对称及非对称形式下点状电极单元的二维电渗固结研究

针对同性电极间距较大时电渗固结模型的计算,依据电极排布形式提出点状电极单元的概念。基于点状电极单元模型,建立点状电极单元的二维电渗固结理论,采用Galerkin法进行控制方程的离散,给出电势场、孔压场控制方程的有限元形式;基于Python语言开发点状电极单元的二维电渗固结计算数值模块PyEcFem,并进行对称单元的二维效应数值研究以及非对称单元的电渗固结计算,同时进行试验验证。研究表明:(1)排水边界数量早期对排水速率起主要作用,电渗后期阳极数量对排水速率影响较大,非对称单元的排水效果以及负孔压幅值均要高于对称单元。(2)对称单元中,电极间距比能够描述同性边界上的电势跌落幅度,同性电极间距越小,二维效应系数越小,两者之间满足负指数关系。(3)非对称单元的电渗固结中,单元排水能力的限制会导致电渗初期阴极区产生孔隙水压力堆积现象,产生局部的正超孔隙水压力,该现象会影响负孔隙水压力的变化速率以及极值。     

高真空击密法加固机理研究及应用

强夯法处理饱和软土地基的关键是孔隙水的排出和超孔隙水压力的快速消散。该工法既是针对这一关键问题进行研究和提出解决办法的。本文第一遍高真空排水固结通过特制与安设的高真空排水设备的排水,可迅速在所需处理的土体范围内生产高真空,促使孔隙水和孔隙气体快速排出而导致土体固结。随之而插入的高真空管作用下产生孔隙水压力差而加速孔隙水排出与超孔隙水压力消散,进一步导致土体的排水固结。高真空排水对饱和软土的固结作用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

非饱和黏土的一维电渗排水解析理论

采用饱和土的电渗固结理论通常会高估非饱和状态下土体的电渗排水能力。基于流体质量守恒原理、Darcy定律以及电渗流方程,采用指数函数描述土水特征曲线及水力渗透系数与电渗透系数和吸力间的关系,建立非饱和黏土的一维电渗排水控制方程,推导孔隙水压力、体积含水率及排水量的解析方法,并开展试验验证。在此基础上,分析饱和电渗透系数与水力渗透系数比值(k_e/k_s)、减饱和系数(α)以及残余体积含水率(θ_r)对非饱和黏土电渗排水特性的影响。结果表明,电渗排水量随着饱和电渗透系数与水力渗透系数的比值以及减饱和系数的增大而增大,且均呈非线性关系;土体持水性对非饱和土体的电渗排水性状影响显著。所提出的解析解可为非饱和黏土的电渗排水设计及效果评价提供参考。     

增压式真空预压气体运移加固机制模型试验研究

针对增压式真空预压法加固超软土过程中气体运移路径和加固作用机制认识不统一的问题，设计进行探究气体运移路径的增压式真空预压试验和增压式真空预压水平排水板试验。通过对比分析土体排水量、孔隙水压力值、沉降量、十字板剪切强度和含水率等试验结果，得到以下结论：增压式真空预压加固超软土过程中，进行注气操作后气体首先向土体表面方向运移。同时，结合注气操作时的实时孔压变化情况，分析认为注气操作提升土体排水固结效果的主要作用机制为：进行注气操作时，增压气体的上升会带动深层孔隙水向浅层运移，使深层孔隙水在浅层被排水板快速吸收并排出，以此提高深层土体加固效果和整体排水效率。     

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。     

外荷载随时间变化下考虑起始电势梯度的一维电渗固结解析解

将起始电势梯度的概念引入电渗固结理论，基于相关假定建立了外荷载随时间变化下考虑有效电势衰减的一维电渗固结控制方程，利用变量代换和分离变量法获得了电渗固结通解，并给出了常见加荷形式下解析解的表达式。将退化解与已有解析解进行比较，并将所提解与有限差分解展开对比，验证了所提解答正确性。基于所提解析解，分析了相关参数对软土地基电渗固结特性的影响。结果表明：起始电势梯度的存在降低了超孔隙水压力绝对值和沉降量；水力渗透系数的减小有利电渗排水固结过程的进行，且电渗透系数与水力渗透系数比值越大，沉降量越大、电渗排水固结效果越好；当采用电渗联合堆载预压法加固时，电渗作用可降低因外荷载引起的正超孔隙水压力的最大值，提高固结排水时土体的稳定性。     

堆载-真空联合预压下的未打穿竖井地基固结理论

针对现有未打穿竖井地基固结计算方法存在的不足,提出一种固结度简化计算方法,将未打穿竖井地基分成包含竖井和不包含竖井的两层土体分别进行计算.该方法基于连续排水边界条件的思想,考虑了上下层土体间的孔压连续性.在堆载–真空联合预压下分别推导得到顶面排水且底面排水(PTPB)和顶面排水且底面不排水(PTIB)条件下的超静孔隙水...     

