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1、第8章 排水固结,Drain Consolidation,地基处理技术,Technical of Soil Improvement,8.1 概述8.2 加固原理8.3 设计计算8.4 施工方法8.5 现场观测及堆载速率控制,排水固结法,8.1 概 述,排水固结法是对地下水位以下的天然地基，或先在地基中设置砂井(袋装砂井或塑料排水带)等竖向排水体地基，然后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，通过加载系统在地基中产生水头差，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。排水固结法能解决软粘土地基的沉降和稳定问题。可使地基的沉降在预压期间基本完
2、成或大部分完成，保证建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时可增加地基土的抗剪强度，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。,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。,排水系统,加压系统,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。,排水系统是一种手段，如没有加压系统，孔隙中的水没有压
3、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。所以上述两个系统，在设计时总是联系起来考虑的。,排水固结法的主要目的：,减少地基沉降，使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成；通过排水固结，加速地基土抗剪强度的增长，提高地基强度及稳定性；消除欠固结软土地基中桩的负摩阻力，并可消除竣工后地基的不均匀沉降等。,适用于饱和软粘土：淤泥及淤泥质土、冲填土、填海（湖）造田含水量、压缩性高，强度、渗透性低。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
4、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。排水固结法一般根据预压目的选择加压方法。解决两个问题：沉降问题、稳定问题,8.2 加固机理,加 固 软 土 层,竖 向 排 水 体,排水垫层,水平排水盲沟,一、排水固结法原理,无论采用何种加压方式，排水固结法的最终目的是：使地基土中孔隙水排出，随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，孔隙比减小，地基发生固结变形。达到减小沉降、增加地基土强度的目
5、的。超载预压排水固结法是通过堆载预压，使原来正常固结黏土层变为处于超固结土，而超固结土与正常固结土相比具有压缩性小和强度高的特点，从而达到减小沉降和提高承载力的目的。,预压法,超载预压法,地基土层的排水固结效果与它的排水边界有关。根据固结理论，在达到同一固结度时，固结所需的时间与排水距离的长短平方成正比。软粘土层越厚，一维固结所需的时间越长。如果淤泥质土层厚度大于1020m，要达到较大固结度80%，所需的时间要几年至几十年之久。为了加速固结，最为有效的方法是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离，在天然地基中设置垂向排水体。这时土层中的孔隙水主要通过砂井和部分从竖向排出。所以砂井(袋装砂井或塑
6、料排水带)的作用就是增加排水条件。为此，缩短了预压工程的预压期，在短期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成；加速地基土强度的增长，使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载的速率，以保证地基的稳定性，这一点无论从理论和实践上都得到了证实。,竖向排水情况,砂井地基排水情况,预压法是在建筑物建造以前，在建筑场地进行加载预压，使地基的固结沉降基本完成并提高地基土强度的方法。在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减少，地基发生固结变形。同时随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度就逐渐增长。在荷载作用下，土层的固结过程就是超静孔隙水压力(简称孔隙水压力)消散和有效应力增
