本发明涉及软土地基处理，具体涉及一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置及方法。
背景技术：
1、在土木工程和地基处理领域，软土地基的处理一直是一个技术难题。软土通常具有高含水量、低强度、易压缩变形等特性，这些特性使得软土地基在承受建筑物荷载时容易发生沉降和不均匀变形，从而影响工程的安全性和稳定性。因此，提高软土地基的固结效率和加固效果是确保工程质量和安全性的重要措施。
2、传统的软土地基处理方法包括排水固结法、置换法、预压法等(龚晓南.地基处理技术及发展展望[m].北京:中国建筑工业出版社,2014.)。其中，真空预压法是一种广泛应用的软土地基加固方法，通过铺设密封膜并在膜下抽真空，使地基土壤中的水分在负压作用下排出，从而提高地基的强度和稳定性(刘方.软土地基真空预压加固处理技术探讨[j].建筑工人,2024,45(12):4-6.)。然而，传统的真空预压法在实际应用中常面临排水困难的问题，尤其是在土体渗透性较差的情况下，排水效率往往受到严重制约。
3、为了克服传统真空预压法的不足，研究人员不断探索新的软土地基加固技术。近年来，柱塞技术在油气开采领域取得了显著成效(易敏.柱塞式油气混输装置在小区块油田的应用[j].内江科技,2021,42(01):16+96.)，其快速清液的能力为软土地基处理提供了新的思路。柱塞技术通过柱塞的上下运动，能够快速清空管道内的液体，提高排水效率。然而，如何将柱塞技术有效地应用于软土地基处理领域，并与传统的真空预压法相结合，以实现更高效、更可靠的软土地基加固，仍是当前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置及方法，该装置包括散体过滤收集系统、抽真空排水系统和柱塞提升系统，通过散体过滤收集系统过滤软土颗粒，抽真空排水系统加快水分向散体过滤收集系统内聚集，最后通过柱塞提升系统清空聚集在散体过滤收集系统内的液体；本发明通过合理组合和周期性操作，能够实现软土地基的高效固结，解决土体排水困难问题，从而提高土体的加固效果以及施工工程质量。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
3、一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置，包括：散体过滤收集系统、抽真空排水系统和柱塞提升系统；
4、所述散体过滤收集系统用于过滤软土颗粒；
5、所述抽真空排水系统用于加速软土地基1中的水分向所述散体过滤收集系统内聚集；
6、所述柱塞提升系统用于清空聚集在所述散体过滤收集系统内的液体。
7、所述散体过滤收集系统包括：散体材料桩2和花管3；
8、所述散体材料桩2竖立于软土地基1内部；
9、所述花管3竖立于散体材料桩2内部。
10、所述抽真空排水系统包括：密封膜6、抽气排水管11、排水阀门12、抽气阀门13、真空泵14和出水口15；
11、所述密封膜6铺设于软土地基1表面；
12、所述抽气排水管11一端与花管3上部连通，另一端通过三通接口分别与真空泵14和出水口15连通，真空泵14进气口前端设置有抽气阀门13，出水口15前端设置有排水阀门12。
13、所述出水口15处设置有地面排水槽16。
14、所述柱塞提升系统包括：柱塞4、升降杆5和电机10；
15、所述升降杆5上段为齿条结构与电机10的动力输出轴端部设置的齿轮10-1啮合，下端固定连接柱塞4，柱塞4设置于花管3内部，并与花管3侧壁相贴合。
16、所述散体材料桩2为置于软土地基1中并围绕包裹花管3设置的砂层。
17、所述柱塞4包括顶板4-1与底板4-2，顶板4-1与底板4-2之间为中空的塞体4-3，顶板4-1与底板4-2上均开设了若干个通孔4-4，塞体4-3内设置有阀瓣上压盘4-5，阀瓣上压盘4-5覆盖底板4-2上开设的通孔4-4，阀瓣上压盘4-5与顶板4-1之间设置了弹簧4-6。
18、所述塞体4-3内部空腔靠近顶板4-1与底板4-2的两端细，中部粗，侧面为弧形。
19、所述升降杆5依次穿过顶板4-1、弹簧4-6、阀瓣上压盘4-5及底板4-2的中心与固定在底板4-2的螺栓4-7螺纹连接。
20、软土地基固结方法，包括以下步骤：
21、步骤1：安装所述装置，并调试无误；
22、步骤2：开启电机10使齿轮10-1顺/逆时针转动，通过齿条结构带动升降杆5下降，使柱塞4下降至花管3的底部后关闭，再对花管3顶端做封堵处理；
23、步骤3：关闭排水阀门12，打开抽气阀门13，启动真空泵14；
24、步骤4：持续对密封膜6下方的真空度进行测量，当达到设定值后，关闭真空泵14及抽气阀门13，静置待花管3内充水；当所述花管3内充水量未达到设计要求时，可重复步骤3～步骤4，直至充水量达到要求；
