软粘土一维非线性电渗固结试验与理论研究

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软粘土广泛分布在我国沿海、湖泊和河流地区,近年来,由于土地资源紧缺以及发展需要,这些地区越来越多的得到开发,因软粘土具有含水量高、压缩性高和抗剪强度低等不良特性,必须对这种特殊地基进行处理。传统的地基处理方法,例如:堆载预压法、真空预压法以及堆载-真空联合方法等,受制于土体的水力渗透系数,前期的处理效果较好,后期排水固结缓慢,甚至不能达到预期的效果。电渗法不受颗粒粒径的影响,即与土体的水力渗透系数无关,既能排出土内自由水,也能排出弱结合水,在软粘土地基处理中表现出良好的效果,近年来在许多实际工程中得到应用。虽然国内外学者已经对电渗法进行了大量的理论和试验研究,也取得了较多成效,但是仍然存在亟待解决的问题,如电渗特性的非线性、电渗透系数变化等问题。  因此,本文在已有研究工作的基础上,利用自行研制的室内饱和软粘土电渗模型试验装置,进行了多组不同条件下的电渗试验,研究了该粘土的电渗特性。在此基础上,发展了一维非线性电渗固结理论。本文主要研究成果如下:  1、对某重塑软粘土进行了常规土工试验。其中变水头渗透试验表明,水力渗透系数与孔隙比关系满足Taylor提出的半对数经验公式;  2、对上述重塑软粘土进行的多组电渗透系数试验表明,电渗透系数在电渗过程中并非是恒定的,而是变化的,并且符合Mitchell and Soga提出的关于电渗透系数的经验公式;  3、在改进的室内电渗模型试验装置上,进行了三组通电电压不同的电渗固结试验,模拟实际电渗过程,监测土体内电流、电势分布、土体沉降以及排水量随时间的变化规律。试验结果表明,增加电势梯度对提高排水固结效果有限,需平衡效果和成本之间关系,选取合适的电势梯度;电渗处理过的土体其固结程度是不均匀的,可能会为后期施工带来影响,需提前考虑处理措施;电渗过程中,土体电势分布并非都是线性的,而是有偏离线性的趋势;  4、在上述实验的基础上,考虑到土体水力渗透特性和电渗特性的非线性,推导出一维非线性电渗固结控制方程,引入有限差分法进行求解,并用Fortran编制了程序。数值模拟表明,和线性电渗理论不同,土体内负孔隙水压力呈现非线性分布,阳极附近负孔压比阴极附近减小的更快,从阳极向阴极,负孔压随着电渗的发展逐渐减小,且阳极附近最小负孔压较线性理论解析解更大,阴极附近较线性理论解析解则更小。总体来看,土体水力渗透特性和电渗特性的非线性将会使得电渗固结速率变慢。
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