地基处理第八章排水固结法

第八章排水固结法8.1概述排水固结法是在建筑物建造前，对天然地基或对已设置竖向排水体的地基加载预压，使土体固结沉降基本完成或完成大部分，从而提高地基土强度的一种地基加固方法。1 2 排水系统由竖向排水体和水平排水体构成,主要作用是改变地基的排水边界条件,缩短排水距离和增加孔隙水排出的途径。当软土层靠近地表且较薄或土的渗透性好且施工周期较长时,可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层而不设竖向排水通道,使土中的孔隙水在荷载作用下向上排至砂垫层而产生固结沉降。若软土层较厚时,为加快排水固结,应在地基中设置砂井等竖向排水体,与水平砂垫层一起构成排水系统。3 加压系统是指对地基施加的荷载。排水系统与加压系统总是联合使用的。目前,实际工程中应用较多的排水固结法有砂井(塑料排水板)加载预压和砂井（塑料排水板）真空预压。排水固结一般适用于饱和软粘土、吹填土、松散粉土、新近沉积土、有机质土及泥炭土地基。应用范围包括路堤、仓库、罐体、飞机跑道及轻型建筑物等。4 8.2排水固结的原理排水固结法的关键在于排出孔隙水，使孔隙减少及有效应力增加，从而产生沉降固结。根据固结理论，粘性土固结所需时间为式中t为固结时间，Tv为时间因数，Cv为固结系数，H为排水距离）。固结时间与排水距离的平方成正比，缩短排水距离可大大缩短固结时间。在地基中设置砂垫层及砂井等（见图8.2-2）的目的就是为了增加排水途径，缩短排水距离，从而加快软弱土层的排水固结。5 排水固结法的加荷方式既可采用上述的直接堆载法，也可采用真空抽吸、预压，降低地下水位及电渗法。真空预压法是将不透气的薄膜设在需要加固的软土地基表面的砂垫层上，通过土体中设置的竖向排水体及埋设于砂垫层中的滤水管道，将薄膜下土体中的水、气抽出，从而在土体与砂垫层及砂井等竖向排水体之间形成压差,发生渗流,使土中孔隙压力不断降低,有效应力不断增加,促使土体固结沉降。6 7 降低地下水位法是利用井点抽水降低地下水位以增加土的有效应力，从而达到加速固结的目的。降水法最适用于砂性和软粘土层中存在砂或粉土的情况。电渗法是在土中插入金属电极并通过以直流电，使土中水分由阳极流向阴极。如将阳极积集的水排除，土体中孔隙水就会减少，有效应力增大导致沉降固结。8 8.3排水固结法设计计算一、设计前应取得的资料（1）进行场地勘察，查明土层在水平和竖直方向的分布和变化、透水层的位置及水源补给条件、地下水深度等。（2）进行室内土工实验，确定土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、三轴试验抗剪强度等。（3）进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗剪强度。9 二、堆载预压法设计堆载预压法处理地基的设计应包括下列内容：(一）选择塑料排水带或砂井，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度；（二）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；（三）计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形10 （一）选择塑料排水带或砂井，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度；（1）排水竖井分普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。普通砂井直径可取300~500mm，袋装砂井直径可取70~120mm。塑料排水带的当量换算直径可按下式计算：式中dp———塑料排水带当量换算直径（mm）；b———塑料排水带宽度（mm）；δ———塑料排水带厚度（mm）。11 （2）排水竖井的平面布置可采用等边三角形或正方形排列。竖井的有效排水直径de与间距L的关系为：等边三角形排列de=105L正方形排列de=113L（3）排水竖井的间距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。设计时，竖井的间距可按井径比n选用（n=de/dw，dw为竖井直径，对塑料排水带可取dw=dp）。塑料排水带或袋装砂井的间距可按n=15~22选用，普通砂井的间距可按n=6~8选用。