滨海软土地基电渗加固方法研究

来源 :浙江大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bobo20092009
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我国滨海地区分布着大量高含水率、高孔隙比、高压缩性、低抗剪强度的软弱土。对于高含水率滨海软土地基如滩涂淤泥,往往需要对其进行排水固结处理以提高抗剪强度供直接应用或后期二次处理。电渗法具有工期短、设备安装方便、不易造成地基失稳等优点,为高含水率、低渗透性细颗粒软黏土的加固处理提供了一种较好的解决方案,但同时也存在电极腐蚀、能耗较高等工程问题。本文对前人的文献进行了总结,对软土电渗的一些常用概念包括模型试验量纲分析等进行了讨论。从改善电渗效率、提高电渗处理效果等工程应用角度,对滨海软土地基电渗加固进行了研究。首先,对宁波滩涂淤泥进行了成分分析和粒径分析,针对滩涂淤泥电渗过程中常见的电极表面腐蚀,采用纯铝、不锈钢、黄铜等3种典型电极材料进行电极表面腐蚀预处理后开展电渗加固模型试验,在排水量、含水率、通电电流、有效电势、电渗运移量等方面进行了分析。恒电流条件下,纯铝和不锈钢电极的电化学腐蚀速率基本保持不变,满足Faraday定律;黄铜电极的初期电化学腐蚀速率基本不变,后期表面钝化严重使电化学腐蚀速率降低。在1 V/cm的电势梯度下,不同电极材料排水效率从高到低的顺序为纯铝>不锈钢>黄铜。纯铝和不锈钢电极的阳极表面腐蚀对电渗的不利影响极小,不是电渗效率降低的主要原因;黄铜电极的电渗效果较差,电渗过程中的表面腐蚀更劣化了排水效果。建议工程中尽量避免采用材料表面腐蚀严重影响电渗效果的金属作为电极。电极-土的界面电阻主要由电极表面腐蚀产生的膜层电阻和电极面积变化引起的收缩电阻构成。在纯铝表面腐蚀对电渗效果影响较小的前提下,通过改变电极面积比,引入Holm电接触理论,从收缩电阻角度研究了纯铝电极的电极面积与通电电流的关系,建议工程中采用拟合方式确定电极面积的最优值。然后,采用电势梯度和电极间距两种电渗处理中的常用控制因素,进行了等电极间距变电势梯度和等电势梯度变电极间距两类工况下的电渗模型试验,获取电渗过程中的排水量、通电电流和能耗系数等试验结果,进一步研究能耗系数与电势梯度、电极间距的关系。等电势梯度变电极间距工况下,能耗系数随电极间距的扩大而增大,两者基本上呈线性关系。考虑起始电势梯度的电渗流方程推导的能耗系数与试验能耗系数均值符合更好,通过拟合曲线可得到宁波滩涂淤泥的起始电势梯度和理论经济电势梯度。在电极设置方向为垂直、水流方向为水平的实际工程中,土体过水断面面积和界面电阻不影响电渗能耗系数,建议在电渗处理工程中优先采用电渗能耗系数最低的经济电势梯度,同时尽可能缩短电极间距以降低能耗,推荐选用价廉的新型电动土工合成材料降低材料成本。最后,基于水力渗流和电渗流可叠加原理等基本假设建立饱和软土一维、二维电渗固结方程,并根据电极布置形式和常用的边界条件对土体的孔压和固结度进行了求解。对不同的电渗透系数与水力渗透系数比值进行了数值模拟,对比土体的超负孔隙水压力分布情况,结果表明电渗法更适用于处理低渗透性粘土;考虑电渗过程中土体的孔隙水体积变化,采用有效排水通道概念进行电渗排水解析。对原孔隙水占用的空间完全不压缩和原孔隙水占用的空间完全压缩两种极端情况,计算了考虑界面电阻的电渗排水量、电渗排水速率、土体孔隙率变化曲线。提出存在起始电势梯度的情况下,土体电渗过程中有效电势梯度逐渐降低会导致土体水分不能完全排出的假定;通过对不同阴阳极布置工况的电渗试验结果,计算土体电势分布,结合平均有效电势差试验数据和土体电势分布计算结果说明了阴极面积不变,扩大阳极面积能够显著提高平均有效电势差,进而提高电渗排水速率;阳极面积不变,扩大阴极面积虽然扩大了排水通道,但不能显著提高平均有效电势差,电渗排水速率提高不明显。从节约电极材料的角度,建议在工程中重点考虑阳极的布置形式,减少阴极使用量。
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