一种电极管电渗排水固结的方法
【专利摘要】本发明公开了一种电极管电渗排水固结的方法，包括以下步骤：电极布置、管路布置、电极通电、停止电渗，电极通电步骤包括：间隔换向通电、持续通电、间歇通电、重复持续通电和间歇通电。本发明采用连接电流、电压和TDR传感器的方法，通过电路中反馈的电场、土体含水率时空分布情况，适时调整电场的强度和方向，保证了电渗排水固结的速度和效果，比传统的凭经验判断换向和间歇时间更精确、对复杂土地具有更好的针对性。
【专利说明】—种电极管电渗排水固结的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程【技术领域】，具体地指一种电极管电渗排水固结的方法。
【背景技术】
[0002]软土、淤泥、污泥、尾矿等高含水量低水力渗透性细颗粒介质，其排水固结非常困难。传统的排水固结方法是真空预压和堆载预压，但是对于高含水量低水力渗透性的细颗粒介质，传统的方法速度慢、作用深度有限、对承载力的提高也不足。
[0003]对于此类介质组成的软土地基，电渗法是一种非常有潜力的方法，电渗法自第一次被发现至今已有两百多年历史。具体方法为在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水从阳极流向阴极，然后将水从阴极排除，而不让水在阳极附近补充，借助电渗作用可逐渐排除土中水。传统电渗法通电方式，虽然有时采用了电极转换和间歇通电这两种方法，但是电极转换和间歇通电时间的确定完全是凭经验；由于土体特性复杂，因此一个场地的经验并不适用于另一个场地，这使得传统电渗通电方式缺乏一个明确的通电模式设计方法，电渗的效率和效果难以保证，使得电渗的优势无法充分发挥出来。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是要解决上述【背景技术】的不足，提供一种电渗排水固结的方法。
[0005]本发明的技术方案为:一种电极管电渗排水固结的方法，包括以下步骤:
[0006]a.电极布置:将多个电极竖直插入排水区域，电极采用均匀布置，间距为0.8?
1.2m;所述电极将排水区域包围形成最外层，所述最外层电极均与电源负极连接；所述最外层向内的第二层电极为边界层，所述边界层电极均与电源正极连接；边界层内电极由外向内依次与电源正负极交替连接，边界层内所有正极电极汇集，边界层内所有负极电极汇集;
[0007]b.管路布置:将电极与地表铺设的水平排水管连通，再将水平排水管与真空泵连接；
[0008]c.电极通电:启动真空泵，排出部分土体中的自由水，真空稳定后，启动直流电源开始对电极进行通电，电极通电方式为:
[0009](I)间隔换向通电:每隔10?30分钟将边界层内电极连接电源的方向进行换向，直流电源采用稳压或稳流的通电模式；
[0010](2)持续通电:根据电流、电压传感器测得的数据，选择电流或电压?时间曲线保持平稳的方向为平稳段；对平稳段进行持续通电；当电流或电压开始变化大于平稳值±5%时将电极转向；转向后持续通电，直到电流或电压变化趋势改变时停止；
[0011](3)间歇通电:通电停止后将正负极电极相连接，监测电路中的电流，当电流趋近于零时结束；
[0012](4)重复步骤(2)和(3)；
[0013]d.稳压或稳流的通电模式下当电流或电压到达设定值时，停真空泵停电渗卸载。
[0014]优选的，c步骤(2)中若稳压或稳流状态下电流或电压变化小于或等于平稳值±5%时，根据土体电阻率?含水量曲线，在TDR(利用电磁波时域反射法测定区域内含水率的装置)监测土体含水率达到设定值后停止。
[0015]优选的，c步骤⑵中若电流或电压变化大于平稳值±5%时土体含水率未达到设定值，继续通电至TDR监测土体含水率达到设定值后停止。
[0016]优选的，最外层与边界层的电势梯度为边界层内电势梯度1.5?2.0倍。
[0017]优选的，最外层与边界层的电极间距离为边界层内电极间距离的2/3?1/2。
[0018]优选的，稳压状态下c步骤(2)中电流持续减小，当电流开始增大时停止通电。
[0019]优选的，稳流状态下c步骤(2)中电压持续增大，当电压开始减小时停止通电。
[0020]电极布置将最外层电极与电源负极连接、边界层电极与电源正极连接、边界层内电极向内依次与正负极交替连接，利用水分子易形成水化阳离子，向电势低的方向运动，也就是向连接负极的电极运动的原理，使边界外的水向四周扩散，边界内的水向区域内的阴极汇集，并通过真空泵排除。
