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1、3.1 概述,第三章 预压法,预压法又称排水固结法，指直接在天然地基或在设置有袋状砂井、塑料排水带等竖向排水体的地基上，利用建筑物本身重量分级逐渐加载或在建筑物建造前在场地先行加载预压，使土体中孔隙水排出，提前完成土体固结沉降，逐步增加地基强度的一种软土地基加固方法。 预压法由加压系统和排水系统两部分组成。加压系统通过预先对地基施加荷载，使地基中的孔隙水产生压力差，从饱和地基中自然排出，进而使土体固结；排水系统则通过改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离，使地基在预压期间尽快地完成设计要求的沉降量，并及时提高地基土强度。,预压法适用于处理各类淤泥质土、淤泥及冲填土等饱和
2、粘性土地基。预压荷载是其中的关键问题，因为施加预压荷载后才能引起地基土的排水固结。,3.1 概述,第三章 预压法,3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,土在某一荷载作用下，孔隙水逐渐排出，土体随之压缩，土体的密实度和强度随时间逐步增长，这一过程称之为土的固结过程。亦即孔隙水压力消散、有效应力增长的过程。,3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,(1) 堆载预压加固机理 堆载预压是指先在地基中设置砂井、塑料排水带等竖向排水体，后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或建筑物建造前，在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水缓慢排出，土层逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的过程。,3.2 预压法加固机
3、理,第三章 预压法,3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,(2) 真空预压加固机理 真空预压指在软土地基中打设竖向排水体后，在地面铺设排水用砂垫层和抽气管线，然后在砂垫层上铺设不透气的封闭膜使其与大气隔绝，再用真空泵抽气，使排水系统维持较高的真空度，利用大气压力作为预压荷载，增加地基的有效应力，以利于土体排水固结。 真空预压适用于均质粘性土及含薄粉砂夹层粘性土等，尤其适用于新吹填土地基的加固。对于在加固范围内有足够补给水源的透水层，而又没有采取隔断措施时，不宜采用该法。,3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,真空预压原理,3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,真空堆载联合预压布置示意图,
4、3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,(3) 降水预压加固机理 降水预压法是借助于井点抽水降低地下水位，以增加土的有效自重应力，从而达到预压的目的。,3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,饱和土体中孔隙水压力和附加应力的计算,3.2. 预压法加固机理,第三章 预压法,地下水下降,A点,地下水上升,3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,(4) 电渗预压加固机理 电渗预压是在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水分从阳极流向阴极，将水在阴极排除且无补充水源的情况下，引起土层的压缩固结。电渗预压与降水预压一样，是在总应力不变的情况下，通
5、过减小孔隙水压力来增加土的有效应力作为固结压力的，所以不需要用堆载作为预压荷载，也不会使土体发生破坏。,3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,(4) 电渗预压加固机理 电渗预压是在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水分从阳极流向阴极，将水在阴极排除且无补充水源的情况下，引起土层的压缩固结。电渗预压与降水预压一样，是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加土的有效应力作为固结压力的，所以不需要用堆载作为预压荷载，也不会使土体发生破坏。,第三章 预压法,3.2 预压法加固机理,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,预压法的设计，实质上是根据上部结构荷载的大小、地基
6、土的性质及工期要求合理安排加压系统与排水系统，使地基在预压过程中快速排水固结，缩短预压时间，从而减小建筑物在使用期间的沉降量和不均匀沉降，同时增加一部分强度，以满足逐级加荷条件下地基的稳定性。,(1) 堆载预压法设计计算,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,堆载预压法的设计内容主要包括： a. 选择塑料排水带或砂井，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度； b. 确定预压区范围、预压荷载的大小、荷载分级、加载速率和预压时间； c. 计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形。, 竖向排水体设计 a. 竖向排水体材料选择 竖向排水体可采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水带，若竖向排水体深度
7、超过20m，建议采用袋装砂井和塑料排水带。,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,b. 竖向排水体平面布置 竖向排水体直径和间距主要根据土的固结性质和施工期限的要求确定。排水体的截面尺寸取决于能否及时排水，直径过小，施工困难；直径过大，并不能明显增加固结速率。为达到同样的固结度，缩短排水体间距比增加排水体直径效果要好，即井径和井间距的关系是“细而密”比“粗而稀”好。 一般地，普通砂井直径为300500mm，袋装砂井直径为70120mm。塑料排水带的当量换算直径可按下式进行计算：,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,竖向排水体的间距l通常按井径比n确定，一般普通砂井的间距可按n=6
