专利名称：一种真空-电渗-堆载联合加固软基的系统和方法
技术领域：
本发明属于地基处理技术领域，特别涉及ー种真空-电渗-堆载联合加固软基的系统和方法。
背景技术：
真空预压和电渗排水联合运用是近几年发展起来的软基加固新技木。常用的做法是先进行一遍真空预压排出软基中的自由水，然后进行一遍电渗强制降低土壌含水率，为进行强夯或振动碾压创造条件。这种做法的缺点是
(1)真空预压和电渗不能同时进行，没有真正的有机结合。真空预压只能排出土中的自由水，而对结合水无能为力。电渗虽然能对土壤的结合水起作用，但对土体没有压密作用， 而且因为没有真空膜覆盖在电渗过程中难以防止雨水回灌。(2)电渗处理后需要强夯处理，而强夯施工成本高，且容易出现橡皮土现象。(3)多种处理方法是轮流进行而不是同时进行，因而エ期较长。在本发明之前，中国专利ZL200710050724. 7、ZL200710050723. 2 和 ZL200810024511. 1公开了电渗与真空预压同时进行的方法。二者结合的方法均使电极管伸出真空膜，电渗排水管和导线都在真空膜以上。这种方法的缺点是
(1)由于电极、导电线路和排水管道均在真空膜上，因而无法在真空膜上覆水或者堆土进行堆载预压，若要进ー步处理须拆除电渗系统。(2)不能保持真空膜的完整性，电极管出膜处易漏气，而且地基沉降较大时容易在出膜处撕裂真空膜。(3)真空联合电渗处理后的场地往往还需要进ー步强夯处理，成本较高，エ期较长。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述缺陷，发明ー种电极、线路、排水管道等均被覆盖在真空膜下，膜上可以进行堆载的真空-电渗-堆载联合加固软基的系统，并基于此系统，提出ー种真空预压、电渗和堆载预压三种エ艺同时进行，快速处理软土地基的方法。本发明的技术方案是
ー种真空-电渗-堆载联合加固软基的系统由可伸縮排水电极、导电线路、直流电源、水平排水管和真空泵等组成，其特征在于排水电极、导电线路和水平排水管均处于真空膜下；所采用的电极是ー种可伸縮排水电极，这种电极既可通电又可排水，同时其上端可伸縮；电极主要材料为ー根6. Om-8. Om长的镀锌钢管，周身打满小孔，套入用滤布缝制成的滤袋，钢管上端连接一段1. Om-1. 5m长的弹簧软管和一段1. Om-1. 5m长的铜芯电缆线；铜芯电缆线通过固定铁环固定在钢管上，弹簧软管和滤袋通过细铁丝绑扎牢固；水平排水管采用PI3R柔性波纹滤管，由波纹管周身螺旋形打满小孔并用滤布包裹而成；直流电源采用高频脉冲电源，导电线路采用铝芯橡皮线，真空泵采用真空射流泵；膜下电渗排水系统的排水电极插入软基中，排水电极的弹簧软管采用三通与水平排水支管相连，水平排水支管汇总到水平排水主管与真空泵相连；排水电极的铜芯电缆线通过穿刺型绝缘线夹与支导线相连，支导线汇总到主导线与直流电源相连。ー种真空-电渗-堆载联合加固软基的方法，包括以下技术步骤
(1)在软基上铺设ー层30cm-50cm厚的砂垫层；
(2)如果软基含有夹砂层，需沿加固场地周围打设ー圈粘土密封墙防止抽真空过程中场地漏气，粘土密封墙可采用泥浆搅拌桩制作；
(3)在铺设砂垫层和打设密封墙的施工准备时间里制作排水电极和水平排水管；
(4)利用打板机打设塑料排水板，按照设计的电极间距预留布置排水电极的位置，预留电极间距优先采取2 3倍的排水板间距，在预留布置电极的位置不打排水板而只利用打板机打孔。如果土质较软，当打板机的打孔钢管压入预订深度后，沿钢管向孔内注入一定量水，拔出钢管后水可以在孔内起到一定的护壁作用防止塌孔。成孔后立即人工插入事先制作好的排水电极，排水电极上端的弹簧软管和铜芯电缆线露出地面10cm，用干与水平排水管和导电线路连接；
