一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩及系统的制作方法

本实用新型涉及岩土工程软土地基处理领域，具体涉及一种利用热水加速软黏土固结的竖向排水固结桩及系统。

背景技术：

竖向排水固结是一种常用的地基处理方法。通过设置砂井或塑料排水带等竖向的排水体，加速软粘土内的超静水压力的消散，从而使土体固结，强度上升。

“热固结”是粘土甚至已经固结成岩的粘土岩中普遍存在的一种现象。根据崔玉军、Towhata、Abuel-Naga等学者的试验研究，对于排水条件下的正常固结粘土，在温度升高(低于100℃)时不仅不会产生膨胀，反而会由于粘土颗粒表面的双电层受到扰动而出现明显的塑性体积收缩，在温度恢复以后，粘土的前期固结压力提高，强度增大。这种温度上升导致的粘土或粘土岩产生固结变形的现象被称之为“热固结”。

另外，相关学者的室内温度对粘土的渗透系数有较大的影响，这主要是因为水的动力粘度与温度密切相关，温度越高，水的动力粘度越小，土体的渗透系数就越大。当温度从1℃上升99℃，土体的渗透系数可提高6倍有余，这就意味着温度升高极大地提高土体的排水固结速度。

正是因为粘土的这样的特性，利用加热的方式来加速软粘土固结成为了地基处理的一个新的研究方向，例如Abuel-Naga还利用可以加热的塑料排水板对曼谷粘土进行了现场试验，结果表明在在其他条件相同的情况下采用加热排水板进行地基处理后沉降变形是不加热的情况下的2.5～3倍。

目前的试验较常用的方法是在塑料排水板芯板中加入电热装置，通过电流对土体加热，同时在排水板内埋设热电偶监测温度，从而对电热装置进行伺服控制，但是这种方式存在较大的缺陷，首先是热电偶只能监测某点的温度，不能对排水板的全场温度进行监测，容易造成温度过高，导致土体的稳定性发生破坏，而且对每一条排水板进行伺服控制的难度较大，对自动化的程度较高，系统较脆弱。而且在施工现场地下大量布置电线也可能造成安全隐患。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩及系统，可以避免大量布置电线，并有利于整体控制。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩，所述竖向排水固结桩包括排水板和底部设有底锥且顶部密封的钢管桩体，所述钢管桩体上插接有供水管和回水管，且所述供水管和回水管分别与所述钢管桩体内部连通，所述排水板外贴在所述的钢管桩体的侧面上。

本实用新型的有益效果是：在本实用新型一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩中注入加热的媒介，在排水固结的同时对周围土体加热，使其产生热固结变形，并增大土体的渗透系数，提升固结的效果，加快排水的效率；另外利用媒介进行加热，温度控制较好，不易造成局部温度过高，且加热方式较为安全；同时，竖向排水固结桩的结构简单合理，易于批量加工，且桩体可回收再利用，有较好的经济性。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述钢管桩体内部设有支托钢板，且所述支托钢板水平的固定在所述钢管桩体的底部。

进一步，所述钢管桩体的侧面的上部包裹有保温材料。

采用上述进一步方案的有益效果是：钢管桩体的侧面的上部包裹有保温材料，可以避免露出地面部分的钢管桩体造成热量流失的情况发生。

进一步，所述供水管和回水管可移动的贯穿过所述钢管桩体的顶部，并分别与所述钢管桩体内部连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过在钢管桩体内注入空气，这样就在钢管桩体顶部形成空气层，并调节供水管和回水管位置就可以控制媒介在钢管桩内循环的部位，从而调节钢管桩体加热土体的位置，实现可精准处理，节约能源。

基于上述一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩，本实用新型还提供一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结系统。

一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结系统，包括一个或多个上述所述的一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩，以及水泵和水箱；一个或多个所述竖向排水固结桩的供水管通过供水总管连通至所述水箱，一个或多个所述竖向排水固结桩的回水管通过回水总管连通至所述水箱，所述供水总管上连通有所述水泵。

本实用新型的有益效果是：在本实用新型一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结系统的竖向排水固结桩中注入加热的媒介，在排水固结的同时对周围土体加热，使其产生热固结变形，并增大土体的渗透系数，提升固结的效果，加快排水的效率；另外利用媒介进行加热，温度控制较好，不易造成局部温度过高，且加热方式较为安全；同时，竖向排水固结桩的结构简单合理，易于批量加工，且桩体可回收再利用，有较好的经济性。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述供水总管或/和回水总管上设有阀门。

采用上述进一步方案的有益效果是：阀门的设置方便控制媒介流速。

进一步，所述水箱为加热水箱。

附图说明

图1为本实用新型一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩的结构示意图；

图2为本实用新型一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩的俯视图；

图3为本实用新型一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结系统的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、竖向排水固结桩，2、排水板，3、底锥，4、钢管桩体，5、供水管，6、回水管，7、支托钢板，8、水泵，9、水箱，10、供水总管，11、回水总管，12、阀门，13、砂垫层。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1和图2所示，一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩1，所述竖向排水固结桩1包括排水板2和底部设有底锥3且顶部密封的钢管桩体4，所述钢管桩体4上插接有供水管5和回水管6，且所述供水管5和回水管6分别与所述钢管桩体4内部连通，所述排水板2外贴在所述的钢管桩体4的侧面上。

