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1、2020/8/25,地基处理技术,1,第五章 排水固结法,一、概述 排水固结法又称预压法，是通过预压使软粘土地基中的孔隙水排出，在预压荷载下土体发生固结，土中孔隙体积减少，土体强度提高，达到减少地基工后沉降和提高地基承载力的目的。 排水固结法通常由排水系统和加压系统两部分组成，见图5-1。 表中未列水平向排水系统。除电渗法和降低地下水位法外，其它方法均需在堆载体与地基之间铺设水平向排水系统砂垫层。,图5-1 排水固结法示意图,2020/8/25,地基处理技术,2,第五章 排水固结法,2020/8/25,地基处理技术,3,第五章 排水固结法,在地基中设置竖向排水系统可有效缩短最大排水距离，大大缩
2、短地基土固结所需的时间。 只有加固土层较薄，渗透系数较大的情况，才适宜采用堆载法。 一般情况下，都需要在地基中设置竖向排水系统。采用普通砂井、袋装砂井、塑料排水板形成的排水系统的效用基本是一致的。在工程中采用何种方法较好，主要取决于经济效益的比较。 真空预压和堆载预压的效果一样。在堆载材料比较困难的条件下，真空预压较优越。但真空预压只能达到相当于85%的堆载效果。当地基中存在水平向透水层时，如无其它措施，难以形成负压区，则不宜采用真空预压法。 排水固结法适用于饱和软粘土和冲填土等地基，但不宜用于有机质含量较多的地层。,2020/8/25,地基处理技术,4,第五章 排水固结法,二、加固原理和计算
3、理论 排水固结法加固地基原理是利用饱和黏土在荷载作用下产生固结，土体孔隙比减少，强度提高，可有效减少工后沉降和提高地基稳定性。现以图5-2来说明。,图5-2 排水固结法加固地基原理示意图,2020/8/25,地基处理技术,5,第五章 排水固结法,初始应力p0对应土体初始孔隙比e0，当固结应力增加至p0+p时，从A点沿正常固结线压缩至B点，土体孔隙比减少了e（e=e0eB）。若加荷后卸荷至p0，土体回弹，沿回弹曲线由B点至C点土体孔隙比为ec。若再加荷至p0+p时，由C点再回到B点，土体孔隙比也再次减少至eB。可以看出，从A点到B点与从C点到B点的孔隙比改变量相差悬殊。所以预压减少工后沉降是非常
4、有效的。若预压荷载作用下地基中土体固结应力增加至pB （pB=p0+p），工作荷载作用下相应土体中固结应力为pD，当pDpB，称为超载预压，当 pDpB时，称为一般预压。经过超载预压地基土体，在工作荷载作用下，常处于超固结状态。 由图5-2（b）所示pf曲线可知，土体固结应力增大，强度f提高。土体经加荷固结，再卸荷至初始应力状态，如图中从A点到B点，再回到C点，土体强度的提高是明显的。,2020/8/25,地基处理技术,6,第五章 排水固结法,式中 Cv、Ch分别为竖向和水平向固结系数； u超孔隙水压力； t固结时间。,(瞬时加荷条件下),(一)瞬时加荷固结度计算,2020/8/25,地基处理
5、技术,7,第五章 排水固结法,1.竖向排水固结度 对于土层为双面排水条件或土层中的附加压力为均匀分布时，某一时间竖向固结度的计算公式为：,式中 地基竖向排水平均固结度； 固结时间因子； H土层的竖向排水距离。,2020/8/25,地基处理技术,8,第五章 排水固结法,2.径向排水固结度 等应变的条件下，地基径向平均固结度的计算式为,式中 Th径向排水固结时间因子； F（n）参数； n井径比，n=re/rw； de、re砂井影响范围的直径和半径； rw砂井直径。,2020/8/25,地基处理技术,9,第五章 排水固结法,3.总固结度 总固结度是由竖向排水和径向排水所引起，按下式计算,可根据各种情
