一种水平真空预压联合电渗加固吹填软土的设备及方法与流程

本发明属于岩土工程和水利工程研究相关技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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)本发明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)本发明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)本发明中每一水平层面的排水板的真空荷载和电极连接都可以进行独立控制，提高了真空预压和电渗固结方法相结合的灵活性；

(6)在本发明中，由于水平排水板上下分层铺设，真空场、电渗场和重力场相一致，提高了固结效率，进一步减少了能耗。

(7)与现有技术相比，本发明不仅可以弥补现有技术的不足，而且还可以大大提高吹填软土加固处理效率和效果。

附图说明

图1是本发明现场施工示意图；

图2是同一水平面上的排水板连接方式示意图；

图3是单个水平排水板的连接方式示意图；

图4是排水管与水汽分离器连接方式示意图；

图5是排水板电极连接线与电源的连接方式示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-吹填软土，2-水平排水板，3-软土，4-排水板与电渗电源连接线，5-排水管，6-电渗电源，7-水汽分离器，8-排水泵，9-真空压力表，10-大功率真空泵，11-导电垫片，12-水平排水板接口，13-导电连接线，14-水平管三通接口，15-水平排水管，16-连通水平连接管的排水支管，17-阀门，18-支管三通接口，19-真空泵连接管，20-电极连接开关，21-电源阳极连接点，22-排水板电极连接点，23-闸刀，24-电源阴极连接点

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～4所示，为本发明的一个优选实施例，其包括：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、水平排水管15、水平管三通接口14、水平排水板接口12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。

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。水平排水板2为电动土工合成材料或排水板联合金属导线，考虑到电腐蚀问题，优选电动土工合成材料。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。竖直方向相邻两层水平排水板2之间的间距在1-2m之间。

在本实施例中，上述水平真空预压联合电渗排水固结设备的使用方法主要包括以下步骤：

步骤(1)，首先在场地底层铺设第一层水平排水板，排水板导电线与水平排水管之间的连接方式如图3所示。每一层水平面上排水板导电线与电渗电源连接方式如图2、图3和图5所示。每一水平层上各排水板连接方式如图2所示。水汽分离器与真空泵和排水泵连接，如图1所示。水汽分离器顶部与真空泵连接，如图1和图4所示。水汽分离器内可产生持续稳定的真空压力，在进行真空预压排水过程中，真空压力一般不宜小于70kpa，当水汽分离器内的水达到一定高度后，可以通过连接其底部的排水管利用排水泵排出，从而保证水汽分离器能持续提供稳定的真空预压输出。水平排水板的宽度一般在10-20cm之间，厚度不宜小于4mm，同一水平面相邻两排水板之间的间距为5-15倍的排水板宽度。每一层水平排水板与水汽分离器连接且都有一个单独的阀门开关，可以分别控制相应水平层面是否接通真空预压荷载，如图4所示。每一层水平排水板导电连接线都有相应的一个单刀双掷开关进行控制，可以选择相应排水板连接电源阳极或者阴极，如图5所示。

步骤(2)，进行软土吹填，当第一层水平排水板上方的软土厚度不小于0.3m时，打开真空泵，将水汽分离器之内的真空压力值稳定在70kpa以上，并打开与水汽分离器相连接的第一层水平排水板之间的阀门开关。此时，软土吹填过程与真空预压固结过程同时进行，直至达到设计的第一层吹填高度。

步骤(3)，暂停吹填，铺设第二层水平排水板，将该层水平排水板通过排水管与水汽分离器连接，如图1、图2和图4所示。并将该层排水板导电连线与相应层的单刀双掷开关进行相连。此时可以将第一、二层水平排水板通电导线分别与电渗电源阴极和阳极相连接，然后再继续进行软土吹填。在此阶段，吹填过程、真空预压固结过程和电渗固结过程是同时进行的。在竖直方向上，上下相邻两层水平排水板之间的间距，即设计的每层的吹填高度，一般可取1-2m之间。

步骤(4)，当第二层排水板上方的软土达到一定高度后，此时可以打开第二层水平排水板和水汽分离器之间的阀门开关，此时可将第一、二层水平排水板通电导线连接的电极倒向，并暂时关掉连接第一层水平排水板的真空压力阀门开关，然后继续进行吹填，直至达到设计的第二层吹填高度。这个阶段，软土吹填过程、真空预压固结过程和电渗固结过程也是同时进行的。

步骤(5)，由于先吹填的软土位于吹填场地的底部，为了加强吹填软土底部土体的强度，在该阶段吹填完，或者每一层吹填完之后，可以先将软土吹填施工暂停，实施水平真空预压联合电渗排水固结，直至其土体强度接近工程需要的强度之后再继续进行吹填。在此阶段过程中，可将不同排水板导电连线连接的电极进行倒向，以便达到均匀加固软土的效果。另外，在此过程中以最接近土体表面的水平排水板层作为主导排水路径。

步骤(6)，按照上述步骤依次进行不同层次的软土吹填、排水板铺设及排水固结，直至达到设计的总吹填高度。

与传统方法相比，本发明具有下列优点：

(1)不需要在场地铺设砂垫层，施工成本更低；

(2)铺设水平排水板，可以使得吹填过程与排水固结过程同时进行，并且可以借助土体自重进行排水固结，因此可以缩短施工工期，节约施工成本；

(3)采用水平排水板，可以从根本上避免传统的竖向排水板法易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；

(4)采用水平排水板法，可避免土体在电渗过程中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，大大减小了电能损耗；

(5)本发明对吹填软土进行分层处理，可有效提高深层吹填软土的加固效果；

(6)本发明中每一水平层面的排水板的真空荷载和电极连接都可以进行独立控制，提高了真空预压和电渗方法相结合的灵活性，且采用本发明使得场地中真空场、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。上述方案的优势是现有方法所不具备的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。