一种软土地基预压处理的循环真空节能加载方法

1.本发明涉及一种软土地基预压处理的循环真空节能加载方法。


背景技术：

2.目前常用的软土地基处理的方法有：堆载预压法，换填法，真空预压法。堆载预压法对地基的天然抗剪强度有一定的要求，在土的抗剪强度过低的情况下，无法实现排水固结。换填法适用范围较小，如荷载小的建筑、地坪、道路工程等，如果建筑面积过大，则不适用此方法，会增加建筑成本，费时费力。
3.真空预压法是一种常用的软土处理方法，广泛应用于铁路、公路、机场等基础设施的后期施工中，以提高软土强度，减少工后沉降。其特点是在地下插入预制的竖向排水管(pvd)，然后通过排水系统将其连接到真空泵上。真空压力产生时，通过排水系统传递(有衰减)至软土，产生径向真空梯度，进而导致软土在软土沉降深度内的渗流固结。实践证明，真空泵的电力成本占真空预压法总成本的50％以上。
4.传统真空预压处理地基固结适用范围广，成本相对较低，但能耗较高。循环真空加载处理地基固结的方法既节约了巨大的能耗，又达到了地基处理的要求。


技术实现要素：

5.为了解决传统真空预压大量耗能问题，本发明开发了一种节能的循环真空加载处理地基固结的方法。该方法将预制竖向排水板(pvd)插入地面，然后通过排水系统将其连接至真空泵，当产生循环真空压力时，它将通过排水系统(具有衰减)传输到pvd，从而产生径向真空梯度，然后在pvd 深度内引发软土的渗透固结。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种软土地基预压处理的循环真空节能加载方法，包括以下步骤：
8.a.测定施工范围，清除地表腐殖土，并铺设砂垫层；
9.b.根据需固结土体范围，制备竖向排水板并在排水板中部布设孔压计；
10.c.在软土中插入预制竖向排水板(pvd)，然后通过排水系统将预制竖向排水板连接至真空泵；
11.d.铺设密封膜，并在膜下布置电接点真空表，测得膜下真空度；
12.e.开启真空泵，试抽真空，对真空设备与监测系统进行调试，并得到真空度峰值；
13.所述真空度峰值为电接点真空表在一小时内保持稳定时的真空度；
14.f.采用电接点真空表改装真空泵，设定电接点真空表上下阀值，以达到真空度高于上阀值自动停泵，低于下阀值自动开启的效果；
15.所述上阀值设为峰值，下阀值设为4/5峰值；
16.g.施工检测，以沉降量达到计算沉降值的80％以上且土体沉降在连续五天小于3mm为验收标准。
17.本发明的原理：
18.真空预压的效果好坏取决于真空度的大小与分布，在真空度较低时，膜下真空度会随真空泵台数(既抽真空能量的增大)而明显增加；当真空度较大时，膜下气体已相当稀薄，真空泵台数的增加难以改变真空度大小。而真空度分布取决于排水板位置、尺寸与土体性状。在传统真空预压过程中，由于整个抽真空过程期间保持真空泵始终维持固定功率运转，当达到较高真空度时，不仅无法有效提高真空度，而且会造成较大的电能损耗。
19.因此本发明采用循环真空预压，通过真空泵的周期开启，控制膜下真空度随时间循环，达到避免高真空度时的无效加载，提高真空预压的加载效率的效果。真空泵的周期开启能减少真空预压的电力成本，最终达到降低能耗的效果。
20.本发明的固结效果理论验证：
21.在循环真空预压过程中，当真空压力减小，不利于土体的固结，即(
ˉ
u是平均固结度)时，土体会回弹；当真空压力增大，有利于土壤固结，即时，土壤会继续沉降。
22.因此，土体的平均固结沉降程度会上下波动。土体发生回弹后，体积可压缩性系数发生变化。假设原体积可压缩性系数为m
v1
，土体回弹时体积可压缩性系数为m
v2
。
23.然后，随着真空压力的增加，土体停止回弹，固结程度开始增加。在平均固结度达到前一个最大值之前，体积压缩系数仍为m
v2
。当固结度超过前一个最大值时，体积压缩系数为m
v1
。
24.考虑土体渗透系数随孔隙比的变化，将全真空预压时间t分为n个时间步长每个时间步长结束时的时间为