7、加的过程。堆载预压是在地基中形成超静水压力的条件下排水固结，称为正压固结。,二、堆载预压加固机理,堆载预压,1,2,分级堆载 竖向排水砂井、塑料排水板 水平排水垫层,堆载过快易失稳,真空预压不会失稳,预压固结的加载速率,快加载不排水破坏分级慢排水达到密实固结,工作原理,真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水管道，再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，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。,三、真空预压加固机理,真空预压,-u,真空预压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，使粘土层产生固结压力。
8、即是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。真空预压是在负超静水压力下排水固结，称为负压固结。,真空预压模型试验,真空预压法的原理主要反映在以下几个方面：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。,Vacuum Consolidation,系统组成加压系统,真空-堆载联合预压加固,FLASH,堆载预压法与真空预压法加固原理对比,(二)降水预固结 基坑,设计坑底,坑底降水深度,D,坑底降水线,四、降低地下水位法原理,有压地下水,天然面地下水,降水方法的选用与土层的渗透性关系很大。,五、电渗法原理,堆载预压法
9、就是用填上等外加荷载来增加总应力并使超静孔隙水压力u消散从而增加有效应力的方法。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的方法。,有效应力增加,土层压缩量,8.3 设计与计算,土的固结就是孔隙水压消散和有效应力不断增加的过程，这一过程遵循有效应力原理：,计算理论,8.3.1 沉降计算,以稳定控制的工程以沉降控制的建筑物,一、建筑物使用期间的沉降计算,建筑物使用期间的沉降计算方法根据预压工程的不同特性而有所差别。对于预压荷载与建筑物自身荷载分离的工程对于预压荷载即建筑物自重,初始瞬时沉降 Sd，取决于剪切变形主固结沉降 Sc，取决于渗透固结过程，通常是地基变形的主要部分
10、次固结沉降 Ss，取决于土骨架的蠕变变形,总变形：,二、总沉降计算,三、预压期间沉降量计算,8.3.2 承载力计算,处理后地基承载力可根据斯开普顿极限荷载的半经验公式初步估算：,根据土的抗剪强度理论，即摩尔库仑理论，强度增长与有效应力的增长呈正比关系，排水预压处理后地基土的不排水抗剪强度可采用下式估算：,1、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算 2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算 3、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算（考虑涂抹和井阻影响）4、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算（考虑涂抹和井阻影响）,8.3.3 砂井地基固结度计算,一、瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算,排水面,排水面,砂井
11、地基属于三维固结轴对称问题，以圆柱坐标表示：,竖向,径向,任意一点的孔隙水压力有如下关系：,整个砂井影响范围内土柱体孔隙水压力有如下关系：,固结度表达则为：,1.竖向排水的平均固结度,某一时间竖向固结度的计算公式为：,式中m为正奇数,竖向固结的时间因数,2.径向排水的平均固结度,径向固结的时间因数,F为与n有关的系数：,l,l,de,de,正三角形排列,正方形排列,3.总固结度,4.考虑井阻和涂抹作用影响,F为与n有关的系数：,竖井纵向通水量,5.砂井未贯穿受压土层的平均固结度计算,不同条件下平均固结度计算公式,二、逐级加荷条件下地基固结度的计算,1.改进的太沙基法,对于分级加荷的情况，太沙基
12、的修正方法是假定：(a)每一级荷载增量所引起的固结过程是单独进行的，与上一级荷载增量所引起的固结度完全无关；(b)总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加；(c)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时的瞬时加荷的固结度相同，也即计算固结的时间为t/2。(d)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后经过时间(t-Ti/2)的固结度相同；(e)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。,多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算,2.改进的高木俊法,该法是根据巴伦理论，考虑变速加荷
