电渗的离子运移和能级梯度理论

本项目从微观和宏观两个层次对电渗机理进行了研究，通过电流和能量将微观和宏观联系起来，建立了可用于指导工程实践的电渗设计理论，并进行了现场试验验证。 微观层次的电渗机理研究主要包括电渗的离子运移、矿物学机理分析、土体的导电特性及水分迁移机理研究。研究结果表明，电渗的离子迁移和累积使得土体显示出介于电阻和电容之间的导电特性，该机理对电渗电源设计具有重要意义；电渗离子运移及水分迁移在土体表面大于土体深部，该机理指导提出了分级式的深层土体电渗排水固结方法；电渗引起的zeta电位及层间离子的变化可使土体膨胀性减弱，为电渗法治理膨胀土提供了理论依据。 宏观层次的电渗机理研究主要是电渗的能级梯度理论研究，提出了电渗排水固结设计的理论和方法，并对能级梯度理论的参数模型尺寸效应进行了研究，给出了参数的确定方法及取值范围。通过三个现场试验，对上述理论研究中提出的分级式电渗排水固结方法、分布式电源设计、轮询通电方法、电渗离子运移、电渗设计理论以及参数模型尺寸效应等问题进行了试验验证。 本项目研究成果拓展并活跃了电渗领域的科学及应用研究，极大提高了电渗法实际工程应用的可能性，研究成果将在岩土和环境领域得到应用，目前研究成果的应用已处于现场中试阶段。本项目研究成果也为电渗领域的理论研究拓展了更多的方向，例如：土体的导电特性、EKG材料电极特性、电渗电源设计理论和方法、电动方法土体改性等。 2100433B

随着对环境问题的日益重视和土地需求的日益增长，迫切需要一种深层吹填软土排水固结的方法。对此需求，电渗是最具潜力的一种方法。然而因为缺乏能有效指导工程实践的电渗理论，电渗法的应用存在困难，尚未得到广泛应用。 电渗理论目前的不足之处在于微观理论和宏观理论之间缺乏一个联系的桥梁。本项目拟从离子运移机理和能级梯度理论两个方面着手进行研究，以电流和能量两个参量为桥梁，将电渗电荷累积理论（微观）和电渗能级梯度理论（宏观）联系起来。合理选取电渗能级梯度理论的关键参数，并对其模型尺寸效应进行研究。 本项目研究将探明电渗微观机理，使宏观电渗理论具有坚实的微观基础，同时所建立的宏观电渗理论的参数均具有明确的物理意义且易于测量，可用于指导工程实践，满足深层吹填软土快速有效固结这一迫切的工程需求。

通过不同电极、不同粘土的电渗试验，进一步探明了电渗的矿物学机理，研究表明，电渗的效果取决于土体中可运移离子的迁移能力，而非取决于吸力引起的反向水力梯度和电势梯度作用的平衡，因此提高电渗排水固结效果应该从维持土体中离子的运移能力着手。 本项目研究把EKG材料从概念变成现实，是电渗排水固结领域的重大进展。EKG材料同时解决了之前一直困扰电渗法的两大问题——电极腐蚀和电渗能耗过高的问题，激起了国内对电渗研究的极大热情。 电渗能级梯度理论，以土体能级密度代替吸力，构建了全新的排水固结理论框架，并为电渗理论研究提供了新的视角。基于电渗能级梯度理论，提出了电渗排水固结的设计方法，该方法弥补了传统Esrig理论无法给出电学设计参数的不足。 研发的EKG材料、建立的电渗能级梯度理论、提出的电渗排水固结设计方法，通过现场试验得到了验证。现场试验场地面积为19m×15m，淤泥吹填深度为5.8m，经过36 天的电渗排水固结，含水量从62%降低到36%，承载力从0提高到70kPa，取得了良好的效果。 随着本项目研究的推进，目前电渗法面临的新的挑战包括：1）大面积应用时需要很大功率的电源；2）电势沿深度方向损失，5m以上吹填淤泥的排水固结仍然是个挑战；3）EKG材料的成本很高。这些新的挑战是下一步研究的重点。 2100433B

《垃圾填埋气体运移的多场耦合理论及应用》重点介绍了作者在垃圾填埋气体运移过程多场耦合效应方面的研究成果，包括在垃圾填埋气体释放传输过程中生物、化学、热、渗流和应力耦合动力学机理，垃圾填埋气体运移的滑脱效应、渗流、应力耦合效应，垃圾填埋气体运移的水、气两相渗流机理及模型，垃圾填埋气体运移过程温度、渗流、应力耦合效应、生物、渗流耦合效应、生物、渗流、应力耦合效应以及生物、渗流、热耦合效应。全书最后以我国南方某垃圾填埋场为背景，对垃圾填埋气体抽排发电工程的可行性进行了预测。

《垃圾填埋气体运移的多场耦合理论及应用》可供环境工程、岩土工程、固体废弃物处置工程以及新能源科学与工程等专业的高年级本科生和研究生教学及阅读使用，亦可供相关科研和工程设计人员参考。