25.假设在任何时间步长内(即)，土体渗透系数为常数，平均超静孔隙水压力随时间的变化呈函数关系。
26.取前一个时间步长中(即)结束时的平均超静孔隙水压力作为时间步长平均超静孔隙水压力的初始条件。
27.在土壤沉降的j
th
波动中，回弹发生在时间t＝t
j1
。
28.然后，随着真空度的增加，土壤停止反弹并开始沉降。当t＝t
j2
时，土壤的沉降等于时间t
j1
时的沉降。土壤在时间t
(j+1)1
时继续回弹。
29.当0≤t《t
11
：时，平均超孔隙水压力可表示为：
[0030][0031]
边界条件可以表示为:
[0032]
其中i＝1，
[0033]
将式(2)代入式(1)可以得到：
[0034]
因此，等式(1)变为：
[0035][0036]
平均固结度可以表示为：
[0037][0038]
土体沉降为：
[0039][0040]
时间的数值分析：根据等式(5)和(6)，平均固结度和土壤沉降可分别表示为：
[0041][0042][0043]
结合等式(5)和(8)，得到：
[0044][0045]
由得垂直应变随时间的变化率：
[0046][0047]
同样地，当t
j1
≤t＜t
j2
(j≥1)时：通过数值分析，分别得到平均固结度、土体沉降和竖向应变随时间的变化率
[0048]
[0049][0050][0051]
当t
j2
≤t＜t
(j+1)1
时，数值计算与相同。
[0052]
将传统真空预压下最终土体沉降与循环真空预压下最终土体沉降对比：
[0053]
既将等式(11)与进行对比，得到采用循环真空预压可达到接近传统真空预压的效果，详见图6。
[0054]
本发明的有益效果在于：
[0055]
(1)采用循环真空预压对基础进行处理，在节省了巨大的能耗的情况下，达到了接近传统真空预压的效果。
[0056]
(2)采用电接点真空表设置上下阀控制真空泵循环加载，简化工序，节约了劳动力。
附图说明
[0057]
图1是实施例1中模型试验示意图。
[0058]
图2是实施例1中三种不同模式的真空度比对图。
[0059]
图3是实施例1中三种不同模式的出水量对比图。
[0060]
图4是实施例1中三种不同模式的能耗对比图；注：35天前85-75与85-65采用循环真空预压加载，35天后全采用传统真空预压处理。
[0061]
图5是循环真空预压过程中膜下真空度随时间变化示意图。
[0062]
图6是比较了不同m
v2
下不同工况下的土沉降量：(a)m
v2
＝0.1m
v1
；(b)m
v2
＝0.05m
v1
。
[0063]
图7是循环真空预压固结曲线中体积压缩系数在时间区域分布示意图。
[0064]
图8是比较了不同工况下的平均固结度：(a)m
v2
＝0.1m
v1
；(b)m
v2
＝0.05m
v1
。
[0065]
图9是不同工况下能耗比较。
[0066]
图10是本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0067]
下面结合附图通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
[0068]
实施例1
[0069]
本发明通过理论推导得到循环真空加载对电力能耗的节约具有较大意义，通过设计一种用于循环加载下的真空预压模型试验装置分析循环加载下同等固结效果时其与传统真空预压的能耗比，通过室内模型试验，设置三种不同模式的真空加载方式，测量三种模
式下的膜下真空度、出水量、固结时间，给出循环加载下土体的固结效果及能耗，为实际工程提供可靠的参考价值。
[0070]
模型试验的示意图如图1所示。模型桶尺寸为直径50cm高100cm的圆桶，试验中土体高度35cm。
[0071]
根据上述试验目的，本试验主要操作步骤叙述如下：
[0072]
(1)将排水板与手型接头连接，在连接处涂抹玻璃胶水以保持气密性。
[0073]
