EKG电渗联合真空预压法在某水闸软基处理中的应用

◎陈建峰 胡芸川 上海市水利工程集团有限公司

1.概述

软土地基的加固处理技术是的岩土工程最重要研究方向之一。本文所述的崇明岛堡镇港北等四座水闸外移工程（堡镇港北闸）位于崇明港沿镇堡镇港老闸以北约3km，北沿滩涂区域，历史上该区域是北支三大淤积区之一，总体演变以淤积为主。地勘显示该区域表层都是沉积的淤泥，地基承载力极低。通过综合分析，新型EKG电渗联合真空预压法比较适合处理本项目场地的高塑性、低渗透性软土。该工艺采用新型的导电塑料排水板（EKG）代替普通的金属电极，既是排水体又是导电电极，既可作阳极又可作阴极，方便极性转换，能消除传统金属电极在电渗过程中的酸性腐蚀问题，节能环保性好。在负压排水联合电渗作用下，可以加速排水固结，同时排出土颗粒孔隙中的自由水以及弱结合水，达到降低含水率，促使土体沉降变形，减少孔隙比，提高强度的目的。

新型EKG电渗联合真空预压法在上海市尚未见应用报道，将该方法成功应用于本工程，对于提升水利工程建设技术水平、促进新材料、新技术的推广应用和发展进步具有重要意义。

2.EKG电渗联合真空预压法排水固结可行性

电渗法是将电极插进土体中，在直流电场作用下产生一种电动效应，土体中的水从阳极向阴极汇聚排出后产生土体固结，见图1。真空预压法通过抽真空形成负压渗流场，通过竖向排水体将土体水从土体中排出而发生固结。所以将电渗法和真空预压法联合起来组合加固土体具有理论基础。

图1 EKG电渗法联合真空预压加固软基示意图

通过真空预压法对排出土体孔隙自由水的作用是有效的，也受土体性质影响较大。电渗排水主要是在水力渗透和电渗透的作用下来实现的，电渗透与土颗粒大小无关，受土体性质的影响不大。电渗法既可以排出自由水，对弱结合水也有效果，适用于固结缓慢、渗透系数很低的淤泥、粘土、吹填土等。电渗法和真空预压法联合处理软土地基可以扬长避短、优势互补，通过工艺优化配合，实现强强联合的功效。

3.工艺特点

排水固结周期缩短，环保性好，场地要求低，EKG电渗板电极材料生产工艺复杂，价格略高。

4.应用实例

4.1 场地工程地质

本工程场地自然标高为+3.6～+4.0 m,闸室开挖底高程为-2.25m。基坑软土呈现典型的软黏土特性，基坑待处理区域已经完成了水闸桩基施工（原桩基平台的场地处理是在滩涂上采用1m厚充砂管袋加30cm道渣结构）。基坑开挖前地面高程约3.8m，目前已进行闸室部分区域基坑开挖，已开挖区边坡坡度约为1:8-1:10，基坑开挖无法满足1:3边坡设计要求。

基坑亟需进行软土地基加固处理，即对基坑软土进行大面积、整体性处理，促使土体快速排水固结，降低含水率，减少孔隙比，提高密实性和强度，降低灵敏度，以满足后期正常的放坡开挖施工要求。

4.2 EKG电渗联合真空预压法方案设计与施工

1）方案设计。

由于目前基坑呈漏斗状，中部低高程约为0.5m，四周高约为3.8m，平均高程约为2.0m。排水板施工前放样出管桩及三轴搅拌桩桩位，施工时避开现有桩基所在位置。基坑软土处理面积约为12000m（长度120m，宽度100m），场地划分为12分单元进行固化。处理平均深度为7.0m，处理-5.0m高程以上软土。现场共布置真空泵12台，专用电渗电源设备1套，横剖面设计见图2。

图2 EKG电渗联合真空预压法横剖面设计图

竖向排水系统：采用EKG电渗板和B型塑料排水板结合，正方形间隔插设，间距0.7m，板体平均长度约7.4m（其中入土深度约7m，外露长度约0.4m，实际入土深度控制在板底端距离下卧②3砂质粉土层顶面约0.5m处，即按底高程-5.0m进行排水板插设）。

水平排水系统：采用Φ40mm的波纹管作为排水支管，每排外露板体与波纹管缠绕绑扎牢固。水平波纹管排距1.4m。排水支管通过接头与主管连接，主管通过出膜装置与真空泵连接。

电渗设备：专用电渗电源设备通过主导线连接6个集线箱，每个集线箱接14根电渗支线（7组回路）,每根线连接150根电渗板。

场地覆盖与密封系统：采用两布两膜，场地平整后先铺设一层土工布（450g/m）进行插板施工，管路连接完成后再铺设一层土工布和两层密封膜。在真空膜外部及内部一圈分别设置密封沟，密封沟深度1.8m，宽1.8m，边坡采用1:1放坡开挖。

