絮凝–逐级加压电渗法改良疏浚淤泥试验研究

针对电渗法处理疏浚淤泥过程中存在能耗大以及处理后土体不均匀问题,提出采用无机絮凝剂CaCl_2来优化传统电渗法,并在电渗过程中采用逐级加载电压的通电方式处理疏浚淤泥;同时研究在不同加载电压级数和无机絮凝剂CaCl_2掺入比下,絮凝–逐级加压电渗法对疏浚淤泥的加固效果。对疏浚淤泥共进行13组室内模型试验,结果表明:絮凝–逐级加压电渗法有效减小了传统电渗法处理疏浚淤泥过程中非电渗能耗的损失,使得大部分电能都用于电渗排水作用,增加了土体出流量;同时,较传统电渗法而言,有效抑制了电路电流的衰减,提高了电渗中后期排水效率;且絮凝–逐级加压电渗法与传统电渗法相比,阳极腐蚀量更小,处理后土体整体性更好;在絮凝–逐级加压电渗法处理疏浚淤泥过程中,当无机絮凝剂CaCl_2掺入比为1%,且加载电压级数越多,加固效果越好。     

真空预压联合间歇电渗加固疏浚淤泥试验研究

沿海地区疏浚工程产生大量疏浚淤泥。为了研究疏浚淤泥的处理方法,通过室内模型试验,对温州地区的疏浚淤泥进行分级真空预压联合间歇电渗的加固处理,并对间歇通电的时间及间歇逐级加压电渗进行研究。试验过程中监测真空压力、电流、排水量和土表的沉降;试验之后,对土体含水率、十字板剪切强度以及电极腐蚀质量进行测量。试验结果表明:虽然间歇通电时间越长,土体固结效果越好,但间歇通电时长超过24h后,土体加固效果开始减弱;然而,电极腐蚀质量和间歇电渗的平均能耗系数却依然与间歇通电时长呈正相关。此外,分级真空预压联合间歇逐级加压电渗法相比于分级真空预压联合间歇电渗法获得了更佳的土体加固效果,并且其电极腐蚀质量和间歇电渗的平均能耗系数也显著降低。     

板土交界处裂隙发育与化学注浆时间对一维电渗固结的影响

通过一维电渗固结试验,研究了板土交界处裂缝(板土脱开)与注浆时间对软土电渗固结过程的影响。采用紧序注入CaCl_2溶液和Na_2SiO_3溶液的方式,进行注浆时间对照试验。基于沉淀或胶体和离子对电渗固结的综合效应,研究了电流、排水量、土样含水量与抗剪强度、裂缝与体缩,以及电渗能耗等随注浆时间的变化规律。结果表明:板土交界处裂隙(板土脱开)总是先于其他土体裂缝产生,板土脱开导致电流值的急剧减小是造成电渗效果下降的主要原因;一维电渗固结过程中存在板土交界处裂隙发展旺盛时间tcr,以tcr为表征指标确定最佳注浆时间,可达到最佳的电渗效益。为防止在土体中出现明显的含水量突变现象,应尽可能避免在1/3tcr时刻前注浆,在2/3tcr时刻注浆能够实现最佳电渗固结效果。     

电渗法加固软土地基试验研究

 在自制的电渗固结装置上,进行轴对称工况软黏土不同初始条件及通电条件下的电渗试验。通过监测电渗过程中的电流、电势、排水量、抗剪强度、含水率和沉降,对比分析不同条件下的土体电渗固结性状,并得出以下结论：(1) 电渗法对软黏土地基处理效果良好,可达到减少土体含水率、提高土体抗剪强度、减小土体工后沉降等目的;(2) 高电压及高含水率土体的电渗效果好于低电压及低含水率的土体;(3) 含水率及电压相同条件下,间歇通电时的土体电能利用率较高,且电渗后土体的整体差异性较小;(4) 电渗也会造成一定的电极腐蚀,低电压及间歇通电条件下,电极的腐蚀相对较小。     

分级真空预压联合间歇电渗法加固疏浚淤泥宏微观分析

为解决真空预压联合电渗法中的排水板淤堵及电渗能耗大的问题,提出分级真空预压联合间歇电渗法。通过4组室内模型试验,对土体加固过程中的排水量、土表沉降量进行监测,并评估试验后的土体加固效果,探究分级真空预压联合间歇电渗法对于真空预压联合电渗法在土体加固和淤堵效应方面的改进效果。此外,借助扫描电镜获得土体微观结构图片,并通过图像处理软件分析真空预压联合电渗法和分级真空预压联合间歇电渗法处理后土体孔隙特征的变化。试验结果表明:分级真空预压联合间歇电渗法中,分级施加真空压力的方式能缓解排水板淤堵;且间歇通电的方式能减小阳极腐蚀,增大土体电流来促进土体排水。与常规真空预压联合电渗法相比,分级真空预压联合间歇电渗法的排水量和十字板剪切强度分别增加13.2%和19.2%,土体含水率减小13.7%,改善效果十分显著。分级真空预压联合间歇电渗法处理后土体的表观孔隙率、孔隙数和平均孔隙面积更大,土体排水通道畅通有助于排水,且土体孔隙排列更有序,孔隙形态更复杂。     

