真空堆载预压联合电渗法试验和计算理论研究

Combining vacuum and surcharge preloading with electroosmosis is a new method for soft ground improvement that proposed in recently. According to the combination of the advantages of vacuum combined surcharge preloading and electroosmosis, this method can not only accelerate the consolidation velocity for the soft ground but also improve the soil strength significantly. However, the reinforcement mechanism and computation theory for this method have rarely studied at present. In this study, a series of laboratory tests will be carried out to reveal the reinforcement mechanism and influence factors of this method. An analytical solution will be obtained based on consolidation theories of vertical drains and electroosmosis, for the consolidation of soft ground under combining vacuum and surcharge preloading with electroosmosis considering the complex boundary conditions. The consolidation theory considering the unsaturated water-air two phases flow will be established on the multiphase porous media theory for the method of combining vacuum and surcharge preloading with electroosmosis. The numerical computation method for the proposed theory will be studied and a corresponding computer program will be developed. Afterwards, the theoretical analysis and numerical simulation of soft ground improvement under combining vacuum and surcharge preloading with electroosmosis will be conducted to evaluate the reinforcement effect. This study will provide theoretical basis for the popularization and application of the method of combining vacuum and surcharge preloading with electroosmosis, and promote the computation theory for soft ground improvement.

真空堆载预压联合电渗处理软黏土地基的方法是近年来新提出的地基加固方法，通过结合真空堆载联合预压法和电渗法的优势，不仅能够加快地基固结速率，还能显著提高土体强度，但目前对其加固机理和计算理论缺乏研究。本项目拟通过物理模型试验，揭示真空堆载预压联合电渗法的加固机理及影响因素；在砂井固结理论和电渗固结理论的基础上，推导出复杂边界条件下的真空堆载预压联合电渗法的饱和固结解析理论；基于多相孔隙介质理论建立真空堆载预压联合电渗法的非饱和水气二相流固结理论，并对其数值计算方法进行研究，开发相应的计算程序；之后，对真空堆载预压联合电渗法处理软黏土地基进行理论分析及数值模拟，评价其加固效果。本项目研究可为真空堆载预压联合电渗法的推广应用提供理论依据，并进一步提高地基处理的计算理论水平。

电渗法是一种通过在土体中插入电极驱动土体中水体自阳极往阴极渗流来加快土体排水的有效地基加固方法，但同样存在电极腐蚀、能耗大、成本高等缺点，导致其无法在工程中广泛推广应用。为此，近年来提出了真空预压、堆载预压与电渗联合作用的加固方法，并在现场试验中获得了成功。然而，电渗与其他工法联合作用机理目前尚未探明，缺乏相关的计算理论，同样制约了联合地基加固方法的应用。因此，在已有电渗加固法研究的基础上，本项目采用室内试验、理论推导和数值模拟相结合的方法，对电渗与其他工法联合使用的效果进行了评价，同时探讨了其相互作用机理，在此基础上开展了计算方法研究。主要成果包括：通过真空电渗联合振动挤密的室内模型试验，探讨了真空-电渗-动力机密三者的联合作用机制，表明动力挤密具有增大渗流路径水头差、闭合电渗产生的裂隙、以及降低单位排水量的电渗能耗等作用；推导出考虑真空预压联合电渗加固过程中有效电势衰减与井阻效应的二维平面解析解，研究了有效电势衰减速率、残余电势以及真空度沿排水板的折减率对真空预压联合电渗加固效果的影响；同时考虑水平和竖向渗流、涂抹效应、加载速率以及附加地基应力分布等影响因素，提出了真空堆载预压联合电渗加固法的轴对称解析解；考虑土体容水度及渗透系数随饱和度的变化，推导出非饱和土的一维电渗排水解析理论，给出了电渗过程中土体排水量和含水率变化的直接计算公式；考虑电渗过程中土体的产热效应及其对土体渗流和变形的影响，建立了基于水-热-力耦合作用的真空堆载预压联合电渗固结排水的多场耦合数学模型，开发了相应的有限元计算程序，表明忽略温度的影响将低估电渗产生的地基沉降和排水量。本项目研究成果尽可能考虑了电渗加固过程中的影响因素以及存在的参数非线性问题，为真空堆载预压联合电渗加固工程以及土壤修复工程的设计提供了更简便、更符合实际的计算方法。