电化学法固化软黏土的影响因素及力学性质分析

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软黏土渗透系数较低,具有高含水率、低透水性和低抗剪强度等特点,不易进行排水加固处理。电渗法可以形成电渗透系数,不依赖于土体的水力渗透系数,从而可使软黏土地基快速固结排水,以便快速在软黏土地基上进行施工建设。本文基于已有的研究成果,自制了电渗试验装置,进行电渗和化学电渗法加固软黏土过程的探究,用力学测定设备探究软黏土强度和变形特性,并使用SEM扫描电镜进行微观分析。自制一维电渗试验槽,进行电渗室内试验研究,为探究土体两端施加不同电势梯度(即0.5 V/cm、1.0 V/cm和1.5 V/cm)下土体内电流、排水量、沉降、电势随时间的变化,并建立这些参数与土体电势梯度的关系曲线,并对电渗后阳极、中间和阴极三处土体的含水率和最终的单位排水能耗进行分析;对比分析了阴阳极分别注入不同浓度的Ca Cl2和Na OH与Na2Si O3的混合溶液与电渗试验加固软黏土的区别。试验结果表明,化学电渗法相较于电渗最终的电流、排水量和沉降量都较大,最终相同位置处的含水率也较电渗低,由于在土体中增加了离子的含量,增大离子的电迁移作用,增大土体的导电率从而减小电阻,所以最终单位排水能耗也较电渗低。为探究电渗作用后软黏土的力学和变形特性,取电渗后阳极、中间和阴极处的土体制成原状三轴试样,依次施加不同围压(50 k Pa、100 k Pa和200 k Pa),探究其力学特性;进行固结压缩试验,探究其变形特性。试验结果表明,化学电渗法可有效地提高了阳极和中间位置处土体的强度,两者联合作用下土体的强度分布更加均匀;结合扫描电镜(SEM)进行微观土体结构分析,然后通过宏观与微观相结合来分析化学电渗法的加固机理。发现随着盐溶液浓度的升高,土体内部孔隙比降低,粘聚力增大,说明化学电渗法法相较于电渗可有效填补土体孔隙。为了验证土体电渗固结全耦合分析的有限元数值方法,用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件基于电渗固结多场耦合控制方程建立有限元模型,值模拟表明:三种电势梯度条件下,归一化阳极超静孔隙水压力时空变化过程一致;电势梯度由0.5 V/cm增加到1 V/cm时,较电势梯度1 V/cm增加到1.5 V/cm时,超静孔隙水压力发育更加明显。电势梯度并非越大越好,可结合预测的最大超静负孔压、固结沉降值,选择合适的电势梯度进行电渗试验。
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