电渗-无膜真空-透水石柱联合加固地基结构及施工方法

本发明涉及基建工程技术、造陆工程、软土地基处理，尤其涉及电渗-无膜真空-透水石柱联合加固地基结构及施工方法。

背景技术：

1、随着经济蓬勃发展，人类居住和其他领域对土地的需求不断扩张。特别是在沿海地区，随着工业化和城镇化进程的加速，土地需求显著增加。为了解决土地紧缺的问题，沿海城市广泛采用疏浚淤泥吹填陆域或围海造陆，成为土地开发的重要方式之一。然而，吹填区域的原状土地基以及吹填土均普遍存在高含水率、高压缩性、抗剪强度较低以及渗透系数小等对工程施工不利的特性，在进行工程建设之前，必须改善原状土和吹填土的工程性能，以满足工程建设的要求。

2、目前，吹填土下的原状软土需进行单独处理，通常在吹填之前进行真空预压处理，或在吹填完成之后，将排水板插入原状土层；然而，将真空排水板竖直插入较深的原状土，抽真空排水过程中，容易使真空排水板弯折，导致原状土中真空度损失严重而大大降低处理效果；并且在吹填之前进行真空预压处理的施工周期长、费用高；另外，对于采用竖向排水板的真空预压处理，在排水板周围形成土柱，导致水平面上固结效果不均匀。透水石柱是一种具有较高经济性的软土加固方法，其原理是将碎石灌注至地基钻孔内，形成石柱-土复合地基，可显著提升地基排水效率和承载能力；透水石柱需要与较大的堆载预压配合使用，然而在软土地基进行堆载施工的难度较大，较大的堆载过程显著延长了工期，并且作为一种“被动式”排水固结方法，时常达不到预期加固效果。因此，提出一种位于吹填土之下的原状软土有效加固方法具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种电渗-无膜真空-透水石柱联合加固地基结构及施工方法。

2、为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种电渗-无膜真空-透水石柱联合加固地基结构，所述地基包括不透水基层和布设在其上的原状土层，所述加固地基结构包括：

4、透水石柱，为多根，其相互间隔且竖直穿置在原状土层内；

5、吹填土层，为两层，且依次设置在原状土层之上；

6、阳极组件，其设置在原状土层与吹填土层之间；

7、导电排水板组件，设为阴极组件，其设置在两层所述吹填土层之间，且与所述阳极组件上下相对；

8、电源组件，其正极与阳极组件连接，其负极与作为阴极组件的导电排水板组件连接，所述电源组件连接至阳极组件或阴极组件的线路上设有控制其供电通断的开关，当所述电源组件供电连通时，阳极组件和阴极组件之间形成电势差，以使多层原状土层内的水分穿过具有较高渗透性的透水石柱过渡至吹填土层，并沿作为阴极组件的所述导电排水板方向富集；

9、真空排水组件，与所述导电排水组件连接，且用于将富集至所述导电排水板组件的水分抽出。

10、作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述透水石柱为在原状土层振冲成孔后，灌注碎石和挤密石料后制得；其中，灌注的碎石石料颗粒级配良好、无风化侵蚀。

11、作为一种较优的实施选择，优选的，所述透水石柱埋设于原状土层中，透水石柱点位形式可设为矩形、三角形等，本方案多根所述透水石柱之间的间距为0.5～2m，且其直径为0.4～0.8m，成型所述透水石柱的碎石的粒径为20～50mm，其含泥量小于5％且无风化侵蚀。

12、作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述阳极组件包括多个电极板，所述阴极组件的导电排水板组件包括多个导电塑料排水板，所述电源组件连接至阳极组件、阴极组件的线路上均设有分流器，所述电源组件的阳极和阴极分别通过一级电缆与所述分流器连接，所述分流器通过多股二级电缆分别与阳极组件、阴极组件对应的导电塑料排水板连接。

13、作为一种较优的实施选择，优选的，本方案多根所述透水石柱在阳极组件所在布设位置的竖直投影位于阳极组件的多个电极板之间。

14、作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述阳极组件和所述阴极组件的多个导电塑料排水板均间隔布设，且多个导电塑料排水板上均设有电极，其中，所述电极的宽度l与相邻导电塑料排水板上电极的间隔布设间距h的比值为5～15；该在比值下，便于原状土中的孔隙水分能够顺利穿过阳极进入到第一层吹填土中。

15、作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述真空排水组件包括：

16、真空过滤主管，其一端连接有多根支管，且多根支管与所述阴极组件的多个导电塑料排水板一一对应且连接；

17、水气分离器，其一端口与所述真空过滤主管的另一端连接，其另一端口连接有真空泵，由真空泵提供负压作用力，使真空过滤主管通过多根支管将富集至导电塑料排水板的水分引导真空过滤主管上，且由水气分离器进行水气分离和暂存或外排；以实现对原状土层和吹填土层的含水率调控和地基结构的加固。