软土电渗电极转换试验装置研制与等时间电极转换周期试验研究

电极转换常用于改善软土电渗过程中存在的后期电流快速下降、土体两极强度不均等问题,选择合适的电极转换时间周期是决定电渗处理效果的关键因素。针对电极转换时间周期难以确定的问题,自主研制了一种用于室内研究电极转换的试验装置,可以自动转换电极,并排除了大体积模型试验中如土体开裂等因素的干扰,并运用该试验装置进行了等时间周期的电渗电极转换试验。通过试验发现:在电渗初期阶段进行电极转换会使电流升高并持续一段时间;在电渗后期采用等时间周期的电极转换效果不明显,应适当调整电极转换时间周期;电渗后期,排水不畅,升高电压亦没有效果,反而进一步浪费能耗,故不建议在电极转换后期采取升高电压的措施。     

软黏土二维电渗固结性状的试验研究

 利用自制的试验装置,进行轴对称条件下的饱和软黏土电渗固结试验,通过测量电渗过程中的电势、电流和排出的水量以及电渗结束后土体的沉降量和含水率分布,从电渗机制和能量消耗的角度研究土体的性状。结果表明：(1) 土体中的电势不仅与到阴极的距离有关,而且与通电时间有关。轴对称条件下电势以折线形式分布,折点在阴极附近。(2) 土体中的电场强度并不是不变的,当忽略界面电阻的影响时,它随电渗时间线性减小。(3) 在电渗的后期,土体电阻率和能量消耗急剧增加,并且存在突变点。试验证明,可以通过能耗系数曲线来控制电渗时间,减少能量消耗,提高电渗效益。     

低能量强夯–电渗法联合加固软黏土地基试验研究

针对电渗过程中土样开裂造成电阻增大,阳极腐蚀造成界面电阻增大,能量消耗增大且加固效果减弱,极端情况下甚至造成电渗过程中断的问题,以及考虑到强夯法对开裂土体进行处理,不仅使开裂土体重新弥合,更可弥补电渗法的土骨架加密部分的功能缺失。因此,通过低能量强夯联合电渗法室内模型试验与单独电渗试验进行对比分析,分别获得2种试验条件下电路电流、土体出流、土体含水率、土体电导率、p H值等变化规律。研究结果表明:低能量强夯时改善了土体排水路径,使得土体出流表现强于单纯电渗的情况;低能量强夯能够增强电路电流、增强土体密实性以弥补土体裂纹的同时,促进土表沉降发展、改善环向土体处理的不均匀问题和减缓阳极腐蚀发展。在实际工程中,为提高加固效果,低能量强夯重点施加于阳极区土体开裂处,而不对阴极区土体进行强夯;在土体出流量突然变小且阳极区土体干燥时,选取阳极区土体干燥处作为夯点并开始强夯,待所有区域点夯完后,再针对阳极区土体进行低能量满夯,不对阴极区土体进行满夯处理。     

低能量强夯–电渗法联合加固软黏土地基试验研

 针对电渗过程中土样开裂造成电阻增大,阳极腐蚀造成界面电阻增大,能量消耗增大且加固效果减弱,极端情况下甚至造成电渗过程中断的问题,以及考虑到强夯法对开裂土体进行处理,不仅使开裂土体重新弥合,更可弥补电渗法的土骨架加密部分的功能缺失。因此,通过低能量强夯联合电渗法室内模型试验与单独电渗试验进行对比分析,分别获得2种试验条件下电路电流、土体出流、土体含水率、土体电导率、pH值等变化规律。研究结果表明：低能量强夯时改善了土体排水路径,使得土体出流表现强于单纯电渗的情况;低能量强夯能够增强电路电流、增强土体密实性以弥补土体裂纹的同时,促进土表沉降发展、改善环向土体处理的不均匀问题和减缓阳极腐蚀发展。在实际工程中,为提高加固效果,低能量强夯重点施加于阳极区土体开裂处,而不对阴极区土体进行强夯;在土体出流量突然变小且阳极区土体干燥时,选取阳极区土体干燥处作为夯点并开始强夯,待所有区域点夯完后,再针对阳极区土体进行低能量满夯,不对阴极区土体进行满夯处理。     

