排水固结法

排水固结技术DrainConsolidation地基处理SoilImprovement1概述排水固结法解决的问题（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是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的。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、塑料排水带等竖向排水体，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。排水系统加压系统根据排水系统和加压系统的不同，排水固结法可分为堆载预压法、砂井(包括袋装砂井、塑料排水板等)堆载预压法、真空预压法、降低地下水位法和电渗法。排水固结法的种类堆载预压法和砂井堆载预压法唯一的区别在于：前者的排水系统以天然地基土层本身为主；而后者在天然地基中还人为地增设了诸如砂井等排水系统。主要用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层地基；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；降低地下水位法、真空预压法和电渗法都适用于加固很软弱的软土地基。适用范围1.1排水固结法的原理加固软土层竖向排水体排水垫层水平排水盲沟堆载预压法就是用填土等外加荷载来增加总应力σ并使超静孔隙水压力u消散从而增加有效应力σ’的方法。降低地下水位和电渗排水法是总应力不变,减少孔隙水压力来增加有效应力σ’的方法。排水固结法的原理真空预压法通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置抽气，使其形成真空，增加地基的有效应力。主要反映在以下方面：1.薄膜上压差荷载2.地下水位降低引起附加应力增加；3.封闭起泡排除，增强渗透性。排水固结法的原理堆载预压与真空预压法加固原理对比编号对比方面堆载预压法真空预压法1加载方式堆重抽真空2地基中的总应力增加，正压固结不变，负压固结3排水系统中的水压力近似静水压力小于静水压力4地基中的水压力由超孔压至静水压力由静水压消散至负压5地基土水流特性向四周流动－挤水由四周流来－吸水6加载速率严加控制不需控制1.3排水固结法的应用范围用于处理软粘土地基，是十分有效的方法。按照使用目的可以解决两个问题沉降问题稳定问题沉降问题(settlementproblems)采用竖向排水固结与不采用竖向排水固结的实测沉降-时间曲线对比采用竖向排水固结与不采用竖向排水固结的实测沉降-时间曲线对比不排水-等载预压排水-超载预压排水的沉降曲线稳定问题(stabilizationproblems)地基间歇式加荷的应力路径竖向排水提高边坡稳定性系统组成——排水系统系统组成——排水系统材料WickDrainssandgravel系统组成——排水系统VerticalWickDrainsVerticalWickDrainsHorizontalDrains水平排水体HorizontalDrains水平排水体系统组成——加压系统堆载桥头高填土堆载预压场地高填土堆载预压临时填土堆载预压VacuumConsolidation系统组成——加压系统真空预压FLASH（二）、排水固结法的设计与计算在设计以前，应该进行详细的岩土工程勘察和土工试验，以取得必要的设计资料。对以下各项资料应特别加以重视：（一）土层条件。通过适量的钻孔绘制出土层剖面图；采取足够数目的试样以确定土的种类和厚度；土的成层程度；透水层的位置；地下水位深度。（二）固结试验。固结压力与孔隙比的关系曲线；固结系数。（三）软粘土层的抗剪强度及沿深度的变化情况。（四）砂井及砂垫层所用砂料的粒度分布、含泥量等。1.排水固结法设计流程图预压法是以事先完成的沉降和由于固结使地基强度增长的两个要素为目标的，这种加固方法成立的背景，是以具有饱和粘性土地基由于固结而增加强度，以及所谓一旦地基固结沉降，即使卸掉荷载实际上也不恢复原来状态这两种条件而构成的。设计内容：加压系统：堆载预压计划及材料选用排水系统：竖向排水体材料选用、排水体长度、断面、平面布置2堆载预压法设计计算总沉降量的计算：2堆载预压法设计计算scdssss其中分别为瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降，若忽略次固结沉降则：scdsss//niiiiifheees10101其中经验系数，堆载预压时正常固结饱和黏性土取1.1-1.4，荷载大地基土较软弱时取大值，否则取小值；真空预压法取1.0-1.3，真空堆载联合预压法时取1.0-1.3。预压期间沉降量的计算：2堆载预压法设计计算ftTsUs其中为地基平均固结度在竖向排水情况下，采用太沙基固结理论计算；对于布置竖向排水体的地基，采用沙井固结理论。tU2堆载预压法设计计算逐级加载条件下固结度计算改进太沙基法假定：（1）每一级荷载所引起的固结过程是独立的，与上一级荷载引起的固结度无关；(2)总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加；(3)每一级荷载增量pi在等速加荷经过时间t的固结度与在t／2时的瞬时加荷的固结度相同，也即计算固结的时间为t／2；2堆载预压法设计计算逐级加载条件下固结度计算改进太沙基法假定：(4)在加荷停止以后,在恒载作用期间的固结度，即时间t大于Ti，(此处Ti为pi的加载期)时的固结度和在Ti/2时瞬时加荷pi后经过时(t-Ti/2)时的固结度相同；(5)所算得的固结度仅是对本级荷载而言，对总荷载还要按荷载的比例进行修正。2堆载预压法设计计算逐级加载条件下固结度计算改进太沙基法假定：2堆载预压法设计计算2.1堆载预压的计算步骤1.利用地基的天然抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1。