水板较远处土体含水率下降偏低问题，电渗法单独作用时，电渗阴极区土体含水率偏高问题。距离排水板较远位置土体为电渗阳极区，电渗阴极区土体位于土中塑料排水板周边，真空预压法及电渗法具有较强互补性，达到提高土体处理效果、改善土体处理均匀性的目标。3.现场工程应用与室内试验均表明，在真空预压单独作用一段时间后，随着土体表面硬壳层的形成及土中塑料排水板周边土体致密性提高，将导致真空预压真空度的传递受阻，塑料排水板也因土体细颗粒的吸附发生淤堵等问题，影响真空预压作用效率。采用本发明进行真空电渗联合加固时，电渗过程中，水分由阳极区向阴极汇集，细颗粒由阴极区向阳极汇集，从而导致土中塑料排水板周边本已致密的土体在水流迁移作用下含水率提高，且土体呈现成层疏松状态，塑料排水板表面细颗粒成分减少，并最终导致土中塑料排水板抽真空效率显著提高。4.室内试验表明，在电渗法单独作用一段时间后，阴极区土体汇集有大量碱性难溶物，土体溶液呈强碱性、离子分布失衡严重，导致阴极区土体导电性较低，这最终导致了电渗电路整体受阻、电渗效率下降。采用本发明进行真空电渗联合加固时，真空预压土中塑料排水板抽真空时将上述电渗产生的阴极区碱性溶液及时排除，提高了电渗加固效率，延长了电渗加固有效时长。5.室内试验表明，在真空预压加固后期，硬壳层形成后，土体压缩性降低，真空度传递受阻严重，加固效率降低，土体表面塑料排水板真空系统作用大为减弱，基本可将其关闭，只进行土中塑料排水板真空系统抽气排水进行真空联合电渗作用，且室内试验表明，在进行真空联合电渗共同加固时，利用塑料排水板排出阴极区土体水分时，不需要真空系统 一直维持80kPa以上的真空度，往往维持60kPa的真空度已足够实现真空排水的目标。采用本发明进行真空电渗联合加固时，可对土中塑料排水板真空系统与土体表面塑料排水板真空系统进行独立开关控制与抽真空大小调节，以节约能源。
图I是本发明实施例一真空预压联合电渗法加固软粘土地基系统的整体构造示意图。图2是本发明实施例一真空预压联合电渗法加固软粘土地基系统的平面布置示意图。图3是本发明实施例一的土中塑料排水板密封接头构造示意图。图4是本发明实施例一的土体表面塑料排水板密封接头构造示意图。图5是本发明实施例一的电渗电极与真空密封系统密封构造示意图。
具体实施例方式本发明的优选实施例详述如下
实施例一
参见图I 图4，一种真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，包括以下步
骤
①立体密闭式真空预压系统布置
真空预压与电渗法联合加固中采用的真空预压法为立体密闭独立式真空预压法，其施工布置过程如下
a.在需要处理的场地上铺设第一道土工织物后，成排打设土中塑料排水板5，将土中塑料排水板5通过土中塑料排水板密封接头7连接到不透气的密封钢丝水管4上，再将各密封钢丝水管4通过三通接头9分别与不透气的密封钢丝主管10相连，形成土中塑料排水板排水系统；
b.然后布置土体表面塑料排水板6，将土体表面塑料排水板6通过土体表面塑料排水板密封接头8连接到不透气的另外的密封钢丝水管4上，再将各密封钢丝水管4通过另外的三通接头9与另外的不透气的密封钢丝主管10相连，形成土体表面塑料排水板排水系统，土体表面塑料排水板排水系统与土中塑料排水板排水系统采用不同的密封接头、不同的密封钢丝水管4、不同的密封钢丝主管10 ；
c.采用土工膜密封系统3使步骤b中的土体表面塑料排水板排水系统与大气隔绝密封，进而在完成土工膜密封系统3布置后，将土中塑料排水板排水系统的密封钢丝主管10连接到土中塑料排水板抽真空设备I上，并将土体表面塑料排水板排水系统的密封钢丝主管10连接到土体表面塑料排水板抽真空设备2上，形成两套完全独立的真空系统进行密闭直抽；
②电渗施工布置在步骤①中的真空预压系统布置完成之后，在同排的土中塑料排水板5间隔间进行等间距地插入钢筋作为电渗电极，使电渗电极与土中塑料排水板5 —样成排布置，分别使用导线13将同排的所有电渗电极串联连接形成整排的电渗电极单 排系列，之后将间隔一排的电渗电极单排系列并联接入直流电渗仪14的阴极接头，整体用作电渗阴极11，再将其余间隔一排的电渗电极单排系列并联接入直流电渗仪14的阳极接头，整体用作电渗阳极12，对钢筋插入土体时造成的真空预压密封系统穿孔进行密封处理。参见图5，真空预压密封系统包括土工膜密封系统3、土工膜16和密封栓17，密封处理的方法为使用土工膜16包裹各电渗电极，将土工膜16的下表面边缘与土工膜密封系统3的上表面利用密封胶15密封连接固定，在土工膜密封系统3的穿孔处，土工膜16的圆孔内表面与钢筋的侧表面通过密封栓17进行密封连接固定。本实施例采用立体密闭独立式真空预压法与使用普通钢筋作为电渗电极的电渗法进行联合加固。本实施例真空预压与电渗法联合加固中采用的真空预压法的施工和使用过程如下
