專利名稱：注氣式真空降水方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地下水降水技術(shù)，特別涉及一種用于增強排水效率的壓力注氣系統(tǒng)，屬 于土木工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，沿江、沿海各大城市經(jīng)濟和基礎(chǔ)建設(shè)蓬勃發(fā)展，并有了進一步的城市發(fā)展規(guī)劃， 港口、機場、道路等工程建設(shè)規(guī)模日益擴大，陸域用地越來越不能滿足需要，將疏浚出來的 淤泥用來填海造陸或構(gòu)造碼頭港口的陸域，這已經(jīng)成為土地開發(fā)的重要手段。但灘地上吹填 的砂或淤泥，含水量高、土質(zhì)較差，若不經(jīng)處理， 一般很難滿足工程建設(shè)對地基的要求。與 吹填土有關(guān)的巖土工程問題越來越突出，核心問題是吹填土的有效處理。吹填土地基的加固措施主要有二灰樁法、深層攪拌樁、堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓、降水預(yù)壓、 電滲排水、真空降水聯(lián)合強夯法等方法。但是，由于吹填土地基的土質(zhì)往往很差，固結(jié)性能 不好，直接應(yīng)用真空、電滲等方法降水均難以奏效，使用二灰樁法、深層攪拌樁也效果不理 想，所以應(yīng)用中一般采用大面積堆載預(yù)壓法或者真空預(yù)壓法，但其排水較慢，固結(jié)時間需要 1 3年。因此，若能夠進一步有效解決軟土地基的降水問題，那么結(jié)合以造價低廉、施工速 度快、加固效果好為特點的強夯法，可以使得地基處理達到很好的效果。可見，在地基處理 中，降水方法至關(guān)重要。同時，在基坑工程及其它地下工程中，也需要高效的降水方法，以 縮短工期。降水方法有很多，主要有輕型井點降水、真空降水、噴射井點降水、電滲井點降水和管 井降水，其中真空降水應(yīng)用非常普遍。真空降水是基于輕型井點降水系統(tǒng)，在系統(tǒng)中增設(shè)一 個高排氣量的真空泵，通過一個平衡器(水氣分離器)進行工作來提高效率的降排水系統(tǒng)。真 空泵排氣量不小于100L/s，系統(tǒng)真空度可達65kPa 90kPa,也有人稱之為高真空，即使在滲 透系數(shù)較低的粘土中，亦能通過形成的新水頭梯度來加快地下水的滲流。對于滲透性較強的 砂土地基，真空降水的效率非常高，但隨著地基滲透性的降低，其降水效率也將大大降低。 如何提高降水效率，這己成為地基處理中的重要問題之一。為此，本發(fā)明采用向地基內(nèi)部注 入壓力氣體，在較大的氣體壓力和真空井點管負壓的雙重作用下，可大大提高土體內(nèi)的滲流 水頭梯度，排水效率得到顯著提高，從而降水工期也明顯縮短。發(fā)明內(nèi)容傳統(tǒng)的真空降水方法主要適用于透水性較強的砂質(zhì)地基，對于其它土質(zhì)的地基，其降水 時間長、效率很低。本發(fā)明在傳統(tǒng)的真空降水方法基礎(chǔ)上，增設(shè)一種用于向土體內(nèi)部注入壓 力氣體的裝置，提供一種能夠顯著提高排水效率、縮短真空降水時間的新方法。本發(fā)明的高效降水目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)-注氣式真空降水方法，是通過向地基土體內(nèi)部注入壓力氣體實現(xiàn)降水的 一邊通過井點 管進行真空抽水， 一邊通過注氣裝置注入壓力氣體，二者在降水區(qū)域形成高梯度的滲流場， 強迫土中水向真空井點管轉(zhuǎn)移，從而達到快速的強制排水目的。