电极距对水平电渗排水影响的试验研究

利用室内试验,研究了两种不同电极距对黏土的水平电渗排水规律的影响,从电渗排水量、排水速率、有效电势、能量消耗、阳(阴)极接触电阻方面等对黏土电渗特性进行对比分析。结果表明:减小电极距在一定时间内能够加快电渗排水速率,可以降低阳(阴)极接触电阻,减小电势损失;电渗排水速率与有效电势成正比,而单位耗能量与有效电势成反比。通过对这些规律的研究,有助于我们更好地认识和掌握黏性土水平电渗排水的规律,为解决富含水的黏性土边坡排水问题奠定基础。     

铁和铜电极对电渗效果影响的对比试验研究

对铁和铜电极的电渗效果进行了室内试验研究,通过监测排水量、电极处电势损失、含水率等分析比较了两者对电渗效果的影响,结果表明,铁电极在电渗中的表现优于铜电极。铜作为电渗阳极时,通电4～6 h后其电流有一迅速下降过程,同时阳极电势损失大幅增加。还开展了不同阴阳极材料组合对电渗效果影响程度的试验研究,研究发现阳极材料对电渗效果影响很大,相比之下阴极材料的影响较弱。最后从电化学角度对试验结果作了较为合理的解释。本文首次在电渗过程中发现电化学钝化现象,并指出电化学钝化将大幅降低电渗的效率,实际工程中应避免其发生。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

阳极跟进作用下软黏土电渗固结室内试验研究

在等电势梯度的前提下,针对电渗法加固软黏土地基提出了阳极跟进技术,设计了8组电渗对比试验,对不同阳极跟进方案作用下电渗试验的电流、抗剪强度、排水量、含水率、pH值和土体电导率等指标进行了监测,分析了不同方案下的电渗加固效果。试验结果表明:采用阳极跟进技术时,第1次阳极跟进作用效果最为显著;在电流密度处于高位时进行阳极跟进会在一定程度上降低电渗效率,在电流密度处于低位时进行阳极跟进能够促进电渗作用;针对阴极区土体开展阳极跟进无法获得显著的加固效果。研究结果表明,阳极跟进技术能够降低电路中的阳极区电阻,有效提高电渗加固效果。     

化学电渗法加固软黏土地基对比室内试验研究

基于室内试验方法,开展了阳离子摩尔量、CaCl_2和Na_2SiO_3化学作用等因素对软黏土电渗排水及加固效果的影响规律研究;实测了化学溶液联合电渗试验中排水量与排水速率、土体导电性、能耗以及试验结束后土样含水率、抗剪强度的分布规律,并开展了常规电渗试验作为对比分析。研究结果表明,增加土样中阳离子摩尔量,是增加电渗排水量、提高排水速率及缩短电渗时长的有效方法之一;与常规电渗试验相比,联合注入CaCl_2和Na_2SiO_3溶液的土体平均抗剪强度提高了约120%,较单独加入Na_2SiO_3或CaCl_2溶液多提高约20%;联合注入CaCl_2和Na_2SiO_3溶液对改善电渗处理后土体含水率和抗剪强度分布不均问题作用明显。     

含盐量对软黏土电渗排水影响的试验研究

为了研究土体含盐量对软黏土电渗排水的影响,在自制的试验槽里进行室内一维试验,利用试验数据从排水量、排水速率、能量消耗、含水率和电化学反应等 5 方面对电渗性状进行对比分析。试验结果表明：含盐量对软黏土电渗性状有着明显影响,并存在最佳含盐量;较高的含盐量不利于电渗排水和含水率降低,而且会导致能量消耗、阳极腐蚀量和电渗后酸碱不平衡较大;能量消耗系数、阳极腐蚀百分比和排水速率与电流强度的比值这 3 者都与土体含盐量存在一定的定量关系。试验结果能为判别电渗的工程适宜性提供一定的参考依据。     

电渗电极参数优化研究

为了在电渗设计阶段选择合适的电极间距和长度,采用土体各向同性假设,推导排形布置电渗电极的三维电场强度计算式,并比较不同电极间距和电极长度下电场特性,分析每对电极的电场影响范围。然后,考虑相邻电极对的影响,对电场进行简化。最后以工程实例说明推导方法的应用。结果表明:利用电场强度计算式,在电渗设计阶段可利用设计电渗排水速率来选择合适的电极间距、长度和排距,以满足技术和经济的要求。     

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。     

化学电渗法加固软基位移场观测透明土模型试验

化学电渗法是通过电极添加化学溶液以提高电渗效率、增强加固效果的新技术。基于新型透明黏土材料和PIV技术,开展化学电渗法加固软基透明土模型试验,可视化观测土体内部位移场、排水量等变化规律;着重分析了电压梯度、电渗时长、以及化学溶液浓度等因素对软基加固效果的影响规律。研究结果表明:本文试验条件下,电压梯度每增大0.2V/cm,电流峰值平均增大35%,排水速率峰值平均增大30%;加入化学溶液能降低40%的有效电阻,试剂浓度每增大0.5 mol/L,排水速率峰值平均增幅为25%。     

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。     

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。     

铁、石墨、铜和铝电极的电渗对比试验研究

采用典型的杭州软土,分别在1.58,0.79以及0.53 V/cm的电势梯度下,对铁、石墨、铜和铝电极在电渗过程中的表现进行室内试验研究,从排水量、有效电势、电渗后土体含水量的分布和能耗4个方面对上述4种电极的电渗效果进行分析。结果表明：随着电势梯度的降低,铁、石墨、铜和铝电极电渗效果的差异会逐渐减小;在较高的电势梯度下,铁和石墨电极表现相当,比铜电极要好得多,而在较低的电势梯度下,铁电极的电渗效果优于石墨电极,但二者的表现均略逊于铜电极,铝电极的电渗效果始终是最差的。对比本文与已有研究结果可以得出：较高电势梯度下石墨电极表现较好,而较低电势梯度下石墨电极表现不如铁或铜电极。实际工程中,应针对具体的土壤类型分析其矿物成分或离子组分后再选用最优的电极材料。对于浙江沿海地区软土的电渗加固,建议优先采用铁电极,不推荐采用铝电极。     

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。     

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。