具体的：所述钢管桩体4内部设有支托钢板7，且所述支托钢板7水平的固定在所述钢管桩体4的底部。所述钢管桩体4的侧面的上部包裹有保温材料，可以避免热量流失。所述供水管5和回水管6可移动的贯穿过所述钢管桩体4的顶部，并分别与所述钢管桩体4内部连通。

在本实用新型一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩1中，通过在供水管5注入媒介(本具体实施例的媒介以水为例，由于水的温度介于0～100℃间，不会造成土体局部温度过高，对温度的控制有利)，在回水管6回收冷却水的方式，驱动热水在钢管桩体4内循环，对周边土体进行加热；钢管桩体4外贴的排水板2(具体为塑料排水板)作为排水的通道。

若软黏土层不在地表附近，可以并调节供水管5和回水管6的位置，并向钢管桩体4内注入空气，则在钢管桩体4顶部形成空气层，这样可以控制热水在钢管桩体4内循环的部位，从而控制钢管桩体4加热土体的位置，达到节约能源的效果。

本实用新型的竖向排水固结桩1也可以利用市政供热管网中的热水作为热源；还可以普通的塑料排水板配合使用，也可以与堆载预压、真空预压等地基处理方法联合使用。

在本实用新型一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩1中注入加热的媒介，在排水固结的同时对周围土体加热，使其产生热固结变形，并增大土体的渗透系数，提升固结的效果，加快排水的效率；另外利用媒介进行加热，温度控制较好，不易造成局部温度过高，且加热方式较为安全；同时，竖向排水固结桩的结构简单合理，易于批量加工，且桩体可回收再利用，有较好的经济性。

基于上述一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩，本实用新型还提供一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结系统。

如图3所示，一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结系统，包括一个或多个上述所述的一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩1，以及水泵8和水箱9；一个或多个所述竖向排水固结桩1的供水管5通过供水总管10连通至所述水箱9，一个或多个所述竖向排水固结桩1的回水管6通过回水总管11连通至所述水箱9，所述供水总管10上连通有所述水泵8。

具体的：所述供水总管10或/和回水总管11上设有阀门12。

所述水箱9为加热水箱。

在实际工程中，竖向排水固结桩1通常成片布置，此时通过供水总管10统一对竖向排水固结桩1内进行供水并通过回水总管11统一收集竖向排水固结桩1内的回水，供水总管10与回水总管11连接到布置于地面上的水箱9，连接处设置有阀门12以控制水流，同时供水总管10上设置水泵8驱动水流，回收的水在水箱9内进行再次加热，水箱及露出地面管道包裹保温材料，避免热量流失。

本实用新型的系统利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结桩的施工方法为：

步骤1：对需要进行地基处理的场地进行场平，按照三角形布置或正方形布置的规律打入所述竖向排水固结桩1至指定的深度，确保竖向排水固结桩1上的供水管5和回水管6露出地面，同时布置相关的温度、孔隙水压力等监测设备。

步骤2：布置排水砂垫层13，并将竖向排水固结桩1上的供水管5和回水管6露出地面埋入砂垫层13内。

步骤3：连接供水总管10和回水总管11，供水总管10和回水总管11可以直接采用预制的带保温层的管道，连通管道后通过水泵8形成热水循环，并在水箱9内进行加热，热水传递给周围地层热量，从而使土体温度升高。此时由于土体骨架的热膨胀系数小于孔隙水的热膨胀系数，孔隙水压力随温度升高上升，且土体的渗透系数加大，加速驱动孔隙水通过排水板排除，超孔压逐渐消散，同时土体也将产生热固结效应。

步骤4：同步监测沉降、孔压等数据，如果孔压上升过高，可以适当降低加热的功率。在固结度达到设计要求且超孔压基本消散时，停止加热。

步骤5：拔出竖向排水固结桩1并迅速回填孔洞，回填材料以中粗砂为主，并辅以水泥浆液。

步骤6：随着竖向排水固结桩1拔出，土体的温度将逐渐下降，温度下降的过程中，同样由于土体骨架的热膨胀系数小于孔隙水的热膨胀系数，土体中将出现负孔隙水压力，造成土体的有效应力增大，此时土体仍将继续固结沉降。

步骤7：固结沉降变形基本稳定后，可以在处理完的地基上进行相关工程建设。

在本实用新型一种利用热水加速软粘土固结的竖向排水固结系统的竖向排水固结桩中注入加热的媒介，在排水固结的同时对周围土体加热，使其产生热固结变形，并增大土体的渗透系数，提升固结的效果，加快排水的效率；另外利用媒介进行加热，温度控制较好，不易造成局部温度过高，且加热方式较为安全；同时，竖向排水固结桩的结构简单合理，易于批量加工，且桩体可回收再利用，有较好的经济性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。