软粘土地基电渗加固机理及工程应用研究基本信息

我国沿海沿江地区软粘土地基分布很广，而软粘土含水量高、抗剪强度低、水力渗透系数小，采用堆载预压法等常规方法进行加固，由于加固费时往往不能滿足工程进度需要，有时大量的堆载材料也难以解决。电渗法排水的速率与土的电渗渗透系数有关。软粘土的电渗渗透系数一般比其水力渗透系数大2-3个数量级，采用电渗法可以较快排出软粘土中的水。但由于对电渗加固机理缺乏深刻认识，至今未能将电渗法加固地基大量应用于工程实践。本课题通过室内外电渗固结试验研究，并结合工程案例分析，建立电渗固结模型，建立电渗过程中金属离子的迁移模型，发展考虑非线性电场、渗流场、应力场耦合作用的电渗固结理论，提出电渗加固软粘土地基设计计算方法，特别是电渗-真空预压联合固结作用和电渗-堆载预压联合固结作用加固软粘土地基设计计算方法，为工程建设服务。该课题可解决工程实践中迫切需要解决的基础理论问题，既有重要的理论意义，又有重大的工程应用价值。 2100433B

电渗加固机理要从土的微观结构说起。土是固—液—气三相分散系。土的固相即土颗粒，其表面通常带有负电荷，在外加电场作用下，向电势高处运动，此现象称为电泳；土的液相即土中水，它极易和被溶解的物质如水中的阳离子结合成水化阳离子，在外加电场作用下，向电势低处运动，此现象称为电渗。土中水分为结合水和自由水。自由水是指在双电层影响以外的水，排水固结法排出的的水是自由水。结合水是受双电层影响， 吸附于土粒表面的水，可分为强结合水和弱结合水。强结合水很难排出， 但其性质已接近固体，因此不对土体加固产生影响；弱结合水因为受土粒静电场的影响，一般的排水固结法很难将其排出，但在外加直流电场的作用下，部分弱结合水可以摆脱静电场的束缚被排出，这是电渗力的优势所在，即电渗不仅可以排出自由水，还可以排出弱结合水。

我国沿海地区每年围海造陆面积超过100平方公里，真空预压法被广泛用于加固吹填土来形成陆域，经真空预压加固后形成的特殊软粘土地基其变形和变形控制问题对于后期的开发和利用至关重要。本课题的研究内容包括：揭示施工期该类软粘土塑性流动变形机理，提出计算理论、方法和控制措施；建立孔压均化理论，探讨施工期软土变形速率对构筑物稳定性的影响；揭示正常使用条件下软粘土地基的变形机理，建立吹填土地基特性的本构模型；基于地震、交通及波浪循环荷载的特征要素，建立荷载要素与软粘土动变形的对应关系；以室内试验及工程实测数据为基础，建立软粘土的粘-弹-塑性模型，实现对地基长期沉降的有效预测；基于以上研究，结合围海造陆的工程实践，编制有关控制软粘土变形的技术规程。通过以上研究，揭示新近吹填成陆的软粘土地基在不同应力状态下的变形机理，提出相应的变形计算理论方法和控制措施，为围海造陆形成陆域的长期稳定提供理论和技术支撑。

由于天津滨海新区的建设和发展对土地的迫切要求，进行了大规模的围海造陆工程，普遍采用真空预压加固吹填土来形成陆域，目前已造陆近百平方公里。这样形成的特殊软粘土地基的变形和变形控制问题与一般正常固结的粘土地基不同，对于其开发和利用是至关重要的，需要进行深入研究。为了解决这个问题，本课题从以下几个方面进行了研究。 i) 通过室内试验和理论分析揭示了施工期吹填形成的软粘土的塑性流动变形机理，并以此为基础提出了相应的计算理论和工程控制措施。这对于吹填土形成的地基的正常使用和结构物的选型具有重要的意义。 ii）基于地震、交通及波浪循环荷载的特征要素，建立了荷载要素与软粘土动变形的对应关系。 本课题的研究成果表明，与正常固结的软粘土地基不同，吹填土形成的软土地基对交变荷载更为敏感，动荷载使地基的孔隙水压力升高，使结构性的重塑强度降低，造成更为严重的后果。有些道路的路面形成波浪起伏，严重影响其使用功能。这些成果除了可以深化认识动荷载对吹填土形成的地基的变形特性的科学意义外，对于该种地基上面的道路、码头和防波堤的设计和建设具有重要的指导重要。 iii) 以室内试验及工程实测数据为基础，建立软粘土的粘-弹-塑性模型，实现对地基长期沉降的有效预测。 软粘土的粘-弹-塑性应力应变的关系是岩土学科的前沿课题，目前以剑桥模型为基础的相关研究尚在不断深入。本课题研究了剑桥模型对于吹填土的适用性，特别是在卸荷状态负值孔隙水压力的发展规律方面进行了深化的研究。研究成果可以用于对于基坑开挖、建筑物在复杂应力路径条件下的变形预测。 iv)编制了有关控制软粘土变形的技术规程。 基于以上研究，结合围海造陆的工程实践，通过以上研究，根据揭示的新近吹填成陆的软粘土地基在不同应力状态下的变形机理，提出了相应的变形计算理论方法和控制措施，为围海造陆形成陆域的长期稳定提供理论和技术支撑。在此基础上编制了相应的技术规程。 2100433B