一种应用气溶胶对软土地基进行扰动处理的方法与流程

本发明涉及一种地基处理方法，适用于对软土地基的处理，具体涉及一种应用气溶胶对软土地基进行扰动处理的方法，属于土木工程技术领域。

背景技术：

软土在我国大多分布在东南沿海，按地质成因软土又分为：滨海环境沉积。海陆过度环境沉积(三角洲沉积)、河流环境沉积、湖泊环境沉积与沼泽环境沉积。随着人类社会的生产发展和人口密度的不断增长，越来越多得软土将作为建筑物地基。软土作为地基或其他用途时，需要对其进行加固处理，由于软土具有高含水量、高孔隙比和高流塑性等性质，目前针对此类工程，排水固结法是一种常用得地基处理办法。其原理是通过设置砂井或塑料排水板等竖向排水体,使土层中的孔隙水主要从水平方向通过竖向排水体排出,从而增加土层的排水途径,缩短排水距离,在荷载作用下,加速土体排水固结，使土体在短时间内发生较大沉降，从而达到提高土体强度，减少工后沉降的目的。

堆载(真空)预压排水固结法虽然是一种较为经济有效的软基处理方法，但其也有较大局限性，主要表现在：

(1)软土的性质未改变：根据相关研究与工程实践我们可知，软土的渗透系数极低，数量级在10^-7至10^-8，其主要影响为：

①深层土体不排水：由于堆载产生得附加应力是随深度变化的指数递减函数，使得排水固结法得有效处理深度不超过10m；

②工期较长：在完成上部堆载后，需要长时间预压才能满足承载力要求；

③工后沉降较大：工后受建筑物荷载作用，深层土体长期被压缩，产生蠕变沉降。

(2)未增加水平排水通道：排水板为竖向排水体，砂垫层为水平排水体，但地下软土中没有水平排水层。

(3)堆载后对排水设施进行加强较难。当排水板打设与砂垫层铺设完成，开始堆载后，若发现排水设施出现问题，补救困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中排水固结堆载预压法存在的不足，提供一种应用气溶胶对软土地基进行扰动处理的方法，该方法向软土地基的深层土体内喷射气溶胶，可以加快土体固结速度、加深土体处理深度、减少土体长期蠕变。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用气溶胶对软土地基进行扰动处理的方法，包括以下步骤：

(1)竖向设置排水通道：将需要处理的软土地基按照《建筑地基处理技术规范》中的要求进行测量放线、确定处理面积、场地整平，然后将多个竖向的排水体打设至所需深度，所述排水体(1)顶部露出所述软土地基表层；多个排水体呈三角形排列或者呈正方形排列；所有的排水体设置完毕后即完成排水通道的设置，所有的排水体统称为排水通道；

所述的排水体为塑料排水板或袋装砂井；

所述的袋装砂井的直径(d_w)为70mm～120mm；所述的塑料排水板的直径为当量直径d_p(即水力半径相等的圆管直径)，d_P＝2(b+δ)/π，其中d_p为塑料排水板当量换算直径(mm)，b为塑料排水板宽度(mm)，δ为塑料排水板厚度(mm)；

所述的排水体的有效排水直径为d_e，排水体呈等边三角形排列时d_e＝1.05L，呈正方形排列时d_e＝1.13L，L为排水体之间的距离，L宜为0.7-1.5m；

所述的排水体的井径比n＝d_e/d_w(n＝15～22)，d_w为排水体的直径，对于塑料排水板而言，d_w＝d_p。

(2)设置垫层和挖设排水沟：步骤(1)所述的排水体设置完成后，在需要处理的软土地基的表层均匀的铺设两层垫层覆盖排水体顶部，底层垫层的厚度为30cm、两层垫层的总厚度至少为50cm；所述的排水体的顶部伸出底层垫层且水平面以上的长度至少为50cm，以便其弯折埋在砂垫层中；在需要处理的软土地基的四周挖沙排水沟以便及时将水排出场地；

所述的垫层为砂垫层或者碎石垫层，所述的砂垫层中的砂为中粗砂，黏粒含量≤3％(砂料中可含有少量粒径不大于50mm的砾石)；所述的砂垫层的干密度>1.5t/m³，渗透系数>1×10^-2cm/s；