[0021]对特定的土地进行正负极换向可以确定电流或电压平稳段的方向，比传统的凭经验判断换向更精确、更有实际针对性。
[0022]采用TDR监控土体电阻率?含水量曲线设定值判断转向后通电时间，比传统的凭经验判断换向更精确、更有实际针对性。
[0023]通电一段时间后排水区域内正负电极周围的含水率、pH值、电荷分布都发生不均匀变化:通电后水流向负极电极，正极电极周围含水率比负极电极低；正极电极与电极正极相连，周围水发生电解析出氢离子，使正极电极周围区域呈酸性，负极电极周围区域呈碱性；在电场力作用下，土体中的正、负离子分别向阴极和阳极的迁移速度不同以及土体和电极之间存在界面电阻，使得土体中的电荷发生重分布，正、负电荷分别在靠近阴、阳两极的区域中累积。电极反向可以调整排水区域内电荷分布，使其向平衡状态分布，从而在下次通电过程中更有效地利用电能。
[0024]间歇通电可以自然调整区域内含水率、pH值、电荷分布，由于电渗往往会造成正负电极周围区域含水量不同，停止通电一段时间可使区域内含水率平衡，此时监测电路中的电流趋近于零。
[0025]稳压或稳流的通电模式下当电流或电压到达设定值时，停止电渗。在采用稳压通电模式时，当电流趋近为零时，电阻已经趋近无穷大，此时已经到达土体排水的极限，继续通电无意义，停止电渗。同时，当稳流通电模式时，整个土体电阻率升高导致电压逐渐增大，出于对施工人员安全考虑在电压达到80V时停止电渗。
[0026]本发明的有益效果为:
[0027](I)采用独特的电极布置将排水区域与周围隔离开来，避免了周围区域水对排水区域的渗透补充，提高了电渗排水固结效率。
[0028](2)采用连接电流、电压和TDR传感器的方法，通过电路中反馈的电场、土体含水率时空分布情况，适时调整电场的强度和方向，保证了电渗排水固结的速度和效果。
[0029](3)采用一种明确的通电模式调整方法，将电极反向和间歇通电结合使用，比传统的凭经验判断换向和间歇时间具有更精确、对复杂土地针对性更强的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为电极布置示意图
[0031]图2正向通电电压?时间曲线
[0032]图3反向通电电压?时间曲线
[0033]图4 土体电阻率?含水率曲线
[0034]图5正向通电电流?时间曲线
[0035]图6反向通电电流?时间曲线
[0036]其中:1.排水区域2.最外层3.边界层。
【具体实施方式】
[0037]本发明实施例中电极与真空管路布置为:将塑料电极管竖直插入地下土内，塑料电极管上端与电源线连接；塑料电极管与地表铺设好的水平排水管连通，再将水平排水管与真空泵连接。
[0038]实施例1
[0039]如图1所示，排水区域I为圆形，塑料电极管采用正方形均匀布置。最外层2电极通负电，边界层3通正电，最外层2与边界层3电极间距0.5m，边界层3内电极由外向内依次采用负正交替式通电，边界层3区域内电极间距lm，电源采用稳流通电模式，电流300A。边界层内3所有正极电极和负极各自汇集后连接电压表。
[0040]采用测试装置MiIIer Soil Box测定土体电阻率并绘制曲线，如图4所示，含水率设定为52% ；
[0041]电极通电:启动真空泵，排出部分土体中的自由水，真空稳定后，启动直流电源开始对电极进行通电，电极通电方式为:
[0042](I)间隔换向通电:每隔30分钟将边界层3内电极连接电源方向进行换向；
[0043](2)持续通电:根据电压传感器测得的数据，如图2和图3所示，从电压?时间曲线来看，正向曲线保持平稳为平稳段；对正向进行持续通电，当正向电压从平稳值开始变化大于±5%时将电极转向，图中得出正向电压在通电12小时时出现突变，此时进行换向；对负向通电进行持续通电，若根据图3，负向通电后电压持续上升，0.1小时时电压有波动，波动在±5%内均属正常现象，因为换向之前电极中存在严重的极化现象，0.6小时时电压不再继续上升，所以在0.6小时即应进行电极转向，但此时TDR数据表明，负向通电0.6小时，阳极附近土体含水量仍然在52%以上，图4的设定值右侧，因此应该延长通电时间。TDR数据测试表明，经过3小时负向通电之后，靠近阳极附近的土体含水量小于52%，此时到达曲线设定值左侧，因此确定负向通电时间为3小时；
[0044](3)间歇通电:负向通电停止后将正负电极相连接，监测电路中的电流，电流约3小时后趋近于零；
[0045](4)重复步骤(2)和(3)；