真空预压联合堆载法加固吹填淤泥地基室内试验研究

针对传统真空预压法加固吹填淤泥地基过程中,存在真空应力小,孔隙水压力消散过慢,深层土体加固效果欠佳,加固后地基标高不够等缺陷,提出了真空预压联合堆载法,即在真空预压真空度稳定后通过堆载满足后期机械进场施工之前宕渣所需的回填,分别采用5Kpa、10Kpa、15Kpa的砂袋堆载方式进行,以增加地基土的标高和总应力,从而增大了排水效率,快速有效的加固了吹填土。试验结果表明,采用真空预压联合堆载法能够加快孔隙水的消散,加速了土体的固结,加固后的土体剪切强度、含水量均优于普通真空预压法,说明真空预压联合堆载法能够更好的加固吹填土淤泥地基。     

动扭剪荷载作用下非饱和黄土动力特性试验研究

通过对黄土的动扭剪试验研究了非饱和黄土的动孔隙压力特性、动强度特性以及振陷变形特性。非饱和黄土在动扭剪试验过程中，随着轴向变形的发展，孔隙气压力逐渐上升，而孔隙水压力则基本保持不变或后期略有升高，且非饱和黄土和饱和黄土的强度及变形特性存在明显差异；同时，分析了含水量、固结应力和固结比对黄土动力特性的影响。     

真空预压–电渗联合作用下软黏土非线性大变形固结模型

基于分段线性差分法,建立轴对称真空预压–电渗耦合非线性大变形固结模型,可用于分析真空预压、电渗任意组合形式下的软黏土大变形固结问题。模型充分考虑固结过程中土性参数的非线性变化并采用FORTRAN编写计算程序,分别采用小变形解析解和大变形固结试验验证模型的准确性,模型在小变形情况下与现有解析解吻合,大变形情况下与室内试验实测值接近。开展真空预压与电渗不同组合形式下的工况分析,结果表明:真空预压–电渗联合作用的固结效果优于单一工法;不同真空预压与电渗组合形式下,土体最终平均沉降量接近,电渗滞后工况对降低能耗效果最好;为进一步降低能耗,工程中应将真空预压–电渗组合工况的固结度控制在80%以内。     

非饱和硬土的长期固结特性探讨

利用室内一维固结试验研究了非饱和硬土在受到长期荷载作用下的固结特性。研究发现非饱和硬土的长期固结曲线在"反S"型趋势后继续下弯,揭示了非饱和硬土内部超静孔隙气压力和超静孔隙水压力的分段消散过程。温度对于非饱和硬土长期固结特性的影响较为明显,随温度的升高,固结速率明显增大。非饱和硬土并不一定能完全满足高速铁路地基土的设计要求,实际工程中还要根据土体性质、排水条件、上覆荷载等条件进行综合判定。     

不同真空加载条件下吹填土固结特征

在吹填土加压固结过程中,吹填土的固结过程与真空加载过程密切相关。为了分析吹填土固结强度增长过程与真空荷载条件的关系,本文在室内开展了真空加压砂井下排水方式的吹填土固结试验。试验结果表明:吹填土固结与渗透路径的长短、荷载大小、真空泵的容量、荷载持续时间密切相关;在加固初期,由于蒸发等环境因素的影响,各参数表现出两端小、中间大的特征;随着真空荷载作用时间延长,距离竖向排水体一定距离的土体各工程地质参数的变化情况与深度不相关;距离排水体较近的土体孔隙水压力变化明显,施加荷载孔隙水压力按照一定幅度下降,持续施加荷载一定时间,孔隙水压力消散幅度不断减小。在加固时应做好加荷过程的控制,以期在较短时间内达到预期的加固效果。     

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。     

考虑有效电压衰减的二维真空预压联合电渗排水固结解析解

以指数函数描述电渗过程中有效电压随时间衰减,建立考虑水平向和竖向的二维真空预压联合电渗排水固结理论,推导超静孔隙水压力的解析解,给出平均固结度的计算公式,并采用数值解进行对比验证。在此基础上,设真空度随地基深度线性减小,分析有效电压衰减速率、残余有效电压及真空度衰减率对地基固结性状的影响。研究表明:电压衰减越慢或残余有效电压越大,地基中的孔压消散越快,最终加固效果越好,但固结速度反而越慢,其中有效电压衰减速率对固结度的影响大于残余有效电压;真空度沿深度的衰减率越大,孔压消散越慢,形成的负超静孔压最大值越小,但对固结度几乎没有影响。     

线性堆载下软黏土一维电渗固结理论与试验分析

 考虑线性堆载下水流和电流的相互作用以及孔隙水压力的消散情况,通过将单向渗流固结过程的普遍方程推广到电渗领域,建立线性堆载下软黏土一维电渗固结方程,并给出阴极排水、阳极不排水和阴阳极都排水2种情况下孔隙水压力和平均固结度的解析解。通过参数和试验分析,研究最大堆载和加载速率对孔隙水压力消散的影响,以及电压对理论固结度和试验固结度的影响,绘制不同最大堆载和加载速率时,单面排水和双面排水下孔隙水压力消散曲线、不同电压下理论固结度和试验固结度变化曲线。结果表明：最大堆载和加载速率越大,孔隙水压力消散得越快,同时最大堆载和加载速率对双面排水的影响要比对单面排水的更大;电源电压越大,理论固结度和试验固结度的增长速度都越快,在相同时间段内试验固结度的变化幅度小于理论固结度的变化幅度。     

降低电渗能量消耗的理论与试验研究

针对电渗中后期土体在电极附近产生横向收缩裂纹导致土体电阻显著提高的现象,提出逐级增加电压电渗法.试验证明,逐级增加电压电渗法通过合理控制输出电源电压大小和某一级电压的作用时间,调节电渗过程中孔隙水压力的发展以适应土体强度在电渗过程中的变化,从而减缓和延缓电渗过程中裂缝出现的时间和裂缝发展的程度,有效减小了电渗过程中裂缝处的能量损耗.