所述的排水沟深度至少为1.0m，沟底部用级配细粒径的塘渣回填，回填深度至少为50cm。

(3)设置护筒或冲孔通道：步骤(2)所述的垫层和排水沟设置完成后，穿过垫层向需要处理的软土地基中埋放护筒。

或者步骤(2)所述的垫层和排水沟设置完成后，在垫层上铺设堆载体，然后采用冲孔工艺穿过堆载体、垫层向需要处理的软土地基中打设冲孔通道；

所述的护筒，长度保证穿过垫层、且至少深入软土地基50cm，直径为10-15cm；

所述的冲孔通道，深度保证穿过堆载体和垫层、且至少深入软土地基50cm，直径为10-15cm；

所述的堆载体(5)，采用堆载预压方式时一般为塘渣，第一层铺设时一般采用级配细粒径塘渣，含泥量<5％，并要求压实度>90％，其堆载总高度根据地基处理承载力要求、工期进行复核计算，计算公式为其中为t时间地基的平均固结度，为第i级荷载的加载速率(kPa/d)，∑Δp为各级荷载累加值(kPa)，T_i、T_i-1分别为第i级荷载加载的起始时间和终止时间(从零点算起，单位d)，α、β为参数，根据地基土排水固结条件进行计算选用；采用真空预压时，堆载体选用密封膜，可采用一次连续抽真空至最大压力的加载方式，真空预压的膜下真空度应稳定地保持在86.7kPa(650mmHg)以上，密封膜应采用抗老化性能好、韧性好、抗穿刺性能强的不透气材料；

堆载总高度计算公式，由于计算困难，一般设计计算的时候经常凭工程经验，另外αβ参数涉及的公式与参数很多。

(4)设置喷射导管(8)：步骤(3)中的护筒或者冲孔通道设置完成后，将喷射管穿过护筒或者冲孔通道，压入或者钻入需要处理的软土地基中，喷射管每隔3-5m设置一根；喷射管位于排水体外部，排水体在软土地基中呈三角形或正方形分布，喷射管虽然位于排水体外部但是位于三角形或正方形的内部，优选为位于中央；

所述的喷射管的材质为钢性材料，管壁上均匀分布有喷射孔，喷射孔直径一般为2-5mm，其大小及分布密度可根据设计自行调整；喷射管长度按设计要求≤排水体埋入软土中的深度。

(5)喷射气溶胶：将喷射管与气溶胶喷射装置相连接，然后将喷射管的进气口通过导管与气泵的排气口相连接，气泵的进气口与气溶胶发生装置的出料口相连接；然后将固体或者液体形式的气溶胶原料添加水配置成气溶胶溶液后置于气溶胶发生器中；开气溶胶发生器和气溶胶喷射装置的开关，气溶胶溶液在气溶胶发生器中、在高压作用下形成气溶胶，气溶胶在压力作用下导入喷射管中，喷射管对需要处理的软土地基进行高压喷射气溶胶，喷射达到设计范围，并达到喷射设计时间后，将喷射导管上提至下一设计深度继续喷射，由低至高逐段喷射直至所有喷射作业完成；

所述的气溶胶原料为聚丙烯酰胺类的化学材料；

所述的气溶胶溶液中，气溶胶原料的质量浓度为6/10000-9/10000；

所述的气溶胶发生器为本领域现有技术中存在的或者市售的具备发生气溶胶功能的气溶胶发生器，优选为工业高压雾化容器；

所述的气溶胶喷射装置为本领域现有技术中存在的或者市售的具备喷射气溶胶功能的装置，优选为高压旋喷桩施工设备；

所述的气溶胶在压力作用下导入喷射管中，压力至少为0.6MPa，优选为0.8-1MPa；

所述的喷射管喷射气溶胶时，喷射速率最大为2s/转、喷射半径至少为3m、喷射时间至少为600秒/孔；喷射速率优选为1-1.5s/转、喷射半径优选为4-5m、喷射时间优选为650-700秒/孔。

本发明方法中，喷射气溶胶时，两个喷射范围需要有一定的重合，确保整片喷射区域喷射完全(附图中，大圆表示喷射的范围，小圆表示两个喷射范围的重合)，且喷射深度不大于排水体深度。

本发明方法中，气溶胶，原是固体或液体形式的化学材料(如聚丙烯酰胺)，按设计的浓度配置成溶液(建议按最大饱和浓度配置)；其中一定量的无机高阳离子材料与淤泥接触后可在其表面产生中和反应，形成淤泥未硬化结构，提供初始微空隙；功能材料系中的两亲性高分子聚合物材料，改变淤泥表面性质，使淤泥从亲水性变为疏水性，形成淤泥中的微排水表面；两者相互作用，高效形成淤泥的微表排水体系，表观现象为淤泥的渗透系数增大、土体强度提高。

本发明方法，将拟喷射入土体内的液体进行雾化，形成气溶胶，并以施以高压喷射入土体内部。此工艺的作用，一方面使气体内的化学成分能均匀作用于喷射范围内的土体中并发生化学反应，另一方面在土体中形成微小厚度的水平切割面，增设了水平排水通道，缩短了排水距离，达成快速排水的效果。