杭州淤泥质土的电渗电导率特性研究

采用改进的MillerSoilBox试验装置,基于杭州淤泥质土,在3种不同含水量和含盐量下开展电渗试验,从总电导率和区域电导率2个方面分析土体电导率变化规律和分布特征,以揭示杭州淤泥质土的电渗电导率特性。结果表明:不同初始含水量下,土体总电导率相近,均随通电时间逐渐减小,同时土体总电导率与实时含水量呈近似线性变化,线性变化率随初始含水量的增加而降低;不同初始含盐量下,土体总电导率呈现先上升后下降并最终趋于平缓的变化,电渗前期,总电导率峰值随初始含盐量的增大而增大,峰值出现时间随初始含盐量提高而推迟,电渗后期,不同初始含盐量下土体总电导率趋于相近;随着电渗的开展,土体电导率分布不均匀性先逐渐增大后有所缓解,最终阴极附近区域土体电导率与其他区域差异较大;不同含水量或含盐量下,土体电导率分布在电渗前期差异较大,后期趋于相近。研究成果可进一步揭示电渗机制,为电渗法设计计算方法的提出提供理论依据。     

电势作用下非饱和黄土水分迁移试验研究

采用自制的试验装置,基于电渗法试验,笔者对以下问题进行了探究:电渗作用能否导致非饱和黄土土体含水量降低？电势、土体含水量水平等因素对非饱和黄土电渗结果有何影响？非饱和黄土电渗时效如何评价？试验结果表明:在电渗作用下,非饱和黄土试样内的水分从正极迁移向负极,达到降低正极区含水量的目的,说明电渗作用能使非饱和黄土土体内的含水量降低;电渗过程中,沿电渗方向的电势大致呈线性分布,电渗电势越大,降低正极区土体含水量的效果越好;由于正极水化反应增强和土体电阻发热量引起了水分耗损,高电势作用下土体内的含水量水平低于低电势作用土样。在试验土样含水量范围,土体初始含水量越低,电渗作用下正极区土体含水量降低值越大,但初始含水量差异引起的正极区含水量变化的差异性不大。电渗作用下非饱和黄土的水分迁移前期快,后期慢,随着电渗时间的延长,正极区含水量会进一步降低,负极区的含水量会进一步升高。     

考虑电导率变化的电渗固结模型

电渗是一种有效的软基加固技术。电渗过程中,随着土体的排水固结,其电导率会发生明显的变化。利用自行开发的轴对称电渗试验仪开展室内电渗试验,分析电渗过程中土体电导率的变化规律。同时考虑土体电导率的非线性变化特征,发展渗流场与应力应变场耦合的电渗数值分析模型。研究表明：电渗过程中土体内电势分布和电势梯度均会发生变化,考虑电导率变化的数值模型计算结果与试验结果更加接近。数值模拟结果表明电渗处理过程中阳极处沉降最大而阴极处沉降最小;室内试验时,由于阳极处边壁的约束作用,最大沉降则发生在靠近阳极的位置。     

间歇通电联合电极移动作用下电渗法加固滩涂淤泥试验研究

针对电渗法试验中出现的土体抗剪强度不足的问题,基于通电4h、断电30min为最优间歇比,依据试验时间来控制移动电极,展开了间歇通电联合电极移动作用下电渗法加固滩涂淤泥的室内试验研究,通过对比分析排水速率、电流、土样表面沉降等变化规律,研究电极移动时间对加固效果的影响。试验结果表明:间歇通电联合中期移动电极条件下的排水量最大,对于提高后期电渗排水效率是有必要的;间歇通电联合后期移动电极更有助于缓解电流衰减,土体含水率较低,土体整体抗剪强度较高,土体中部加固效果明显改善,土体表面沉降量最大,土体电渗固结效果显著;土体不同测点间的pH值和电导率变化较大。     

EKG电极真空–电渗处理软黏土室内试验研究

针对真空–电渗法在软基处理中存在金属电极易腐蚀,试验后期排水效率低等问题,利用自主研发的装置试验了EKG电极在电渗法、真空预压法、真空–电渗法、阴极直排式真空–电渗法下的排水效果,通过监测排水量、电流、pH值、沉降和处理后的强度等指标将上述方法进行比较,结果表明:(1)真空–电渗法处理后排水量最大,沉降更明显,土体强度更大;(2)阴极直排法在前8 h,排水量高于双侧排水真空–电渗法,土体内pH值更稳定,土体表面更均匀;阴极直排法能在一定时间内改善传统真空–电渗法在阳极真空预压与电渗相互抑制的情况,如果将阴极直排法与双侧排水真空–电渗法相结合,能够为扩大真空–电渗联合法的应用范围提供新的研究思路。     

