軟土地基的電滲固結(jié)理論研究與模型試驗(yàn)項(xiàng)目摘要

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)的要求，電滲固結(jié)逐漸成為有巨大潛力的軟土固結(jié)脫水高效處理技術(shù)。本項(xiàng)目通過(guò)一維土柱電滲試驗(yàn)，分析土體物理力學(xué)、水力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系；研制二維物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行電滲固結(jié)試驗(yàn)，研究電場(chǎng)、流場(chǎng)和位移場(chǎng)耦合效應(yīng)；建立非線性多場(chǎng)耦合電滲固結(jié)數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)有限元數(shù)值計(jì)算軟件，模擬電滲固結(jié)過(guò)程中的電場(chǎng)、滲流、孔壓變化和土體變形規(guī)律，與模型試驗(yàn)成果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，深入認(rèn)識(shí)電滲固結(jié)機(jī)理，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。采用開(kāi)發(fā)的有限元分析軟件，結(jié)合模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，分析復(fù)雜邊界條件下電滲固結(jié)過(guò)程中土體物理力學(xué)參數(shù)和電場(chǎng)參數(shù)的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)孔隙水壓力、土體變形和工程性質(zhì)變化過(guò)程，研究電滲固結(jié)效率的主要影響因素，提出電滲固結(jié)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用于軟土地基處理等工程實(shí)踐，有廣泛的工程實(shí)用價(jià)值。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)的要求，電滲固結(jié)逐漸成為有巨大潛力的軟土固結(jié)脫水高效處理技術(shù)。本項(xiàng)目通過(guò)一維土柱電滲試驗(yàn)，分析土體物理力學(xué)、水力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，提出了電滲參數(shù)隨土體孔隙比變化的非線性經(jīng)驗(yàn)公式；研制軸對(duì)稱物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，可以進(jìn)行電滲固結(jié)與其它處理技術(shù)耦合的模型試驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、孔隙水壓力、土體位移等物理量的變化特征，研究電場(chǎng)、流場(chǎng)和位移場(chǎng)耦合效應(yīng)；建立三維非線性多場(chǎng)耦合電滲固結(jié)數(shù)學(xué)模型，采用土體位移、總水頭和電勢(shì)作為基本未知量，并針對(duì)常見(jiàn)工程實(shí)際情況對(duì)理論模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，推導(dǎo)了不同邊界條件下的孔隙水壓力和固結(jié)度時(shí)空變化過(guò)程的解析解；開(kāi)發(fā)有限元數(shù)值計(jì)算軟件，模擬電滲固結(jié)過(guò)程中的電場(chǎng)、滲流、孔壓變化和土體變形規(guī)律，與模型試驗(yàn)成果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，表明軟件可以合理描述電滲固結(jié)過(guò)程。本項(xiàng)目研究深入認(rèn)識(shí)電滲固結(jié)機(jī)理，提出非線性多場(chǎng)耦合電滲固結(jié)了理論模型，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。采用開(kāi)發(fā)的有限元分析軟件，結(jié)合模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，分析復(fù)雜邊界條件下電滲固結(jié)過(guò)程中土體物理力學(xué)參數(shù)和電場(chǎng)參數(shù)的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)孔隙水壓力、土體變形和工程性質(zhì)變化過(guò)程，研究電滲固結(jié)效率的主要影響因素，提出電滲固結(jié)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用于軟土地基處理等工程實(shí)踐，有廣泛的工程實(shí)用價(jià)值。 2100433B