一般可按斯开普顿极限荷载的半经验公式作初步估算：Kcpu52.51对饱和的软黏土，可按下式估算，即：DBDABcKpu)2.01)(2.01(511对长条梯形填土，可根据Fellenius公式估算，即：DKcpu147.512堆载预压法设计计算2.1堆载预压的计算步骤2.计算第一级荷载下地基强度增长值。'01fff其中为p1作用下地基固结强度增长，然后计算出强度增长量。cutzfUtan'3.计算p1作用下达到所定固结度所需要的时间。达到某一固结度所需时间可根据固结度与时间的关系求得。这一步计算的目的是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。4.根据第2步所得到的地基强度τf1计算第二级所能施加的荷载p2，即Kpf1252.5同样求出在p2作用下地基固结度达一定的强度时所需时间，然后计算第三级所能施加的荷载。依次可计算出以后各级荷载和停歇时间，初步的加荷计划也就确定下来。5.对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，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，这时地基在预压荷载下所完成的沉降量已达设计要求，所剩留的沉降为建筑物所允许。2.2超载预压实际工程中还往往采用超载预压方法来消除主固结沉降，以缩短预压时间。预压期间任一时刻地基沉降量可表示为：sctdtssUss上式可用于：(1)确定所需的超载压力值ps以保证在使用荷载pf作用下预期的总沉降量在给定的时间内完成；(2)确定在给定超载下达到预定沉降量所需要的时间。为了消除永久性荷载下的固结沉降，只要将超载保持到时间tsR时刻，以使超载作用下，地基的固结沉降量等于永久荷载下的最终固结沉降，即ssR＝sf，为了消除超载卸除以后继续发生的主固结沉降，超载应维持到使上层中间部位的固结度Uz（f+s）达到下式要求：sffsfzpppU)(超载预压的标准该方法要求将超载保持到pf作用下所有点都完全固结为止，这时土层的大部分将处于超固结状态。因此，这是一个安全度较大的方法，它预估的ps值或超载时间都大于实际所需的值。对于有机质粘土、泥炭上等，其次固结沉降是重要的，采用超载预压法对减小永久荷载下的次固结沉降有一定效果。超载预压排水与动力置换相结合3砂井排水固结设计计算丹尼尔.莫兰（Daniel.E.Moran）最早（1925年）将垂直砂井用于土的深层加固，1926年获得专利。SandDrains3.1砂井设计砂井地基的设计工作即为选择适当的砂井长度、直径、间距、以及形成有效的砂井排水系统所需的材料、砂垫层厚度等，以随地基在批载预压过程中，在预期的时间内，达到所需要的固结度(通常定为80％)。1．砂井直径和间距常采用“细而密”原则。一般砂井直径：300~500mm；间距：6~8k倍井径。袋装砂井（塑料排水带）直径：70~120mm；间距：15~22k倍井径。2．砂井长度根据现场各种因素定。（土层厚、有无透水层、压缩层厚度、承压水、稳定控制、沉降控制量等）一般10~25米。（1）根据建筑物对地基的稳定性、变形和工期要求定。（2）对以地基抗滑稳定性控制的工程，应取至危险滑动面以下2m；（3）对以变形控制的建筑工程，应以限定的预压时间内完成的变形量确定，宜穿透受压土层。3．砂井排列正三角形排列正方形排列排水路径lldedellde13.14正方形排列时：4.砂井的布置范围:不小于建筑物基础外缘的范围。5.砂垫层在砂井顶面应铺设排水砂垫层，以连接砂井，引出从上层排入砂井的渗流水。砂垫层的厚度不小于0.5m(水下砂垫层厚度为1.0m左右)。如砂料缺乏，可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。预压区边缘应设排水沟，预压区内应设与砂垫层相连的排水盲沟，间距不宜大于20m砂垫层砂料宜用中粗砂，粘粒含量不应大于3%，砂料可含少量粒径不大于50mm砾石，干密度应大于1.5t/m3,渗透系数应大于1*10-2cm/s.horizontaldrainsystemisinstalledtocollectwatersqueezedintothecrushedstoneblanket.jpgHorizontaldrainsareinstalledinsandblankettocollectwatertobedischargedfromverticaldrains.jpgHeavyclayisplacedatopverticalandhorizontaldrainsystemstosqueezewateroutofthebogandcompactthesoftsubsoils3.3砂井地基固结度的计算1．瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算1940~1942年，巴伦（Barron）根据太沙基固结理论，提出砂井的设计计算方法。砂井固结理论假定：1.每个砂井有效影响范围为一直径为de的圆柱体，圆柱体中的土体中水向砂井渗流，圆柱边界无渗流；2.砂井地基表面受均布荷载作用，地基中的附加应力分布不随深度而变化；3.荷载是一次施加上去的，即加荷开始时，外荷载全为孔隙水压力；4.整个压密过程中，地基土的渗透系数不变；5.井壁上面受砂井施工的涂抹作用影响不计。3.3砂井地基固结度的计算1．瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算1940~1942年，巴伦（Barron）根据太沙基固结理论，提出砂井的设计计算方法。固结微分方程：)1(2222rurruczuctuHv根据卡里罗理论：任意一点的孔隙水压力u有如下关系：000uuuuuuzr用固结度表示为：)1)(1(1zrrzUUU竖向固结度由太沙基一维理论计算。径向固结度等应变条件下用下式：)8exp(1HrTFU2eHHdtcT2222413ln1nnnnnFweddn井径比)4exp(8122vzTU2HtcTvv总固结度（大于30%时）：trzeU122248HcFdcveH故)1(8ln12rzUt28考虑井阻和涂抹作用时：rsnFFFFkw、kh、ks－砂井砂、地基土和砂井涂抹土层的渗透系