6、况的固结度Ut=f（Tv）的关系式制成图表（设计曲线）来简化设计过程。也可将沉降与时间的计算公式归纳如下：,2020/8/25,地基处理技术,10,第五章 排水固结法,式中 St某一时刻t的固结沉降量； S固结稳定的最终沉降量； k土的渗透系数； e土层在固结过程中的平均孔隙比； a土的压缩系数； w水的容重。 实际工作中的地基沉降与时间关系的计算常以下列两种方式提出： 1.求某一时间t的沉降量St 根据固结土层的已知资料k、a、e、H和时间t求出Cv、Tv； 由Ut和Tv曲线得出Ut； 由Ut用（6）式求出St。,2020/8/25,地基处理技术,11,第五章 排水固结法,2.求某一沉降量S
7、t所需时间t 由St求出Ut； 由Ut和Tv曲线得出Tv； 由Tv和Cv求出t。 在地基中设置的竖向排水系统的透水性虽然大，但对渗流总有一定的阻力，这种现象称之为井阻作用；设置竖向排水系统的过程中对地基土的扰动会降低砂井周围土体的渗透性，这种现象称之为涂抹作用。上述式子是没有考虑井阻和涂抹作用得到的。近年来横断面积较小的袋装砂井和塑料排水板应用日益广泛，则考虑井阻和涂抹作用的非理想井固结理论得到重视。Hansbo（1981年）提出了饱和软黏土地基在深度z处径向排水固结度表达式。,2020/8/25,地基处理技术,12,第五章 排水固结法,式中 F综合参数，其表达式为 F=Fn+Fs+Fr 式中
8、下标n、s、r分别表示井径比、涂抹作用、井阻作用的影响。Fn计算式同（4）式，当井径比20时 Fn=ln（n）3/4 反映涂抹作用,式中 kh、ks分别表示原状土和扰动土水平向渗透系数； s扰动区半径rs与砂井半径rw 之比，s=rs/rw。,2020/8/25,地基处理技术,13,第五章 排水固结法,反映井阻作用,式中 H砂井贯穿土层最大排水距离； z竖向坐标值； qw竖向排水体（砂井）通水量，其表达式为,kw竖向排水体渗透系数。,2020/8/25,地基处理技术,14,(二)分级加荷作用下的固结度 实际工程中，荷载往往是分级施加的，推荐改进的高木俊介法进行分级加荷作用下固结度的计算法，其固
9、结度的计算式为：,第五章 排水固结法,2020/8/25,地基处理技术,15,第五章 排水固结法,2020/8/25,地基处理技术,16,第五章 排水固结法,在荷载作用下地基土体发生固结，固结过程中，超孔隙水压力消散，有效应力增大，地基土强度提高。同时在荷载作用下地基土体产生蠕变，还有可能导致强度衰减。因此在荷载作用下，地基中某点某时刻的抗剪强度f可以表示为,式中 考虑土体蠕变及其它因素对土体抗剪强度的折减系数，并建议在工程设计中取=0.750.90； K土体有效内摩擦角的函数， 土体有效内摩擦角； U地基中某点的固结度，为简便计，常用平均固结度代替； 1荷载引起地基中某点超孔隙水压力增量，可
10、按弹性理论计算。,2020/8/25,地基处理技术,17,第五章 排水固结法,三、堆载预压法设计 堆载预压法设计包括排水系统和加压系统的设计。设计的依据为工程地质资料，对工后沉降、处理后地基承载力以及预压时间的要求。 （一）排水系统的设计 1.竖向排水体材料的选择 可根据材料资源、施工条件和经济分析比较确定。若竖向排水体的长度超过20m，建议采用普通砂井。 袋装砂井通常在现场制备，袋子材料普遍采用聚丙烯编织布，直径多用70mm，砂料宜用风干砂，含泥量应小于3%。 塑料排水板在工厂生产，品种型号很多，但根据结构形式可以分为两大类：单一微孔带式结构（国外生产）和滤膜芯带复合结构（国内生产）。,20
11、20/8/25,地基处理技术,18,第五章 排水固结法,2. 竖向排水体深度设计 根据需要处理的软土层厚度，或根据对工后沉降的要求和保证地基整体稳定需要对深厚软粘土地基处理深度的要求，初步确定竖向排水体深度。若软土层较薄，竖向排水体应贯穿软土层；若软土层中有砂层，应尽量打至砂层，但砂层中有承压水时，不宜贯穿砂层。 3. 竖向排水体平面布置设计 普通砂井直径：300500mm，井径比n=68。 袋装砂井直径：70100mm，井径比n=1530。 塑料排水板常用当量直径表示，塑料排水板宽度为b，厚度为，其当量直径Dp计算式为,2020/8/25,地基处理技术,19,第五章 排水固结法,塑料排水板井
