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1、,第5章 排水固结法,8.1概述,预压排水法：是对天然地基，或先在地基中设置竖向排水井（Prefabricated Vertical DrainsPVDs），然后在预压荷载（Preloading）作用下，加速饱和软粘土地基固结 适用于饱和的、渗透性低的、软土埋藏较深的软弱粘性土地基加固 工作机理，加速渗透固结，缩短沉降周期，降低工后沉降，提高地基承载力 应用范围：广泛用于路基填筑工程，工业和民用建筑以及机场跑道工程,5.1 概述,8.1概述,图8-1预压排水法系统组成 （a）排水系统（b）加压系统分类,5.1 概述,5.2 加固机理 5.2.1 堆载预压加固机理,饱和软粘土地基在荷载作用下，孔
2、隙水在压差作用下，由排水通道缓慢排出，使孔隙体积减少，地基发生固结沉降，同时，土中有效应力增加，地基土强度逐渐增长。这一原理可由图5.2来说明。当土样的固结压力为时，其孔隙比为，在坐标上对应于a点；当压力增加，其孔隙比减少，对应于曲线上c点，曲线称为压缩曲线。同时，在坐标中，抗剪强度成比例增长，由a点提高到c点。如果卸除固结压力，土样发生膨胀，由c点回到f点曲线cef为卸荷曲线。若对土样再施加的压力，土样发生再压缩，由f点沿虚线变化到点，其相应的强度包络如图中所示。从再压缩曲线可清楚看出，固结压力同样从增加，从而孔隙水减少值为，比小得多。这说明，如在建筑场地先施加一个与上部建筑物相同的压力进行
3、预压，使土层固结（相当于压缩曲线从a点变化到c点），然后卸载（相当于回弹曲线上从c点变化到f点）再建造建筑物（相当于再压缩曲线从f点变化到点），这样建筑物所引起的沉降可大幅度减小。如果预压荷载大于建筑物荷载，即所谓超载预压，则效果更好。经过超载预压，当土层的固结压力大于使用荷载下的固结压力时，则原来的正常固结的软弱粘性土将处于超固结状态，而使土层在正常使用荷载下的变形大为减小。,5.2.2 真空预压加固机理,真空预压法（Vacuum Preloading）是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水管道，再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道
4、，用真空装置进行抽气，使其形成真空，增加地基的有效应力（如图所示）。当抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体固结。,图5.4 真空预压原理,上世纪80年代后，我国由于港口的发展，沿海的大量软基必须在短期内加固，许多科研单位相继开展了真空预压法加固机理的研究，并取得了突破性的研究成果。1985年12月通过了国家鉴定，经过许多年的努力，在真空预压法的真空度和大面积加固方面达到了国际领先水平，膜内真空度已能达到610730mmHg，相当于7892kPa等效荷载，单块加固面积可达300
5、00平方米。真空预压法经过4070天的预压，固结度可达80%，承载力提高三倍，能满足大多数货场、仓库、道路及一般工业与民用建筑的要求，特别适用于堆载要求低于80kPa的软土地基加固。对于一些使用荷载大，承载力要求高的建筑场地，1983年开展了真空一堆载联合预压法的研究，开发了一套先进的工艺和优良的设备，并从理论和实践方面论证了真空和堆载的加固效果是可以叠加的。近年来，根据工程需要，己获得了相当于135kPa的等效荷载。,真空预压的原理主要反映在以下几个方面： （1)薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载在抽气前，薄膜内、外都承受一个大气压。抽气后薄膜内气压逐渐下降，首先砂垫层，其次砂井中的气压降至