18、本方案中，电源组件、阴极组件、阳极组件等部件构成了电渗系统；而阴极组件采用的多个导电排水板组件与真空排水组件等部件构成了真空预压系统。

19、基于上述，本发明还提供电渗-无膜真空-透水石柱联合加固地基结构的施工方法，其包括：

20、s01、在原状土层上确定透水石柱的布设位置，然后在原状土层上钻出预设深度的孔洞，在其中灌入碎石，再经挤压处理后，完成透水石柱成型；

21、s02、在原状土层上铺设阳极组件，然后将阳极组件与电源组件的正极连接；

22、s03、吹填第一层吹填土，使其覆盖阳极组件；

23、s04、在第一层吹填土上铺设作为阴极组件的导电排水板组件，然后将阴极组件与电源组件的负极连接，同时，将作为阴极组件的导电排水板组件与真空排水组件连接，使得所述电源组件供电连通时，阳极组件和阴极组件之间形成电势差，以令多层原状土层内的水分沿作为阴极组件的所述导电排水板组件方向富集，再由真空排水组件将富集至所述导电排水板组件的水分抽出，即，在电渗作用下产生的负孔压作用使得原状土层的水(通过透水石柱和阳极间隙)移动至吹填土层，然后从原状土层引进的水和吹填土层的水受电渗和真空作用被抽出；

24、s05、吹填第二层吹填土，使其覆盖阴极组件；

25、s06、启动真空排水组件进行预压阶段排水，同时，监测吹填土的土体含水率；

26、s07、当吹填土的含水率处于70％～90％时，电源组件供电连通，使得阳极组件和阴极组件之间形成电势差，以令多层原状土层内的水分沿作为阴极组件的所述导电排水板组件方向富集，再由真空排水组件将富集至所述导电排水板组件的水分抽出，以实现地基土体的排水固结，即，在电源组件、阳极组件的电极板、阴极板配合产生的电渗作用下产生的负孔压作用使得原状土层的水通过透水石柱和阳极组件的间隙，然后移动至吹填土层，再由电渗联合真空作用将吹填土层水分及原状土层引入水分抽出。

27、基于上述，本发明还提供一种软土地基处理方法，其应用有上述所述的电渗-无膜真空-透水石柱联合加固地基结构或上述所述的施工方法。

28、基于上述，本发明还提供一种造陆工程施工方法，其应用有上述所述的电渗-无膜真空-透水石柱联合加固地基结构或上述所述的施工方法。

29、本方案适用于在需进行地基加固处理的原状软土区域进行吹填的造陆工程；主要工作原理如下：

30、通过将阳极组件的电极板水平铺设在原状土之上，阴极组件的排水板(可以为多个导电塑料排水板)水平铺设在两层吹填土中间；当阳极组件、阴极组件通电后，在电场作用下，阴极组件、阳极组件之间形成电势差，以此驱动阳极组件处的孔隙水往阴极组件移动，同时在阳极形成更大的负孔隙水压力；继而在真空排水组件的真空预压作用下，阴极组件的排水板产生负孔隙水压力，进一步增大阳极负孔隙水压力。由于阳极组件的排水板与原状土之间存在压力差，使得原状土中孔隙水将流向孔隙水压力较小的阳极组件；而由于本方案在原状土中设置透水石柱，利用透水石柱的高渗透性，其容易将负孔压传递到土体较深处；进而促使原状土层中的孔隙水渗透至透水石柱中，并在压力差作用下向阳极移动；同时阳极组件的多个电极板在铺设布局上与透水石柱点位交错，因此，孔隙水水流路径经透水石柱穿过阳极组件的电极板间隙，继续往阴极移动；在吹填土堆载作用下，也一定程度加快了原状土中孔隙水流向透水石柱。最终，孔隙水在阴极组件的排水板中汇集，通过真空泵将水抽出，进而实现原状土地基排水固结；另外，透水石柱加固原状软土并形成复合地基，可有效增强原状土地基的承载能力。

31、采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：

32、1.本方案为针对需进行地基加固处理的原状土地区吹填的造陆工程，其通过巧妙设计电渗系统、真空预压系统以及透水石柱与原状土-吹填土地基形成的加固结构，通过透水石柱将电渗-真空预压系统形成的负孔隙水压力传至原状土地基深处，促使原状土中孔隙水通过透水石柱快速流向吹填土层，实现原状土的排水固结，可显著缩短施工工期，提高施工效率，同时有效降低地基处理成本。

33、2.本方案无需在吹填之前对原状土进行传统的真空预压处理，或在吹填完成之后，将排水板插入原状土层，可有效避免竖插真空排水板易弯折、真空度降低等缺点，同时可显著缩短工期，降低原状土处理成本。

34、3.本方案的吹填土作为一种外加荷载，与透水石柱联合使用，可加速原状土中孔隙水的排出。透水石柱与原状土形成的复合地基，可有效增强原状土地基承载能力。

35、4.本方案在真空滤管之上覆盖吹填土层，取代真空膜，避免了真空膜容易刺破的问题，节约费用，同时对于上覆吹填土有一定排水作用，增大了一次性处理土方量。

36、5.本方案采用水平电极，有利于促进土体整体沉降，确保土体固结过程中电极受到均匀的土体承载力，使水平面上土体固结效果均匀，避免了常用竖向导电排水板容易发生变形和弯折的问题。