边坡电渗模型试验及能量分析法数值模拟

采用导电塑料制成的电动土工合成材料(EKG)进行了15.5 d的边坡电渗加固试验,测定了电渗之后土体等含水率分布曲线。试验结果表明,电渗加固效果是随时间从阳极到阴极逐渐扩展的,因此,越靠近阳极接入点的土体加固效果越好,越靠近阴极末端的土体加固效果越差。提出了电渗能量分析法,该方法仅要求黏性土体在排水固结开始的初始时刻是处于饱和状态,而在排水固结进行的过程中土体可以是饱和的,也可以是非饱和的。提出了基于能量分析法的电渗过程数值模拟方法,并对试验过程进行了数值模拟,模拟结果与实测结果能够较为吻合。     

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。     

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。     

电渗排水固结中电极材料的对比试验

采用辽宁沿海地区淤泥质软土对铁、铜、铝和新型复合电极等不同电极材料进行室内电渗排水固结试验,从有效电势、电流、排水量与排水速率、能耗、电渗后土体含水率和承载力等对电渗效果进行分析。新型复合电极材料是由碳纤维、塑料排水板与铁片组成,其充分利用各种材料的优点,既解决了铁与碳纤维直接相连通电后易断的问题,又解决了电极腐蚀严重的问题。多组试验结果表明：新型复合电极材料的电渗排水固结使土体的加固强度提升较高,且相对均匀,加固强度达到160 kPa以上的土体面积占加固总面积的75%,说明新型复合电极材料的优越性。金属电极的腐蚀较为严重,且主要发生在阳极。根据电渗后阳极的腐蚀比,新型复合电极的腐蚀量明显低于金属电极,且新型复合电极可提高加固效果,节约电极材料成本。     

饱和软土大变形非线性自重固结模型

基于分段线性方法,建立了饱和软土一维自重固结模型（简称SWC模型）。该模型能考虑自重固结过程中土体的大变形效应和材料参数的非线性变化。将该模型的计算结果与相关解析解、现场试验及室内试验结果进行了对比验证,证明了SWC模型能准确计算出大变形和非线性条件下饱和软土的自重固结过程,包括沉降量、平均固结度、孔隙比分布和超孔隙水压力分布等参数随时间的变化过程。随后,以现场试验为基础,采用SWC模型对饱和软土自重固结的4个主要影响因素（即土体初始高度、边界排水条件、初始孔隙比和土粒相对密度）进行了参数分析。结果表明,上述4个参数对软土自重固结过程均具有重要影响：土体初始高度越高,则自重固结沉降量和最终平均应变值越大;边界排水条件对土体自重固结的速度有重要影响,但不影响自重固结的最终沉降量;初始孔隙比越大,则自重固结沉降量越大,其完成自重固结所需时间越短;土粒相对密度越大,则土体的最终沉降量越大,完成自重固结所需时间越短。     

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。     

饱和软土大变形非线性自重固结模型

基于分段线性方法,本文建立了饱和软土一维自重固结模型(简称SWC模型)。该模型能考虑自重固结过程中土体的大变形效应和材料参数的非线性变化。将该模型的计算结果与相关解析解、现场试验及室内试验结果进行了对比验证,证明了SWC模型能准确计算出大变形和非线性条件下饱和软土的自重固结过程,包括沉降量、平均固结度、孔隙比分布和超孔隙水压力分布等参数随时间的变化过程。随后,以现场试验为基础,本文采用SWC模型对饱和软土自重固结的四个主要影响因素(即土体初始高度,边界排水条件,初始孔隙比和土粒比重)进行了参数分析。结果表明,上述四个参数对软土自重固结过程均具有重要影响:土体初始高度越高,则自重固结沉降量和最终平均应变值越大;边界排水条件对土体自重固结的速度有重要影响,但不影响自重固结的最终沉降量;初始孔隙比越大,则自重固结沉降量越大,其完成自重固结所需时间越短;土粒比重越大,则土体的最终沉降量越大,完成自重固结所需时间越短。     

饱和软土大变形非线性自重固结模型

基于分段线性方法,本文建立了饱和软土一维自重固结模型(简称SWC模型)。该模型能考虑自重固结过程中土体的大变形效应和材料参数的非线性变化。将该模型的计算结果与相关解析解、现场试验及室内试验结果进行了对比验证,证明了SWC模型能准确计算出大变形和非线性条件下饱和软土的自重固结过程,包括沉降量、平均固结度、孔隙比分布和超孔隙水压力分布等参数随时间的变化过程。随后,以现场试验为基础,本文采用SWC模型对饱和软土自重固结的四个主要影响因素(即土体初始高度,边界排水条件,初始孔隙比和土粒比重)进行了参数分析。结果表明,上述四个参数对软土自重固结过程均具有重要影响:土体初始高度越高,则自重固结沉降量和最终平均应变值越大;边界排水条件对土体自重固结的速度有重要影响,但不影响自重固结的最终沉降量;初始孔隙比越大,则自重固结沉降量越大,其完成自重固结所需时间越短;土粒比重越大,则土体的最终沉降量越大,完成自重固结所需时间越短。     