本發(fā)明所述的注氣式真空降水方法是注氣嘴周圍形成較大區(qū)域的非飽和土，當(dāng)停止注 氣后，土中水向非飽和區(qū)的低處移動，地下水位將大幅下降，明顯低于真空井點管底部，其 地下水位降低深度也明顯高于傳統(tǒng)的真空降水方法。本發(fā)明所述的注氣裝置由供氣裝置、注氣管、注氣嘴和貫入頭組成，注氣管、注氣嘴和 貫入頭順次連接后插入土體中，注氣管插入土體的深度由注氣嘴的位置要求決定。注氣嘴的 位置應(yīng)低于井點管底部，其深度差異可取井點管間距的0.2 2.0倍。注氣管安裝在井點管之 間的中心位置。注氣嘴直徑小于兩端的注氣管、貫入頭，"中間細、兩頭粗"以避免在注氣裝 置貫入土體過程中土體把注氣嘴的注氣孔堵塞。注氣管、注氣嘴和貫入頭的材料可以是硬質(zhì) 金屬或硬質(zhì)塑料。與傳統(tǒng)的真空降水方法相比，本發(fā)明操作簡單、施工方便，并具有以下突出優(yōu)點1) .本發(fā)明能夠加速土中水的排水效率，縮短地基的降水時間。本發(fā)明所采用的處理方法， 關(guān)鍵在于向土體內(nèi)部注入壓力氣體，通過較大的氣體壓力和真空井點管負壓形成滲流的高梯 度場，大大提高土中水向井點管移動的速率，縮短了降水時間，提高了降水效率。2) .本發(fā)明的降水深度更大。由于本發(fā)明所采用的注氣管底部低于真空井點管底部，注氣 過程中將會在注氣嘴周圍形成較大區(qū)域的非飽和土，所以，當(dāng)注氣式真空降水結(jié)束后，井點 管底部以上的地下水會在重力作用下流到該非飽和區(qū)，降水深度將明顯高于傳統(tǒng)的真空降水 深度。3) .本發(fā)明擴大了真空降水的適用地基范圍。對于粘質(zhì)土地基，傳統(tǒng)的真空降水效率很低。 釆用本發(fā)明的注氣式真空降水方法，則其適用土質(zhì)范圍將可以擴大到粘質(zhì)土地基。4) .本發(fā)明實施容易、造價低。由于本發(fā)明主要的裝置是注氣系統(tǒng)，注氣管直徑較小，其埋設(shè)和拆卸方便，而且注氣中需要的氣體量并不大，所以一般來說，幾臺空壓機就可以滿足 施工的要求。


圖1注氣式真空降水方法的操作原理圖。圖2注氣式真空降水剛結(jié)束后的地下水位示意圖。圖3注氣系統(tǒng)的注氣嘴和貫入頭示意圖。 、圖4注氣管與井點管的平面位置示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明是在傳統(tǒng)的真空降水方法的基礎(chǔ)上，增設(shè)一種用于向土體內(nèi)部注入壓力氣體的裝 置，形成一種新型的注氣式真空降水方法。該處理方法僅僅在原有的真空降水系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)了注氣系統(tǒng)，所以其實施較為方便。如圖1 3所示，其中有l(wèi).供氣裝置；2.注氣管；3. 注氣嘴；4.貫入頭；5.真空泵；6.井點管；7.濾網(wǎng)；8.地基。本發(fā)明中的降水系統(tǒng)主要由兩部分組成注氣系統(tǒng)和傳統(tǒng)的真空降水系統(tǒng)。真空降水系統(tǒng)主要由真空泵5、井點管6、濾網(wǎng)7組成，注氣系統(tǒng)主要由供氣裝置l、注氣管2、注氣嘴 3和貫入頭4組成。注氣管為硬質(zhì)材料(如金屬管材、塑料管材、復(fù)合管材)，采用多節(jié)拼接, 直徑較小， 一般為1.5 3.0cm，對于深度較大的地基，注氣管直徑可適當(dāng)加大。如圖3所示， 注氣嘴(白色段)與貫入頭(灰色段)均為可拆卸的，注氣管、注氣嘴和貫入頭順次相接， 貫入頭利于注氣裝置插入土體。