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1、地基处理地基处理 第四章第四章 排水固结法排水固结法预压排水法：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S=a/(1+e)szH=26.3cmCv=k(1+e)/a/gw=4.8810-3cm2/sTv=0.616Ut=0.817St=21.5cmUt=90%Tv=0.84
2、8t=1.38年常规一维太沙基固结时间长，工程中往往工期很紧？这时候怎么办？工程中如何解决工后沉降问题？预压排水法系统组成（a）排水系统（b）加压系统分类解决软基的沉降：沉降在加载预压期间完成稳定性：地基强度增长考虑砂井/塑料排水板的二维固结问题等面积元原理，竖向排水井影响圆直径de与排水井间距s关系如下等边三角形布置 矩形布置竖向排水井平面布置和影响范围（a）梅花形布置（b）矩形布置普通砂井直径一般为，设计参数径井比 一般采用n=68；袋装砂井直径一般为 ，径井比一般为n=1530。塑料排水板（PVDs）采用当量直径的概念，径井比一般为n=1530。 PVDs当量直径根据等排水面积原理计算，
3、并乘以一折减系数=0.751.0。即： 最新研究表明，塑料排水板折角等对当量直径有折减。更简单、更适用的一种换算方法（Rixner et al，1986） 式中 b，分别为PVDs的宽度和厚度。砂井（或塑料排水板）地基的固结度计算属于三维问题。在轴对称条件下，单元井固结课题，RendulicTerzaghi固结理论 二、砂井结构理论二、砂井结构理论二、砂井固结理论采用分离变量原理，则上式可分解成 竖向固结的求解，可以采用Terzaghi解答，其固结度的计算公式为 其中 Barron(1948)根据等应变条件，其水平向固结度的计算公式为 其中 Carrillo（1942）根据前述分离变量原理，解
4、得： 或 卡里罗定律 饱和软粘土层厚度2H=15m，其下卧砂层。砂井穿透该土层，进入下卧砂土层。砂井直径dw=30cm，平面布置为等边三角形，间距s=2.5m。地基土的垂直向固结系数 水平向固结系数。 求在均匀荷载下，预压3个月后的固结度。例题例题解 1. 竖向固结度Uz计算因为是双面排水，垂直向最大渗径H=750cm式中的第一项，则有 2. 径向固结度Ur计算因为砂井的平面布置为等边三角形，所以砂井预压法处理该地基的平均固结度由上例可以看出，采用砂井后固结度提高了约70%，明显加快了地基的排水固结。（一）砂井未穿透软弱土层平均固结度计算砂井深度H1范围内根据上述单元井固结理论计算砂井以下部分
5、H2范围内土层可简单地假定砂井底面为一排水面，采用Terzaghi解答计算。因此，整个土层平均固结度U 式中 砂井打入深度H1与整个固结土层厚度比值，即；U1、U2分别为砂井范围内土层（H1）固结度和砂井以下部分土层（H2）固结度。三、砂井固结理论实际应用中的修正砂井未打穿软弱粘性土层（二）逐级加荷条件下的固结度计算1. 改进的Terzaghi法 改进太沙基法基于如下基本假定（1）分级荷载增量Pi所引起固结过程是单独进行，与上 一级荷载增量无关（2）总的固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加（3）等速加荷周期内，经过t的固结度与t/2时刻施加相 应瞬时荷载固结度相同，即计算采用固结时间为 t