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。     

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。     

Numerical simulation of elasto-plastic electro-osmosis consolidation at large strain

In this paper, a numerical solution for the electro-osmosis consolidation of clay in multi-dimensional domains at large strains is presented, with the coupling of the soil mechanical behaviour, pore water transport and electrical fields being considered. In particular, the Modified Cam Clay model is employed to describe the elasto-plastic behaviour of clay, and some empirical expressions are used to consider the nonlinear variation of the hydraulic and electrical conductivities of the soil mass during the consolidation processes. The implementation of the theoretical model in a finite element code allows for analysis of the evolution of the transient response of the clay subjected to electro-osmosis treatment. The proposed model is verified via comparison with data from a large strain electro-osmosis laboratory test, to demonstrate its accuracy and effectiveness. Various numerical examples are also investigated to study the deformation characteristics and time-dependent evolution of the excess pore pressure. Finally, a well-documented field application of electro-osmosis is simulated to provide further verification. The results show that the numerical solution is effective in predicting the nonlinear behaviour of clay during electro-osmosis consolidation.     

絮凝−电渗法联合治理淤泥质土试验研究

针对传统电渗法治理淤泥质土过程中排水效率低且治理后土体不均匀等问题,从改变软黏土颗粒自身持水特性角度出发,提出采用新型有机高分子材料阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）联合电渗法治理淤泥质土的思路。利用自制的一维电渗固结试验装置,探究絮凝−电渗法联合作用机制以及不同絮凝剂掺入比对电渗排水加固效果的影响规律。试验结果表明：与传统电渗法相比较,絮凝剂 APAM 的掺入减少了软黏土颗粒表面的结合水膜厚度,使得淤泥质土的前期电渗排水速率和累计排水量显著提升,从而降低了电渗法的平均能耗系数;同时,絮凝剂高分子长链的“吸附架桥”作用增强了土颗粒的黏结力和絮凝沉积效果,有效缓解了电渗过程中细小黏粒迁移集聚而造成的阴极淤堵问题;治理后淤泥质土的抗剪强度大幅增高,土体的均匀性也得到了明显改善,且当絮凝剂 APAM 掺入比为 0.30% 时,土体的电渗排水固结效果最佳。     

指数形式渗流定律下软土非线性大变形固结分析

考虑土中指数形式渗流定律以及土体的非线性固结特性,以超静孔隙水压力为变量在拉格朗日坐标系内建立了软土一维大变形固结问题的控制方程及其求解条件,并运用有限差分法获取其数值解答。在指数形式渗流定律退化为达西定律下,通过将差分解与已有的半解析解进行对比,验证了数值计算的可靠性。最后对指数形式渗流定律下软土一维非线性大变形固结性状进行计算分析,结果表明： 1时,软土的非线性大变形固结速率会随外载增大而减慢; 1时,软土的非线性大变形固结速率会随着外荷载的增加而加快;软土非线性大变形固结速率要比非线性小变形固结速率快,且差别会随荷载增大而加剧;此外,大变形固结理论的最终沉降值要小于小变形固结理论,且差别会随着荷载的增大而加剧。     

电渗前后淤泥质土的物理力学性质对比研究

为深入研究电渗排水对土体工程性质的影响,采用铁丝为电极,在模型箱内对南京市某河道淤泥质土进行电渗排水 模拟试验。电渗前后土的物理力学性质对比分析表明：电渗后土体的液、塑限与塑性指数均降低;电渗前后土体在相同含 水量和干密度情况下进行直接剪切试验,发现电渗后土体的凝聚力和内摩擦角均降低,即电渗后土体在特定情况下出现了 强度衰减的现象。论文基于土中阳离子流失机理对土体在特定情况下的强度衰减现象进行了微观解释。另外,利用提出的 新的电渗机理从微观角度解释了电渗过程中土体开裂现象,阳极因快速失水,最早出现裂隙,但裂隙延展范围较小;阴极 含水量始终高于阳极,且失水速度较慢,裂隙延展范围较大。值得一提的是,在以往的研究中并未关注到电渗加固过程中 土中阳离子流失对电渗后土体性质的影响。     