(5)在场地上布置水平排水管，水平排水支管与塑料排水板间距一致，水平排水主管间足巨 10m-15m。(6)将处于同一排的塑料排水板和排水电极连接在同一根水平排水支管上，塑料排水板与支管采用缭绕法连接，即将塑料排水板露出地面的预留段缠绕在水平排水支管上 2 3圏。排水电极与支管采用三通连接，将三通突出的一端套入排水电极的弹簧软管，并用宽胶带缠紧防止脱落。支管与主管相连，主管连接真空泵，每1000m2-1500m2布置一台真空泵；
(7)将排水电极ー排作为阴极，相邻ー排作为阳扱，分别通过支导线串联。支导线采用铝芯橡皮线，将电极的铜芯电缆线与铝芯橡皮线通过穿刺型绝缘线夹连接，可防止线路系统进水腐蚀或漏电。支导线通过穿刺型绝缘线夹连接主导线，阴极和阳极的主导线分别连接高频脉冲电源的负极和正极；
(8)在水平排水管和导电线路上铺设ー层土工布，在土工布上铺设两层真空膜，将电渗排水系统覆盖在膜下，将真空膜压入密封沟然后回填粘土并压实；
(9)开动真空泵抽真空，并启动直流电源开始电滲，真空预压和电渗同时进行。真空从水平排水主管传递到水平排水支管，再传递到排水电极和塑料排水板的空腔中，井向地基中扩散。电流则通过主导线、支导线，排水电极和电极间的土体传导，在阳极和阴极之间形成电势差。一方面，软基中的自由水在真空负压的作用下向塑料排水板和排水电极中汇集。 水分子透过滤布由电极钢管上的小孔进入排水电极空腔内，在排水管内的真空负压作用下排出。另ー方面，水分子带极性，在电势差的作用下由阳极向阴极汇集，电渗作用増大了水分子的活性，加快了滲透速度。同时电渗还对土体中的结合水起作用，促使结合水脱离土颗粒的束缚而排出，进ー步降低土体的含水率。在真空和电渗的复合作用下，土体迅速排水固结，地基产生固结沉降。排水电极的弹簧软管在地基沉降过程中被压縮，排水电极的铜芯电缆线为柔性材料在地基沉降中弯曲变形，因而排水电极不会由于地基沉降而上顶刺破真空膜。(6)在电渗过程中，利用高频脉冲电源的自动控制器设定电源的工作时间，进行间歇通电，如电渗每工作4小时间歇2小吋。在电渗间歇期间，电极界面处被疏干的土体重新获得水分从而降低电极的界面电阻，提高电渗的效率。另外，每隔2 3天，手动改变电渗系统的正负极接线，进行极性转换，原来的正电极转换为负电极，原来的负电极转换为正电扱，电渗流的方向也产生相应的改变，能够提高加固地基的均勻性。(10)抽真空5 10天，膜下真空度达到SOkPa以上，在检查确定真空膜无漏气并且电渗系统稳定工作之后，在真空膜上进行堆载预压。堆载可采取两种方法ー是在真空膜上修建粘土围堰然后在围堰内覆水，ニ是在真空膜上铺设ー层土工布和一层砂垫层后堆土。在膜上堆载后，真空预压、电渗和堆载预压三者同时进行，直至沉降达到卸载标准。膜下电渗排水系统保证了真空膜的完整性，为膜上堆载创造了条件。堆载作用为地基施加附加应力，真空和电渗排水作用产生的孔隙被及时压縮，软基沉降増大，排水电极被进ー步压縮。排水过程中如因故障卸载检修吋，地基产生一定量的回弾，排水电极的弹簧软管也随之回弹伸长，保证了电渗系统不被破坏。该发明的优点是
(1 )本发明中排水电极、导电线路和水平排水管均覆盖在真空膜下，为保持真空膜的完整性和真空膜上堆载创造了条件。电极管为新型可伸縮排水电极，不必伸出真空膜外，保持了真空膜的完整性，电极管在地基沉降中可压縮，不会上顶刺破真空膜，在卸载地基回弹时可随之回弹伸长，可防止破坏电渗系统；导电线路为全密封结构，防水、防腐蚀，可在膜下长期工作；水平排水管采用柔性波纹滤管代替常规使用的PVC硬塑圆管，可同时与排水电极和塑料排水板方便的连接，井能适应场地的不均勻变形；直流电源为高频脉冲电源，比以往电渗中常用的可控硅整流器和直流电焊机作电源成本更低也更节省电力。