2）施工工艺流程。

整理场地→铺编织布→插导电塑料排水板管及普通排水板→清理场地→布水平管→连接排水板与水平营并包裹接头→布置导线→布直流电源→测式电路→埋检测设备→铺土工布、真空膜→挖密封沟、压膜→布置连接真空泵→布置沉降标→抽真空、开电渗→验收、检测。

3）施工要点。

①铺设泥面土工布，人工摊铺，布面平整，适当留有变形余量。铺设人员穿戴不损伤土工布的工作鞋。

②插设竖向排水体。采用轻型专用插板机械打设普通塑料排水板（B型排水板）和EKG电渗板，排水板严防出现扭结、断裂、撕裂滤膜等现象，插板过程中应严格控制回带现象，回带长度应小于0.5米。

铺设水平排水管路，将排水支管与排水板和电渗板缠绕绑扎连接，连接部位应外包一层土工布后用钢丝绑扎牢固。

③连接导线和电渗板，将导电塑料排水板与导线连接，先用绝缘级自粘带，拉伸后缠绕接头处，再用防水胶带包裹。将所有同极性的导线汇集并从场地中引出与电源接出线连接。

④抽真空，自动开启电渗控制。抽真空一周左右，膜下真空度持续上升并稳定在80kPa以上。

通电运行是EKG电渗联合真空预压工艺的重点，在通电运行过程中需经过大量的试验调试，充分考虑土体土质、含水率、地下障碍物、金属等的影响，根据不同地下情况进行通电分区，在不同分区采用适宜的通电参数，保证电渗的效果。

⑤定期检查通电系统、密封系统，发现断电、漏气问题及时处理。

⑥停泵卸载；抽真空持续2个月左右，膜下真空度不低于80kPa，孔隙水压力的增长消散状态明显；地表沉降曲线明显收敛。

4.3 效果检测

在处理区域内布置监测断面和埋设监测仪器，对加固区的地表沉降、膜下真空度、孔压等变化规律进行现场观测，绘制相关变化过程曲线，对监测数据进行统计整理和计算。卸载后进行现场钻孔取样和室内土工试验、十字板剪切试验，根据对比分析地基土的含水率、孔隙比、压缩系数、抗剪强度等主要物理力学性质指标，并结合现场监测结果综合分析评价施工质量和处理效果。

5.加固效果

本次软基处理施工期为20天，有效降水运行期为70天，根据运行监测记录（表1），本工程总出水量约为4000m，月初开始抽真空降水，月底完成通电调试开始全面通电，截止全面通电前出水量约为3200m，占总出水量80%。根据取芯检测、沉降观测及实际开挖情况，EKG电渗联合真空预压法对软土地基处理有良好效果。

表1 电渗联合真空预压软土处理前后土工试验数据对比表

（1）根据检测结果显示软土各项指标都获得明显改善：经过处理后，①3-1土层含水率从42.2%下降至28.1%（表层），①3-2层含水率从45.7%下降至34.2%，含水率降低明显。

（2）地表沉降量基本满足方案设计要求，根据方案设计，最终沉降量为47.9cm，实际沉降量施工期为10.0cm，运行期最大为35.8cm，合计沉降45.8cm(如图3）。

图3 预压运行期沉降观测

（3）根据处理完成后基坑开挖实际情况分析，处理前基坑土体呈流塑状，开挖边坡无法成型，基坑承载力差，常规挖机、桩基等设备均无法在场地上作业。经处理后，基坑土体全部固结，开挖成硬塑，局部为软塑状，开挖边坡可按1:1至1:3成型，边坡稳定性良好，挖机等设备在处理后基础上可直接行走作业，车辙深度约为10cm，基础承载力大幅提升（如图4）。

图4 处理前后基坑开挖情况

EKG电渗联合真空预压法和传统真空预压法相比，可缩短工期3个月，可为水闸提早运营争取有利条件，亦可保障崇明岛除涝安全，减轻区域涝灾损失。EKG电渗联合真空预压法将塑料排水板替换为了EKG电动排水板，由于EKG排水板成本较高，在方案设计中采用EKG电渗板与普通排水板交替间隔使用的方案，大大降低了整体的处理成本，降低成本100元/m。将EKG电渗板与普通板交替使用，能充分发挥塑料排水板在排除土体自由水方面的优势，同时提高方案的经济性。

6.结论

综上所述，EKG电渗联合真空预压法可以用来处理渗透系数低的软土地基。也可以用来促进软土地基的快速脱水和快速沉降，一般在 80天内出效果，加固后软土地基各项指标都能获得较大程度的提高。通过采用科学、合理的方案设计与施工，本工程采用EKG电渗联合真空预压工艺对水闸软土地基成功应用，具有显著的社会与经济效益，成功经验可以为上海地区类似工程提供参考，该工艺在上海地区软土地基处理方面具备推广价值。