电渗作用下软土细观孔隙结构

软土细观孔隙结构变化是其宏观变形的根本原因。为了探索电渗中软土细观孔隙结构变化以及与宏观变形之间的关联机制,采用杭州软土开展电渗试验,监测了电渗中土体孔隙结构分布特征和含水量,从定性和定量两个方面对试验结果进行分析。研究发现,电渗过程中,粘土颗粒重新排列形成面面接触的片堆结构,土体孔隙比降低,孔隙空间形态变光滑,结构复杂性减弱。通过含水量计算所得孔隙比较实测孔隙比小,说明电渗排水量大于土体收缩量,这是因为,电渗本质为离子带动水分子的迁移,不能直接引起土骨架压缩。实际工程中,电渗法应与堆载、真空预压等联合使用。     

堆载–电渗联合作用下的耦合固结理论

该理论考虑了水流和电流的相互作用以及地基中孔隙水压力的发展过程,利用等应变等考虑堆载–电渗联合作用的假设建立了轴对称模型的耦合固结方程,并给出了地基中平均孔压和径向固结度的解析解和工程中常用的电极梅花形排布向轴对称排布转化的方法。最后通过参数分析,研究了电源电压和土体的水力渗透系数对平均孔压消散和径向固结度的影响。结果表明:对于堆载–电渗联合作用而言,电源电压越大越好,电渗渗透系数和水力渗透系数比值合适的范围是102～103。     

电渗–真空联合作用下富水黄土的排水固结特性分析

以富水黄土隧道开挖前围岩的快速排水为目的,提出电渗联合真空的方法,并对其排水固结过程进行了理论分析和试验研究。基于多孔介质理论和非饱和土力学原理,建立非饱和土体在电渗–真空作用下电场–孔压场–位移场相互耦合的数学模型,利用有限单元法数值分析土体在电渗–真空作用下的排水固结规律,并结合室内模型试验进一步验证该方法在富水黄土快速排水中的应用效果。研究结果表明：电渗–真空联合作用可以有效的提高土体的排水效率,但当初始渗透率较大时,联合排水后期会出现“孔压反转”现象,这种现象会导致联合排水后期排水效率低下,揭示联合排水后期增大电压并不能有效提高排水效率的机制;电极间距主要对电渗–真空联合排水后期孔隙水压力的变化有较大影响,且阳极电势一定时,孔隙水压力不随电极间距成单调变化。     

淤泥质黏土排水固结的电化学试验研究

本文采用自制的电渗试验装置,对广州南沙区淤泥质黏土进行室内电渗试验,探讨阳极添加氯化钙溶液对电渗加固软土效果的影响。通过监测4组电渗试验过程中电流值、排水量和沉降量的变化,测试电渗后土体的抗剪强度和微观结构差异,进而评估氯化钙下不同浓度的土体电渗固结效果,得出以下结论：在阳极添加氯化钙溶液可以增强土体电导率,提高土体电渗排水量;电场作用下Ca²⁺离子与OH-离子反应生成胶结物质,从而使阴极附近土体抗剪强度显著增大;氯化钙的加入改变了土颗粒接触方式,土体微观结构更加紧密,粒间孔隙显著降低;氯化钙对土体电渗加固效果的提升存在一个限值,本次试验为12.0%左右,超过此限值后,氯化钙的存在反而不利于淤泥质黏土的电渗排水。     

考虑饱和度变化的一维电渗固结模型

现有电渗固结理论和数值模型通常基于饱和土假设,与实际情况有差距。基于分段线性差分法,建立一种考虑饱和度变化的一维电渗固结模型UEC1。该模型考虑了土体电渗固结过程中饱和度的变化及土性参数的非线性关系,并编制了FORTRAN计算程序。UEC1在考虑饱和度变化情况下的计算结果与实测结果吻合。结合算例,给出了考虑饱和度变化情况下的电渗固结数值解,分析了固结过程中孔隙水压、孔隙气压、饱和度及沉降量随时间的变化规律,其中残余饱和度对土体电渗固结沉降量的影响显著。     

电渗注浆加固土遗址片状剥离实验研究

片状剥离是具有二元结构特征的干旱区土遗址常见病害,常规的渗透方法对片状剥离加固效果不甚理想。研究以电渗法为借鉴,通过研制电渗装置并进行常压滴渗和电渗注浆的片状剥离对比渗透加固试验,证明电渗注浆能均匀加固半径与扩展加固深度。在此基础上以硅酸钠溶液进行不同电极布置形式下的电渗注浆渗透试验,通过分析试验过程中电流、注浆量、能耗系数变化遴选出正六边形为最优布置形式。然后以最优布置开展3种加固溶液的电渗注浆现场加固试验和加固土体的相关性质测试,研究结果表明:糯米浆和硅酸钠溶液不适用于电渗注浆加固;SH溶液电渗注浆加固后片状剥离层间黏结紧密,加固区土体贯入阻力、硬度、波速、抗风蚀性能和抗崩解性能均较未加固土体有显著提升。