第四章--预压法(排水固结法)--第一二三节-概--述、加固机理、设计与计算

地基处理第九讲第四章预压法(排水固结法)1、预压(排水固结)法的概念利用排水固结原理，在地基土内设置砂井等竖向排水体、铺设水平排水垫层，然后利用建筑物本身重力分级逐渐加载，或在建筑物建造前在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时达到强度逐步提高的地基处理方法。2、应用对象预压法适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。砂井法特别适用于处理存在连续薄砂层的地基。真空预压法适用于能在加固区形成稳定负压边界条件的软土地基。第一节概述3应用排水固结法的主要目的应用排水固结法的主要目的包括三个方面：①减少建筑地基沉降，使地基的沉降在加载预压期间大部或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差；②通过排水固结，加速地基土的抗剪强度的增长，提高建筑地基强度及稳定性；③消除欠固结软土地基中桩承受的负摩阻力，并可消除竣工后地基的不均匀沉降等。排水固结加压系统：为地基提供固结压力，使地基产生附加压力而发生排水固结(给地基提供排水固结动力)排水系统：为改善原地基天然排水系统的边界条件，增加孔隙水排出路径、缩短排水距离(加速地基土排水固结进程)竖向排水体(普通砂井；袋装砂井；塑料排水板，其它排水方式)水平排水体——砂垫层。加载法：(堆载预压法；超载预压法；建筑物自重分级加载法)真空预压法；降水预压法；电渗法；联合法；关键是排水通道便于施工、透水性好关键是提高压力场梯度值排水固结法由排水系统与加压系统组成4排水固结系统的组成加压系统是地基实现排水固结的基本保证，排水系统是实现地基内水体顺利排出的一种有效手段。二者关系：如没有加压系统，孔隙中的水没有压力差就不会自然排出，地基也就得不到加固；如果只增加固结压力，不缩短土层的排水距离，则不能在预压期间尽快地完成设计所要求的沉降量，强度不能及时提高，加载也不能顺利进行。5、排水系统与加压系统的关系加压与排水这两个系统，在设计时总是联系起来考虑的。6、各种预压法简介荷载作用下，地基土层的固结过程实质上就是孔隙水压力不断消散和有效应力不断增长的过程。排水和加压系统就是改变地基应力场中的总应力σ和孔隙水压力u来达到增大有效应力σ′、实现压缩土层的目的。其中1)堆载预压法。是用填土等外荷对地基预压而增加地基总应力σ，使孔隙水压力u消散来增加有效应力σ′；2)真空预压法。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(总压力不变,仍为大气压及土体自重压力)、减少孔隙水压力，增加有效应力的过程。土层在负的超静水压力下排水固结，称为负压固结；3)降水预压法、电渗排水预压法。是在总应力不变的情况下，通过减小地基内孔隙水压力来增加有效应力的方法。其中，降水预压也是土层在负的超静水压力下排水固结，属于负压固结。真空预压、降水预压和电渗排水预压方法由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，适用于很软弱的黏土地基的排水固结处理，而且也不需要控制加载速率。4）电渗排水预压法。是在土中插入金属电极、通以直流电,借助于电场作用使土中水从阳极流向阴极排走,且不让水在阳极附近补充，从而降低土中的含水量或地下水位,加速固结。图4-2-1排水固结法增大地基土密度的原理亦即大部分压缩变形()在预压阶段已经消除(再压缩曲线fgc’)。ee一、堆载预压加固机理③c点卸压△σՙ(卸荷曲线cef)，孔隙比增大值,土体抗剪强度下降。由于,'ee)(ee1、预压力学变化过程第二节：加固机理土体经预压之后，压缩变形量得以提前完成①假定土体天然固结压力σ0′对应的孔隙比为eo(对应a点)。②压力增加△σՙ，孔隙比减小△e，固结终止于c点(压缩曲线abc)，对应抗剪强度增加△τ。