12、径比一般采用n=1530。 砂井平面布置采用等边三角形、正方形。采用等面积圆表示一个砂井的影响范围竖向排水体影响圆直径de与排水体间距l关系如下：,等边三角形排列,正方形排列,4.地表排水砂垫层设计 地表排水砂垫层是排水系统的一部分。砂垫层采用中粗砂，含泥量应小于5%，其厚度一般大于400mm。,2020/8/25,地基处理技术,20,第五章 排水固结法,（二）堆载预压计划设计 根据初步确定的排水系统，对地基处理的要求，以及容许的堆载预压工期，拟订一堆载预压计划。例如拟订的堆载预压计划如图，预压荷载分二次等速堆载。对这一堆载预压计划，需作下述几项验算： 1.堆载预压过程中地基稳定验算 主要验算
13、加载阶段地基稳定性。稳定分析一般可采用圆弧滑动法分析。首先应计算此时刻地基的平均固结度。根据地基固结情况以及蠕变对强度的影响计算地基土体抗剪强度，然后进行地基稳定性计算。,图5-3 堆载预压计划,2020/8/25,地基处理技术,21,第五章 排水固结法,利用地基的天然抗剪强度计算第一级容许施加的荷载。一般可利用skempton极限荷载半经验公式初步估算,式中 p1天然地基允许施加的荷载； Cu基底以下0.707B深度范围内的地基土不排水抗剪强度； Nc承载力系数，当p=0时，Nc=5.14； K安全系数，取1。1-1.5 B基础宽度； L基础长度; D基础埋深。,2020/8/25,地基处理
14、技术,22,第五章 排水固结法,另外可以根据预压荷载作用下地基固结度，计算在预压阶段地基固结沉降，并可进一步计算工作荷载作用下的沉降。,式中 S建筑物工后沉降； SC在工作荷载pA作用下原天然地基固结沉降，可采用分层总和法计算； SE预压荷载卸荷时地基回弹量，数量较小； SCB在预压荷载pB作用下天然地基固结沉降，可采用分层总和法计算； 预压卸荷时对荷载pA地基达到的平均固结度。,2020/8/25,地基处理技术,23,第五章 排水固结法,若工后沉降不能满足要求，可通过延长堆载时间和减少井径比以增加平均固结度，或增大预压荷载，均可达到减少工后沉降的目的。 第一级荷载：采用天然地基承载力。 第二
15、级荷载：第一级荷载U达80%时施加，由新的地基承载力确定。 依次类推，拟订堆载预压计划。 （三）现场监测设计 堆载预压法现场监测项目一般包括地面沉降、水平位移观测和地基中孔隙水压力观测，如有条件也可进行地基中深层沉降和水平位移的观测。,2020/8/25,地基处理技术,24,第五章 排水固结法,（四）超载预压设计 预压荷载超过工作荷载时称为超载预压。采用超载预压法一般是为了缩短堆载预压时间，或进一步减少工作荷载作用下地基沉降量。 地基中土体在预压、卸载、工作荷载作用下有效应力变化有三种情况，如图5-3所示。在堆载预压阶段从初始状态A沿AD方向到状态B，然后卸荷回弹沿BC方向到状态C，在工作荷载
16、作用下，固结完成时，应力状态可能有三种情况： 1.沿CB，通过B点，再沿BD方向最终状态在BD线上。 2.沿CB，最终状态落在B点。 3.沿CB，最终状态落在CB线上。,图5-4 elnp/曲线,2020/8/25,地基处理技术,25,第五章 排水固结法,在情况2中，工作荷载作用下最终状态落在B点，即工作荷载作用下地基沉降量S与堆载预压卸荷回弹量SE两者相等，可得：,若 =0.80，则SCB=1.25 SC。由上式可以计算相应的超载预压荷载（临界值），记为pE。若预压荷载pBpE，则应力状态属情况1；若预压荷载pBpE，则应力状态属情况3。超载预压荷载为pE时，通过超载预压减少工后沉降的效益最好。,2020/8/25,地基处理技术,26,第五章 排水固结法,（五）真空预压法设计 真空预压法是通过在砂垫层和竖向排水体中形成负压区，在土体内部和排水体间形成压差，迫使土