Electro-Osmotic Consolidation Experiments on an Organic Soil

A series of electro-osmotic consolidation experiments were carried out on an organic soil from the central Sarawak region of Malaysia. Commercially available EVD was used to induce electro-osmosis and drainage of pore water. The influence of the method of drainage and pumping interval of drained water on electro-osmotic consolidation was investigated. The combination of electro-osmotic consolidation and chemical stabilization techniques was investigated by installing lime or cement columns near the anode end of the test bed. The binder factor in the lime and cement columns was varied. The paper presents the experimental set-up, test procedures, experimental program, results and conclusions of the study. Electro-osmosis, using EVDs, was effective in the electrokinetic treatment of the organic soil. The two types of drainage, namely drainage at bottom and drainage tubes, were effective. Electro-osmotic consolidation improved with decrease in pumping interval. The lime and cement columns, used in combination with electro-osmosis, increased the undrained strength further.     

Electro-Osmotic Consolidation Studies on Peat and Clayey Silt Using Electric Vertical Drain

Peat and soft soil deposits are abundant in Malaysia. Studies using electrokinetic geosynthetics (EKG) such as prefabricated electric vertical drains (EVD or ePVD) have shown the potential for the application of these materials in electrokinetic strengthening of soft clays and increasing solids content in mining tailings and sludges. There are no studies reported on the effectiveness of electro-osmosis using EVD in peat. Laboratory experiments were carried out to investigate the effectiveness of electro-osmotic stabilization of two peat samples and a slightly organic clayey silt sample, from the North Sarawak region. Commercially available EVD was used to induce electro-osmosis and drainage of pore water. The influence of voltage gradient, organic content, initial water content, anode–cathode configuration and presence of roots on electro-osmotic consolidation was investigated. Electro-osmotic consolidation using EVDs was effective in the improvement of peat, over a large range of initial water contents. An increase in the voltage gradient generally improved consolidation. The maximum voltage gradient for optimum results appeared to be in the region 120 V/m. The 2anodes-1cathode configuration performed better than the 1anode-1cathode configuration. The presence of roots reduced the electro-osmosis effect.     

Large deformation elastic electro-osmosis consolidation of clays

This paper presents the theoretical background of an elastic electro-osmosis consolidation model for saturated soils experiencing large strains, which considers volumetric strains induced by changes in both the hydraulic and electric driven pore water flows. Three fully coupled governing equations, considering the soil mechanical behaviour, pore water transport and electrical field, and their numerical implementation within an updated Lagrangian finite element formulation, are presented. The proposed model is first verified against a classical one-dimensional analytical solution for electro-osmosis consolidation to demonstrate its accuracy and efficiency. Then, various numerical examples are investigated to study the deformation characteristics and time dependent evolution of excess pore pressure. Finally, the importance of considering large strains in a consistent and proper way is demonstrated, and differences compared to models based on small strain theory are highlighted.     

柔性侧限条件下软土的变形特性及固结模型

软黏土具有含水率高、压缩性强、泊松比大的物理特性。对于深厚软黏土地基而言,在竖向荷载的作用下很难保证侧向变形为0,适当考虑侧向变形的柔性约束条件可能更符合工程实际。因此,提出了柔性侧限条件下的竖向固结试验方法,对原状土样及重塑土样分别进行了不同侧向约束条件下的竖向固结对比试验,分析了侧限条件对软黏土沉降特征及变形参数的影响。试验成果表明,柔性侧限条件下土体的主固结变形量、次固结变形量均较K0侧限条件下的大,主固结完成时间较短,且等时曲线非线性化程度更高。基于试验成果及ε-lgp曲线,引入非达西渗流理论,对一维Terzaghi经典固结理论进行修正,建立了柔性侧限约束条件下的非线性控制方程,此计算模型参数通过柔性侧限固结试验获取,可计算一定侧向变形条件下土体的变形特性,通过对室内试验成果的模拟验证了模型的有效性。     

结构性土一维非线性大应变固结半解析解

以结构性较强的天然饱和软黏土为研究对象,考虑了沉积作用对其自重应力的影响,以及压缩性和渗透性的非线性变化,推导了任意加载条件下结构性土一维大应变固结控制方程,并采用半解析的方法对方程进行求解计算。再将其退化为无结构性的饱和软黏土固结解,与已有的大应变固结解进行了对比,验证了该解的正确性。最后将该半解析解计算结果与小应变固结理论解、不考虑结构性的固结理论解计算结果进行对比分析。结果表明：大应变固结理论的沉降计算值大于小应变固结理论的计算值,且二者的差值随着荷载的增加而增加;当考虑土体的结构性时,地表沉降计算值小于不考虑土体结构性的沉降计算值。