(2)电渗、真空预压和堆载预压构成一个完整的系统，三种方法有机结合，优势互补。电渗增大软基中水的滲透能力，加快真空预压的固结速度井能进ー步降低土壌含水率；真空预压为电渗排水提供真空压カ使土体压密固结，并为电渗提供覆盖膜防止雨水回灌；膜上堆载可在真空联合电渗排水的同时增加土体的附加应力，使土体更快更好的压密固结。( 3)本方法中电渗、真空预压和堆载预压三种エ艺同时进行，不需要独立施加作用的时间，大大的节约了エ期。( 4 )电渗加固软土地基需要外力对土体进行压密，由于常规电渗系统不能堆载， 通常的做法是拔除电渗系统进行强夯处理。本发明所采用的膜下电渗排水系统为真空膜上堆载创造了条件，使堆载预压与电渗的联合使用成为可能。堆载预压可以取代强夯的作用使土体压密固结，从而节约了成本。总之，本发明解决了电渗与真空预压和堆载预压结合的难题，使电渗、真空预压和堆载预压三种地基处理方法结合在一起同时进行，并且互相优势互补，特别适用于渗透系数小的淤泥质软土地基，能够大大缩短地基处理工期并提高地基处理效果，是ー种经济实用的软基处理方法。
图1——本发明真空-电渗-堆载联合加固软基的系统平面布置图。图2——本发明真空-电渗-堆载联合加固软基的系统剖面示意图。
图3——本发明可伸縮排水电极结构示意图。图中1-塑料排水板；2-排水电极；3-水平排水支管；4-水平排水主管；5-支导线；6-主导线；7-真空泵；8-直流电源；9-砂垫层；10-水平排水管路；11-导电线路； 12-土工布；13-真空膜；14-水；15-粘土密封墙；16-密封沟；17-围堰；18-镀锌钢管； 19-滤袋；20-弹簧软管；21-铜芯电缆线；22-固定铁环；23-细铁丝。
具体实施例方式如图1、2和3所示，ー种真空-电渗-堆载联合加固软基的系统，由可伸縮排水电极(2)、导电线路(11)、直流电源(8)、水平排水管路(10)和真空泵(7)等組成。ー种真空-电渗-堆载联合加固软基的方法，可采用以下技术步骤实现 (1)整理场地并铺设30cm-50cm厚的砂垫层(9 )。(2)如果地基夹有砂层，为防止漏气需设置密封墙(15)。使用搅拌桩机打泥浆搅拌桩，双排搅拌桩搭接形成粘土密封墙(15)。单根桩直径60cm-70cm，搭接10cm-15cm，桩长需超过地下砂层深度Im以上。(3)制作排水电极(2)，如图3所示，将ー根长6m-8m，直径24mm-32mm的镀锌钢管 (18)周身打满小孔，套入用滤布缝制而成的滤袋(19)，上端连接ー根1. 5m长的弹簧软管 (20)，和一根1.5m长的铜芯电缆线(21)。铜芯电缆线(21)通过固定铁环(22)固定在镀锌钢管(18)上。滤袋和弹簧软管通过细铁丝(23)绑扎在镀锌钢管(18)上。弹簧软管(20) 和铜芯电缆线(21)均为软质材料，在地基沉降时可以压缩和弯曲，在地基卸载回弹时可回弹伸长。(4)如图1所示，按照ImXlm的间距用打板机施打塑料排水板(1)，塑料排水板 (1)根据软土层厚度确定入土深度，地面以上预留0. 5m。(5)如图1所示，按照2mX 2m的间距预留插设排水电极(2)的位置。在预留插设电极的位置只用打板机打孔而不打塑料排水板，打孔后立即插入事先制作好的可伸縮排水电极(2)。(6)在砂垫层(9)上布置水平排水管路(10)，水平排水管路(10)由水平排水支管(3)和水平排水主管(4)构成。如图1所示按照Im的间距布置水平排水支管(3)，按照 10m-15m的间距布置水平排水主管(4)。水平排水支管(3)和水平排水主管(4)均采用直径 50mm的PI3R波纹滤管，由波纹管周身螺旋形打满小孔并用滤布包裹而成。(7)将塑料排水板(1)的预留段缭绕在水平排水支管(3)上，用塑料绳绑扎。