13、使砂井地基在辐射向和垂直向排水条件下推导出砂井地基平均固结度的，其特点是不需要求得瞬时加荷条件下地基固结度，而是可直接求得修正后的平均固结度。修正后的平均固结度为：,三、影响砂井固结度的几个因素,初始空隙水压力基本没有影响 井阻和涂抹作用：在实际砂井施工中，由于沉管对周围土体的扰动和重塑作用，在砂井周围形成了一个“涂抹区”，使该区内土渗透性降低，压缩性增大。井阻和涂抹作用对固结速率的影响有时十分显著。比如宁波机场袋装砂井场地，在堆载205天后，考虑井阻与涂抹作用影响的地基实际平均固结度仅为按理想砂井地基计算的固结度0.81倍。关于砂料的阻力;在土中水向砂井渗流过程中，砂料对渗流产生的阻力也会影
14、响土层的固结速率。,8.3.4 堆载预压法设计,一、加压系统设计,堆载预压，根据土质情况分为单级加荷和多级加荷；根据堆载材料分为自重预压、加荷预压和加水预压。堆载一般用填土、砂石等散粒材料；油罐通常利用灌体充水对地基进行预压。对堤坝等以稳定为控制的工程，则以其本身的重量有控制地分级逐渐加载，直至设计标高。由于软粘土地基抗剪强度低，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已加下一级荷载时方可加下一级荷载。其计算步骤是，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的地基的稳定性和沉降。,利用地基的天然抗剪强度计算第一
15、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：,计算第一级荷载下地基强度增长值。,通常假设地基的固结度为70，然后计算出强度增长量；为考虑剪切蠕变的强度折减系数。,加压系统设计计算步骤,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。,根据第2步所得到的地基强度f1计算第二级所能施加的荷载p2，即,同样求出在p2作用下地基固结度达70时的强度以及所需时间，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
16、来。,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。,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。,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)。,材料选择：砂垫层砂料宜用中粗砂，粘粒含量不宜大于3%，砂料中可混有少量粒径小于50mm的砾石。砂井的砂料应选用中粗砂，其粘粒含量不应大于3%。
17、,二、排水系统设计,系统组成排水系统,材料,Wick Drains,sand,gravel,（1）砂井直径和间距,常采用“细而密”原则。,一般砂井直径：300400mm；间距：68倍井径。,袋装砂井直径：70120mm；间距：1530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1025米。,（3）砂井排列,正三角形排列,正方形排列,排水路径,砂井预压固结,新加坡人工填海Depositing sand 吹砂,砂井预压固结,（4）砂井的布置范围:,大出基础轮廓线24m。,（5）砂垫层,在砂井顶面应铺设排水砂垫层，以连接砂井，引
18、出从上层排入砂井的渗流水。砂垫层的厚度一股为0.30.5m(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。,系统组成排水系统,系统组成排水系统,Vertical Wick Drains,垂直排水体,Horizontal Drains,水平排水体,三、应用实测沉降时间曲线推测最终沉降量,对于两级等速加荷的情况,8.3.5 真空预压法设计,1.膜内真空度,2.平均固结度,3.竖向排水体,4.监测项目设计,例 题 题 解,题6 地基土为淤泥质黏土层，固结系数Cv=1.110-3cm3/s，Ch=8.510-3cm3/s，渗透系数kv=2.210-7cm/s，kh
