第4章--排水固结法

地基处理技术GroundTreatmentTechniques重庆交通大学河海学院吴文雪第4章排水固结法Chapter4Consolidation4.1概述排水固结法（Consolidation）是处理软粘土地基的有效方法之一。该法是对天然地基，或先在地基中设置砂井等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或是在建筑物建造以前，在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。深圳河真空预压全貌深圳美视妈湾油库海上抛石围堤、海上铺设土工布、回填砂和插板并堆载预压竣工后使用现场堆水预压四航研究院进行的交通部综合地基加固现场试验（在潮间带插铺土工布、回填砂垫层、插排水板，并用真空气体、水荷载流体和堆砂固体进行三相体联合预压）四航研究院珠海前山水荷载预压加固示意图四航研究院深圳妈湾潮间带真空预压一角（退潮时）塑料排水板插板机塑料排水板地基处理真空预压地基处理•真空预压管网铺设排水板真空预压处理剖面示意图排水固结法可解决以下两个问题：（1）沉降问题。使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差。（2）稳定问题。加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。排水固结法适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成。（1）排水系统由水平排水垫层和竖向排水体构成。竖向排水体可选用普通砂井、袋装砂井或塑料排水板。（2）加压系统即是起固结作用的荷载，它使地基土的固结压力增加而产生固结。工程上广泛使用且行之有效的增加固结压力的方法是堆载法，此外，还有真空法、降低地下水位法、电渗法和联合法。排水固结法的设计，主要是根据上部结构荷载的大小、地基土的性质以及工期要求、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和预压时间，使通过预压，地基能满足建筑物对变形和稳定性的要求。适用范围适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。但砂井只能加速主固结而不能减少次固结，对有机质土和泥炭等次固结土，不宜只采用砂井法。克服次固结可利用超载的方法。真空预压法适用于能在加固区形成(包括采取措施后形成)稳定负压边界条件的软土地基。降低地下水位法、真空预压法和电渗法由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，所以它适用于很软弱的粘土地基。排水固结法分类根据加压和排水两个系统的不同，派生出多种固结加固地基的方法：美国跨越金山湾南端的Dumbarton桥东侧引道路堤场地，路堤下淤泥的抗剪强度小于5kpa，其固结时间将需要30—40年，为了支撑路堤和加速所预计的2m沉降量,采用如下方案：1、采用土工聚合物以分布路堤荷载和减小不均匀沉降；2、使用轻质填料以减轻荷载；3、采用竖向排水体使固结时缩短到一年以内；4、设置土工聚合物滤网以防排水层发生污染等。uuuU10tu00U时，t0u10U时，t0u1U时，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。4.2排水固结法的加固机理(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。4.2排水固结法的加固机理砂井堆载预压法基本方法：砂井堆载预压法系在软弱地基中通过采用钢管打孔、灌砂，设置砂井作为竖向排水通道，并在砂井顶部设置砂垫层作为水平排水通道，形成排水系统；在砂垫层上部堆载，以增加软弱土中附加应力，使土体中孔隙水在较短的时间内通过竖向砂井和水平砂垫层排出，达到加速土体固结、提高软弱地基土承载力之目的。主要用于道路路堤、土坝、机场跑道、工业建筑油罐、码头、岸坡等工程的地基处理，对于泥炭等有机沉积地基则不适用。(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。真空预压法示意图真空预压法双层薄膜塑料排水板或袋装砂井集水沟抽真空设备出膜管抽真空滤管淤泥粘土中粗砂垫层及抽真空管道双层真空薄膜一层土工布真空压力表边坡开挖线深圳河真空预压加固软基示意图(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。抽水前水位线抽水后水位降落线滤水管抽水井管降水预压原理(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。AB水力坡降线预压法的设计，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。4.3堆载预压法设计计算4.3DesignProcedureofPreloading一、堆载预压的计算步骤因软粘土地基抗剪强度较低，无论直接建造建筑物还是进行堆载预压往往都不可能快速加载，而必须分级逐渐加荷，待前期荷载下地基强度增加到足以加下一级荷载时才可加下一级荷载。具体计算步骤是，首先用简便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降，其步骤如下：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p1，对饱和软粘土可采用下列公式估算：2计算第一级荷载下地基强度增长值。在p1荷载作用下，经过一段时间预压地基强度会提高，提高以后的地基强度为cu1：3计算p1作用下达到所确定固结度所需要的时间。