这种连接方式可以防止连接处被土颗粒淤堵。同时将排水电极(2)上端的弹簧软管(20)通过三通与水平排水支管(3)连接。水平排水支管(3)通过三通与水平排水主管(4)连接形成水平排水管(10)路，并将水平排水管路(10)均埋入砂垫层(9)。(8)在砂垫层(9)上布置导电线路(11)，导电线路(11)由支导线(5)和主导线(6) 构成。如图1所示按照ail的间距在砂垫层(9)上布置支导线(5)，并在加固区域的ー侧布置主导线(6)。支导线(5)和主导线(6)均采用铝芯橡皮线，铝芯橡皮线的截面积根据电压大小、电极间距、控制面积和土壤电阻率计算确定。(9)将排水电极(2)的铜芯电缆线(21)与支导线(5)用穿刺型绝缘线夹连接，不必剥开导线的绝缘层便可连接，结构密封良好，防腐蚀，防水。如图1所示将ー排电极作为阴极，相邻ー排作为阳极，分别将阴极和阳极的支导线(5)与主导线(6)通过穿刺型绝缘线夹连接构成导电线路(11)。并将导电线路(11)埋入砂垫层(9 )。(10)在砂垫层(9)上铺设ー层的土工布(12)，土工布(12)与砂垫层(9)和水平排水管路(10)共同組成水平排水和真空传递系统。(11)在土工布(12)上铺设两层真空膜(13)。真空膜(13)为聚乙烯薄膜，厚 0. 14mm。(12)在密封墙(15)内侧开挖1. 5m深的密封沟(16)，用水枪将密封沟底部冲成淤泥状，将真空膜(13)踩入密封沟(16)并用软粘土回填压实。(13)将水平排水主管(4)穿过真空膜(13)与真空泵(7)连接，并做好出膜处的密封。(14)将阴极和阳极的主导线(5)通过密封沟(16)的底部与直流电源(8)的负极和正极连接。直流电源(8)采用高频脉冲电源。(15)开动真空泵(7)抽水，检查是否漏气加强真空维护，要求膜下真空度大于或等于80kPa，当达不到真空度要求吋，须采取加泵措施并检查密封情況。(16)在真空抽水的开始的同时进行启动电源进行电滲。电源电压宜尽量大但不超过72V安全电压。电渗过程一方面采用间歇通电的方法，如每工作4个小时停电2个小时。可以采用高频脉冲电源的自动控制器设定工作时间；另外一方面采用极性转换的方法， 每2-3天进行一次阴极和阳极的转换。(17)真空度上升稳定后进行堆载预压。堆载预压方案可采用如图2所示在密封沟 (16)内侧修建粘土围堰(17)，井向围堰(17)内注水(14)进行覆水预压。在不具备覆水条件时可以采用在真空膜上铺设ー层土工布和一层砂垫层后堆土的方法。(18)做好各项现场监测，绘制沉降-时间关系曲线，待沉降稳定符合卸载条件后， 停止电渗和真空预压并卸除膜上堆载。
权利要求
1.ー种真空-电渗-堆载联合加固软基的系统由可伸縮排水电极、导电线路、直流电源、水平排水管和真空泵组成，其特征在干排水电极、导电线路和水平排水管均处于真空膜下；所述排水电极上端可伸縮，这种电极既可通电又可排水，其主要材料为ー 根6. Om-8. Om长的镀锌钢管，周身打满小孔，套入用滤布缝制成的滤袋，钢管上端连接一段 1. Om-1. 5m长的弹簧软管和一段1. Om-1. 5m长的铜芯电缆线；铜芯电缆线通过固定铁环固定在钢管上，弹簧软管和滤袋通过细铁丝绑扎牢固；水平排水管采用PI3R柔性波纹滤管， 由波纹管周身螺旋形打满小孔并用滤布包裹而成；导电线路为全密封结构，采用铝芯橡皮线通过穿刺型绝缘线夹连接而成；膜下电渗排水系统的排水电极插入软基中，排水电极的弹簧软管采用三通与水平排水支管相连，水平排水支管汇总到水平排水主管与真空泵相连；排水电极的铜芯电缆线通过穿刺型绝缘线夹与支导线相连，支导线汇总到主导线与直流电源相连。
2.根据权利要求1所述的真空-电渗-堆载联合加固软基的系统，其特征在于所采用的真空泵采用真空射流泵。