[0046]稳流情况下，出于施工安全考虑，本实施例中电压达到80V时，停真空泵停电渗卸载。本实施例中，电渗总共持续了约16天。
[0047]实施例2
[0048]如图1所示，排水区域I为圆形，塑料电极管采用正方形均匀布置，最外层2电极通负电，边界层3通正电，最外层与边界层电极间距0.75m，区域电极内由外向内依次采用负正交替式通电，边界层3区域内电极间距lm。电源采用稳压通电模式，电压80V。边界层内3所有正极电极和负极各自汇集后连接电流表。
[0049]采用测试装置MiIIer Soil Box测定土体电阻率并绘制曲线，如图4所示，含水率设定为52% ；
[0050]电极通电:启动真空泵，排出部分土体中的自由水，真空稳定后，启动直流电源开始对电极进行通电，电极通电方式为:
[0051](I)间隔换向通电:每隔30分钟将边界层3内电极连接电源方向进行换向；
[0052](2)持续通电:根据电流传感器测得的数据，如图5和图6所示，从电流?时间曲线来看，正向曲线保持平稳为平稳段；对正向进行持续通电，当正向电流从平稳值开始变化大于±5%时将电极转向，图中得出正向电流在通电12小时时出现突变，此时进行换向；对负向通电进行持续通电，根据图6，负向通电后电流持续下降，0.1小时时电流有波动，波动在±5%内均属正常现象，因为换向之前电极中存在严重的极化现象，0.6小时时电流不再继续下降，在0.6小时即应进行电极转向，但根据TDR监测的含水量数据表明，阳极附近土体含水量仍然在52%以上，图4的设定值右侧，因此应该延长通电时间。TDR数据测试表明，经过3小时负向通电之后，靠近阳极附近的土体含水量小于52%，因此确定，负向通电时间为3小时。
[0053](3)间歇通电:负向通电停止后将正负电极相连接，监测电路中的电流，电流约
3.5小时后趋近于零；
[0054](4)重复步骤(2)和(3)；
[0055](5)稳压情况下，当通电电流接近于零时，电渗停止。此时土地电阻趋近无穷大，达到排水极限，电渗总共持续了约21天。
【权利要求】
1.一种电极管电渗排水固结的方法，包括以下步骤: a.电极布置:将多个电极竖直插入排水区域(I)，电极采用均匀布置，间距为0.8?1.2m;所述电极将排水区域⑴包围形成最外层(2)，所述最外层电极均与电源负极连接；所述最外层向内的第二层电极为边界层(3)，所述边界层(3)电极均与电源正极连接；边界层(3)内电极由外向内依次与电源正负极交替连接，边界层内(3)所有正极电极汇集，边界层内⑶所有负极电极汇集； b.管路布置:将电极与地表铺设的水平排水管连通，再将水平排水管与真空泵连接； c.电极通电:启动真空泵,排出部分土体中的自由水,真空稳定后,启动直流电源开始对电极进行通电，电极通电方式为: (1)间隔换向通电:每隔10?30分钟将边界层内电极连接电源的方向进行换向，直流电源采用稳压或稳流的通电模式； (2)持续通电:根据电流、电压传感器测得的数据，选择电流或电压?时间曲线保持平稳的方向为平稳段；对平稳段进行持续通电；当电流或电压开始变化大于平稳值±5%时将电极转向；转向后持续通电，直到电流或电压变化趋势改变时停止； (3)间歇通电:通电停止后将正负极电极相连接，监测电路中的电流，当电流趋近于零时结束； (4)重复步骤(2)和(3); d.稳压或稳流的通电模式下当电流或电压到达设定值时，停真空泵停电渗卸载。
2.如权利要求1所述的电极管电渗排水固结的方法，其特征在于:c步骤(2)中若转向电流或电压变化趋势改变时土体含水率未达到设定值，继续通电至TDR监测土体含水率达到设定值后停止。
3.如权利要求1所述的电极管电渗排水固结的方法，其特征在于:最外层与边界层的电势梯度为边界层内电势梯度1.5?2.0倍。
4.如权利要求3所述的电极管电渗排水固结的方法，其特征在于:最外层与边界层的电极间距离为边界层内电极间距离的2/3?1/2。
5.如权利要求1所述的电极管电渗排水固结的方法，其特征在于:稳压状态下c步骤(2)中电流持续减小，当电流开始增大时停止通电。
6.如权利要求1所述的电极管电渗排水固结的方法，其特征在于:稳流状态下c步骤(2)中电压持续增大，当电压开始减小时停止通电。
【文档编号】E02D3/11GK104131549SQ201410270062
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】庄艳峰, 陈文 , 王有成, 杨宏武 申请人:武汉河海泽地电渗科技有限公司