软土地基电渗固结理论分析与数值模拟

电渗固结是加速软土固结、提高地基承载力的有效技术。传统的电渗固结理论假设土体的物理力学、水力学和电学特性均匀稳定,其理论解答与试验结果差别较大。针对电渗固结处理过程,对土体位移场、渗流场和电场的耦合特征进行了理论分析,根据电荷守恒原理、水流连续原理和Biot固结理论,建立了电渗固结过程的多场耦合控制方程;考虑土体相关特性参数的非线性关系,开发了有限元软件用于分析电渗过程中电场强度、土体位移以及超静孔隙水压力的变化特征。计算结果与理论数据吻合较好,能够反映土体相关特性参数非线性关系对结果的影响。软件能够为电渗固结系统设计提供参考依据。     

大尺寸三维电动-水力渗透协同固结淤泥能耗特性

为解决目前电渗应用的高能耗困境及大尺寸模拟困难等问题,提出针对低渗透性、高含水率土体的电动-水力渗流协同作用的三维固结方法。自行研制了一套阴极-集水-排水协同作用的多功能集排水系统,采用间歇式抽水代替连续抽水。采用三维电动-水力渗流固结系统对取自贡湖湾湿地和白旄堆场的2种不同太湖底泥进行了电渗试验研究,同时对白旄堆场太湖底泥进行了传统一维电渗固结试验,并对2种试验条件下的单位体积排水能耗和单位体积单位排水量能耗等关键指标进行了对比。结果表明：三维集水井设计可大大降低土体阴极附近电阻,间断性提高系统电流,提高排水效率,降低电渗总能耗;间歇式抽水可间歇性降低系统内总电流,利用电动-水力协同作用,保持系统渗流的连续性;三维电动-水力渗流固结系统的电流呈周期性减小—增大模式,并且降低速率较慢,尤其对于有机质含量较高的土体,电渗过程电流始终保持在一个较高的水平,提高了排水固结效率。三维电动-水力渗流固结系统的单位体积排水能耗和单位体积单位排水量能耗分别约为一维电渗系统的2/3和1/30。在高含水量软土固结排水中具有显著的节能效果。三维电动-水力渗流固结系统可以提高排水固结效率、大幅度降低能耗,为...     

高岭土电渗固结特性及数值模拟研究

电渗固结是促进低渗透性软土排水固结的有效方法。为了揭示不同电势梯度影响高岭土电渗固结的基本规律,在自制电渗试验装置上对高岭土进行电渗试验。试验过程中测量电流、排水量、沉降量以及有效电压随时间的变化,并进行单位排水能耗分析。基于电渗固结多场耦合控制方程,实现土体电渗固结全耦合分析的有限元数值方法,计算结果与解析解吻合良好,验证了程序的有效性。为预测不同电势梯度下土体沉降量随时间的变化关系,分别对0.5,1.0,1.5 V/cm 3种电势梯度电渗固结试验进行数值模拟分析,获得模型表面沉降量分布、阳极超静孔隙水压力时空发展规律、阳极位置固结度等曲线,计算结果和试验结果吻合良好,可为实际电渗试验提供理论指导。     

电场-渗流场-应力场耦合的电渗固结数值分析

在非饱和土多孔介质力学理论的基础上,根据电荷守恒原理、质量守恒原理、应力平衡方程、达西定律以及欧姆定律,推导了考虑电场、渗流场以及应力场相互耦合作用的电渗固结理论方程。采用Galerkin加权余量法对电渗固结理论方程进行空间离散,得到其有限元计算列式,编制了相应的计算程序,对室内电渗模型试验进行了数值模拟。结果表明,数值模拟与试验结果基本吻合,表明该电渗固结理论方程能够定量预测电渗固结过程中土体的孔隙水压力和位移发展规律。     

考虑有效电势变化的软土一维电渗固结理论

通过前人研究成果和电渗室内试验,发现了电渗中有效电势先随时间线性减小后保持不变的规律。将此规律作为基本假设,与Esrig一维电渗固结理论相结合,列出了工程中常见的阳极不排水、阴极排水情况下考虑有效电势变化的一维电渗固结方程。求解出了考虑有效电势变化的孔隙水压力和平均固结度的解析式。与实际情况相比,考虑有效电势变化的一维电渗固结理论解较Esrig理论解误差更小,将两理论进行了对比,求出了任意时刻排水量的误差减少量,为实际工程提供参考。     

