电渗的离子运移和能级梯度理论

Increasing environmental concerns as well as land demands require an efficient consolidation method for deep hydraulic-filled area. Electro-osmosis is a potential option, but not widely used yet. The difficulty lies in the deficiency of theory for electro-osmosis. The deficiency is due to lack of connection between microcosmic and macrocosmic theories. Research is going to be carried out from points of ions migration and energy level gradient. The micro and macro theories would be bridged up by parameters of current and energy. Scale effect of key parameters of energy level gradient theory will be intensively studied. This research will provide macro theory of electro-osmosis with a solid micro foundation. The parameters of the macro theory will have clear physical meaning and easy to use in engineering applications. This research will fulfill the urgent demand in hydraulic filling projects.

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。

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。