25、步骤5：打开排水阀门12，同时打开步骤2对花管3顶端的封堵，启动电机10使齿轮10-1反向转动，通过齿条结构带动升降杆5上升，使用柱塞4随升降杆5提升，从而带动花管3内的存水提升，经过抽气排水管11从出水口15流入地面排水槽16内；
26、步骤6：重复步骤2～步骤5，持续对地表沉降量和膜下真空度进行检测，以实测沉降量达到计算沉降值量的80％以上或实测土体沉降速率连续五天小于或等于0.5mm/d为验收标准，达到验收标准后关闭所有设备。
27、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
28、1.本发明的散体过滤收集系统在软土地基1中设置了散体材料桩2和花管3，避免了地基土壤的流失，显著提高了土体的加固效果和施工工程质量。
29、2.本发明的抽真空排水系统设置了密封膜6和真空泵14提升了排水速度。
30、3.本发明的柱塞提升系统设置了柱塞4，通过电机10与升降杆5的相互配合，以及柱塞4内部设置的中间粗两端细的空腔与弹簧4-6、阀瓣上压盘4-5和通孔4-4之间的相互配合，实现了快速清夜的效果。
31、4.本发明的方法结合装置，通过周期性操作真空预压和柱塞排水，有效解决了土体排水困难的问题，实施步骤清晰，操作简便，具有广泛的适用性和实用性。
32、综上所述，本发明基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置及方法，结合了柱塞的快速清液能力和抽真空快速排水的特点，显著提升了软土地基1的固结效率与质量。通过周期性操作真空预压和柱塞排水，有效解决了土体排水困难的问题。本发明设计的过滤收集系统，避免了地基土壤的流失，显著提高了土体的加固效果和施工工程质量。此外，本发明的方法实施步骤清晰，操作简便，具有广泛的适用性和实用性，为软土地基处理领域提供了一种高效、可靠的解决方案。
1.一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置，其特征在于，包括：散体过滤收集系统、抽真空排水系统和柱塞提升系统；
2.根据权利要求1所述的一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置，其特征在于，所述散体过滤收集系统包括：散体材料桩(2)和花管(3)；
3.根据权利要求2所述的一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置，其特征在于，所述抽真空排水系统包括：密封膜(6)、抽气排水管(11)、排水阀门(12)、抽气阀门(13)、真空泵(14)和出水口(15)；
4.根据权利要求3所述的一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置，其特征在于，所述出水口(15)处设置有地面排水槽(16)。
5.根据权利要求2所述的一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置，其特征在于，所述柱塞提升系统包括：柱塞(4)、升降杆(5)和电机(10)；
6.根据权利要求1所述的一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置，其特征在于，所述散体材料桩(2)为置于软土地基(1)中并围绕包裹花管(3)设置的砂层。
7.根据权利要求5所述的一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置，其特征在于，所述柱塞(4)包括顶板(4-1)与底板(4-2)，顶板(4-1)与底板(4-2)之间为中空的塞体(4-3)，顶板(4-1)与底板(4-2)上均开设了若干个通孔(4-4)，塞体(4-3)内设置有阀瓣上压盘(4-5)，阀瓣上压盘(4-5)覆盖底板(4-2)上开设的通孔(4-4)，阀瓣上压盘(4-5)与顶板(4-1)之间设置了弹簧(4-6)。
8.根据权利要求7所述的一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置，其特征在于，所述塞体(4-3)内部空腔靠近顶板(4-1)与底板(4-2)的两端细，中部粗，侧面为弧形。
9.根据权利要求7所述的一种基于真空预压和柱塞的软土地基固结装置，其特征在于，所述升降杆(5)依次穿过顶板(4-1)、弹簧(4-6)、阀瓣上压盘(4-5)及底板(4-2)的中心与固定在底板(4-2)的螺栓(4-7)螺纹连接。
10.基于权利要求1～9任一项所述装置的软土地基固结方法，其特征在于，包括以下步骤：