大连海相淤泥电渗固结试验研究

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海岸工程的建设和维护中会涌现出大量与海相淤泥排水固结相关的工程问题。由于海相淤泥的低强度和低渗透性的特征,使得使用堆载和真空预压等常用的物理固结方法对其加固时受到一定的限制,而电渗法因为具有排水速率与土颗粒粒径无关、固结过程不会因强度低而失稳破坏等优点被考虑在海相淤泥的加固中,但目前电渗法并没有得到广泛地应用,其主要原因是电渗理论并不够完善、机理复杂多样、能耗过大,且理化性质不同的土样也可能会导致完全不同的电渗效果。因此,有必要进一步开展海相淤泥的电渗试验研究,为实际工程提供参考和借鉴。本文利用自制的装置对大连海相淤泥进行多组电渗试验,根据试验中电势分布、电流和排水量,以及电渗后电极腐蚀量、土体的含水率和抗剪强度等对电极材料、电势梯度和堆载对电渗的影响进行了深入研究,主要工作和结论如下:(1)从微观上讲,电渗法能减少粘粒双电层结构中扩散层的厚度并通过离子的运动带动水分子排出,这也是电渗法的优势所在,而且电渗透系数主要维持在10-5cm2/(V.s)的数量级,受粘粒大小影响较小;基于多点假设的一维电渗固结理论可定性地描述孔压分布规律和土体的固结过程,但有必要通过具体试验研究电渗的排水和加固效果。(2)铁电极在海相淤泥电渗中的表现好于铜和铝电极,具体表现在铁电极的有效电势和电流随时间衰减得较慢、最终排水量较大,电渗加固土体的效果更好。主要原因是铜阳极表面会生成不导电的氯化亚铜,极大地增加阳极-土接触电势损失,减小有效电势和电流,导致电渗过早地结束和额外的电极腐蚀;铝阳极电离的正离子与土体反应生成的胶凝物电导率低,消耗了大量的有效电势,导致阳极周围土体强度较大而整体强度偏低,此外部分铝电极会溶解于阳极酸性和阴极碱性的环境中。(3)电势梯度对电渗影响明显,较高的电势梯度下,土体的电流和排水速率较大、衰减得较快,电渗最终排水量增多,加固后土体含水率更低、抗剪强度增高,但同时平均能耗系数和电极腐蚀量也会相应增加。电极材料和电势梯度对电渗透系数影响很小,长期通电的情况下,电渗透系数有降低的趋势。(4)整体堆载对电渗排水有积极作用,能减小界面电势损失,增加电渗排水速率,且电渗后两极附近土体强度得到明显地提高,但两端加压并不能提高排水速率和最终排水量;电渗加固后土体的稳定性较好,电渗结束后7天的强度与即时强度相差不大、含水率趋于均匀。
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