先进行立体密闭式真空预压布置，在真空布置结束后进行电渗施工布置；施工过程中第一阶段进行真空预压单独作用，第二阶段进行真空预压联合电渗法共同作用。上述真空预压联合电渗布置完成后，进行第一阶段真空预压单独作用的土体加固，之后进行第二阶段真空预压联合电渗法共同作用的土体加固。待处排水理作业完毕后，移除密闭系统、排水系统及电渗系统，回收各密封接头、三通接头、不透气密封钢丝水管、不透气密封钢丝主管、导线及电渗电极以重复利用。，在进行第一阶段真空预压单独作业时，能够提高真空度传递与利用效率，提升深层土体排水效果，对土体通电进行第二阶段真空预压与电渗法联合作业时，能够有效改善真空预压法与电渗法单独作业时土体加固的不均匀性、真空预压法单独作业时塑料排水板淤堵、传统真空预压法联合电渗法作用时能耗高、效率低等问题，显著改善土体处理的均匀性、提高土体整体加固效果，实现联合加固施工的快速、高效与节能。土中塑料排水板密封接头7和土体表面塑料排水板密封接头8为手形三通，使用本实施例密封接头，能够同时实现排水过程中膜下真空度与土中真空度的独立控制，实现立体式真空预压。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于
在本实施例中，土中塑料排水板排水系统和土体表面塑料排水板排水系统独立进行开关控制与抽真空大小调节，实现土中真空与膜下真空的独立人工调控，并根据真空预压实施阶段实际需要，调节最优的土中真空度与膜下真空度比值，极大提高真空度传递与深层土体的处理效果，施工快速，高效与节能，能够实现智能控制。实施例三本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于
在本实施例中，电渗电极采用普通光圆钢筋，且作为电渗阴极11的钢筋直径小于作为电渗阳极12的钢筋直径，不需要对电极构造进行特殊设计，电极的选择和制作成本低。实施例四
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于
在本实施例中，密封钢丝水管4与密封钢丝主管10均采用耐压的钢丝水管构成，来保证土中塑料排水板排水系统和土体表面塑料排水板排水系统的刚性。实施例五
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于 土中塑料排水板5的打设深度根据地基处理所需加固深度确定，土体表面塑料排水板6的横向布设长度根据土中塑料排水板5布设间距大小进行确定，或者在需要处理的场地范围内，根据工程实际需要采用通长布置的做法，解决了现有施工中的诸多固结效果不佳的技术问题，本实施例能达到快速固结软基施工周期明显缩短，提高了施工效益，降低了施工成本，适用于铁路、公路、港口码头、垃圾填埋场的各种软土、超软土地基或污泥的排水处理。上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，其特征在于，包括以下步骤 ①立体密闭式真空预压系统布置 真空预压与电渗法联合加固中采用的真空预压法为立体密闭独立式真空预压法，其施工布置过程如下 a.在需要处理的场地上铺设第一道土工织物后，成排打设土中塑料排水板(5)，将所述土中塑料排水板(5)通过土中塑料排水板密封接头(7)连接到不透气的密封钢丝水管(4)上，再将各所述密封钢丝水管(4)通过三通接头(9)分别与不透气的密封钢丝主管(10)相连，形成土中塑料排水板排水系统； b.然后布置土体表面塑料排水板(6)，将所述土体表面塑料排水板(6)通过土体表面塑料排水板密封接头(8)连接到不透气的另外的所述密封钢丝水管(4)上，再将各所述密封钢丝水管(4)通过另外的所述三通接头(9)与另外的不透气的所述密封钢丝主管(10)相连，形成土体表面塑料排水板排水系统，土体表面塑料排水板排水系统与所述土中塑料排水板排水系统采用不同的密封接头、不同的所述密封钢丝水管(4)、不同的所述密封钢丝主管(10); c.