一种智能分区电解减饱和土工格栅及其使用方法

1.本发明涉及一种电解减饱和土工格栅及其使用方法，尤其涉及一种智能分区电解减饱和土工格栅及其使用方法。


背景技术：

2.砂土地基作为一种常见的土质地基，在地震荷载等动荷载作用下通常会产生砂土液化现象，即在动荷载作用下，砂土间的孔隙水压力上升，导致颗粒悬浮，致使宏观上表征为固态的砂土地基转变为液态流体现象，并由此引发了一系列液化灾害问题。
3.眼下关于砂土地基的抗液化处理除了传统的土加固法、桩基法，还有以减饱和法为代表的新型抗液化方法；其中，减饱和法是以通过减低液化地基饱和度的方式来提升地基抗液化强度的；而电解减饱和则是通过电解土体中的孔隙水，生成h2、o2的方式实现减饱和加固的目的。
4.专利号：cn201520267825.x等文件已对砂土地基电解减饱和抗液化方法进行了公开，现有的电解减饱和措施主要集中于桩体类型研究，其减饱和处理区域集中于桩体附近，由于桩体自身的成本较高，且施工成桩过程中存在最小桩间净距的要求，使得其在水平向(即径向)的电解减饱和处理区域面积较小。对于导电格栅这类价格较低、且能实现水平层的大范围抗液化处理的工艺并未有过相关研究。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明目的是提供了一种智能分区电解减饱和土工格栅及其使用方法，以土工格栅作为导电电极板，利用通电电解地基中的孔隙水生成气体的方式降低地基饱和度，能够实现大面积、智能分区电解减饱和。
6.技术方案：本发明包括砂土地基，砂土地基中沿其深度方向间隔铺设有多层格栅，每层格栅均包括若干格栅块，每层格栅均与蓄能设备及智能分析系统连接，且相邻层的格栅连接不同的极性，相邻层的格栅之间埋设有多个饱和度监测器。
7.所述格栅为导电土工格栅，所述导电土工格栅底部包裹有土工布，电解的同时限制液化地基的变形。
8.所述导电土工格栅由导电金属丝与导电纤维压膜制成。
9.所述格栅块为导电格栅块，相邻导电格栅块之间采用格栅绝缘连接头相连。
10.所述饱和度监测器与蓄能设备及智能分析系统连接，利用预埋饱和度监测器测量任一相邻层、对应土工格栅块间的地基饱和度s，并由智能分析系统测出相应区域的电阻率值。
11.所述导电土工格栅的端部通过绝缘接头统一连接后再与蓄能设备及智能分析系统连接，通电电解时以竖向相邻层对应的导电格栅块作为电极板，相邻层的导电土工格栅连接直流电源的不同极性侧，相同层的不同格栅块之间极性相同。
12.一种智能分区电解减饱和土工格栅的使用方法，包括以下步骤：
13.步骤1，安置导电土工格栅及饱和度监测器；
14.步骤2，设置各区域的标准电阻率值；
15.步骤3，智能动态电解。
16.所述步骤1具体包括：将导电土工格栅自下而上铺垫于砂土地基中，同一层的不同导电格栅块之间利用绝缘材料相连，层间埋置若干饱和度监测器，导电土工格栅及饱和度监测器与蓄能设备以及智能分析系统连接。
17.所述步骤2具体包括：分层、分块通电电解砂土地基中的孔隙水，使对应区域的地基饱和度降低，并确定砂土地基的标准电阻率值。
18.所述步骤3具体包括：当智能分析系统监测到某一区域砂土地基中的电阻率不在标准电阻率值范围内时，系统将对该区域对应的导电格栅块自动通电电解，直至该区域的电阻率值重归标准电阻率值。
19.有益效果：
20.(1)本发明通过导电土工格栅作为电极板来电解孔隙水的方式，不仅可以有效提升砂土地基的抗液化性能，同时，格栅自身的抗拉能力与摩擦作用还能起到一定的加筋补强作用，确保砂土地基具备足够的强度；
21.(2)通过电解孔隙水生成气泡的方式，在保障提升砂土地基抗液化能力的同时，规避了土加固法、桩基法等传统抗液化方法的环境不友好、经济代价高等缺点；智能分析系统的存在，实现了分区域监控电阻率值r和饱和度值s，以及分区域进行动态电解的目的，对电阻率值r和饱和度值s双重指标的共同验证将有效提升砂土地基的安全性；
22.(3)导电土工格栅可在液化砂土地基中起到三维智能分区域电解的目的，在相同成本条件下，较桩基电解的方式可实现更大面积的减饱和抗液化处理，且特别适用于吹填土地基；
23.(4)电解减饱和的效果与砂土自身的性质、电极板材质及间距、电流大小等因素有关，比如在一定范围内通电电流越大、电极板布置越近、砂土孔隙水含导电离子越多，则电解减饱和的效果越好，反之亦然；本发明采用分层布置格栅的方式，可在重点需要电解的区域进行加密布置，最终实现现有桩基础所不具备的智能分区电解功能。
