可液化砂土地基加固装置及加固方法与流程

本发明属于岩土工程研究领域,尤其涉及一种可液化砂土地基加固装置及加固方法。

背景技术：

饱和松散砂土地基在地震荷载作用下会发生液化，宏观上表现为土体中孔隙水压力上升，同时土体固相的有效接触应力为零，这时土体性质类似于流体并丧失抗剪强度。地震液化造成以下危害：例如房屋倾斜、地基沉降、地铁隧道上浮、道路路基滑移等。若土体发生液化要求砂土是松散的，若砂土加密孔隙减少，则液化不会发生。因此现在常规的液化地基处理方式是减少砂土中的孔隙加大砂土的密实度，例如振冲加密、强夯加密、炸药爆炸加密都是通过振动使松散砂土发生液化，在这个过程中砂颗粒间流体孔隙压力上升，且流体排出砂颗粒间的孔隙，这样砂颗粒间的孔隙减少密实度增加，经过这样处理后的地基在地震中不会发生液化。但是振冲加密、强夯加密、炸药爆炸加密都难以在竖直方向逐点精细控制液化的发生来加固土体。

液电效应是水中的电极间施加高压脉冲，则在水中产生冲击波，而液电效应已在多个领域里得到广泛应用，例如液电效应产生的冲击波应用于液电电水锤加工和煤层致裂等。因此可以考虑用液电效应产生的冲击波使砂土液化，液化过程中砂颗粒间的水排出从而加密砂土，从而完成可液化砂土地基的加固。

技术实现要素：

本发明为克服现有装置难以在竖直方向逐点精细控制液化的发生来加固可液化土体，本发明提供了一种可液化砂土地基加固装置及加固方法。

本发明的技术方案：一种可液化砂土地基加固装置，包括管、若干液化发生单元和加固效果监测装置；所述管为沿长度方向贯通中空的杆件且插入可液化砂土中；所述液化发生单元包含一个高压电极和一个接地电极，两个电极间有空隙，当两电极上施加电压差时产生液电效应从而引发冲击波，在此冲击波作用下液化发生单元附近砂土发生液化；所述液化发生单元沿管外侧布置；所述加固效果监测装置包括电磁波发射天线和电磁波接收天线，所述电磁波发射天线固定在地基表面，所述电磁波接收天线沿管中空区域在竖直方向下放。

优选的，所述高压电极和接地电极都为环状结构且套在管外侧；

优选的，所述若干液化发生单元沿管外侧均匀布置；

优选的，所述管底端用透水石封闭，所述透水石为多孔材料且可以让水通过但不让砂颗粒通过；

优选的，所述管为多孔材料且可以让水通过但不让砂颗粒通过。

一种可液化砂土地基加固装置的加固方法，包括下述步骤：

步骤1：将液化发生单元布置在管侧面，管底端用透水石封闭；

步骤2：将管插入可液化砂土地基；

步骤3：加固土体：液化发生单元中的电极之间施加电压差产生液电效应从而引发冲击波，在此冲击波作用下液化发生单元附近砂土发生液化，这时孔隙水压力急剧上升，水经由管侧壁和底部透水石的孔隙进入管的中空区域喷出地面，在上述过程中饱和土体孔隙中的水被排出，即土体中的孔隙减少，土体的密实度加大，从而加固了土体；

步骤4：拟合饱和土体含水率ω和电磁波速v的关系：在砂土含水率最小时，即砂土最密实的情况下测量记录对应的含水率和电磁波速；在砂土含水率最大时，即砂土最松散的情况下测量记录对应的含水率和电磁波速；然后在最大和最小含水率之间，配置不同含水率的砂土试样并记录每个含水率下的电磁波速；基于实测数据用多项式ω＝a0+a1v+a2v²+a3v³+a4v⁴+a5v⁵拟合饱和土体含水率ω和电磁波速v的关系，其中a0、a1、a2、a3、a4、a5为拟合系数；

步骤5：分层监测土体波速：在地表固定电磁波发射天线，然后将电磁波接收天线沿管的中空区域下放，在接近第i个液化发生单元时，电磁波发射天线向管方向发射电磁波，电磁波接收天线接收电磁波，测算此时电磁波发射天线和电磁波接收天线的距离li以及对应的电磁波在土中的传播时间ti，然后按照液化发生单元所在的土层深度划分土层并计算每个土层的电磁波波速vi；

步骤6：分层监测土体加固效果：将步骤5中计算得到的每个土层的电磁波速vi代入步骤4得到的饱和土体含水率ω和电磁波速v的关系式ω＝a0+a1v+a2v²+a3v³+a4v⁴+a5v⁵，得到每层土体的含水率，含水率代表了饱和土体的加固效果，含水率越小表明土体孔隙率越小即加固效果越好；