12 （4）排水竖井的深度应根据建筑物对地基的稳定性、变形要求和工期确定。(A)对以地基抗滑稳定性控制的工程，竖井深度至少应超过最危险滑动面2.0m。(B)对以变形控制的建筑，竖井深度应根据在限定的预压时间内需完成的变形量确定。竖井宜穿透受压土层。13 （二）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；(1)预压荷载大小应根据设计要求确定。对于沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理，超载量大小应根据预压时间内要求完成的变形量通过计算确定，并宜使预压荷载下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应力。(2)预压荷载顶面的范围应等于或大于建筑物基础外缘所包围的范围。14 (3)加载速率应根据地基土的强度确定。当天然地基土的强度满足预压荷载下地基的稳定性要求时，可一次性加载，否则应分级逐渐加载，待前期预压荷载下地基土的强度增长满足下一级荷载下地基的稳定性要求时方可加载。15 （三）计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形(1)一级或多级等速加载条件下，当固结时间为t时，对应总荷载的地基平均固结度可按下式计算：式中—t时间地基的平均固结度；qi———第i级荷载的加载速率（kPa/d）；∑⊿p———各级荷载的累加值（kPa）；Ti-1，Ti———分别为第i级荷载加载的起始和终止时间（从零点起算）（d），当计算第i级荷载加载过程中某时间t的固结度时，Ti改为t；α、β———参数，根据地基土排水固结条件按表527采用。对竖井地基，表中所列β为不考虑涂抹和井阻影响的参数值。16 17 (2)当排水竖井采用挤土方式施工时，应考虑涂抹对土体固结的影响。当竖井的纵向通水量qw与天然土层水平向渗透系数kh的比值较小，且长度又较长时，尚应考虑井阻影响。(3)对排水竖井未穿透受压土层之地基，应分别计算竖井范围土层的平均固结度和竖井底面以下受压土层的平均固结度，通过预压使该两部分固结度和所完成的变形量满足设计要求。18 (4)预压荷载大小应根据设计要求确定。对于沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理，超载量大小应根据预压时间内要求完成的变形量通过计算确定，并宜使预压荷载下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应力。预压荷载顶面的范围应等于或大于建筑物基础外缘所包围的范围。19 (5)加载速率应根据地基土的强度确定。当天然地基土的强度满足预压荷载下地基的稳定性要求时，可一次性加载，否则应分级逐渐加载，待前期预压荷载下地基土的强度增长满足下一级荷载下地基的稳定性要求时方可加载。20 (6)计算预压荷载下饱和粘性土地基中某点的抗剪强度时，应考虑土体原来的固结状态。对正常固结饱和粘性土地基，某点某一时间的抗剪强度可按下式计算：τft=τf0+⊿σz·Uttancu式中τft—t时刻，该点土的抗剪强度（kPa）；τf0—地基土的天然抗剪强度（kPa）；⊿σz—预压荷载引起的该点的附加竖向应力（kPa）；Ut—该点土的固结度；cu—三轴固结不排水压缩试验求得的土的内摩擦角（0）；21 (7)预压荷载下地基的最终竖向变形量可按下式计算：式中sf———最终竖向变形量（m）；e0i———第i层中点土自重应力所对应的孔隙比，由室内固结试验e-p曲线查得；e1i———第i层中点土自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比，由室内固结试验e-p曲线查得；hi———第i层土层厚度（m）；ξ—经验系数数，对正常固结饱和粘性土地基可取ξ=1.1~1.4。荷载较大、地基土较软弱时取较大值，否则取较小值。变形计算时，可取附加应力与土自重应力的比值为01的深度作为受压层的计算深度。22 (8)预压法处理地基必须在地表铺设与排水竖井相连的砂垫层，砂垫层厚度不应小于500mm。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。砂垫层的干密度应大于15g/cm3，其渗透系数宜大于110-2cm/s。