附图说明
24.图1为本发明的正面示意图；
25.图2为本发明中同一水平层的导电格栅分块连接示意图；
26.图3为本发明中不同水平层的导电格栅示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步说明。
28.如图1至图3所示，本发明包括砂土地基7，砂土地基7中沿其深度方向间隔铺设有多层导电土工格栅，层间距为5～300cm，每层导电土工格栅均由多个导电格栅块连接而成，相邻导电格栅块之间采用格栅绝缘连接头11相连，其材质为绝缘树脂，不同层导电土工格栅之间填充砂土。每一层导电土工格栅的端部通过绝缘接头8统一连接后再通过导线3与蓄能设备1以及智能分析系统4连接。通电电解时以竖向相邻层对应的导电格栅块作为电极
板，相邻层的导电土工格栅连接直流电源的不同极性侧，相同层的不同格栅块之间极性相同。蓄能设备1与太阳能电板2连接，满足整个电解减饱和格栅系统的长期供电需求。
29.通电电解水所用到的相关方程式如下所示：
[0030][0031]
阳极：4oh-‑
4e-＝2h2o+o2↑
[0032]
阴极：4h
+
+4e-＝2h2↑
[0033]
相邻导电土工格栅之间埋设有多个饱和度监测器5，饱和度监测器5与导电格栅块对应，用于监测上下层相邻导电格栅块之间的土体的饱和度。饱和度监测器5与蓄能设备1以及智能分析系统4连接。利用预埋饱和度监测器5测量任一相邻层、对应土工格栅块间的地基饱和度s，并由智能分析系统4测出相应区域的电阻率值r，初次电解时，分别依次对相邻层对应的导电格栅块进行通电，电解液化地基中的孔隙水以降低饱和度，并规定其饱和度降至88％～94％时对应的层间电阻率值为标准电阻率值r1、r2。
[0034]
地基饱和度s与电阻率r之间的转换关系为：
[0035]
ρ＝(100(r
a-rb))/ra＝s
(-n)-1
[0036]
式中，：地基土层电阻率变化率；ra：通电电解前地基土层电阻率；rb：通电电解后地基土层电阻率；s：地基土层饱和度；n：与土质信息相关的常数，砂土一般取2.0。
[0037]
后续使用中当智能分析系统监测到某一区域的电阻率值超出对应区域的标准电阻率值范围或某一区域的饱和度s≥94％时，则对相应区域的相邻层对应的导电格栅块进行通电电解，实现竖向分层、水平分块电解，以及动态控制可液化地基饱和度的目的。
[0038]
如图2和图3所示，导电土工格栅由加捻后的导电金属丝10与内掺炭黑的导电塑料纤维9压膜制成，并在导电土工格栅块底部包裹土工布6，电解的同时限制液化地基的变形。通过电解砂土地基中的孔隙水，生成h2、o2以降低地基饱和度，最终实现提升土体的抗液化性能的目的。
[0039]
本发明的使用方法包括以下步骤：
[0040]
步骤1，导电土工格栅及饱和度监测器的安置
[0041]
将导电土工格栅按照平铺、分层、覆盖土工布6的方式自下而上铺垫于砂土地基7中，同一层的不同导电格栅块之间利用绝缘树脂材料相连，不同层土工格栅间采用级配良好的砂土颗粒分层堆积，层间距25cm，层间埋置若干饱和度监测器5，每一层格栅的端部通过绝缘接头8统一连接后再通过预埋的导线3与地面的蓄能设备1以及智能分析系统4连接；饱和度监测器5也与蓄能设备1以及智能分析系统4连接。同一层的不同导电格栅块连接到蓄能设备1的相同极性侧，不同水平层导电格栅则连接到蓄能设备1的不同极性侧。
[0042]
步骤2，设置各区域的标准电阻率值
[0043]
分层、分块通电电解砂土地基7中的孔隙水，使对应区域的地基饱和度降低，当某一时刻电解区域的若干饱和度监测器的平均值分别为88％～94％时，记录此时的对应电阻率值为标准电阻率值r1、r2，由此逐层、逐块确定砂土地基7的标准电阻率值r1、r2。
[0044]
步骤3，智能动态电解
[0045]
后续路基投入使用阶段，当智能分析系统4监测到某一区域砂土地基7中的电阻率值r不再处于标准电阻率值r1、r2的控制范围或某一区域的饱和度s≥94％时，系统将对该区域对应的导电格栅块自动通电电解，直至r值重归标准电阻率值r1、r2的控制范围以及饱和
度s＜94％；此外，考虑到格栅自身受力形变等影响，还需每隔1～2月重复测定标准电阻率值r1、r2的大小。