3.根据权利要求1所述的真空-电渗-堆载联合加固软基的系统，其特征在于直流电源采用高频脉冲电源，高频脉冲电源带有自动控制器，可设定电源的工作时间自动进行间歇通电。
4.ー种真空-电渗-堆载联合加固软基的方法，其主要技术步骤如下(1)打设塑料排水板，并按照设计的电极间距预留布置排水电极的位置，电极间距采取2 3倍的排水板间距，在预留布置电极的位置不打排水板而只利用打板机打；(2)若土质较软，当打板机的打孔钢管压入预订深度后，沿钢管向孔内注入一定量水， 拔出钢管后水可以在孔内起到一定的护壁作用防止塌孔；(3)成孔后立即人工插入事先制作好的排水电极，排水电极上端的弹簧软管和铜芯电缆线露出地面10cm，用干与水平排水管和导电线路连接，在场地上布置水平排水管，水平排水支管与塑料排水板间距一致，水平排水主管间距10m-15m ；(4)将处于同一排的塑料排水板和排水电极连接在同一根水平排水支管上，水平排水支管与塑料排水板采用缭绕法连接，即将塑料排水板露出地面的预留段缠绕在水平排水支管上2 3圏，水平排水支管与排水电极采用三通连接，将三通突出的一端套入排水电极的弹簧软管，并用宽胶带缠紧防止脱落，支管与主管相连，主管连接真空泵，每1000m2-1500m2 布置一台真空泵；(5)将排水电极ー排作为阴极，相邻ー排作为阳极，分别通过支导线串联，支导线通过穿刺型绝缘线夹连接主导线，阴极和阳极的主导线分别连接高频脉冲电源的负极和正极；(6)在水平排水管和导线上铺设ー层土工布，在土工布上铺设两层真空膜，将电渗排水系统的电极、线路和排水管道等均覆盖在膜下；(7)开动真空泵抽真空，并同时启动电源开始电滲，真空预压和电渗同时进行，真空从水平排水主管传递到水平排水支管，再传递到排水电极和塑料排水板的空腔中，井向地基中扩散，电流则通过主导线、支导线，排水电极和电极间的土体传导，在阳极和阴极之间形成电势差，一方面，软基中的自由水在真空负压的作用下向塑料排水板和排水电极中汇集， 水分子透过滤布由电极钢管上的小孔进入排水电极空腔内，在排水管内的真空负压作用下排出，另ー方面，水分子带极性，在电势差的作用下由阳极向阴极汇集，电渗作用増大了水分子的活性，加快了滲透速度，同时电渗还对土体中的结合水起作用，促使结合水脱离土颗粒的束缚而排出，进ー步降低土体的含水率，在真空和电渗的复合作用下，土体迅速排水固结，地基产生固结沉降；(8)抽真空5 10天，膜下真空度达到SOkPa以上，在检查确定真空膜无漏气并且电渗系统稳定工作之后，在真空膜上进行堆载预压，真空预压、电渗和堆载预压三者同时进行；(9)堆载给地基増加附加应力，使软基沉降继续増大，当沉降达到卸载标准，停止施工。
全文摘要
一种真空-电渗-堆载联合加固软基的系统由可伸缩排水电极、导电线路、直流电源、水平排水管和真空泵组成。排水电极、导电线路和水平排水管均处于真空膜下;所采用的电极是一种可伸缩排水电极,这种电极既可通电又可排水，同时其上端可伸缩。本发明真空-电渗-堆载联合加固软基的方法包括打设塑料排水板和排水电极、连接水平排水管和导线、铺设土工布、同时进行真空、电渗和堆载预压、排水电极压缩等技术步骤。本发明解决了电渗与真空预压和堆载预压结合的难题，使电渗、真空预压和堆载预压三种地基处理方法结合在一起同时进行，特别适用于渗透系数小的淤泥质软土地基，能大大缩短地基处理工期并提高处理效果，是一种经济实用的软基处理方法。
文档编号E02D3/11GK102535432SQ20111044183
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者刘志浩, 刘汉龙, 崔允亮, 曾国海, 沈扬, 高明军 申请人:河海大学