(2)将处理完的排水板绑扎在铁架上，然后在模型箱中固定好铁架的位置。
[0074]
(3)由于试验时间较长，用滤布包裹孔隙水压力传感器避免仪器因堵塞而失灵。接着将半数包裹好的孔隙水压力传感器绑扎在距排水板2cm处铁架上，剩下半数孔隙水压力传感器待土体装填至模型桶后放置于土体表面。然后将导线连接至电子信号转换器，通过转换器在电脑查看端孔压传感器工作状态是否正常。
[0075]
(4)先在模型桶内侧通过钢丝软管连接手型接头与转接头内侧接口。接着在模型桶外侧通过钢丝软管连接转接头外侧与水气分离瓶，再接着通过白色橡胶真空管将水气分离瓶与真空泵连接起来。根据真空系统的布置设置好高精度电子秤。所有连接处使用钢箍扎紧并分次涂抹多层玻璃胶水以保证各系统的气密性。
[0076]
(5)利用pu气管通过模型桶侧壁开孔将针头与电接点真空表相连以得到排水板实时真空度，使用电接点真空表与真空泵以及电磁阀相连，以通过设定电接点真空表上下阀值来实现真空度高于上阀值自动关闭真空泵与抽气通道，低于下阀值自动开启真空泵和抽气通道的效果。
[0077]
(6)使用改装盖板密封模型桶进行试抽真空以确定装置密封性并测得真空度峰值(抽真空后 20分钟内保持稳定时的真空度)。
[0078]
(7)在塑料桶中将试验土样搅拌均匀测得其原土样含水率。加定量水配置两倍液限含水率土，将其填充至模型桶中，直到试验土到达试验要求高度并对表面土用土工刀抹平。装填时需注意土体密实度，避免留下空隙，影响真空度的传递。
[0079]
(8)装填完毕后在试验土样的顶部放置两层真空膜，用亚克力法兰圈压紧真空膜，压紧后检查是否将真空膜的边界完全压住。检查无误后拧紧螺栓，确保透明玻璃圈夹紧真空膜。
[0080]
(9)先启动监测系统中孔隙水压力传感器、电接点真空表、电子信号转换器以及高精度电子秤，并设置电接点真空表上下阀值。接着启动真空泵开始对试验土样进行真空固结。为防止真空泵温度过高影响抽真空效果，在真空泵旁单独设置冷却桶。
[0081]
(10)当固结度达到80％时，停止真空固结并拆除真空膜，通过吊锤法与十字板剪切法测得各位置土体沉降与抗剪强度。
[0082]
土体参数：
[0083]
该模型试验所采用淤泥原料来自于中国东南沿海的浙江省温州市的围垦区。在试验室对所取淤泥装桶并搅拌至均匀，搅拌配置得到2倍液限温州土，本试验采用的吹填淤泥其主要成分为淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土和泥浆。该吹填淤泥具有高含水量、易变形、渗透性差等特点。根据《土工试验方法标准》(gb/t 50123-2019)测得土体主要物理力学参数如表1所示。
[0084]
表1土体力学参数
[0085][0086]
排水板参数：
[0087]
本文试验中采用的排水板为室内探究试验所采用的均为江苏中联路基有限公司生产的高渗透性防淤堵塑料排水板，板宽10cm，厚度0.4cm。该排水板的整体强度高，抗腐蚀能力强，具体性能指标如表2所示。
[0088]
表2排水板性能指标
[0089][0090]
本试验采用相同出水量作为试验停止标准，分别分析传统真空预压试验以及上阈值85-下阈值 75与上阈值85-下阈值65的固结效果、时长与固结能耗。结果如下图所示，循环真空预压与传统真空预压在相同出水量时，即相同固结效果时，真空度整体接近而固结时间有所加长，但有较好的节约能耗的效果，在循环真空预压阶段能耗为传统真空预压的千分之三。
[0091]
图5-图8进一步描述本发明。本发明中，在常规的真空预压法的排水板上，其中部布设孔压计；对密封膜进行铺设并在膜下布置电接点真空表，测得膜下真空度。确认密封膜铺设完毕后，安装真空泵及排水通道并进行试抽真空。在确认设备无误并测得真空度峰值(孔压在一小时内保持稳定时的真空度)后，关闭真空泵并使用电接点真空表改装真空泵。设定电接点真空表上下阀值并重新开启真空泵，达到真空度高于上阀值自动关闭真空泵，低于下阀值自动开启真空泵的效果。当若沉降量达到计算沉降值的80％以上且土体沉降在连续五天小于3mm时，达到循环真空预压验收标准。
