A coupled nonlinear long-term consolidation and solute transport model for PVD-enhanced flushing remediation analysis of multilayered contaminated soils

Abstract

The remediation of contaminated fine-grained soils through flushing, enhanced by prefabricated vertical drains (PVDs), involves a complex coupled process of axisymmetric consolidation and solute transport. However, existing models often oversimplify these interactions and fail to accurately capture real vacuum pressure boundary conditions. This study presents a coupled nonlinear model that integrates PVD-assisted consolidation and solute transport for multilayered contaminated soils. The governing equations are solved using the finite difference method, and the numerical solution is validated against first analytical solutions for simplified axisymmetric models, then soil-flushing experiments and consolidation-induced solute transport tests. Furthermore, the developed model is applied to assess the effects of key engineering design parameters, including vacuum pressure in PVD, PVD spacing, and PVD penetration length, on clean-up efficiency. Parametric analyses indicate that increasing vacuum pressure and reducing the PVD spacing can improve the clean-up efficiency along the radial direction. However, the treatment depth cannot be significantly enhanced by merely increasing vacuum pressure or reducing the PVD spacings. These findings provide insights into optimizing the design of PVD-enhanced soil flushing systems. La réhabilitation des sols fins contaminés par lessivage, améliorée par des drains verticaux préfabriqués (DVP), implique un processus couplé complexe de consolidation axisymétrique et de transport des solutés. Cependant, les modèles existants simplifient souvent à l'excès ces interactions et ne parviennent pas à représenter avec précision les conditions aux limites de pression sous vide réelles. Cette étude propose un modèle non linéaire couplé qui intègre la consolidation assistée par DVP et le transport des solutés dans des sols contaminés multicouches. Les équations gouvernantes sont résolues à l'aide de la méthode des différences finies, et la solution numérique est validée d'abord par des solutions analytiques pour des modèles axisymétriques simplifiés, puis par des expériences de lessivage des sols et des essais de transport de solutés induits par la consolidation. De plus, le modèle développé est appliqué pour évaluer les effets de paramètres clés de conception en ingénierie, notamment la pression sous vide dans les DVP, l'espacement des DVP et la longueur de pénétration des DVP, sur l'efficacité de dépollution. Les analyses paramétriques indiquent qu'une augmentation de la pression sous vide et une réduction de l'espacement des DVP peuvent améliorer l'efficacité de dépollution le long de la direction radiale. Cependant, la profondeur de traitement ne peut pas être sensiblement augmentée en se contentant d'accroître la pression sous vide ou de réduire l'espacement des DVP. Ces résultats apportent des éclairages utiles pour optimiser la conception des systèmes de lessivage des sols améliorés par DVP.