貫入頭直徑與注氣管相同，總長度為注氣管直徑的3 10倍， 而注氣嘴為管壁鉆有注氣孔的圓管，圓管直徑為注氣管直徑的0.5 0.8倍，注氣嘴總長度為 注氣管直徑的3 7倍，注氣孔的孔徑0.5 2.0mm，注氣孔間距取孔徑的5 20倍。由于注 氣嘴直徑比兩端的注氣管、貫入頭都小，所以中間細、兩頭粗，這可避免在注氣裝置貫入土 體過程中土體把注氣嘴的注氣孔堵塞。注氣管插入土體的深度由注氣嘴的位置要求決定。由 于氣體容易往上走，所以埋設(shè)中，注氣嘴位置應(yīng)當(dāng)?shù)陀诰c管底部，其深度差異可取井點管 間距的0,2 2.0倍。注氣系統(tǒng)的目的是提高真空降水效率，所以注氣管與井點管在平面上錯 開布置(如圖4)，注氣管安裝在井點管之間的中心位置。圖1示意了注氣式真空降水系統(tǒng)的操作原理。當(dāng)壓力氣體注入到土體內(nèi)部時，氣體會在 土中向四周擴散，占據(jù)土中孔隙，將土中的水推向遠處。圖中深灰色部分表示土層中含水較 多的區(qū)域。由于井點管底部附近有著了較大的負壓，所以注入土體中的氣體更容易往井點管 方向擴散，同時迫使該區(qū)段的土中水快速向井點管移動，實現(xiàn)快速排水。如果適當(dāng)增加注氣 壓力，那么土體還可能產(chǎn)生劈裂，出現(xiàn)放射狀的微細裂縫，這將加大土體的透水性，加速土 中水向井點管移動，從而提高了排水效率。同時，由于源源不斷地向土體內(nèi)部注入壓力氣體， 所以勢必在注氣嘴附近形成較大區(qū)域的非飽和土區(qū)域，這將十分有利于地基強度的增加。圖2示意了注氣式真空降水剛結(jié)束不久的地下水位情況。注氣結(jié)束的時候，在井點管底 部以上土體中還存在一部分土中水，在重力作用下將流到注氣過程中所形成的非飽和區(qū)域， 進而使得地下水位線在井點管之間形成一個凹谷，水位進一步降低，這明顯優(yōu)于傳統(tǒng)真空降水效果。在傳統(tǒng)的真空降水剛結(jié)束后，水位不會有大的降低，而且井點管之間的水位明顯高 于井點管處的水位，所以，其水位降低深度將明顯低于新型的注氣式真空降水方法所達到的 降水深度。注氣壓力最大值不能擊穿上覆土層，否則注入的氣體若沖破土層，使得壓力氣體無法蓄 在土內(nèi)，那么注氣的效果就是失敗的。因此，注氣壓力的確定，需要在工程中根據(jù)土層性質(zhì)、 地下水位和注氣嘴位置，結(jié)合現(xiàn)場試驗確定最大注氣壓力。在缺乏試驗的時候，注氣過程中 的注氣壓力一般可取注氣嘴深度處的土中孔隙水壓力的L2 5倍，開始注氣的時候取低值， 注氣過程中逐漸增大壓力值，當(dāng)井點管出水很少時，即可增大注氣壓力來提高排水速度。本發(fā)明的具體實施歩驟如下-1) .平整場地；2) .安裝傳統(tǒng)的真空降水系統(tǒng)；3) .在安裝真空降水系統(tǒng)的同時，可進行注氣系統(tǒng)的安裝連接每一個注氣點的注氣管、 注氣嘴和貫入頭，并在井點管之間的中心位置插入土體中，之后將所有注氣管與供氣裝置以 軟管進行連接；4) .開動真空泵和供氣裝置，井點管開始真空抽水，注氣管開始注入壓力氣體；5) .注氣過程中，根據(jù)真空排水情況逐步提高注氣壓力；6) .進行注氣式真空降水，直到?jīng)]有水流排出為止，關(guān)閉真空泵和供氣裝置。
權(quán)利要求
