一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置及方法

本发明属于岩土与地下工程地基处理领域，具体涉及一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置及方法。

背景技术：

1、我国经济最发达、基础设施建设最密集的沿江沿海地区普遍分布软黏土，由于其含水量高、孔隙比大、抗剪强度低和压缩性高等特点，在工程建设中易产生较大变形，因此在施工前需要对软黏土进行加固。电化学注浆加固法是一种扰动较小的软黏土加固方法，通过在被加固土体两端插入电极通以直流电，并注入化学溶液，在电势的作用下，使阳极溶液中的阳离子向阴极移动，阴极溶液中的阴离子向阳极移动，阴离子和阳离子结合生成胶结物质。同时土体中的水也跟着水化阳离子向阴极运动，使软粘土排水固结。总体提升了软黏土地基的不排水剪强度，是一种较为成熟的软土地基加固的方法。但由于电化学注浆加固法普遍存在电势传递效率降低、土体加固不均匀、加固强度低等问题并未得到广泛的使用。co2碳化固化技术作为一种低碳固化软弱土体的新技术可以快速且大幅提高土体的强度，但目前未将该技术应用于深层地基的加固，且co2碳化固化技术施工扰动较大，无法做到定向加固。因此，综合以上两种技术，研发一种施工扰动小、加固土体均匀、加固强度可靠和加固强度提升快的软弱土体定向加固方法是目前软土地基处理领域迫切需求。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置及方法，通过电化学注浆加固与碳化固化技术组合，能够显著的定向提升预加固范围内的软弱土体强度，同时该加固方法施工扰动小且加固范围内的土体加固均匀；该方法为绿色、低碳土体加固技术提供新的方向。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置，包括：插入软土地基中的定向电化学注浆装置和co2碳化装置。所述电化学注浆装置包括阳极和阴极电极管和化学溶液注浆管。所述电极管的阳极加固电极和阴极加固电极通过导线连接集线箱并通过集线箱与电源连接。所述化学溶液注浆管一端接入电极管内部，另一端接入阳极和阴极的化学溶液池。所述co2碳化装置中的碳化管放入加固范围内的土体内并接入通气管，通气管的另一端与co2瓶相连，在通电一定时间后打开通气阀门进行碳化。所述电极管采用不锈钢管，电极在加固范围内开孔方便注入化学溶液，在加固范围外包裹一层绝缘涂层以防止未加固范围内的土体产生电势。所述电极管开孔范围内均用土工布包裹。所述阳极电极管与阴极电极管在加固范围内的土体分别排成一排交叉分布。所述加固范围内土体表面均铺设密封膜。

4、软土定向加固增强的电化学与碳化组合方法，包括以下步骤：

5、（1）设计预定加固范围的电极管，在加固范围内开孔以便注入化学溶液，在加固范围外包裹绝缘涂层；

6、（2）采用土工布包裹电极，在预定位置打入电极管，将电极管与通电装置连接；

7、（3）将通气管与碳化管连接，在预定位置打入碳化管后将通气管与co2瓶连接，并在地表铺一层密封膜；

8、（4）配置阳极和阴极的化学溶液，将化学溶液注浆管一端接入两极电极管内部另一端接入化学溶液池；

9、（5）接通电源的同时，打开化学溶液注浆阀门，加固范围内的土体形成电势，注入阳极的离子在电势的作用下向阴极流动，注入阴极的离子在电势的作用下向阳极流动；

10、（6）通电一定时间后，打开通气阀门注入co2，通气一定时间后关闭通气阀门，以此重复交替进行碳化。

11、所述装置对地基进行的电化学注浆和碳化均发生在预加固范围内，其他位置的土体不产生影响，另外通电过程中常伴随着电极腐蚀的情况，需及时更换电极。

12、本发明的有益效果为：

13、1. 本发明采用电化学与碳化组合方法对深层软土层进行定向加固；利用了电势使离子发生移动并生成胶结物质使得该方法在加固过程中施工扰动小、加固强度提升快。

14、2. 电化学与碳化组合的加固技术进一步增强了加固土体的强度，比传统的电化学注浆加固技术的加固效果更加可靠；另外，电极管和碳化管的布置使得待加固区域内的土体加固强度均匀。

15、3. 采用不锈钢管作为电极，节约了成本并提升加固效率；采用碳化技术不仅能增强土体的强度，还起到了固碳的作用，为绿色、低碳加固技术提供新的方向。

技术特征：

1.一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置，其特征在于：插入软土地基中的定向电化学注浆装置和co2碳化装置；所述电化学注浆装置包括阳极和阴极电极管和化学溶液注浆管；所述电极管的阳极加固电极和阴极加固电极通过导线连接集线箱并通过集线箱与电源连接；所述化学溶液注浆管一端接入电极管内部，另一端接入阳极和阴极的化学溶液池；所述co2碳化装置中的碳化管放入加固范围内的土体内并接入通气管，通气管的另一端与co2瓶相连，在通电一定时间后打开通气阀门进行碳化；所述电极在加固范围内开孔方便注入化学溶液，在加固范围外包裹一层绝缘涂层以防止未加固范围内的土体产生电势；所述电极管开孔范围内均用土工布包裹；所述阳极电极管与阴极电极管在加固范围内的土体分别排成一排交叉分布；所述加固范围内土体表面均铺设密封膜。

2.根据权利要求1所述的一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置，其特征在于：所述电极管为不锈钢管。

3.根据权利要求2所述的一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置，其特征在于：加固土层范围内的电极管进行开孔，开孔直径为10mm~20mm，开孔中心间距为100mm~200mm。

4.根据权利要求1所述的一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置，其特征在于：所述碳化管利用气泡石预制。

5.根据权利要求4所述的一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置，其特征在于：所述碳化管与加固深度范围的长度一致，碳化管为圆柱体，直径为20mm~30mm。

6.根据权利要求1所述的一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置，其特征在于：所述化学溶液注浆管为直径10mm的塑料软管。

7.利用权利要求1所述的一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置进行加固的方法，其特征在于：包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的软土定向加固增强的电化学与碳化组合方法，其特征在于：步骤（4）所述的阳极溶液选用1mol/l的氯化钙溶液，阴极溶液选用1mol/l的硅酸钠溶液。

技术总结本发明公开了一种软土定向加固增强的电化学与碳化组合装置及方法，旨在提升预加固范围内土体的强度，涉及土建施工技术领域。该加固装置由电化学加固装置和碳化装置组成，电化学加固装置用来定向注入化学溶液和通电产生预定范围内电势，碳化装置可以在通电过程中向加固范围内的土体均匀通入CO<subgt;2</subgt;；利用电势的作用使注入土体的离子在电极间移动，并发生化学反应生成胶结物质，同时在通电过程中通入的CO<subgt;2</subgt;进一步增加土颗粒间的连接作用，最终达到定向增加土体强度的效果。本发明的加固方法施工扰动小，加固范围可控，加固土体强度可以得到保证，能达到固碳和固化土体的双重效果。技术研发人员：童立元,古文博,刘文源,闫鑫,黄思懿,李洪江,刘松玉受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13