室内水平电渗排水试验研究

根据多次室内试验,大致掌握了不同电势梯度下非饱和黏性土的水平电渗排水规律,从电渗排水量、排水速率、土体电阻、能量消耗、电渗透系数、耗能系数等方面对电渗进行曲线分析,通过分析大致判断电渗排水的终止条件,可以对未来电渗法的实际操作给出一定的理论依据.试验结果表明:随着通电时间的增加,土体的电阻增大,其电流减小,导致电渗排水的速率降低,出于节能的考虑,可以在电渗末期停止通电,这样做既节能又有利于电渗排水的效果.     

电渗-堆载作用下非饱和土轴对称固结特性分析

地基处理中,电渗常与堆载预压联合使用。基于Fredlund非饱和土三维固结理论和Esrig电渗固结理论及等应变假设,推导出电流场与渗流场耦合作用下,考虑径竖向渗流及涂抹效应的轴对称固结控制方程;利用Laplace变换、解耦技术及Laplace逆变换等方法,得到了时域内的半解析解。然后,将所得解分别退化至饱和土中考虑电渗-堆载联合和非饱和土中仅考虑堆载这两种情况与已有文献结果对比,验证了研究方法的可靠性。最后,通过算例研究有效电压、电-水力渗透系数比和涂抹系数对非饱和土轴对称电渗固结特性的影响。结果表明：超孔隙水压最终产生的负孔压与有效电压成正比;电渗-堆载联合下的非饱和土地基固结可分为两个阶段,分别主要受堆载和电渗影响;电渗联合堆载处理地基时的最终沉降是两种作用分别处理地基时的最终沉降之和,且对于低渗透性的土体,其固结速率将显著提高;此外,施加电压后涂抹系数在同区间内,超孔隙水压消散的速率差距比不考虑电压时的大,且涂抹系数越小,最终产生的负孔隙水压越大。     

电压对一维电渗排水影响的试验研究

在自制的模型箱中进行一维电渗排水试验,通过监测排水量、电势分布、含水率和电流来研究不同电源电压对电渗排水的影响。试验结果表明：较大的电压会导致排出单位体积水所需的能量消耗较高;较大的电压和较短的电渗时间会导致土体含水率分布异常,两极中间最高,阳极附近最低;排水量的逐渐减小是因为电极接触电阻的增大和电渗渗透系数的减小;电极和土体接触面上存在的接触电阻使得实际用于电渗的电压小于电源输出电压,而且电源电压越大,阳极接触电阻随电渗时间增加的速率越快,但是阴极接触电阻在高电压时缓慢增长,在低电压时迅速增大,而这与电渗排水速率有关。     

连续排水边界下考虑变荷载的软土一维非线性固结分析

土体往往具有非线性压缩特性,不同压缩特性下土体的固结规律存在差异。综合考虑土体非线性特性、变荷载作用以及连续排水边界条件建立了一维固结方程。采用无条件稳定的有限差分法和半解析法对固结方程进行了求解,两种解答方法的可靠性通过连续排水边界条件退化以及两种解答结果对比得到验证。在有限差分法解答的基础上,详细分析了界面参数、荷载参数以及非线性参数对土体固结的影响。结果表明：连续排水边界的界面参数取值越大,则超静孔隙水消散速率及土体沉降速率越大,但界面参数取值对最终沉降量没有影响;超静孔隙水压力在加载阶段逐渐增大,在恒载阶段逐渐消散;加载速率越大,则超静孔隙水压力峰值越大,并且土体固结速率越快,说明延长施工周期有利于降低超静孔隙水压力的影响;工程中要准确预测土体固结速率绝非易事,采用固结理论预测时需保证土体模型、边界条件以及土体计算参数等因素的准确性。     