1、一種真空降水方法，其特征在于在安裝傳統(tǒng)的真空降水系統(tǒng)的同時，還安裝了注氣系統(tǒng)向土體注入壓力氣體，促使土中水向真空井點管轉(zhuǎn)移。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，特征在于該處理方法包含以下步驟1) 平整場地；2) 安裝傳統(tǒng)的真空降水系統(tǒng)；3) 在安裝真空降水系統(tǒng)的同時，安裝注氣系統(tǒng)順次連接每一個注氣點的注氣管、注氣嘴和 貫入頭，插入土體中，之后將所有注氣管與供氣裝置以軟管連接；4) 開動真空泵和空氣注入裝置，井點管開始真空抽水，注氣管開始注入壓力氣體；5) 注氣過程中，根據(jù)真空排水情況逐步提高注氣壓力；6) 進行注氣式真空降水，將注氣壓力提高到最高值直到?jīng)]有水流排出為止，關(guān)閉真空泵和空 氣注入裝置。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于注氣壓力需要在工程中根據(jù)土層性質(zhì)、地下 水位和注氣嘴位置，結(jié)合現(xiàn)場試驗確定最大注氣壓力。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，注氣過程中的注氣壓力取注氣嘴深度處的土中 孔隙水壓力的1.2 5倍，開始注氣的時候取低值，注氣過程中逐漸增大壓力值至最高值；當(dāng)井點管出水很少時，則增大注氣壓力來提高排水速度。
5、 實現(xiàn)權(quán)利要求1或2所述方法的注氣系統(tǒng)，其特征在于包括供氣裝置、注氣管、注氣嘴和貫入頭，將注氣管、注氣嘴和貫入頭順次連接后插入土體中。
6、 如權(quán)利要求5所述的注氣系統(tǒng)，其特征在于注氣管插入土體的深度由注氣嘴的位置要求 決定，注氣嘴位置低于井點管底部，注氣嘴與井點管底部的深度差取井點管間距的0.2 2.0 倍。
7、 如權(quán)利要求5所述的注氣系統(tǒng)，其特征在于注氣管安裝在井點管之間的中心位置；優(yōu)選 注氣管網(wǎng)絡(luò)均勻分布在井點管網(wǎng)絡(luò)之中。
8、 如權(quán)利要求5所述的注氣系統(tǒng)，其特征在于注氣嘴直徑小于兩端的注氣管、貫入頭，形 成"中間細、兩頭粗"的結(jié)構(gòu)以避免在注氣裝置貫入土體過程中土體把注氣嘴的注氣孔堵塞。
9、 如權(quán)利要求5所述的注氣系統(tǒng)，其特征在于貫入頭的外徑和注氣管外徑相同，為1.5 3.0cm之間，貫入頭總長度為注氣管直徑的3 10倍，注氣嘴為管壁鉆有注氣孔的圓管，圓 管直徑為注氣管外徑的0.5 0.8倍，注氣嘴總長度為注氣管外徑的3 7倍，注氣孔的孔徑 0.5 2.0mm，注氣孔間距為孔徑的5 20倍。
10、 如權(quán)利要求5所述的注氣系統(tǒng)，其特征在于構(gòu)成注氣管、注氣嘴和貫入頭的材料包括 硬質(zhì)金屬或硬質(zhì)塑料。
全文摘要
本發(fā)明涉及注氣式真空降水方法及裝置，利用了注氣系統(tǒng)向土體中注入氣體來加速真空降水，是一種地基處理中的新型降水方法，其步驟如下平整場地；安裝傳統(tǒng)的真空降水系統(tǒng)；同時可進行注氣系統(tǒng)的安裝連接每一個注氣點的注氣管、注氣嘴和貫入頭，并在井點管之間的中心位置插入土體中，之后將所有注氣管與供氣裝置以軟管進行連接；開動真空泵和供氣裝置，井點管開始真空抽水，注氣管開始注入壓力氣體；注氣過程中，根據(jù)真空排水情況逐步提高注氣壓力；進行注氣式真空降水，直到?jīng)]有水流排出為止，關(guān)閉真空泵和供氣裝置。本發(fā)明技術(shù)實施簡單，工程成本低。該技術(shù)降水效率比傳統(tǒng)的真空降水方法高，降水深度更大，適用于各種地基的地下水降水。
文檔編號E02D3/00GK101215833SQ200810032658
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月15日
發(fā)明者謝立全 申請人:同濟大學(xué)