如果对地基施加的荷载大于建(构)筑荷载，如图4-2-1中的d点所对应的压力，则会进一步增大地层的固结程度，大大减少地基的沉降量，该方法称为超载预压排水固结法。图4-2-1排水固结法增大地基土密度的原理根据土力学，地基内某点总应力σ、有效应力σ′、及孔隙水压力u之间的关系为:σ′=σ-u;固结度U可表示为：)1(uuU加载的固结过程可表示为：①；②；③，固结完成。0,0,0U，ut时10,0uu，t时1,,0U，ut时显然，U随有效应力σ′的增加而增大并趋向于1。2、加载的固结过程根据固结理论，固结所需时间和排水距离的平方成正比，土层越厚，固结延续的时间越长。a竖向双面排水b砂井地基排水图4-2-2排水法的原理排水系统(竖向、水平排水体)作用:改善地基排水边界条件，增强土层的排水固结效果。3、固结所需时间为加快土层的固结速度，最有效的方法是增加土层的排水途径，缩短排水距离。具体排水手段：设置竖向排水体(砂井、塑料排水板(袋))+水平排水体(砂垫层)二、真空预压加固机理真空预压法是在需要加固的软土地基表面：①先铺设砂垫层；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。②然后埋设垂直排水管道；③再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中；④通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空，增加地基的有效应力，见图4-2-3。a真空预压过程示意图;b增压的有效应力图4-2-3真空预压原理真空预压的原理主要反映在以下三个方面：1)薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载。2)地下水位降低，相应增加附加应力。3)封闭气泡排出，土的渗透性加大。真空预压是将覆盖于地面密封膜下的地基通过抽气泵抽为真空状态，使膜内外形成气压差。地基达到完全真空时，理论上可产生一个大气压(100kPa)的预压荷载(实际只能达到85-90kPa)，从而使土层产生固结压力。即在总应力不变情况下，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，故称为负压固结。二、预压加固机理总结形象比喻：堆载预压是一种“推车”排水法，直接通过增加外荷载对地基施压，达到提高空隙水压力的目的，进而对水体实施“强行挤出”；真空预压是一种“拉车”排水法，即通过人为降低“出水口”的压力，使得地基中的水体获得高水头差，并实现水体的排出；两者都是形成相对强的水力梯度场，从而达到“驱水”的目的。第三节设计与计算一、设计的关键仅设置排水系统，无加压系统，孔隙中的水就没有压力差，水难以排出，地基无法得到加固；只增加固结压力，土层的排水距离不缩短，不能在预压期间完成设计要求的沉降量，强度不能及时提高，加载也不能顺利进行。排水固结法设计的关键：合理布置排水系统和加压系统两者之间的关系，使地基在受压过程中顺利实现排水固结，并增加一部分强度，以满足逐渐加荷条件下地基的稳定性，并加速地基的沉降，最终实现满足建筑物对沉降的要求。排水系统是一种手段：目标：加固期限尽量短；固结沉降快；强度增加充分；施工过程安全完善设计预备工作由钻探及土工试验结果估算天然地基承载力上部建筑物所要求的承载力与沉降量或稳定性的安全系数确定砂井直径与深度，假定砂井有效间距预压荷载的设计预压荷载的分级，固结度及强度增大计算预压荷载引起的沉降量计算承载力或稳定性分析验算剩余沉降与沉降差验算工期初步设计竖向固结与强度增长计算满足不满足承载力或稳定性核算沉降核算确定砂井布置与加荷方案不满足设计完成交付施工图4-3-1具体设计计算及流程图框二堆载预压法设计计算堆载物：填土、砂石等散粒材料。油罐地基：实施对地基的预压；堤坝：以其本身重量有控制地分级加载，直至设计标高。超载预压：为了加速压缩过程，可采用比建(构)筑物重量大的荷载进行预压。堆载预压法的设计内容主要包括：1)选择砂井或塑料排水带(板)，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度。