電滲固結(jié)在處理軟土地基方面具有巨大潛力。本課題擬采用現(xiàn)代微觀測(cè)試手段，分析電滲過(guò)程中粘土礦物組分和微觀結(jié)構(gòu)變化、離子與水分遷移規(guī)律，建立基于雙電層理論和孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的微觀力學(xué)理論模型，從微觀層面分析電滲機(jī)理；研制物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展電滲固結(jié)與真空預(yù)壓聯(lián)合作用的常規(guī)物理模型試驗(yàn)和離心模型試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)電場(chǎng)、位移場(chǎng)和孔隙水壓力場(chǎng)的時(shí)空分布特征，分析土體電學(xué)、滲流、力學(xué)等材料參數(shù)的變化規(guī)律，探討微觀機(jī)理與宏觀物理過(guò)程的內(nèi)在聯(lián)系；基于電滲固結(jié)微觀機(jī)理分析，完善非線性多場(chǎng)耦合理論模型，開(kāi)發(fā)數(shù)值分析軟件，模擬軟基電滲固結(jié)過(guò)程的多場(chǎng)耦合特征；開(kāi)展軟基固結(jié)處理的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，深入了解電滲固結(jié)的處理效果，改進(jìn)操作方法與流程。基于理論、試驗(yàn)和數(shù)值模擬成果以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料開(kāi)展綜合分析研究，提出軟基電滲固結(jié)處理技術(shù)的設(shè)計(jì)方法和操作規(guī)程。本項(xiàng)目研究理論聯(lián)系實(shí)踐，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程實(shí)用價(jià)值。

電滲固結(jié)是具有巨大應(yīng)用潛力的軟土地基加固技術(shù)。本課題圍繞軟土地基電滲固結(jié)的相關(guān)工程科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展三個(gè)層面的研究工作：1. 電滲固結(jié)機(jī)理層面，本課題采用現(xiàn)代微觀分析測(cè)試手段，針對(duì)特定粘土礦物，分析電滲過(guò)程中礦物組分和微觀結(jié)構(gòu)變化、離子與水分遷移規(guī)律，從微觀層面分析電滲機(jī)理，了解土體電學(xué)、滲流、力學(xué)等材料特性的發(fā)展演化規(guī)律；2. 理論模型層面，本課題基于電滲微觀機(jī)理完善非線性多場(chǎng)耦合電滲固結(jié)理論模型，開(kāi)發(fā)數(shù)值分析軟件，發(fā)展電滲固結(jié)設(shè)計(jì)理論；3. 工程應(yīng)用層面，開(kāi)發(fā)電滲固結(jié)-真空預(yù)壓聯(lián)合加固和電化學(xué)加固技術(shù)，研制物理模型試驗(yàn)裝置，系統(tǒng)開(kāi)展物理模型試驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電場(chǎng)、位移場(chǎng)和孔隙水壓力場(chǎng)的時(shí)空分布特征，研究成果可用于軟土地基加固的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。本課題取得如下研究成果：發(fā)表SCI論文11篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)；獲得計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記2項(xiàng)；培養(yǎng)博士研究生4名，碩士研究生6名；開(kāi)展國(guó)際學(xué)術(shù)交流與科研合作活動(dòng)10余次。項(xiàng)目工作圓滿完成，達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo)。本課題研究成果能夠推動(dòng)電滲固結(jié)技術(shù)在巖土工程中的實(shí)踐應(yīng)用，具有潛在的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 2100433B

軟土的非線性壓縮和滲透特性以及其中滲流并不完全符合達(dá)西定律的現(xiàn)象早已為人們所認(rèn)識(shí)，但考慮非達(dá)西滲流的軟土非線性固結(jié)理論至今尚無(wú), 致使在實(shí)際軟土地基加固和處理工程設(shè)計(jì)中目前仍只能被動(dòng)地采用現(xiàn)有建立在達(dá)西定律基礎(chǔ)上的固結(jié)理論。本項(xiàng)目擬通過(guò)系統(tǒng)深入的理論研究,并結(jié)合采用GDS高級(jí)固結(jié)儀進(jìn)行的試驗(yàn)，建立和發(fā)展可考慮非達(dá)西滲流的成層軟土地基非線性固結(jié)理論。在此基礎(chǔ)上，全面分析非達(dá)西滲流和軟土的非線性等因素對(duì)軟土地基固結(jié)性狀的影響, 以及基于達(dá)西定律的軟土固結(jié)理論與基于非達(dá)西滲流定律的軟土固結(jié)理論的主要差別和適用范圍等。同時(shí)，繪制可供實(shí)際工程直接使用或參考的相關(guān)固結(jié)計(jì)算曲線和圖表。為軟土地基加固處理工程提供更為貼近實(shí)際、更合理有效的計(jì)算理論和技術(shù)。 2100433B