6、=t/2（4）等压期间，某一时刻t（t Ti）固结度，计算采用 t为等压时间（t- Ti）加上等速加载Ti /2，即（5）计算的固结度尚应对总荷载的比例进行修正分级等速加荷固结计算以二级等速加荷为例，说明Terzaghi改进法分级加荷固结计算的方法当时，进入首次等速加载过程，对于本级荷载p1，有 当按总荷载计算固结度时，上式改写成当时 ，进入首次等压期，计算采用时间修正后固结度为当当 时，进入二次等速加载时，进入二次等速加载对对 p1，采用的固结计算时间为，采用的固结计算时间为对对 ，固结度计算时间则为，固结度计算时间则为所以有所以有当当 进入第二次等压期，则进入第二次等压期，则对对 p1，采
7、用的固结计算时间为，采用的固结计算时间为对，固结度计算时间则为，则固结度计算为对，固结度计算时间则为，则固结度计算为多级等速加荷可依次类推，并归纳如下式 式中 Tn、Tn+1分别为各级等速加荷的起 点和终点时间； pn为第 i 级荷载的增量。（三）井阻与涂抹作用地基中设置竖向排水系统，本身透水性虽然大，而对渗流总有一定的阻力，称为井阻（well Resistance）在竖向排水系统施工中，井管插拔对井壁附近一定区域土体具有涂抹作用，该作用降低了土体径向渗透系数，称为施工涂抹作用（Smear Effect）。近年来，断面尺寸较小塑料排水板。井径dw、井间距de减小，降低了地基径向排水渗径，提高了
8、地基排水固结的速率。考虑井阻和涂抹作用的非理想井固结理论具有现实的意义。在Barron解的基础上，Yashikmmi（1979）和Hansbo（1981）提出了可以考虑上述作用的非理想单元井固结理论。Hansbo考虑井阻和施工涂抹的固结度解答，以PVDs为例 其中 PVDs通水能力设计值qw根据PVDs室内试验通水能力极限值qult确定，qult基于Short-Term试验得出，一般2550升/sm。美国ASTM D4716（ASTM，1996），采用水头梯度1.0，PVDs侧面正应力200kPa，得到qw表达式如下 式中 RFIN反滤土工织物弹性应度，压缩了芯板排水通道 的折减系数； RFC
9、RPVDs的蠕变折减系数； RFCC反滤织物和芯板孔隙中化学物质沉淀产生化学 阻塞作用的折减系数； RFBC芯板排水通道或反滤织物孔隙上生物积聚阻塞 作用的折减系数； RFK由固结变形导致PVDs的纠结、皱折和应变的 折减系数。PVDs的使用时间较短，化学和生物的阻塞影响相对较小，一般可以忽略考虑井阻、涂抹，亦可简单乘以一个折减系数0.800.95特殊情况下， PVDs可以长期使用，例如降压、加筋，抗液化 在附加荷载作用下，某一时间，土体中一点的抗剪强度tf可用下式表示 式中 tf 天然地基在加荷前的抗剪强度kPa）； tfc 由于固结而增长的抗剪强度（kPa）； tft 由于剪切应力水平提高
10、和应变发展所引 起的土体强度衰减（kPa）。地基强度的增长规律 tft 研究不够深入，表达式一般改写成 式中 土体剪切应力等因素对强度影响综合性折减系数=0.750.90。 天然地基的强度可用十字板剪切试验或无侧限抗压试验确定。 采用十字板剪切试验，软土地基强度S0与深度z关系基本上是直线 当采用无侧限抗压试验，确定地基初始抗压强度时 式中qu土体的无侧限抗压强度（kPa）。地基初始强度与深度的关系a ahc0l l =tana a强度增量 估算 上式可以改写成 由此 可以得到 在预压法中地基中固结压力荷载来源利用建筑物自身重量加压的方法外加预压荷载（堆载）加压的方法减小地基中孔隙水压力方法预