[0092]
所述的在密封膜下布置电接点真空表，是采用真空表实时监测膜下真空度，并根据实时真空度值确定真空泵的启动。在试抽真空环节通过观测孔压在一小时内保持稳定时的真空度得到真空度峰值。
[0093]
所述的使用电接点真空表改装真空泵并设定上下阀值，其设定电接点真空表上下阀值，是为了达到真空度高于上阀值自动关闭真空泵，低于下阀值自动开启真空泵的效果。其上阀值取自试抽真空环节中通过观测孔压在一小时内保持稳定时的真空度既真空度峰值，其下阀值取4/5真空度峰值 (课题组通过试验得到的经验取值，具体工程中下阀值需结合工程经验确定)。
[0094]
所述的达到循环真空预压验收标准，其验收标准，是对每个沉降观测点按照真空预压操作规程进行沉降观测，是随时间绘制s沉降-t时间曲线，当s-t曲线出现明显拐点后，将此时的沉降量与该点的计算或预计沉降值予以对照。
[0095]
若沉降量达到计算沉降值的80％以上时，则密切注意曲线的走势，如果后五次观
测的沉降量达到3mm以内，记录下第五次的预压时间；若此沉降量不足计算沉降值的80％，则要注意沉降曲线是否还会出现第二个拐点，直到预压沉降量达到计算沉降值的80％以上时，对后五次观测的沉降量均达到3mm以内的时间予以记录。确认曲线完全平稳后停止循环加载载真空预压后，拆除真空膜。
[0096]
在本发明中，参见图5，膜下真空度在开启真空泵之后逐渐增加至峰值，由于电接点真空表的上阀值设定为峰值，真空泵自动关闭。直到真空度达到电接点真空表的下阀值(既谷值)，真空泵自动开启。既循环真空预压法中第一阶段为真空度从零点抽压至峰值，后第二阶段为真空度在峰值与谷值之间循环。
[0097]
本发明中，参见图5和图6，在第二阶段循环加载时随着p
min
(既谷值)的减小，土壤沉降变缓，最终沉降变少。单从沉降角度考虑谷值越高，最终沉降效果越好，但考虑到真空泵开启有预热时间，过高谷值会使节能效果变差。本发明中，在综合考虑能源消耗与沉降效果后，将电接点下阀值(既谷值)取为4/5峰值。
[0098]
本发明中，参见图5和图6，当p
min
较小时，真空预压一段时间后土的沉降曲线会出现明显的波动现象。p
min
越小，波动幅度越大，出现时间越早。在真空预压初期，土体中的超静孔隙水压力相对较小，即使真空降至p
min
也有利于土体沉降。随着时间的增加，土体中的超静孔隙水压力逐渐增大，由于膜下真空压力呈循环变化，当真空压力低于某一数值pc时，不利于土体沉降和回弹的发生。
[0099]
本发明中，参见图7，原体积可压缩性系数为m
v1
，土体回弹时体积可压缩性系数为m
v2
。比较图6中(a)和(b)，当p
min
较大时，膜下真空压力在大部分时间有利于土壤沉降，因此m
v2
值对土壤沉降曲线的影响不大。当p
min
较小时，m
v2
值越小，土体回弹越小，土壤沉降越大。随着p
min
的减小， m
v2
值对土壤沉降的影响更大。
[0100]
对比图6和图8可以发现，平均固结度波动幅度远大于土体沉降，土体体积压缩性系数越小，平均固结度波动幅度越大。体积压缩性系数越小，固结系数越大，土体无效沉降期间的平均超静水压力和平均固结度变化越快。这导致了土壤在真空循环中的有效沉降时间越长，最终沉降量越大。 (土壤有效沉降量是指土壤沉降深度超过之前的最大沉降量)。
[0101]
由图9可以看出，与传统真空预压相比，循环真空预压可以降低大量的能耗。
[0102]
由图6可知，本文选取的参数中传统真空预压下的土沉降在180天时基本达到稳定状态，其他工况达到或接近稳定状态。
[0103]
因此，采用高p
min
循环真空预压进行地基处理时，既能满足设计要求，又能节省大量能源。
[0104]
采用循环真空预压的方式可达到节能效果，但对于不同的真空预压工程，这些节能效果会不同。