软土地基的电渗固结理论研究与模型试验项目摘要

随着社会经济发展和基础建设的要求，电渗固结逐渐成为有巨大潜力的软土固结脱水高效处理技术。本项目通过一维土柱电渗试验，分析土体物理力学、水力学、电学性质的相关关系；研制二维物理模型试验系统，进行电渗固结试验，研究电场、流场和位移场耦合效应；建立非线性多场耦合电渗固结数学模型，开发有限元数值计算软件，模拟电渗固结过程中的电场、渗流、孔压变化和土体变形规律，与模型试验成果和现场实测数据对比分析，深入认识电渗固结机理，具有重要的学术价值。采用开发的有限元分析软件，结合模型试验和现场试验成果，分析复杂边界条件下电渗固结过程中土体物理力学参数和电场参数的变化规律，预测孔隙水压力、土体变形和工程性质变化过程，研究电渗固结效率的主要影响因素，提出电渗固结技术的优化设计方案，应用于软土地基处理等工程实践，有广泛的工程实用价值。

随着社会经济发展和基础建设的要求，电渗固结逐渐成为有巨大潜力的软土固结脱水高效处理技术。本项目通过一维土柱电渗试验，分析土体物理力学、水力学、电学性质的相关关系，提出了电渗参数随土体孔隙比变化的非线性经验公式；研制轴对称物理模型试验系统，可以进行电渗固结与其它处理技术耦合的模型试验，实时监测电压、孔隙水压力、土体位移等物理量的变化特征，研究电场、流场和位移场耦合效应；建立三维非线性多场耦合电渗固结数学模型，采用土体位移、总水头和电势作为基本未知量，并针对常见工程实际情况对理论模型进行简化，推导了不同边界条件下的孔隙水压力和固结度时空变化过程的解析解；开发有限元数值计算软件，模拟电渗固结过程中的电场、渗流、孔压变化和土体变形规律，与模型试验成果和现场实测数据吻合良好，表明软件可以合理描述电渗固结过程。本项目研究深入认识电渗固结机理，提出非线性多场耦合电渗固结了理论模型，具有重要的学术价值。采用开发的有限元分析软件，结合模型试验和现场试验成果，分析复杂边界条件下电渗固结过程中土体物理力学参数和电场参数的变化规律，预测孔隙水压力、土体变形和工程性质变化过程，研究电渗固结效率的主要影响因素，提出电渗固结技术的优化设计方案，应用于软土地基处理等工程实践，有广泛的工程实用价值。 2100433B

电渗固结在处理软土地基方面具有巨大潜力。本课题拟采用现代微观测试手段，分析电渗过程中粘土矿物组分和微观结构变化、离子与水分迁移规律，建立基于双电层理论和孔隙网络模型的微观力学理论模型，从微观层面分析电渗机理；研制物理模型试验系统，开展电渗固结与真空预压联合作用的常规物理模型试验和离心模型试验，监测电场、位移场和孔隙水压力场的时空分布特征，分析土体电学、渗流、力学等材料参数的变化规律，探讨微观机理与宏观物理过程的内在联系；基于电渗固结微观机理分析，完善非线性多场耦合理论模型，开发数值分析软件，模拟软基电渗固结过程的多场耦合特征；开展软基固结处理的现场试验，深入了解电渗固结的处理效果，改进操作方法与流程。基于理论、试验和数值模拟成果以及现场实测资料开展综合分析研究，提出软基电渗固结处理技术的设计方法和操作规程。本项目研究理论联系实践，具有重要的学术意义和工程实用价值。

电渗固结是具有巨大应用潜力的软土地基加固技术。本课题围绕软土地基电渗固结的相关工程科学问题开展三个层面的研究工作：1. 电渗固结机理层面，本课题采用现代微观分析测试手段，针对特定粘土矿物，分析电渗过程中矿物组分和微观结构变化、离子与水分迁移规律，从微观层面分析电渗机理，了解土体电学、渗流、力学等材料特性的发展演化规律；2. 理论模型层面，本课题基于电渗微观机理完善非线性多场耦合电渗固结理论模型，开发数值分析软件，发展电渗固结设计理论；3. 工程应用层面，开发电渗固结-真空预压联合加固和电化学加固技术，研制物理模型试验装置，系统开展物理模型试验，实时监测电场、位移场和孔隙水压力场的时空分布特征，研究成果可用于软土地基加固的优化方案设计。本课题取得如下研究成果：发表SCI论文11篇，授权国家发明专利1项；获得计算机软件著作权登记2项；培养博士研究生4名，硕士研究生6名；开展国际学术交流与科研合作活动10余次。项目工作圆满完成，达到预期研究目标。本课题研究成果能够推动电渗固结技术在岩土工程中的实践应用，具有潜在的经济和社会效益。 2100433B

软土的非线性压缩和渗透特性以及其中渗流并不完全符合达西定律的现象早已为人们所认识，但考虑非达西渗流的软土非线性固结理论至今尚无, 致使在实际软土地基加固和处理工程设计中目前仍只能被动地采用现有建立在达西定律基础上的固结理论。本项目拟通过系统深入的理论研究,并结合采用GDS高级固结仪进行的试验，建立和发展可考虑非达西渗流的成层软土地基非线性固结理论。在此基础上，全面分析非达西渗流和软土的非线性等因素对软土地基固结性状的影响, 以及基于达西定律的软土固结理论与基于非达西渗流定律的软土固结理论的主要差别和适用范围等。同时，绘制可供实际工程直接使用或参考的相关固结计算曲线和图表。为软土地基加固处理工程提供更为贴近实际、更合理有效的计算理论和技术。 2100433B