Electro-osmotic consolidation: Laboratory tests and numerical simulation

Electro-osmotic consolidation is an attractive soil improvement technique for soft clay. A review of research and practical applications of electro-osmosis was performed. The achievements and major bottleneck of the current technique were briefly discussed, and the potential areas for scientific research and engineering application were proposed. A laboratory testing facility was developed for the electro-osmotic consolidation, and the electrical voltage, soil mass displacement, water discharge and electrical current can be monitored during testing process by use of online transducers. Moreover, the microscopic phenomenon is investigated by use of Environmental Scanning Electron Microscopy (ESEM). A theoretical model for electro-osmotic consolidation is briefly introduced, which couples Biot’s consolidation equation with the electro-osmotic flow and control equation for an electrical field, and incorporates the nonlinear variation of the mechanical, hydraulic and electrical properties. The FEM software was developed based on the theoretical model to describe the electro-osmotic consolidation process, and the model tests are simulated. The numerical results showed good agreement with the testing data in terms of ground settlement, indicating the rationality of the analytical model. It is also shown that the variations of electrical conductivity have a significant effect on the consolidation process. The developed software can predict the displacement behavior of soil mass and provide useful data for system design of electro-osmosis treatment. RÉSUMÉ : La consolidation électro-osmotique est une technique attrayante d’amélioration de l’argile. Une révision des demandes de recherche et de pratique de l’électro-osmose a été effectuée. Les réussites et le goulot d’étranglement majeur de la technique actuelle ont été brièvement discutés, et les domaines potentiels de la recherche scientifique et l’application d’ingénierie ont été proposés. Un centre d’essais en laboratoire a été développé pour la consolidation électro-osmotique, et la tension électrique, le déplacement massif de sol, l’évacuation de l’eau et le courant électrique peuvent être contrôlés pendant le processus d’essai en utilisant des capteurs en ligne. En outre, le mécanisme microscopique de la migration de l’eau interstitielle et des ions est étudié par l’utilisation de microscopie électronique à balayage environnemental (ESEM). Un modèle théorique pour la consolidation électro-osmotique est brièvement présenté, qui couple l’équation de consolidation de Biot avec le flux électro-osmotique et l’équation de commande d'un champ électrique, et intègre la variation non linéaire des propriétés mécaniques, hydrauliques et électriques. Le logiciel FEM a été développé sur la base du modèle théorique pour décrire le processus de consolidation électro-osmotique, les essais sur modèle sont simulés. Les résultats numériques montrent un bon accord avec les données de test en termes de tassement du sol, indiquant la rationalité du modèle analytique. Il est également montré que les variations de la conductivité électrique ont un effet significatif sur le processus de consolidation. Le logiciel développé permet de prédire le comportement de déplacement de masse de sol et de fournir des données utiles pour la conception de systèmes d’électro-osmose.