软土地基电渗加固方法研究

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1、软土地基电渗加固方法研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：土木工程研究生：吴辉指导教师：胡黎明副教授二○一五年五月Softsoilimprovementbyelectro-osmosistechniquesDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinCivilEngineeringbyWuHuiDissertationSupervisor:Associat

2、eProfessorHuLimingApril,2015摘要摘要电渗加固技术可以对高含水量、低渗透性的软粘土进行高效快速的排水固结，具有广泛的应用前景。本文总结了电渗加固技术的研究现状，开展电渗固结模型试验，深入了解软土地基电渗固结的宏观规律和微观特性；完善电渗固结理论模型，发展数值计算方法，促进电渗固结技术的推广应用。建立一套电渗加固模型试验系统，实时监测土体电渗加固过程中的宏观物理量时空变化，对电渗前后的土样测量分析其物理化学性质、测试其微观结构和矿物成分变化特性。实时监测的物理量包括出水量、电势、电流、土体位移、pH值等；测试分析的土体特性包括含水量、

3、液塑限、自由膨胀率、zeta电位、阳离子交换量，以及微观结构、化学成分和矿物成分。电渗加固模型试验表明初始含水量和电极材料影响电渗排水过程，电渗作用会改变土体物理化学性质。高岭土的电渗试验结果说明，初始含水量越高，最终排水比例越大，间歇通电效果越明显。钠基膨润土的试验结果表明，活性电极的电渗排水效果比惰性电极好，电渗作用使得阳极处膨润土的塑性指数和自由膨胀率减小，可以有效抑制膨润土的胀缩特性。微观测试表明电渗过程导致膨润土微观结构和矿物成分发生显著变化，是其物理化学性质改变的根本原因。电渗后，阳极附近膨润土样的微观结构从絮状结构变为颗粒堆积结构，孔隙比减小，

4、土样更加密实；粘土颗粒表面双电层中和晶层内的钠离子被替换，导致双电层厚度减小，晶层间联结力增强。这些微观特性的改变进一步导致粘土颗粒吸水能力减弱，因此塑性指数和自由膨胀率减小。试验结果同时说明，钠离子是钠基膨润土电渗排水过程中最主要的微观作用离子。发展和完善考虑土体参数非线性变化的多场耦合理论，反映土体电渗固结过程中渗流场、应力位移场和电场的时空变化特征。研究简化模型的解析理论，推导得到孔压和固结度的解析表达式，提出沉降计算公式，绘制电极间距、沉降和土体电渗参数之间的关系图，可用于指导工程设计。发展数值计算模型，与解析理论和试验结果对比验证其合理性；利用该数

5、值模型，针对复杂工况问题和工程实例进行计算分析，结果表明该模型能合理描述土体电渗固结过程中位移、孔压、应力等物理量的发展变化过程。关键词：电渗加固；宏观现象；微观机理；理论模型；数值模拟IAbstractAbstractElectro-osmosisisanefficienttechniqueforthedewateringandconsolidationofsoftsoilwithhighwatercontentandlowpermeability.Basedonthestateoftheartliteraturereview,thisstudycondu

6、ctedmodelexperimentstofurtherinvestigateboththemacroscopicandmicroscopicphenomenaofelectro-osmosisinsoils,andtounderstandthefundamentalmechanismsforelectro-osmoticimprovementofsoils.Atheoreticalmodelforelectro-osmoticconsolidationandanalyticalsolutionsweredevelopedtodescribetheelec

7、tro-osmoticconsolidationprocess,andnumericalsimulationswerecarriedouttoanalyzepracticalengineeringsituationsandprovidesuggestionsfortheapplicationofthistechnique.Atestingsystemforelectro-osmoticconsolidationwasestablished,whichincorporatemodeltestingfacilitiesforone-dimensionalanda

8、xisymmetricscenario,real-t