步骤7：精细化分层加固土层：基于步骤6中测得的每层土含水率，对于含水率仍然不满足加固要求的第i个土层，加大第i个土层所在的第i个液化发生单元上施加的电压差从而加大液电效应引起的冲击波，或者在第i个液化发生单元上多次施加相同强度的电压差促进砂土在循环载荷下逐步液化，第i个土层液化后水从管侧壁的细孔中流入管的中空区域并喷出地面。

本发明的有益效果是克服现有装置难以在竖直方向逐点精细控制液化的发生来加固可液化土体的问题。

附图说明

图1为本发明的管和液化发生单元组装结构和水流方向示意图；

图2为本发明的管和液化发生单元组装结构纵断面示意图；

图3为本发明的管和液化发生单元组装结构的底端示意图；

图4为本发明的加固效果监测装置布设示意图；

图5为本发明的土体分层示意图；

图中1.管，2.可液化砂土地基，3.高压电极，4.接地电极，5.透水石，6.管的中空区域，7.水流方向，8.电磁波发射天线，9.电磁波接收天线，10.土体分层界限。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-图5中一种可液化砂土地基加固装置，包括管1、若干液化发生单元和加固效果监测装置；所述管1为沿长度方向贯通中空的杆件且插入可液化砂土中；所述液化发生单元包含一个高压电极3和一个接地电极4，高压电极3和接地电极4间有空隙，当高压电极3和接地电极4上施加电压差时产生液电效应从而引发冲击波，在此冲击波作用下液化发生单元附近砂土发生液化；所述加固效果监测装置包括电磁波发射天线8和电磁波接收天线9，所述电磁波发射天线8固定在地基2表面，所述电磁波接收天线9沿管1中空区域6在竖直方向下放；所述高压电极3和接地电极4都为环状结构且套在管1外侧；所述液化发生单元沿管1外侧均匀布置；所述管1底端用透水石5封闭，所述透水石5为多孔材料且可以让水通过但不让砂颗粒通过；所述管1为多孔材料且可以让水通过但不让砂颗粒通过。

本发明一种可液化砂土地基加固装置的加固方法如下：

步骤1：将液化发生单元布置在管1侧面，管1底端用透水石5封闭；

步骤2：如图1所示将管1插入可液化砂土地基2；

步骤3：加固土体：液化发生单元中的高压电极3和接地电极4间施加电压差产生液电效应从而引发冲击波，在此冲击波作用下液化发生单元附近砂土发生液化，这时孔隙水压力急剧上升，水经由管1侧壁和底部透水石5的孔隙进入管1的中空区域6，最后沿水流方向7喷出地面，在上述过程中饱和土体孔隙中的水被排出，即土体中的孔隙减少，土体的密实度加大，从而加固了土体；

步骤4：拟合饱和土体含水率ω和电磁波速v的关系：在砂土含水率最小时，即砂土最密实的情况下测量记录对应的含水率和电磁波速；在砂土含水率最大时，即砂土最松散的情况下测量记录对应的含水率和电磁波速；然后在最大和最小含水率之间，配置不同含水率的砂土试样并记录每个含水率下的电磁波速；基于实测数据用多项式ω＝a0+a1v+a2v²+a3v³+a4v⁴+a5v⁵拟合饱和土体含水率ω和电磁波速v的关系，其中a0、a1、a2、a3、a4、a5为拟合系数；

步骤5：分层监测土体波速：在可液化砂土地基2表面固定电磁波发射天线8，然后将电磁波接收天线9沿管1的中空区域6下放，在接近第i个液化发生单元时，电磁波发射天线8向管1方向发射电磁波，电磁波接收天线9接收电磁波，测算此时电磁波发射天线8和电磁波接收天线9的距离li以及对应的电磁波在土中的传播时间ti，然后如图5所示按照液化发生单元所在的土层深度划分土层并计算每个土层的电磁波波速vi；

步骤6：分层监测土体加固效果：将步骤5中计算得到的每个土层的电磁波速vi代入步骤4得到的饱和土体含水率ω和电磁波速v的关系式ω＝a0+a1v+a2v²+a3v³+a4v⁴+a5v⁵，得到每层土体的含水率，含水率代表了饱和土体的加固效果，含水率越小表明土体孔隙率越小即加固效果越好；

步骤7：精细化分层加固土层：基于步骤6中测得的每层土含水率，对于含水率仍然不满足加固要求的第i个土层，加大第i个土层所在的第i个液化发生单元上施加的电压差从而加大液电效应引起的冲击波，或者在第i个液化发生单元上多次施加相同强度的电压差促进砂土在循环载荷下逐步液化，第i个土层液化后水从管1侧壁的细孔中流入管1的中空区域6并喷出地面。