本发明方法与现有技术相比，存在以下优点：

(1)将原软土变成另一种“土“：其中一定量的无机高阳离子材料与淤泥接触后可在其表面产生中和反应，形成淤泥未硬化结构，提供初始微空隙；功能材料系中的两亲性高分子聚合物材料，改变淤泥表面性质，使淤泥从亲水性变为疏水性，形成淤泥中的微排水表面；两者相互作用，高效形成淤泥的微表排水体系从而使淤泥的渗透系数增大、土体强度提高。

气溶胶还有以下特点：

①绿色环保，对环境无损害，其与淤泥发生定向吸附后，最终存在土壤之中，不会在水体中残留，工艺安全环保；

②制造工艺简单、产品质量易控且稳定；

③易溶于水，且溶解度较高；

④高效、添加量极少，保证成本低廉；

⑤功能材料的添加能快速提高土体渗透性、提高土体强度、快速稳定，不增加施工工期、不增加工后沉降。

(2)增大处理深度、缩短工期及减小工后沉降：由于气溶胶的喷射浓度、压力、速率、半径、喷射时间可按地基处理的目标要求进行设计，这就意味着地基的处理深度、工期可以自主控制。通过气溶胶的作用可以使地基土体的渗透系数增大，从而快速排水，加快地基土体的固结，达到缩短工期的目的。通过气溶胶的喷射深度可对地基深层土体进行处理，增大了处理深度，使得工后沉降变小。

(3)增设水平排水通道：通过气溶胶喷射，在土体中形成微小厚度的水平切割面，增设了水平排水通道，缩短了排水距离，达成快速排水的效果。

(4)堆载后对排水设施进行加强较难：由于埋设的护筒直至工期结束后撤掉，所以在工期内，可以任何时间对气溶胶处理软土地基的方案进行修正。

(5)成本可控：由于气溶胶高效、添加量极少，成本低廉及施工设备的普及，使得本发明方法处理地基的成本变得可控，另外工期的缩短可大大减小地基处理的成本。

所以本发明方法地基处理效果远远优于传统方法，是一种独创的新方法。

附图说明

图1：本发明方法的工艺流程图；

图2：本发明实施例1方法、对比实施例1方法处理的软土地基的渗透系数随时间变化的规律图；

图3：本发明实施例1方法、对比实施例1方法处理的软土地基的孔隙率变化的规律图；

图4：本发明实施例1方法、对比实施例1方法处理的软土地基的十字剪切强度变化的规律图；

其中：1-排水体，2-垫层，3-排水沟，4-护筒(或冲孔通道)，5-堆载体，6-气溶胶喷射装置，7-气溶胶发生器，8-喷射管，◇为软土地基的数据，□为对比实施例1方法处理后地基△的数据，为实施例1方法处理后的地基的数据；大圆表示喷射的范围，小圆表示两个喷射范围的重合，喷射深度不大于排水体深度。

具体实施方式

以下对本发明技术方案的具体实施方式详细描述，但本发明并不限于以下描述内容：

本发明方法中，排水体与垫层都留在土中，不用取出，堆载体一般不进行卸载外运，做到土方平衡至设计标高即可，护筒是喷射气溶胶用，对地基处理无影响，可留在地基处理完成后再取，以备再进行喷射气溶胶，处理时间一般3-4个月。

实施例1：

对某围海项目软土地基进行处理，其软土层厚达20-25m，表层为3-5m厚吹填土，该软土地基的设计参数如下表所示。

一种应用气溶胶对软土地基进行扰动处理的方法，包括以下步骤：

(1)竖向设置排水通道：地基处理排水通道按照《建筑地基处理技术规范》进行设计，根据设计进行测量放线，确定软土地基处理区域，进行场地整平，将多个竖向排水体打设至设计深度，排水体1顶部露出所述软土地基表层；

所述的排水体采用塑料排水板，排水体打入软土地基的深度为18m，排水体的规格为SPB-B型；塑料排水板的当量直径d_p为66.8mm，多个排水体呈正方形排列、排水体的有效排水直径d_e为1.356m，L为1.2m。

(2)设置垫层和挖设排水沟：步骤(1)所述的排水体设置完成后，在需要处理的软土地基的表层均匀的铺设两层垫层2覆盖排水体顶部，底层垫层的厚度为30cm、两层垫层的总厚度为60cm；所述的排水体的顶部伸出底层垫层的长度至少为50cm；在需要处理的软土地基的四周2～5m的范围内挖沙排水沟3以便及时将水排出场地；

所述的垫层为砂垫层，砂垫层中的砂为中粗砂，黏粒含量≤3(砂料中可含有少量粒径不大于50mm的砾石)；所述的砂垫层的干密度>1.5t/m³，渗透系数>1×10^-2cm/s；

所述的排水沟3深度不小于1.5m，沟底部用级配细粒径的塘渣回填，回填深度为50cm。

(3)设置护筒：步骤(2)所述的垫层和排水沟施工完成后，穿过垫层向需要处理的软土地基中埋放护筒4；护筒，长度保证穿过垫层、且深入软土地基50cm、直径为10cm。