8、8选用，塑料排水带或袋状砂井的间距可按n=1522选用。 竖向排水体在平面上可布置成正三角形或正方形，其相应的有效排水范围分别为正六边形和正方形(图3-6)。为简化计算，将其有效排水范围均简化为等效圆，则竖井的有效排水直径和竖井间距l的关系为： 等边三角形排列时: 正方形排列时 :,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,c. 竖向排水体深度和布置范围 竖向排水体深度主要根据土层的分布、地基中附加应力的大小、建筑物对地基的稳定性、变形要求及工期来确定，一般为1025m。 1) 软土层不厚、底部有透水层时，竖向排水体应尽可能穿透软土层。 2) 当深
9、厚的高压缩土层间有砂层或砂透镜体时，竖向排水体应尽可能打至砂层或砂透镜体，而采用真空预压时应尽量避免竖向排水体与砂层相连，以免影响真空效果。 3) 对于无砂层的深厚地基则可根据其稳定性及建筑物在地基中造成的附加应力与自重应力之比值确定(一般为0.10.2)。,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,4) 对以地基抗滑稳定性控制的工程，竖向排水体深度通过稳定性分析来确定，且至少应超过最危险滑动面2m。 5) 对以变形控制的工程，竖向排水体深度应根据在限定的预压时间内需完成的变形量来确定。竖向排水体宜穿透受压土层。 竖向排水体的布置范围一般比建筑物基础范围稍大为好。扩大的范围可由基础的轮廓线向
10、外增大约24m。 地表砂垫层设计 在竖向排水体顶部应铺设排水砂垫层，以保证地基固结过程排出的水能够顺利地通过砂垫层迅速排出，使受压土层的固结能够正常进行，以利于提高地基处理效果，缩短固结时间。,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,a. 垫层材料 垫层材料宜采用透水性良好的中粗砂，粘粒含量不宜大于3%，砂料中可混有少量粒径小于50mm砾石。砂垫层的干密度应大于1.5g/cm3，其渗透系数宜大于110-2cm/s。 b. 垫层厚度 排水砂垫层的厚度首先应满足地基对其排水能力的要求；其次，当地基表面承载力很低时，砂垫层还应具备持力层的功能，以承担施工机械荷载。陆上施工时，砂垫层厚度不应小于0
11、.5m；水下施工时，一般为1m。砂垫层的宽度应大于堆载宽度或建筑物底宽。并伸出竖向排水体外边线2倍竖向排水体直径。在砂料贫乏地区，可采用连通竖向排水体的纵、横砂沟代替整片砂垫层。,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算, 预压荷载确定 a. 制订加荷计划 1) 利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的荷载 。一般可根据斯开普顿极限荷载的半经验公式作为初步估算，即： 对饱和软粘土，可采用下式估算： 对长条形填土，可根据Fellenius公式估算：,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,2) 计算第一级荷载 作用下地基强度增长值。在 荷载作用下经过一段时间预压，地基强度逐渐提高，
12、地基强度为： 3) 根据第二步所得到的地基强度确定第二级所能施加的荷载 ， 可按下式近似估算： 4) 按上述加荷计划进行每一级荷载下的地基稳定性计算。如果稳定性不满足要求，需调整加荷计划。 5) 计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量，以确定预压荷载卸除的时间。如果预压工作期内，地基沉降量不满足设计要求，则应采用超载预压，需调整加荷计划。,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,b. 地基固结度计算 1) 瞬时加荷条件下的固结度计算,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,固结度计算是建立在太沙基固结理论和巴伦固结理论基础上的。固结理论假定： 每个砂井的有效影响范围为一圆柱体
13、，且不考虑施工过程中所引起的井阻和涂抹作用； 荷载为大面积连续均布荷载，地基中附加应力分布不随深度变化； 一次性瞬时施加荷载，加荷开始时，外荷载全部由孔隙水压力承担，固结过程就是孔隙水排出的过程； 地基土体仅发生竖向变形，土体的压缩系数和渗透系数为常数。,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,固结微分方程为：,用分离变量法求解，可分解为:,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,竖向排水平均固结度,当 时，可采用下式计算,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,径向排水平均固结度,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,考虑涂抹和井阻影响时，竖向排水体地基可按下式计算径向排水
14、平均固结度,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,总平均固结度,根据卡里罗（Carrillo）理论证明,时总平均固结度:,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,竖向排水体往往并未穿透整个受压土层。在这种情况下，固结度的计算可分为两部分：竖向排水体范围内地基的平均固结度按式（3.26）计算；竖向排水体以下部分的受压土层按竖向固结度按式（3.15）计算:,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算,2) 分级加荷条件下的固结度计算 在实际工程中，为保证堆载预压过程中地基的稳定性，其预压荷载多为分级逐渐施加。但以上固结度的计算都是假设荷载是一次瞬间加足的，因此，必须对求得的固结时间关系和沉降时间关系加以修正。修正的方法有改进的太沙基法和改进的高木俊介法。,改进的太沙基法,对于分级加荷的情况，改进的太沙基法假定： 每一级荷载增量 所引起的固结过程是单独进行的，与上一级荷载所引起的固结度无关；,第三章 预压法,3.3 预压法的设计与计算, 总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加； 每一级荷载增量 在等速加荷经过时间t的固结度与在t/2时瞬间加荷的固结度相同，即计算固结的时间为t/2；