2)排水砂垫层材料和厚度。3)确定预压区范围、预压荷载大小、荷载分级、加载速率和预压时间。4)计算地基土的固结度、强度增长、稳定性和变形等。1．砂井或塑料排水带(板)尺寸、间距、排列方式和深度1)排水竖井的设置对深厚软粘土地基，应设置塑料排水带或砂井等排水竖井；当软土层较薄或含有较多粉砂类层，且固结速率能满足工期要求时，可不设置排水竖井。砂井直径和间距，主要取决于黏性土层的固结特性和施工期限的要求。研究表明，即使砂井直径很小，如只有3cm的理想井(不计涂抹作用和砂井阻力作用)，对加速固结也是极其有效的。所以，原则上砂井以采用“细而密”的方案较好。砂井地基的固结度：包括竖向排水固结度与向内径向排水固结度，影响排水固结的因素：砂井或塑料排水带(板)尺寸、间距、排列方式和深度分三类排水井(带):1)普通砂井取300～500mm;2)袋装砂井取70～120mm;3)塑料排水带的当量核算直径(dp)=b——排水带宽度(mm)；d——排水带厚度(mm)。d)(2b(4-3-1)2)排水井的直径确定3)排水竖井的平面布置正三角形布置正方形布置图4-3-2竖井排列形式llde05.132等边三角形排列：正方形排列：llde13.14可采用等边三角形式或正式方形排列(图4-3-2)。其有效排水直径de与井间距l之关系为：4)井间距l的确定l可根据地基土的固结特性和预定时间内所要求达到的固结度确定。间距l可按井径比n选用(n=de/dw，de:有效排水直径;dw:竖井直径，塑料排水带取dw=dp,亦即取竖井直径dw为当量核算直径dp).对普通砂井的间距可按n=6～8选用，其余两类按n=15～22选用。5)排水井深度依据建筑物对地基的稳定性、变形要求和工期确定。对以抗滑稳定性控制的工程，井深至少应超过最危险滑动面2.0m；对以变形控制的建筑，井深应根据在限定的预压时间内需完成的变形量确定。竖井宜穿过受压土层。2．排水砂垫层材料和厚度在竖井顶面应铺设排水砂垫层，以连通砂井、塑料排水带等竖向排水体，引出从土层排入竖向排水体的渗流水。《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)规定，砂垫层厚度应小于500mm，砂垫层砂料宜用中粗砂，黏粒含量≤3%，砂料中可混有少量粒径小于50mm的砾石。砂垫层的干密度应大于1.5g／cm3，其渗透系数宜大于1×10-2cm/s。在预压区边缘应设置排水沟，预压区内宜设置与砂垫层相连的排水盲沟。3．预压荷载大小、荷载分级、加载速率和预压时间在软弱地基上堆载预压，必然在地基中产生剪应力。当该剪应力大于软土地基的抗剪强度时，地基将剪切破坏。堆载预压需进行分级加荷，等到前期荷载作用下地基强度增加到足以满足下一级荷载时，方可施加下一级荷载，直至加到设计荷载。对于地基沉降有严格要求的建筑物，应采取部分超载预压处理地基。超载大小，应视要求的残余沉降量和固结度而定。首先用简便的方法确定一个初步加荷计划，然后校核该加荷计划下地基稳定性和沉降量，如图4-3-3所示。图4-3-3堆载预压加荷设计与计算流程确定最后加荷计划确定天然地基不排水抗剪强度Cu及砂井等设计参数第i级加荷荷载计算Pi=5.52Cui－1／KPi作用下地基固结后强度值计算Cu=η(Cui-1+ΔCՙui)两级荷载间隔时间计算Ti-Ti-1)每级荷载下地基稳定性验算是否满足强度要求建筑地基最终沉降量、在预压工期内沉降量及剩余沉降量的计算，是否满足设计要求是否超出设计荷载否否是是否是采用超载预压2)计算第一级荷载P1作用下地基强度的增长值。地基在P1预压下，经过一段时间强度逐渐提高，地基强度为Cu1=η(Cu+ΔCՙu1)式中：ΔCՙu1为P1作用下地基固结增长的强度；η为强度折减系数。1)利用地基的天然抗剪强度Cu计算第一级容许施加的荷载P1。对长条梯形填土，可根据Fellenius公式估算，即P1=5.52Cu／K。式中：Cu—天然地基不排水抗剪强度(由无侧限、三轴不排水剪试验或原位十字板剪切试验测定)；K—安全系数(建议采用1.1～1.5)。具体步骤:3)计算P1作用下达到所定固结度(一般为70％)所