(4)设置喷射导管8：步骤(3)中的护筒设置完成后，将喷射管穿过护筒，压入或者钻入需要处理的软土地基中，喷射管每隔3-5m设置一根，位于排水体外部、正方形内部，喷射管长度按设计要求不大于排水体埋入软土中的深度；

所述的喷射管的材质为钢性材料，管壁上均匀分布有排喷射孔，喷射孔直径一般为2-5mm，其大小及分布密度可根据设计自行调整。

(5)喷射气溶胶：将喷射管8与气溶胶喷射装置6相连接，然后将喷射管的进气口通过导管与气泵的排气口相连接，气泵的进气口与气溶胶发生装置7的出料口相连接；然后将固体或者液体形式的气溶胶原料添加水配置成气溶胶溶液后置于气溶胶发生器中；开气溶胶发生器和气溶胶喷射装置的开关，气溶胶溶液在气溶胶发生器中、在高压作用下形成气溶胶，气溶胶在1.0MPa的压力作用下导入喷射管中，喷射管对需要处理的软土地基进行高压喷射气溶胶，喷射速率为1.5s/转、喷射半径为4m、喷射时间为650秒/孔；达到喷射设计时间后，将喷射导管上提至下一设计深度继续喷射，直至所有喷射作业完成；

所述的气溶胶原料为聚丙烯酰胺，气溶胶溶液中，聚丙烯酰胺的浓度为6/10000；

所述的气溶胶发生器为工业高压雾化容器；

所述的气溶胶喷射装置为高压旋喷桩施工设备。

经本发明方法处理后的软土地基的渗透系数增大两个数量级、孔隙比为减小、十字板剪切强度为明显增强，各参数随着时间的变化如图2、3、4所示。

整片区域喷射完毕后，取出护筒，大约3-4个月左右，软土地基各项指标符合处理要求。

实施例2：

对软土地基的处理方法与实施例1相同，所不同的是，步骤(1)中，所述的排水体为袋装砂井，直径d_w为100mm，排水体呈正方形排列、排水体的有效排水直径d_e为1.356m，L为1.2m。经本发明方法处理后的软土地基的渗透系数增大两个数量级、孔隙比为减小、十字板剪切强度为明显增强，各参数随着时间的变化与实施例1基本相同。

整片区域喷射完毕后，取出护筒，大约3-4个月左右，软土地基各项指标符合处理要求。

实施例3：

对软土地基的处理方法与实施例1相同，所不同的是步骤(3)中，在垫层和排水沟设置完成后，在垫层上铺设堆载体，然后采用冲孔工艺穿过堆载体、垫层向需要处理的软土地基中打设冲孔通道；所述的冲孔通道，深度保证穿过回填土和垫层、且深入软土地基50cm，直径为10cm。

所述的堆载体，采用堆载预压，材质为塘渣，堆载高度为3m，分2次堆载，第一层铺设1.5m，采用级配细粒径塘渣，含泥量<5％，并要求压实度>90％，其回填总高度根据地基处理承载力要求进行计算。

经本发明方法处理后的软土地基的渗透系数增大两个数量级、孔隙比为减小、十字板剪切强度为明显增强，各参数随着时间的变化与实施例1基本相同。

整片区域喷射完毕后，大约3-4个月左右，软土地基各项指标符合处理要求。

实施例4：

对软土地基的处理方法与实施例3相同，所不同的是步骤(3)中，堆载体为密封膜，采用一次连续抽真空至最大压力，压力大小为100kPa。经本发明方法处理后的软土地基的渗透系数增大两个数量级、孔隙比为减小、十字板剪切强度为明显增强，各参数随着时间的变化与实施例1基本相同。

整片区域喷射完毕后，撕除密封膜，大约3-4个月左右，软土地基各项指标符合处理要求。

对比实施例1：

对软土地基的处理方法与实施例1相同，所不同的是步骤(5)中，喷射的气溶胶改为高压空气，达到扰动地基土的目的，处理后的软土地基的渗透系数增大两个数量级、孔隙比减小、十字板剪切强度没有增强；各参数随着时间的变化如图2、3、4所示；整片区域喷射完毕后，取出护筒，大约6-9个月左右，软土地基各项指标符合处理要求。

由图2、3、4可以看出：淤泥软土是结构性很强的土，被扰动之后强度需要很长时间才能恢复，如果在堆载预压时对其进行了扰动会使沉降很难稳定，虽能增加沉降量但需延续很长时间。但掺入气溶胶能使被扰动的土很快恢复强度，且还会大幅度提高土体强度，使沉降较快趋于稳定。

上述实例只是为说明本发明的技术构思以及技术特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。