目的在于确定第一级荷载停歇的时间，亦即第二级荷载开始施加的时间。DKcpu14.51)(1uuuccc4根据第二步所得到的地基强度cu1计算第二级所能施加的荷载p2。p2可近似地按下式估算：同样，求出在p2作用下地基固结度达70％时的强度以及所需要的时间，然后计算第三级所能施加的荷载，依次可计算出以后的各级荷载和停歇时间。Kcpu1252.55按以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载下地基的稳定性验算。如稳定性不满足要求，则调整加荷计划。6计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。这一项计算的目的在于确定预压荷载卸除的时间。二、超载预压对沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理地基。经超载预压后，如受压土层各点的有效竖向应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加总应力时，则今后在建筑物荷载作用下地基土将不会再发生主固结变形，而且将减小次固结变形，并推迟次固结变形的发生。4.4砂井排水固结设计计算4.4DesignProcedureofSandDrain1925年，丹尼尔.莫兰将垂直砂井用于费城－－奥克兰海湾大桥公路软土地基的加固，1926年获得专利。砂井法问世以后，因缺乏理论根据而按经验设计。1940～1942年，巴隆（Barron）根据太沙基的固结理论，提出砂井法的设计计算方法。我国从20世纪50年代起，开始应用砂井法。砂井法主要适用于没有较大集中荷载的大面积荷重或堆土荷重工程，例如水库土坝、油罐、仓库、铁路路堤、贮矿场以及港口的水工建筑物等工程。一、砂井设计砂井设计包括砂井直径、间距、深度、排列方式、范围、砂料选择和砂垫层厚度等。（1）砂井直径和间距主要取决于土的固结特性和施工期限的要求。“细而密”比“粗而稀”效果好。砂井直径一般为300～400mm；袋装砂井直径为70～120mm。（2）砂井深度主要根据土层的分布、地基中附加应力大小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。一般为10～25m。（3）砂井排列砂井在平面上可布置成正三角形（梅花形），以正三角形排列较为紧凑和有效。在实际进行固结计算时，由于多边形作为边界条件求解很困难，巴隆建议每个砂井的影响范围由多边形改为由面积与多边形面积相等的圆来求解。正方形排列时de＝1.13l正三角形排列时de＝1.05lde为砂井的有效直径，l为砂井间距。（4）砂井布置范围砂井的布置范围一般可由基础的轮廓线向外增大约2～4m。（5）砂料宜选用中粗砂，其含泥量不能超过3％。（6）砂垫层砂井顶部铺设砂垫层，可使砂井排水有良好的通道，将水排到工程场地以外。二、沉降计算地基土的总沉降一般包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。瞬时沉降是在荷载作用下由于土的畸变所引起，并在荷载作用下立即发生的。固结沉降是由于孔隙水的排出而引起土体积减小所造成的，占总沉降的主要部分。次固结沉降则是由于超静水压力消散后，在恒值有效应力作用下土骨架的徐变所致。设计内容除排水系统外，主要包括：密封内的真空度，加固土层要求达到的平均固结度，竖向排水体的尺寸，加固后的沉降和工艺设计等。4.5真空预压设计计算A.膜内真空度真空预压效果和封闭膜内所达到的真空度大小关系极大。根据国内一些工程的经验，当采用合理的工艺和设备，膜内真空度一般可维持600mmHg左右，相当于80kpa的真空压力，此值可作为最大膜内设计真空度。4.5真空预压设计计算B.加固区内要求达到平均固结度一般可采用80%的固结度。如工期许可，也可采用更大一些的固结度作为设计要求达到的固结度。4.5真空预压设计计算C.竖向排水体一般采用袋装砂井或塑料排水带。真空预压处理地基时，必须设置竖向排水体，由于砂井（袋装砂井或塑料排水带）能将真空度从砂垫层中传至土体，并将土体中的水抽至砂垫层然后排出。若不设置砂井等就起不到上述的作用和加固目的。抽真空的时间与土质条件和竖向排水体的间距密切有关。达到相同的固结度，间距越小，则所需的时间越短.4.5真空预压设计计算袋装砂井间距与所需时间关系4.5真空预压设计计算D.沉降计算先计算加固前建筑物荷载下天然地基的沉降量，然后计算真空预压期间所完成的沉降量，两者之差即为预压后在建筑物使用荷载下可能发生的沉降。预压期间的沉降可根据设计要求达到固结度推算加固区所增加的平均有效应力。4.5真空预压设计计算真空预压的总面积不得小于基础外边缘所包围的面积，一般真空的边缘应比建筑物基础外缘超出2～3m，另外，每块预压的面积尽可能大，彼此间可搭接或有一定间距。加固面积越大，加固面积与周边长度之比也越大。气密性也越好，真空度也越高。根据现有的材料和工艺设备，每块面积已达3万㎡。当在加固区发现有透气层和透水层时，一般可在塑料薄膜周边采用另加水泥土搅拌桩的壁式密封措施。真空度与加固面积的关系4.6施工方法4.6ConstructionMethods要保证排水固结法的加固效果，从施工角度考虑，主要应重视以下三个环节：一、铺设水平垫层、二、设置竖向排水体三、施加固结压力。排水固结法施工工艺一、铺设水平排水砂垫层；垫层材料：渗水好的砂料，其渗透系数一般不低于10-3cm/s，同时能起到一定的反滤作用。常用级配良好的中粗砂。也可采用连通砂井的砂沟（2-3D，40-60cm深）代替整片砂垫层。不宜采用粉、细砂。垫层厚度：满足渗流水能及时排出，应起到持力层的作用。一般应选用30～50cm厚度。对新吹填