6、，故使薄膜紧贴砂垫层。由于土体与砂垫层和砂井的压差，发生渗流，使土中的孔隙水压力不断降低，有效应力不断增加，从而促使土体固结。土体和砂井的压差，开始时为Pa-Pv，随着抽气的时间的增长，压差逐渐变小，最终趋于零，渗流停止，土体固结完成。 （2)地下水位降低，相应增加附加应力在抽气前，地下水位离地表距离为H1，抽气后土体中水位降至H2，地下水位下降H1-H2，在此范围内土体便从浮容重变为湿重度，此时土的骨架增加了大约水位高差H1-H2的固结压力。 （3)封闭气泡排出，土的渗透性加大 饱和土体中含有少量封闭气泡，在正压作用下，该气泡堵塞孔隙，使土的渗透性降低，固结过程减慢。但在真空吸力作用下，封闭
7、气泡被吸出，从而使土体的渗透性提高，固结速度加快。 真空预压是通过覆盖于地面的密封膜下抽真空，使膜内外形成气压差，使粘土层产生固结压力。即是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。真空预压和降水预压是在负超静水压力下排水固结，称为负压固结。,5.3 设计计算 5.3.1设计原则,排水固结法的设计，实质上是根据上部结构荷载的大小，地基土的性质及工期要求，合理安排排水系统和加压系统的关系，是地基在受压过程中快速排水固结，增加一部分地基土强度以满足逐渐加载条件下地基稳定性的要求，并加速地基的固结沉降，缩短预压得时间；确定竖向排水体的直径、间距、深度和排列方式；确定预压荷载的大小
8、和预压时间，要求做到尽量缩短地基处理时间；尽量加快地基固结沉降速度；3充分增强地基土强度；注意安全。加载预压法的设计应包括以下内容：选择竖向排水体，确定其尺寸、间距、排列方式和深度；确定预压荷载的大小、范围、速率和须压时间；3计算地基的固结度、强度增长；进行稳定性和变形计算。排水固结法的设计与计算可参照图5.5流程进行。,图5.5排水固结法设计流程图,或,在设计以前应收集有关资料：1，进行详细的场地勘察（土层竖向，水平分布，透水层，地下水，水源补给等）。2，室内土工实验，以取得必要的设计资料，以下项目的资料应特别加以重视。3，原位十字板剪接试验 表5.1排水固结法地基土的常规试验项目,5.3.
9、2加载预压法设计,加载预压法是在建筑物建造以前，在建筑场地进行加载预压，使地基的固结沉降基本完成和提高地基土强度的方法。图5.6和图5.7是堆载预压法的原理说明图。对于在持续荷载作用体积会发生较大的压缩和强度会增长得软弱粘性土，而又有足够时间进行压缩时，这种方法特别适用。为加速压缩过程，减少压缩时间，可采用比建筑物重量为大的超载进行预压。当预压的压缩时间过长时，可在地基中设置砂井等竖向排水体以加速土层的固结，缩短预压时间。适合于采用预压处理的土层有：饱和软粘土、可压缩的粉土、有机质粘土和泥炭土。无机质粘土的次固结一般很小，这种土的地基采用竖向排水体预压很有效果。预压法已成为地基应用于对地基沉降
10、要求较高的建筑物（构筑物）地基处理较为有效的方法之一。从预压荷载与上部结构荷载关系，加载预压可分为欠载预压、等载预压和超载预压。,图5.7超载预压法,图5.6预压法,（一）计算 1、预压荷载计算预压荷载的大小应根据设计要求确定，通常取建筑物的基底压力值，对于沉降要求严格的建筑，应采用超载预压法，即预压荷载大于建筑物的基底压力值。 加载预压的加载计算步骤如下：由于软粘土地基抗剪强度低，不能快速加载，必须分级施加，待上一级荷载作用下地基强度可承受下一级荷载时，才能施加下一级荷载。在进行具体计算时，可先拟定一个初步加载计划，然后校核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降。 (1)利用天然地基土的抗剪强度，
11、计算第一级容许施加的荷载允许施加的荷载，一般可采用以下方法估算：,斯开普顿极限荷载半经验公式：式中： -安全系数，一般取1.11.5；-天然地基土的不排水抗剪强度（kPa）；-地基埋置深度（m）；、 -基础的长与宽（m）；-基底标高以上土的加权平均重度（kN/m3）；对饱和软粘上，可采用下式；对长条形填土，可采用Fellenius公式：,(2)计算第一级荷载作用下地基强度增长值(在 作用下，经过一段时间预压，地基强度将提高)：式中： -作用下，经过一段时间，地基中某点的抗剪强度；-地基土的天然抗剪强度，由十字板剪切试验测定；-该点由于固结而增长的强度，通常取固结度为70，式中：k有效内摩擦角函