19、=1.710-7cm/s，受压土层厚度28m，采用塑料排水板（宽度b=100mm，厚度=4.5mm）竖井，排水板为等边三角形布置，间距1.1m，竖井底部为不透水层黏土层，竖井穿过受压土层。采用真空结合堆载预压方案处理。真空预压荷载相当于80kPa，堆载预压总加载为120kPa，分两级等速加载。其加载过程为：真空预压加载80kPa，预压时间60d。第一级堆载60kPa，10d内匀速加载，之后预压30d。第二级堆载60kPa，10d内匀速加载，之后预压60d。问：地基的总预压时间？井径比？在不考虑排水板的井阻比和涂抹影响下受压土层的平均固结度？,例 题 题 解,8.4 施工方法,一、水平排水垫层的
20、施工 排水砂垫层的作用是使在预压过程中，从土体进入垫层的渗流水迅速排出，使土体固结能正常进行，因而垫层的质量将直接关系到加固效果和预压时间的长短。1、垫层材料：应采取渗水好的砂料，同时能起到一定的反滤作用。通常采用级配良好的中粗砂，一般不宜采用粉、细砂。也可采用连通砂井的砂沟来代替整片砂垫层。2、垫层厚度：首先要满足从土层渗入垫层的渗流水能及时的排出，另一方面应起到持力层的作用。3、垫层施工：首先应避免对软土表层的过大扰动，以免造成泥砂混合，影响排水效果；铺设垫层前应清除干净砂井顶面的淤泥和其他杂物，以利砂井排水。,8.4.1 排水系统,竖向排水体有用3050cm直径的普通砂井；712cm直径
21、的袋装砂井；10cm宽的塑料排水带。1、砂井施工：要求：1)保证砂井连续和密实，并且不出现颈缩现象；2)尽量减少对周围土的扰动；3)砂井的长度、直径和间距应满足设计要求。砂井施工一般先在地基中成孔，再在孔内灌砂形成砂井。砂井成孔的典型方法有套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法。以上各种成孔方法，必须保证砂井的施工质量以防缩颈、断颈或错位现象。,二、竖向排水体施工,为了避免砂井断颈或缩颈现象，可用灌砂的密实度来控制灌砂量。灌砂时可适当灌水，以利密实。砂井位置的允许偏差为该井的直径，垂直度的允许偏差为1.5%。,砂井的灌砂量，应按砂在中密状态时的干重度和井管外径所形成的体积计算，其实际灌砂量按质量
22、控制要求，不得小于计算值的95%。,2、袋装砂井施工,袋装砂井是用具有一定伸缩性和抗拉强度很高的聚丙烯或聚乙烯编制袋装满砂子，他基本上解决了大直径砂井所存在的问题，使砂井的设计和施工更加科学化，保证砂井的连续性；打设设备实现了轻型化，比较适应在软土地基上施工；用砂量大为减少；施工速度快、工程造价低，是一种比较理想的竖向排水体。,袋装砂井是普通砂井的改良和发展。,袋装砂井,1)施工机具和功效：在国内，袋装砂井成孔的方法有锤击打入法、水冲法、静力压入法、钻孔法和振动灌入法五种。2)砂袋材料的选择：必须具有透水、透气、足够的强度、韧性和柔性，并且在水中能起耐腐蚀和滤网作用。3)施工要求：袋装砂井的直
23、径一般采用70120，间距1.52.0m，井径比为1525。灌入砂袋的砂宜用干砂，并应灌制密实。砂袋长度应较砂井孔长度长50，使其放入井孔内后能露出地面，以便埋入排水砂垫层中。袋装砂井施工时，所用钢管的内径宜略大于砂井直径，以减小施工过程中对地基土的扰动。另外，拔管后带上砂袋的长度不宜超过500。,3、塑料排水带施工,可归纳为两大类：多孔质单一结构型和复合结构型,塑料排水板,塑料排水板,塑料排水板施工,Area Installed with Vertical Drains 塑料排水板区,施工后的塑料排水板,2)塑料排水带性能选择塑料排水带时，应使其具有良好的透水性和强度。整个排水带应反复对折五
24、次不断裂才认为合格。3）塑料排水带施工(1)插带机械：用于插设塑料带的插带机，种类很多，性能不一。由专门厂商生产，也有自行设计和制造的，或用挖掘机、起重机、打桩机改装。从机型分，由轨道式、轮胎式、链条式、履带式和步履式多种。(2)塑料排水带导管靴与桩尖一般打设塑料带的导管靴有圆形和矩形两种。由于导管靴断面不同，所以桩尖各异，并且一般都与导管分离。桩尖主要作用是打设塑料带过程中防止淤泥进入导管，并且对塑料带起锚定作用，防止提管时将塑料带拔出。,a、圆形桩尖应配圆形管靴，一般为混凝土制品；b、倒梯形绑孔连接桩尖，此桩尖配矩形管靴，一般为塑料制品，薄金属板也可，；c、倒梯形楔挤压连接桩尖。该桩尖固定
25、塑料带比较简单，一般为塑料制品，也可用薄金属板。,(3)塑料排水带施工工艺,塑料排水带打设顺序包括：定位；将塑料带通过导管从管靴穿出；将塑料带与桩尖连接贴近管靴并对准桩位；插入塑料带；拔管剪断塑料带等。在施工中尚应注意以下几点：a、塑料带滤水膜在转盘和打设过程中应避免损坏，防止淤泥进入带芯堵塞输水孔影响塑料带的排水效果；b、塑料带与桩尖连接要牢固，避免拔管时脱开，将塑料带拔出；c、桩尖平端与导管靴配合适当，避免错缝，防止淤泥在打设过程中进入导管。增大对塑料带的阻力，甚至将塑料带拔出；d、塑料带需接长时，为减小带与导管阻力，应采用滤水膜内平搭接的连接方法，为保证输水畅通并有足够的搭接强度，搭接长