在预压区边缘应设置排水沟，在预压区内宜设置与砂垫层相连的排水盲沟。23 三、真空预压法设计真空预压法处理地基必须设置排水竖井。设计内容包括：（一）竖井断面尺寸、间距、排列方式和深度的选择；（二）预压区面积和分块大小；真空预压工艺；（三）要求达到的真空度和土层的固结度；（四）真空预压和建筑物荷载下地基的变形计算；（五）真空预压后地基土的强度增长计算等。24 设计要点：（1）排水竖井的间距可按堆载法选用。（2）砂井的砂料应选用中粗砂，其渗透系数应大于1×10-2cm/s。（3）真空预压区边缘应大于建筑物基础轮廓线，每边增加量不得小于30m。每块预压面积宜尽可能大且呈方形。（4）真空预压的膜下真空度应稳定地保持在650mmHg以上，且应均匀分布，竖井深度范围内土层的平均固结度应大于90%。25 （5）当建筑物的荷载超过真空预压的压力，且建筑物对地基变形有严格要求时，可采用真空—堆载联合预压法，其总压力宜超过建筑物的荷载。（6）对于表层存在良好的透气层或在处理范围内有充足水源补给的透水层时，应采取有效措施隔断透气层或透水层。（7）真空预压地基最终竖向变形同前，其中ξ可取0.8~0.9。真空—堆载联合预压法以真空预压为主时，ξ可取0.9。（8）真空预压所需抽真空设备的数量，可按加固面积的大小和形状、土层结构特点，以一套设备可抽真空的面积为1000~1500m2确定。26 1、加载预压的计算步骤由于软粘土地基抗剪强度低，不能快速加载，必须分级施加，待上一级荷载作用下地基强度可随下一级荷载时，才能施加下一级荷载。在进行具体计算时，可先拟定一个初步加载计划，然后校核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降。（1）利用天然地基土的抗剪强度，计算第一级容许施加的荷载p1。一般可采用以下几个公式估算：27 ①斯开普顿极限荷载半经验公式：式中：k—安全系数，取1.1~1.5；Cu—天然地基土的不排水抗剪强度(kPa)；d—基础埋置深度(m)；A、B——分别为基础的长边和短边(m)；r—基底标高以上土的重度kN/m3。28 ②对饱和软粘土，可采用下式：③对长条形填土，可采用Fellenius公式：（2）计算第一级荷载作用下地基强度增长值；29 式中：τf1——p1作用下，经过一段时间，地基中某点的抗剪强度；τf0——地基土的天然抗剪强度，由十字板剪切试验测定；∆τfc——该点由于固结而增长的强度，通常取固结度为70%；η——土体由于剪切蠕动而引起强度衰减的折减系数，可取0.75~0.9,剪切力大取低值，反之取高值。30 （3）计算p1作用下达到设计要求的固结度所需时间。达到某一固结度所需要的时间可根据固结度与时间的关系求得（见本节有关部分），时间求出来后，就可确定第二级荷载开始施加的时间。31 32 33 34 35 36 37 38 本章重点：一、简述排水固结系统及排水固结法分类。39 二、试述排水固结法的设计内容。（一）堆载预压法处理地基的设计应包括下列内容：(1）选择塑料排水带或砂井，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度；（2）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；（3）计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形。40 （二）真空预压法处理地基必须设置排水竖井。设计内容包括：（1）竖井断面尺寸、间距、排列方式和深度的选择；（2）预压区面积和分块大小；真空预压工艺；（3）要求达到的真空度和土层的固结度；（4）真空预压和建筑物荷载下地基的变形计算；（5）真空预压后地基土的强度增长计算等。41 三、1、排水固结法的基本原理？2、要取得良好的预压固结效果，与什么条件有关？1、排水固结法是在建筑物建造前，对天然地基或对已设置竖向排水体的地基加载预压，使土体固结沉降基本完成或完成大部分，从而提高地基土强度、减小变形的一种地基加固方法。一般要具有：（1）排水系统由竖向排水体和水平排水体构成,主要作用是改变地基的排水边界条件,缩短排水距离和增加孔隙水排出的途径。（2）加压系统是指对地基施加的荷载。排水系统与加压系统总是联合使用的。42 2、要取得良好的预压固结效果，与两个基本条件有关：（1）必要的预压荷载；（2）良好的排水边界条件与排水固结预压历时长短。43