絮凝−真空−电渗联合加固滩涂软土的模型试验研究

针对真空预压作用下排水板淤堵与排水条件受限等问题,提出絮凝−真空−电渗联合加固法。首先通过沉降柱试验确定合适的有机絮凝剂,然后采用该絮凝剂,分别在 48 h（开始介入真空预压,固结度为0 ）、60 h（排水速率明显下降,固结度为60%）及 84 h（排水速率近乎 0,固结度为 80%）时介入电渗,开展不同电渗介入时间的絮凝−真空−电渗联合加固试验。试验从排水量、十字板剪切强度、含水率与孔压等对比分析联合加固的有效性,确定其最佳电渗介入时间。试验结果表明：当固结度为 80% 时介入电渗,絮凝−真空−电渗联合加固法能够有效地抑制排水速率减小的趋势,增长有效排水时间。同时,土体的抗剪强度和承载力亦得到大幅提升,孔压消散更加均匀。此外,在阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的作用下,初始排水速率快,在一定程度上使土体的渗透性得到提升,有效地解决了排水板淤堵问题,说明絮凝−真空−电渗联合加固法具有较强的优越性。     

Wenner法探测淡盐界面的调查研究

本文在理论上对电法探测由数层地质构造组成的海岸带水层的淡盐界面的可能性进行探讨的基础上,对太平洋沿岸某地区进行了实地调查研究.测量设置在海岸附近及分布于海岸纵深方向的调查井铅直方向导电率的同时,在调查井附近进行了电探查.结果表明,电法探测的淡盐界面的深度与依据井水导电率区分的混合区域上端几乎一致,即电法探测的淡盐界面的位置在混合区域的上端.因此,该方法作为一种监测海水入侵的手段是非常适宜的,且与以往的手法比较,也是一种简单、快速、成本低廉的确定淡盐界面深度的方法.     

Primary potentials in cylindrical electro-osmotic cells

A review of literature reveals that regardless of the configuration of electro-osmotic cells, all previous laboratory investigations and interpretations have been based on the assumption of a constant potential gradient in the specimen. Appropriate solutions for electrical potentials for cylindrical cells are presented in this paper.     

Fundamental aspects of prolonged electrokinetic flows in kaolinites

Electrokinetic flows include the migration of fluid, chemicals, fine particles, bacteria, and electrons through a soil–fluid–chemical system driven by an externally applied direct-current (d.c.) electric field. The promising potential of electrokinetic remediation of contaminated fine-grained soils has stimulated recent interest in the study of electrokinetic flow processes, in particular the impact of a prolonged application of a d.c. electric field on fine-grained soils. The results of a bench-scale laboratory experimental investigation on some of the fundamental aspects of prolonged electrokinetic flows in kaolinites, including gas generation rates at power electrodes, electrochemical behaviour of the soil–fluid–chemical system, time variation of electric current intensity flowing through the soil, pH gradient development in the soil, effects of reservoir chemistry on electro-osmotic fluid volume flow rate and flow direction through the soil, time variation of electro-osmotic volume flow rate, and energy requirements per unit volume of fluid transported, are presented in this paper. Effects of soil type and pore fluid chemistry on these aspects were also studied.     

浅论高密度电法测量在划分不同岩性界面中的应用

在浅覆盖区,常规地质填图方法编制的地质图,因地表在划分不同岩性界面中可收集的信息量少而导致填图质量不高,直接影响了地质勘查成果。运用高密度电法视电阻率测量技术,利用不同的电性界面,对底层划分及地质构造的识别等提供有效的科学依据,直接提高了浅覆盖地区在划分不同岩性界面中的真实性和准确性,对矿区岩性划分具有重要的现实意义。     

等电势梯度下电极间距对电渗影响的试验研究

通过室内1:5的模型试验进行了等电势梯度下2 m×1 m和1 m×0.5 m两种工程常见矩形布置电极间距下的软黏土电渗性状的研究。利用监测排水量、排水速率、电流、电势、含水率和pH值等指标,对不同电极间距试样的电渗处理效果、能量效率和电极腐蚀等方面进行了分析。结果表明：保持电势梯度不变而减半电极间距能够加快电渗排水,降低土体含水率,减小能量消耗和电极界面电阻,但也会导致土体pH值变化和阳极腐蚀量的增大。此外,采用较小的电极间距可使损失在电极和土接触面上的电势降减小,但损失的电势降占电源电压的比例增大。     