技术特征：
1.一种智能分区电解减饱和土工格栅，其特征在于，包括砂土地基，砂土地基中沿其深度方向间隔铺设有多层格栅，每层格栅均包括若干格栅块，每层格栅均与蓄能设备及智能分析系统连接，且相邻层的格栅连接不同的极性，相邻层的格栅之间埋设有多个饱和度监测器。2.根据权利要求1所述的一种智能分区电解减饱和土工格栅，其特征在于，所述格栅为导电土工格栅，所述导电土工格栅底部包裹有土工布。3.根据权利要求2所述的一种智能分区电解减饱和土工格栅，其特征在于，所述导电土工格栅由导电金属丝与导电纤维压膜制成。4.根据权利要求1所述的一种智能分区电解减饱和土工格栅，其特征在于，所述格栅块为导电格栅块，相邻导电格栅块之间采用格栅绝缘连接头相连。5.根据权利要求1所述的一种智能分区电解减饱和土工格栅，其特征在于，所述饱和度监测器与蓄能设备及智能分析系统连接。6.根据权利要求3所述的一种智能分区电解减饱和土工格栅，其特征在于，所述导电土工格栅的端部通过绝缘接头统一连接后再与蓄能设备及智能分析系统连接。7.采用权利要求1～6任一项所述的一种智能分区电解减饱和土工格栅的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，安置导电土工格栅及饱和度监测器；步骤2，设置各区域的标准电阻率值；步骤3，智能动态电解。8.根据权利要求7所述的一种智能分区电解减饱和土工格栅的使用方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：将导电土工格栅自下而上铺垫于砂土地基中，同一层的不同导电格栅块之间利用绝缘材料相连，层间埋置若干饱和度监测器，导电土工格栅及饱和度监测器与蓄能设备以及智能分析系统连接。9.根据权利要求7所述的一种智能分区电解减饱和土工格栅的使用方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：分层、分块通电电解砂土地基中的孔隙水，使对应区域的地基饱和度降低，并确定砂土地基的标准电阻率值。10.根据权利要求7所述的一种智能分区电解减饱和土工格栅的使用方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：当智能分析系统监测到某一区域砂土地基中的电阻率不在标准电阻率值范围内时，系统将对该区域对应的导电格栅块自动通电电解，直至该区域的电阻率值重归标准电阻率值。

技术总结
本发明公开了一种智能分区电解减饱和土工格栅及其使用方法，包括砂土地基，砂土地基中沿其深度方向间隔铺设有多层格栅，每层格栅均包括若干格栅块，每层格栅均与蓄能设备及智能分析系统连接，且相邻层的格栅连接不同的极性，相邻层的格栅之间埋设有多个饱和度监测器。本发明通过导电土工格栅作为电极板来电解孔隙水的方式，不仅可以有效提升砂土地基的抗液化性能，同时，格栅自身的抗拉能力与摩擦作用还能起到一定的加筋补强作用，确保砂土地基具备足够的强度；通过电解孔隙水生成气泡的方式，在保障提升砂土地基抗液化能力的同时，规避了土加固法、桩基法等传统抗液化方法的环境不友好、经济代价高等缺点。经济代价高等缺点。经济代价高等缺点。


技术研发人员：陈育民 谭舒亮 李长春 李平 王琼婷 姚肖飞
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/8/1