12、数 k=sincos/（1+ sin） 有效内摩擦角，可由三轴固结不排水试验确定，常为2430Ut 地基中某点固结度，可用平均固结度代替。1 荷载引起的地基中某点的最大主应力增量。是考虑剪切蠕变基其它因素对强度影响的一个综合性折减系数。 值与地基土在附加剪应力作用下可能产生的强度衰减作用有关，根据国内有些地区实测反演结果，值为0.800.85。如判断地基土没有强度衰减可能时，则 。,(3)计算P1作用下达到设计要求的因结度所需时间。达到某一固结度所需要的时间可根据固结度与时间的关系求得，时间求出来后，就可确定第二级荷载开始施加的时间。t1/ln 8/2 (1- ) (4)根据第一级荷载作用下得
13、到的地基强度，计算第二级所能施加的荷载 。可近似按下式估算：再求出 作用下，地基固结度达70时的强度及所需时间，然后计算第三级荷载的开始施加时间及荷裁大小，依次计算出各级荷载的开始施加时间及荷载大小。 (5)以上步骤就形成一个初步加荷计划，应对每一级荷载下地基的稳定性进行验算，若不满足稳定性要求，应调整加荷计划。 (6)计算预压荷载作用下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。这样就可确定预压荷载的卸除时间。经预压后所剩余的沉降量，应在建筑物的容许沉降量范围内。,超载预压超载预压可缩短预压时间，且可减少次固结变形。超载大小应使地基主固结度满足：= 土层中间固结度满足 u(1/2)= 对于有机质粘土
14、、泥炭土等，固结度应满足：= 上面各式中：Sf地基土在设计永久荷载作用下主固结最终沉降量；S sf地基土在永久荷载和超载作用下主固结最终沉降量；S s有机质土次固结沉降量（mm）；u(1/2)土层中间固结度；Pf设计永久荷载；Ps超载； 地基主固结度。一般超载量Ps为设计荷载的10%20%。 加载范围不应小于建筑物基础外缘所包围的范围。,（二）砂井排水固结的设计计算,(1)砂井设计 A 砂井的直径及间距：采用“细而密”布置，但直径太细易出现井阻，并扰动土结构。常用普通砂井直径=30-50cm，袋装砂井710cm，塑料排水板相当于直径67cm。砂井的井径比n = 等效圆直径（mm）/砂井直径（m
15、m）=de/dw；普通砂井n=68，袋装砂井及塑料排水板n=1520。 B 砂井深度： 砂井过深，深层土固结效果差，原则为： 压缩层不厚时，砂井贯穿压缩层。 压缩层厚时，砂井应打中其间砂层或透镜体。若没有，则应距建筑物在地基中产生的附加应力与自重应力之比（一般为0.1-0.2）来确定。 对以地基抗滑稳定性控制的工程，砂井深度应超过危险滑动面之下2米。 C 砂井排列：多为正方形和正三角形布置(图4437)。每个砂井的有效影响范围化作一个等体积的等效圆柱体。等效圆柱体直径de与砂井间距S关系为：正方形排列时： de=1.13S 正三角形排列时：de=1.05S D 砂井布置范围及砂垫层比基础外缘扩
16、大24米或更大，顶面铺砂垫层，厚0.30.5m。,图4437 砂井平面布置及有效影响圆柱体剖面,(2)砂井地基固结度计算 a瞬时加荷下砂井地基固结度计算 (a)竖向排水平均固结度 （书本P83）(b)水平向排水的固结计算（书本P83） 对于存在竖向排水体的内径向排水条件或土层中的附加压力为均布时，某一时间竖向固结度的计算公式为：（c）总固结度（或书本P85）,(3)砂井地基固结度计算修正,1影响砂井固结度的因素修正对长径比(长度与直径比)大、砂料渗透系数较小的袋装砂井或塑料排水带，砂并中的砂料对渗流有阻力，会产生水头损失，所以应考虑井阻作用。当采用挤土方式施工时，会对周围土产生扰动，井管上、下拨动还会对井壁产生涂抹作用，降低土的径向渗透性。当考虑井阻、涂抹和扰动影响时，应对砂并地基的平均因结度进行折减，一般固结度取折减系数0.800.95。对砂井长度和间距较大，土层中无进水夹层，砂料渗透系数较小等情况，取小值，否则取大值。 2 砂井未打穿软土层时固结度计算（书本P86（513） 3 逐渐加荷条件下地基固结度计算（书本P87（518519） (a)改进的太沙基法 (b)改进的高木俊介法,
