一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置的制作方法
本发明涉及地基加固装置，具体涉及一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置。
背景技术：
1、真空排水预压法是一项加固软土的技术，属于排水固结法的一种，通常采用铺设水平排水砂垫层和设置在软基中的竖向排水体(塑料排水板)的方法。塑料排水板中间是挤出成型的塑料芯板，是排水带的骨架和通道，其断面呈并联十字，两面以非织造土工织物包裹作滤层，芯带起支撑作用并将滤层渗进来的水向上排出，是淤泥、淤质土、冲填土等饱和粘性及杂填土运用排水固结法进行软基处理的垂直通道。芯板采用聚丙烯(pp)和聚乙烯(pe)混合掺配制，其具聚丙烯的刚性和聚乙烯的柔性及耐候性；滤膜采用长纤热扎无纺布，具耐水浸性和渗水性能。其工作流程是，用插板机将塑料排水板插入软土地基，在上部预压荷载作用下，软土地基中空隙水由塑料排水板排到上部铺垫的砂层或水平塑料排水管中，实现软基固结加固。
2、真空排水固结技术采用塑料竖向排水板作为处置材料，但软土中黏粒含量较高，若竖向排水体反滤层的等效孔径过小，或真空加载速度过快，极易造成竖向排水体严重淤堵；其次由于塑料竖向排水体过度弯曲和水平排水垫层中存在真空传递阻力致使局部真空度损失严重。排水体中淤堵现象和真空度损失等共同降低了排水系统的排水效率，削弱了土体中的真空压力作用，最终致使土体的加固效果不理想。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于：如何在保证真空度、排出软土地基水分的同时避免淤堵，提供了一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置。
2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括中空钻杆、排水套管、梯度阻淤透水结构和密封帽；所述排水套管套设在所述中空钻杆内，所述梯度阻淤透水结构设置在排水套管的底部，所述密封帽密封设置于排水套管的顶部；
3、所述梯度阻淤透水结构由外向内依次设置有透水基材、隔离层、封闭层和聚电解质层；所述聚电解质层为负电荷基团磺酸基形成的阴离子聚电解质溶液层；聚电解质层有效作用范围可覆盖至中空钻杆的外侧，所述聚电解质层的有效作用范围r为：
4、
5、q1＝2abchh1r1·nac/656.81
6、其中，
7、
8、其中：a为聚电解质浓度，b为磺酸基占聚电解质溶液的比例，c为磺酸基解离比率，h为聚电解质层的高度，h1为聚电解质层的厚度，r1为排水套管半径，na为阿伏加德罗常数，c为单个电子的电量，
9、n1为矿物颗粒表面每平方厘米的吸附点数量，假设单层水分子所占据的每一点都是一个潜在的阳离子点，则表面吸附点的数目为n1≈1015个/cm2，v≈2，为土壤扩散层阳离子的平均化合价，e＝1.6×10-19，mω＝18，为溶剂分子量，n0为土壤溶液浓度，φδ是吸附层电位，k为玻尔兹曼常数，t'为热力学温度，ψ＝0，为黏土颗粒表面的特定吸附势，ε为扩散层溶液的平均介电常数，
10、v为黏土颗粒在软土地基向透水膜的移动速度，k为玻尔兹曼常数，q1为聚电解质层所带电荷，q2为黏土颗粒表面负电荷，m为黏土颗粒的质量。
11、所述中空钻杆包括钻杆本体、排水门、提升件和舱格；所述钻杆本体为中空结构，所述排水门设置在钻杆本体的底部，所述提升件和舱格分别设置钻杆本体的杆壁内，所述提升件连接在排水门上并提升排水门至舱格处。中空钻杆用于插入软土地基，并为排水套管等部件提供安装空间。中空钻杆可以在安装到位后，打开排水门，使其内部的排水套管开始工作。
12、所述排水套管包括套管本体、水平毛细输水管、竖向毛细抽水管、抽芯滑块、导向滑槽、电解液注入管和安装块；所述水平毛细输水管水平设置在套管本体的底部，所述水平毛细输水管的一端穿过聚电解质层后紧贴封闭层，防止聚电解质溶液进入水平毛细输水管，另一端与竖向毛细抽水管固定连接，所述竖向毛细抽水管竖直设置在套管本体内，所述套管本体为双层套管，所述电解液注入管设置在双层套管的内管壁内，所述导向滑槽设置在双层套管的外管壁内，所述抽芯滑块沿导向滑槽上下滑动，所述安装块沿套管本体的竖直高度方向设置，所述抽芯滑块为两个薄壁半环块，所述安装块设置于两个半环块之间，所述竖向毛细抽水管位于对应的半环块内，所述抽芯滑块的底部连接隔离层和透水基材。
13、抽芯滑块由两薄壁半环块组成，竖向毛细抽水管由两个半圆柱状竖向毛细抽水管集成单元组成，组成集成单元为了方便安装、取卸和清洗，中间间隔安装块。安装块不仅用于与密封帽连接，而且将抽芯滑块分为两部分，避免了密封帽上的排水管对抽芯滑块抽动造成干扰，抽芯滑块可以从密封帽直接抽出。