采用土工膜密封系统(3)使所述步骤b中的土体表面塑料排水板排水系统与大气隔绝密封，进而在完成土工膜密封系统(3)布置后，将所述土中塑料排水板排水系统的所述密封钢丝主管(10)连接到土中塑料排水板抽真空设备(I)上，并将所述土体表面塑料排水板排水系统的所述密封钢丝主管(10)连接到土体表面塑料排水板抽真空设备(2)上，形成两套完全独立的真空系统进行密闭直抽； ②电渗施工布置在步骤①中的真空预压系统布置完成之后，在同排的所述土中塑料排水板(5)间隔间进行等间距地插入钢筋作为电渗电极，使所述电渗电极与所述土中塑料排水板(5)—样成排布置，分别使用导线(13)将同排的所有电渗电极串联连接形成整排的电渗电极单排系列，之后将间隔一排的所述电渗电极单排系列并联接入直流电渗仪(14)的阴极接头，整体用作电渗阴极(11)，再将其余间隔一排的所述电渗电极单排系列并联接入直流电渗仪(14)的阳极接头，整体用作电渗阳极(12)，对所述钢筋插入土体时造成的所述真空预压密封系统穿孔进行密封处理。
2.根据权利要求I所述的真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，其特征在于在所述步骤②中，所述真空预压密封系统包括土工膜密封系统(3)、土工膜(16)和密封栓(17)，密封处理的方法为使用所述土工膜(16)包裹各所述电渗电极，将所述土工膜(16)的下表面边缘与所述土工膜密封系统(3)的上表面利用密封胶(15)密封连接固定，在所述土工膜密封系统(3)的穿孔处，所述土工膜(16)的圆孔内表面与钢筋的侧表面通过所述密封栓(17 )进行密封连接固定。
3.根据权利要求I或2所述的真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，其特征在于所述土中塑料排水板排水系统和所述土体表面塑料排水板排水系统独立进行开关控制与抽真空大小调节。
4.根据权利要求I或2所述的真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，其特征在于所述电渗电极采用普通光圆钢筋，且作为电渗阴极(11)的钢筋直径小于作为电渗阳极(12)的钢筋直径。
5.根据权利要求I或2所述的真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，其特征在于所述土中塑料排水板密封接头(7)和所述土体表面塑料排水板密封接头(8)为手形三通或手形四通。
6.根据权利要求I或2所述的真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，其特征在于所述密封钢丝水管(4)与所述密封钢丝主管(10)均采用耐压的钢丝水管构成。
7.根据权利要求I或2所述的真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，其特征在于所述土中塑料排水板(5)的打设深度根据地基处理所需加固深度确定，所述土体表面塑料排水板(6)的横向布设长度根据所述土中塑料排水板(5)布设间距大小进行确定，或者在需要处理的场地范围内，根据工程实际需要采用通长布置的做法。
全文摘要
本发明公开了一种真空预压联合电渗法加固软粘土地基的处理方法，采用立体密闭独立式真空预压法与采用钢筋作为电渗电极的电渗法进行联合加固。在布置真空预压系统时，利用独立的密封接头、密封水管、密封主管及抽真空设备，分别将插入土体中的塑料排水板和铺设在土体表面的塑料排水板形成两套独立的密闭真空系统，两套真空系统能独立进行开关控制与抽真空大小调节；在布置真空系统完成后，在各排土中塑料排水板间隔间成排插设钢筋电极，并进行钢筋电极与真空预压密封系统穿孔处的密封处理。本发明能够提高真空度传递与利用效率，提升深层土体排水效果，能够显著改善土体处理均匀性、提高土体整体加固效果，实现联合加固施工的快速、高效与节能。
文档编号E02D3/11GK102900067SQ20121042539
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者刘飞禹, 张乐, 王军, 蔡袁强 申请人:上海大学