电渗增强桩模型试验与承载理论研究

为研究布桩方式、导电塑料排水板的布设形式对电渗增强桩电渗效果的影响,开展了电渗增强桩模型试验。试验得到了电渗平均排水量、电流、有效电势、桩-土界面电阻、桩周土体沉降、电渗前后桩周土的抗剪强度及电渗增强桩的承载力极限值等数据。数据分析发现:导电塑料排水板正方形排列条件与错位排列条件的电渗试验相比之下,正方形排列条件下的电渗效果更好,但错位排列条件经济效益更好且便于施工,因此仍需结合实际情况选择排列条件;正方形布桩与三角形布桩条件相比,电渗处理后平均排水量更大,桩的承载力和桩周土体抗剪强度也更大,因此正方形布桩条件下的电渗处理效果更好;结合圆孔扩张理论、二维电渗固结理论以及承载时效理论,推导得到电渗增强桩承载力理论;将理论计算值与试验实测值进行对比,发现计算误差在3.1%~5.6%。

竖向电渗增强桩承载理论及试验验证

为将电渗固结理论应用于竖向电渗增强桩承载力研究中,以Esrig一维电渗固结理论为基础,推导得到了考虑有效电势非线性变化的一维电渗固结理论,并将其与承载时效理论结合得到竖向电渗增强桩承载理论。同时开展竖向电渗增强桩模型试验,通过控制变量法,将试验工况分为自下而上电渗组与自上而下电渗组,通过模型试验得到各组有效电势、增强桩承载力、桩周土体抗剪强度等数据。分析得到两组试验的有效电势变化情况基本符合按线性下降再保持不变的规律,将有效电势变化情况拟合运用于所推导的竖向电渗增强桩承载理论中,并计算得到竖向电渗增强桩承载力理论值。通过试验结果与理论值的验证对比发现,自下而上电渗组与自上而下电渗组计算误差分别为17.47%与10.0%,考虑到重力效应在竖向电渗中的影响,因此存在一定的合理计算误差,可验证竖向电渗增强桩承载理论的准确性。

点状电极单元在有效电势衰减下的固结计算与试验

有效电势衰减导致电渗后期效果较差,而经典电渗固结理论无法考虑有效电势变化带来的影响。针对该问题,在矩形排布形式中以点状电极单元为研究模型,围绕有效电势衰减与中间变量引入时的限制条件之间的矛盾关系,引入黎曼求和形式对有效电势衰减进行多态分割,保证了黎曼状态段内中间变量方程的成立;考虑有效电势衰减与电渗固结在时间维度上的统一性,采用初始条件继承策略进行非稳态的迭代计算,将全时间域上的非稳态求解转化为状态段之间初始条件的更新迭代,并基于Galerkin法给出了方法的有限元形式,且利用Python进行了编程实现。此外,进行了电渗模型试验以验证理论方法的可靠性。研究表明:1)非对称点状电极单元在电渗过程中,阳极处有效电势的变化受到渗流路径长短的影响,较远处阳极有效电势增加,其余两处处于衰减状态;2)多态算法下的结果能够反映有效电势对孔压分布的影响,与经典结果相比变化主要集中在单元中部;3)初始条件继承带来的孔压幅值突变现象会随着状态段数的增加而减小,在孔压曲线较为平滑后,继续增加状态段数量对于计算精度的提升有限。该方法实现思路简洁、清晰,更加符合真实情况。

考虑有效电势衰减的一维电渗固结多态继承计算方法

有效电势的衰减在电渗排水过程中客观存在,经典一维电渗固结理论不能考虑电势的变化,其结果高估了电渗法的加固效果。针对该问题,依据黎曼积分求和的思路,对有效电势衰减函数进行多态处理,将连续函数转化为离散的状态段,并考虑有效电势衰减与孔压在时间维度上的统一性,利用前、后状态段初始条件继承的方式,将有效电势衰减下的一维电渗固结计算转化为了对单一状态段的反复迭代求解。采用Crank-Nicolson形式对控制方程进行了离散,利用Python进行了该方法的编程实现,进行了3,6,20状态段数下的计算,并与经典理论结果进行了对比分析,结果表明:(1)考虑电势衰减的孔压幅值要明显低于经典一维固结理论,多态继承的计算方法能够有效地反映出电势衰减带来的影响;(2)孔压曲线会在分段处发生幅值的突变,并且随着状态段数量的增加,突变现象逐渐降低;(3)在阳极处,电势衰减的影响最明显,孔压的降低幅度最大。该方法的求解思路清晰、简洁,能够为电渗排水法的实际应用提供良好的理论支持。

对称及非对称形式下点状电极单元的二维电渗固结研究

针对同性电极间距较大时电渗固结模型的计算,依据电极排布形式提出点状电极单元的概念。基于点状电极单元模型,建立点状电极单元的二维电渗固结理论,采用Galerkin法进行控制方程的离散,给出电势场、孔压场控制方程的有限元形式;基于Python语言开发点状电极单元的二维电渗固结计算数值模块PyEcFem,并进行对称单元的二维效应数值研究以及非对称单元的电渗固结计算,同时进行试验验证。研究表明:(1)排水边界数量早期对排水速率起主要作用,电渗后期阳极数量对排水速率影响较大,非对称单元的排水效果以及负孔压幅值均要高于对称单元。(2)对称单元中,电极间距比能够描述同性边界上的电势跌落幅度,同性电极间距越小,二维效应系数越小,两者之间满足负指数关系。(3)非对称单元的电渗固结中,单元排水能力的限制会导致电渗初期阴极区产生孔隙水压力堆积现象,产生局部的正超孔隙水压力,该现象会影响负孔隙水压力的变化速率以及极值。