14、所述聚电解质层和封闭层的厚度之和与所述套管本体的内管壁厚度相同，所述隔离层和透水基材的厚度之和与所述套管本体的外管壁厚度相同。
15、所述导向滑槽有多个，所述抽芯滑块的外围对应设置有多个导向凸起，所述导向凸起套设在对应的导向滑槽内。抽芯滑块可以根据工况将隔离层和透水基材进行替换。
16、所述密封帽包括密封帽本体、汇水层、补注口、抽水接口、排水管、抽气管、压力表和安装接口；所述密封帽本体上设置有安装接口，所述安装接口与所述安装块连接，所述抽水接口设置在安装接口的两侧，所述抽水接口连接对应的竖向毛细抽水管，所述抽水接口的出口斜向连通汇水层，所述汇水层与排水管连通，所述排水管上设置排水阀用于将水排出，所述补注口与电解液注入管连通，所述抽气管与压力表设置在密封帽本体上，所述压力表用于检测抽气真空程度。安装时安装接口接入排水套管的安装块上，实现密封帽与排水套管的紧密贴合。
17、所述透水基材为聚酯长丝土工织物。透水基材选用聚酯长丝土工织物，聚酯长丝土工布是聚酯原料经过聚合反应制成的长丝状纤维，单位面积质量为400g/m2，厚度一般为5mm，渗透系数为(10-1-10-2)k(k取值范围为1.1-9.9)，纤维细度为7-9d，化学淤堵和物理淤堵实验显示，聚酯长丝土工织物淤堵实验前后，单位时间流量均大于涤纶短丝土工织物对应位置处的流量，说明在淤堵前后聚酯长丝土工织物的透水性均优于涤纶短丝土工织物。同时，聚酯长丝土工织物具有很好的抵抗化学结晶淤堵的能力和抵抗物理淤堵的能力，主要用于阻滞软土地基中不带电杂质。
18、所述隔离层和封闭层为聚乙烯醇材料制成的透水薄膜。由于聚乙烯醇分子中含有大量的羟基(-oh)，这些羟基能够与水分子形成氢键作用，增强薄膜与水分子之间的吸引力，使隔离层具有强烈的亲水性，从而使得水分子容易渗透到薄膜中。并且，聚乙烯醇在溶解于水的过程中，其分子链会在水中展开，形成一种水溶性的高分子网络结构。这种高分子网络结构能够通过物理吸附阻滞土体中剩余少量、微小电荷黏土颗粒和聚电解质溶液的溶质，黏土颗粒和聚电解质溶液的溶质通常比水分子更大、更复杂，所以它们难以穿过聚乙烯醇的网络结构。所述隔离层采用聚乙烯醇材料制成的透水薄膜，有效地隔离微小电荷黏土颗粒，结合聚电解质层和透水基材共同作用，可以有效防止堵塞水平毛细输水管。
19、所述封闭层同样采用聚乙烯醇材料制成的透水薄膜，用于封闭聚电解质层，防止聚电解质溶液扩散。
20、一种使用所述可抽芯式电荷防淤排水加固地基装置进行排水的方法，包括以下步骤：
21、s1、将中空钻杆及排水套管安装在一起后，打入软土地基指定深度；
22、s2、用密封帽密封排水套管，关闭排水阀，并抽取排水套管内的空气，保证真空度为80％；
23、s3、通过补注口向排水套管的电解液注入管注入聚电解质液；
24、s4、通过提升件，将排水门提升至舱格，并锁定；
25、s5、排水工作开始，打开排水阀，在梯度阻淤透水结构的作用下，带电荷黏土颗粒大部被排斥在中空钻杆外，不带电杂质和剩余少量、微小电荷黏土颗粒被透水基材和隔离层阻隔，水流从水平毛细输水管流至竖向毛细抽水管，然后流至汇水层，经排水管向外排出；
26、s6、排水加固地基完成后，可将中空钻杆连同排水套管一同回收，回收后将抽芯滑块取出用清水冲洗隔离层和透水基材，保证重复使用；
27、s7、若预计排水加固地基时间较长，可在中途关闭排水门和排水阀，将抽芯滑块取出清洗或替换隔离层和透水基材后，再次安装重复上述排水步骤，继续排水，保证排水效率。
28、所述聚电解质液内添加有色电荷指示剂，观察补注口，当聚电解质层电荷作用完成后，电荷指示剂表现为无色，再通过补注口向排水套管补注聚电解质液。
29、黏土颗粒带负电是土体内部性质决定的，因此不管多大粒径的黏土颗粒都带电。透水基材孔径较大，约为0.07mm，在保证排水通畅的同时，阻隔不带电土体杂质；隔离层为聚乙烯醇材料制成的透水薄膜，孔径为0.002mm～0.005mm，因此可阻挡0.005mm孔径以上的黏土颗粒，可防止剩余少数、微小电荷颗粒进入排水通道；聚电解质层作用范围超过中空钻杆的外侧，即可排斥大部分带电黏土颗粒，实现有效防止堵塞水平毛细输水管。封闭层也为聚乙烯醇材料制成的透水薄膜，能够防止聚电解质层的电解液外泄扩散。
30、本发明相比现有技术具有以下优点：本发明在软土地基加固装置中引进负电荷材料，保障排水套管在软土地基排水过程中避免带电黏土颗粒淤堵。同时采用可抽芯式隔离层和透水基材，不仅可将剩余少量、微小电荷黏土颗粒阻隔，实现将黏土颗粒梯度阻隔，同时避免排水体过度弯曲造成的真空度流失，并且使得排水装置具有可修复性，保证装置长期使用，确保排水通畅。