26、度需在200以上。,8.4.2 预压荷载,一、利用建筑物自重压重,二、堆载预压,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,Application of Surcharge 加载 过快会失稳,三、真空预压,1、加固区划分每块加固区场地的面积宜大不宜小，划分时应考虑以下几个因素：1)应确保每个建筑物位于一块加固区域内，应避免两块加固区的分界线横过建筑物，否则会由于分界区域的加固效果差异而导致建筑物的不均匀沉降；2)应考虑竖向排水体打设能力、加工大面积密封膜的能力、大面积铺膜的能力和经验及射流装置和虑管的数量等方面的综合指数；3)应以满足建筑工期要求为已经；4
27、)加固区之间的距离应尽量减小或者共用一条封闭沟。,真空预压法,真空预压法,真空膜,水气收集管道系统,水气收集管道系统,2、工艺设备：抽真空工艺设备包括：真空源和一套膜内、膜外管路。,1)设置抽气系统。抽气设备宜采用射流式真空泵。真空泵的设置数量应根据预压面积、真空泵性能指标以及施工经验确定，让每块预压区至少设置两台真空泵。对真空泵性能的一般要求是，抽真空效率高，能适应连续运转，工作可靠等；2)膜外管路连接着射流装置的回阀、截水阀、管路组成；3)膜内水平排水虑管：滤水可用钢管或塑料管，其外侧宜缠绕铅丝，外包尼龙砂网或土工织物作为滤水层。,滤水管之间连接采用软连接，以适应场地沉降；滤水管埋设在水平
28、排水砂垫层的中部，其上应有砂覆盖层，以防止滤水管上尖利物体刺破密封膜。,3、密封系统密封系统由密封膜、密封沟和辅助密封措施组成；密封膜热合时宜用双热合线平搭接，搭接长度应大于15。密封膜宜铺设三层，以确保自身密封性能。膜周边可采用挖沟折铺、平铺并用粘土压边，围捻沟内覆水以及膜上全面覆水等方法进行密封。当处理区内有充足水源补给的透水层时，应采用封闭式板桩墙、封闭式板桩墙加沟内覆水或其他密封措施隔断透水层。,4、施工阶段施工要求和质量要求,在真空预压法的施工中，根据实测资料表明：1)在大面积软地基加固过程中，每块预压区面积尽可能要大，因为这样可加快进度和消除更多的沉降量。目前最大得到三万平方米。2
29、)两个预压区的间隔不宜过大，一般以26m较好。3)膜下管道在不降低真空度的条件下尽可能的少，为减小费用可取消主管，全部采用滤管，由鱼骨状排列改为环状排列。4)砂井间距应根据土质情况和工期要求来定。当砂井间距从1.3m增至1.8m时，达到相同固结度所需的时间增率与堆载预压法相同。5)当冬季的气温降至-17时，如对薄膜、管道、水泵、阀门及真空表等采取常规保温措施，则可照常进行作业。6)直径7的袋装砂井和塑料带都具有较好的透水性能。实测表明，在同等条件下，达到相同固结度所需的时间接近，采用何种排水通道，主要由它的单价和施工条件而定。,四、真空联合堆载预压应注意事项：1)堆载前要注意保护密封膜，防止堆
30、载时刺破；2)堆载层底部应选用较细且不含硬块状的堆载物；3)选择合适的堆载时间和荷重。,五、降水预压 井点降水深度可达9m，而真空泵一般只能降5m；降水预压使土中孔隙水压力降低，所以不会发生土体破坏，因而不需控制加荷速率，可一次降至预定深度，从而加速固结时间。,8.5 现场观测及堆载速率控制,8.5.1 现场观测,一、孔隙水压力观测,孔隙水压力观测,二、沉降观测,三、水平位移观测,四、真空度观测,五、地基土物理力学指标检测,8.5.2 加荷速率控制,一、地基破坏前的变形特征,二、控制加荷速率的方法现场测试,3、卸荷标准：1)地面总沉降量大于预压荷载下最终计算沉降量的80%；2)地基总固结度大于
31、80%；3)地面沉降速率小于0.51.0mm/d，沉降变化曲线趋于平缓。,8.5.3 质量检验,Horizontal drains are installed in sand blanket to collect water to be discharged from vertical drains.jpg,Heavy clay is placed atop vertical and horizontal drain systems to squeeze water out of the bog and compact the soft subsoils,工 程 照 片,真空预压处理现场鸟瞰,排水预压法的其他一些现场施工照片,a 95 feet(29 m)long hanging mast installs wick drains underwater,EQUAKE drains are installed for a new hotel in St.Lucia,British West Indies.The drains were tested by a 5.4 magnitude earthquake even before the hotel was finished.jpg,