海岸带咸淡水界面位置确定方法的介绍

Ghyben-Herzberg公式依赖潜水位确定海岸带咸淡水界面位置,被广泛应用但存在误差。Hubbert公式严格描述突变界面问题的水头和界面位置之间的关系,但在实际中难以应用。通过考察咸淡水界面之下咸水带任意点的压力平衡关系和咸水带及淡水带任意点的水头描述得知,当地下水流处于稳定状态且满足Dupuit假设时,可以根据同一垂直线上界面之下咸水带任意点(含界面)的咸水测压水头和界面之上淡水带任意点(自潜水面至界面)的淡水测压水头确定滨海均质各向同性潜水含水层咸淡水界面的位置。Ghyben-Herzberg公式是这一方法的特例,描述界面位置的Hubbert公式也是该方法的一个特例。这一方法需要两个相邻的分别揭露淡水带和咸水带的测压孔。     

针铁矿/水界面反应性的实验研究

选择针铁矿对Pb2+、Cu2+、Cd2+等3种重金属离子的吸附实验,开展矿物/水界面反应性研究.金属离子(M2+)在矿物-水溶液间分配有多种表面反应机制,这些表面反应发生作用的条件主要取决于吸附质水化学性质和矿物表面荷电性,因此,溶液pH值是影响矿物/水界面反应性的关键因素.在不同pH值条件下, 表面羟基可通过发生质子化或去质子化反应而使得矿物表面产生荷电性并发生改变,而金属离子的水解则可显著加快金属羟基配合物的形成,从而进一步增强了矿物/水界面反应.本实验条件下针铁矿表面对重金属离子的吸着量随pH值升高而升高,在一个较窄的pH值范围内吸附率急剧升高,呈S形分布.针铁矿对3种不同的重金属离子的吸附能力的强弱顺序是Cu2+＞Pb2+＞Cd2+.无论是Langmuir方程还是Freundlich方程,都能较好拟合针铁矿对重金属离子的等温吸附过程.Freundlich方程的n值均在0.1～0.5之间,说明重金属离子在针铁矿表面的吸附并不能简单地归结为单配位或双配位模式,可能存在着多种吸附结合形态.表观吸附常数KM值的变化规律,说明重金属离子与针铁矿表面反应模式及其表面吸附形态发生了变化,具体的吸附形态还有待谱学研究进一步证实.     

基于桩土界面摩擦特性和桩周土体应力状态的基桩极限侧阻力分析

结合基桩承载过程中的桩周土体应力状态分析和桩土界面摩擦特性分析,推导出基于土体应力状态的沿桩土界面的土体抗剪强度计算模型和基于界面摩擦特性的界面抗剪强度计算模型。通过对比土体抗剪强度和界面抗剪强度,推导出受该两种强度耦合作用影响的极限侧阻力计算模型,并用上海某工程算例验证该模型的合理性和可行性,同时利用该模型分析不同类型的土的极限侧阻力随埋深的分布规律。结果显示：因内摩擦角和侧压力系数之间的不同关系,极限侧阻力随埋深表现出不同的分布特点,在特定关系下,存在一个临界深度,超过该深度极限侧阻力维持在一个稳定值甚至不断减小直至为零。     

土工格栅与砂土相互作用机制的拉拔试验研究

筋土之间的相互作用机制复杂,是土工合成材料加筋加固应用中的核心问题。通过室内拉拔试验,研究了土工格栅与砂土相互作用机制和格栅几何特征对拉拔阻力的影响。初步揭示了格栅横肋和纵肋在拉拔模式下的作用机制和格栅网格刚度对拉拔阻力的影响。结果表明,在拉拔位移较小时,纵肋摩阻力和横肋被动阻力几乎同步增长;在拉拔位移较大时,纵肋摩阻力逐步达到峰值,拉拔力的增量大部分来源于被动阻力的进一步增长。土工格栅拉伸模量和网格刚度是影响筋土界面力学特性的重要因素。