技术特征：
1.一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置，其特征在于，包括中空钻杆、排水套管、梯度阻淤透水结构和密封帽；所述排水套管套设在所述中空钻杆内，所述梯度阻淤透水结构设置在排水套管的底部，所述密封帽密封设置于排水套管的顶部；
2.根据权利要求1所述的一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置，其特征在于，所述中空钻杆包括钻杆本体、排水门、提升件和舱格；所述钻杆本体为中空结构，所述排水门设置在钻杆本体的底部，所述提升件和舱格分别设置钻杆本体的杆壁内，所述提升件连接在排水门上并提升排水门至舱格处。
3.根据权利要求1所述的一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置，其特征在于，所述排水套管包括套管本体、水平毛细输水管、竖向毛细抽水管、抽芯滑块、导向滑槽、电解液注入管和安装块；所述水平毛细输水管水平设置在套管本体的底部，所述水平毛细输水管的一端穿过聚电解质层后紧贴封闭层，另一端与竖向毛细抽水管固定连接，所述竖向毛细抽水管竖直设置在套管本体内，所述套管本体为双层套管，所述电解液注入管设置在双层套管的内管壁内，所述导向滑槽设置在双层套管的外管壁内，所述抽芯滑块沿导向滑槽上下滑动，所述安装块沿套管本体的竖直高度方向设置，所述抽芯滑块为两个薄壁半环块，所述安装块设置于两个半环块之间，所述竖向毛细抽水管位于对应的半环块内，所述抽芯滑块的底部连接隔离层和透水基材。
4.根据权利要求3所述的一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置，其特征在于，所述聚电解质层和封闭层的厚度之和与所述套管本体的内管壁厚度相同，所述隔离层和透水基材的厚度之和与所述套管本体的外管壁厚度相同。
5.根据权利要求3所述的一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置，其特征在于，所述导向滑槽有多个，所述抽芯滑块的外围对应设置有多个导向凸起，所述导向凸起套设在对应的导向滑槽内。
6.根据权利要求3所述的一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置，其特征在于，所述密封帽包括密封帽本体、汇水层、补注口、抽水接口、排水管、抽气管、压力表和安装接口；所述密封帽本体上设置有安装接口，所述安装接口与所述安装块连接，所述抽水接口设置在安装接口的两侧，所述抽水接口连接对应的竖向毛细抽水管，所述抽水接口的出口斜向连通汇水层，所述汇水层与排水管连通，所述排水管上设置排水阀用于将水排出，所述补注口与电解液注入管连通，所述抽气管与压力表设置在密封帽本体上，所述压力表用于检测抽气真空程度。
7.根据权利要求1所述的一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置，其特征在于，所述隔离层和封闭层均为聚乙烯醇材料制成的透水薄膜。
8.根据权利要求1所述的一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置，其特征在于，所述透水基材为聚酯长丝土工织物。
9.一种使用如权利要求1-8中任一项所述可抽芯式电荷防淤排水加固地基装置进行排水的方法，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述聚电解质液内添加有色电荷指示剂，观察补注口，当聚电解质层电荷作用完成后，电荷指示剂表现为无色，再通过补注口向排水套管补注聚电解质液。
技术总结
本发明公开了一种可抽芯式电荷防淤排水加固软土地基装置，包括中空钻杆、排水套管、梯度阻淤透水结构和密封帽；所述排水套管套设在所述中空钻杆内，所述梯度阻淤透水结构设置在排水套管的底部，所述密封帽密封设置于排水套管的顶部；所述梯度阻淤透水结构由外向内依次设置有透水基材、隔离层、封闭层和聚电解质层。本发明在软土地基加固装置中引进负电荷材料，保障排水套管在软土地基排水过程中避免带电黏土颗粒淤堵。同时采用可抽芯式透水基材和隔离层，不仅可将剩余不带电杂质与少量、微小电荷黏土颗粒阻隔，实现将黏土颗粒梯度阻隔，并且使得排水装置具有可修复性，保证装置长期使用，确保排水通畅。
技术研发人员：陶文斌,张志峰,卞夏,杨大海,马声刚,李昊煜,任诗远,任良和,王海辰,李明
受保护的技术使用者：安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23