11、压方法是一种经济而有效的方法，加压周期长，对沉降差要求严格结构不宜此法。应用于地基稳定性、适应较大变形的建筑物路堤、土坝、贮矿场、油罐、水池等。特别是对油罐或水池等建筑物，例如先进行充水加压，既可检验有无渗漏；又可利用分级充水预压，地基土强度提高，满足稳定性要求。路堤、土坝等建筑物，严格控制加荷速率，逐层填筑确保地基稳定性。一、利用建筑物自重加压方法 堆载预压法，预先堆填等于或大于设计荷载的散粒料，如石料、砂和砖等。1） 堆载面积不得小于建筑的基础底面积；2） 严格控制堆载的速率，确保各级荷载下地基 稳定性，避免局部破坏；3） 超软地基或竖向排水体施工扰动后软弱地基， 堆载预压荷载大小、施工工
12、艺应更加精心设 计，避免土扰动和破坏。二、堆载预压方法二、堆载预压方法减少地基中孔隙水压力可采用真空技术和降水技术，无需强度稳定控制。首先在地基中设置竖向排水通道和地表平面排水通道；埋设吸水管道与抽真空装置连接，形成抽气、抽水系统；铺设不透气封闭膜，薄膜四周埋入土中一定深度；通过抽气、抽水在地面排水系统和竖向排水体中形成负压区。真空预压法真空度一般可达80kPa（目前达到130kPa）。通过不断的抽气、抽水，孔隙水在压差作用下，排出土体而固结。三、真空预压法真空预压和堆载预压可叠加。加固地基中，真空预压使得排水系统压力降至pv，在压差(pa-pv)作用下，土中水流向排水体发生真空预压固结。堆载
13、预压使得土体中孔隙水压力增高至pp，在压差(pp-pa)作用下，土中水流向排水体发生堆载预压固结。真空和堆载联合预压时，被加固地基土体在压差(pp-pv)作用下，土中水流向排水体发生固结。联合预压的压差增大，荷载强度提高，加固效果相对更好。如何堆载？1. p1=5.52Cu/K 预测第一级荷载2.预测第一级荷载作用下70固结度地基强度增长和时间：Cu1=(Cu+Cu)3.计算第二级能施加的荷载p2和地基稳定性。计算最终沉降量和预压时间。超载？St=Sd+UtSc+Ss确定需要的超载和达到预定沉降需要时间。考虑超载的固结度： Uz(f+s)=pf/(pf+ps) 图？等载与超载设计等载设计：计算
14、工期时间内地基的固结度，确定地基的工后沉降。当等载预压不能满足工后沉降时，必须进行超载。目标是通过超载使工后沉降满足设计要求，关键在确定超载高度。确定所需要的超载压力值，以保证使用荷载作用下总沉降在给定的时间内完成。确定在给定超载下达到预定沉降所需要的时间为了消除卸载后继续发生的主固结沉降，超载应维持到使土层中部固结度达到以下要求：Uz(f+s)=pf/(pf+ps)排水固结法设计合理安排排水和加压系统的关系。竖向排水体按以下原则选取p39)（1）竖向排水体主要有普通砂井、袋装砂井和塑料排水带三种。优先选用塑料排水带；（2）当工程场地周边砂料质量与价格可行时，打入深度在15m以内，可采用袋装砂
15、井；2塑料排水带材料应满足以下要求：（1）6个月以上排水要求的塑料排水带，芯板不宜使用塑料再生料制作，6个月以内排水要求的塑料排水带，经环保检测合格后，芯板可考虑使用再生料制作。透水滤布一般为涤纶短纤、涤纶长纤仿粘、维纶和丙纶等无纺土工布，单位面积质量一般在70g/m2150g/m2。（2）塑料排水带的滤布应具有良好的渗透性和反滤性。（3）塑料排水带整体在打入地基后应有足够的通水能力。（4）塑料排水带整体应具有一定的弹性和抗拉强度，以满足储运、施工，具化学稳定性，不溶解、不膨胀、不污染环境等。（5）塑料排水带整体应成型良好，满足尺寸的要求等。砂井设计砂井井径与间距Dp=a2(b+d)/pi,参考砂井深度尽可能穿透软土层，与透镜体相连，附加应力深度，承压则宜与砂层连，超过最危险面。排列布井范围：轮廓外延24m砂井设计 砂料砂垫层
