第2章 地基處理(排水固結)

1、第5章 排水固結Drain Consolidation地基處理地基處理Soil Improvement 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 排水固結法能解決軟粘土地基的沉降和穩(wěn)定問題。可使地基的沉降在預壓期間基本完成或大部分完成，保證建筑物在使用期間不致產生過大的沉降和沉降差。同時可增加地基土的抗剪強度，提高地基的承載力和穩(wěn)定性。排水固結法是對天然地基，或先在地基中設置砂井（袋裝砂井或塑料排水帶 ）等豎向排水體，然后利用建筑物本身重量分級逐漸加載；或在建筑物建造前在場地先行加載預壓，使土體中的孔隙水排出，逐漸固結，地基發(fā)生沉降，同時強度逐步提高的方法。排水固結法是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分共同組合而成的

2、。排水固結法是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分共同組合而成的。 排水系統(tǒng)加壓系統(tǒng)排水固結豎向排水體水平排水體砂墊層普通砂井袋裝砂井塑料排水帶堆載法真空法降低地下水位法電滲法聯合法排水系統(tǒng)加壓系統(tǒng) 根據排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)的不同，排水固結法可分為堆載預壓法、砂井(包括袋裝砂井、塑料排水板等)堆載預壓法、真空預壓法、降低地下水位法和電滲法。排水固結法的種類 堆載預壓法和砂井堆載預壓法唯一的區(qū)別在于：前者的排水系統(tǒng)以天然地基土層本身為主；而后者在天然地基中還人為地增設了諸如砂井等排水系統(tǒng)。 第二節(jié)第二節(jié) 加固機理加固機理 加 固 軟 土 層豎 向 排 水 體排水墊層水平排水盲溝 如上圖所示，在建筑物修建前，

3、通過排水固結方法，施加的固結壓力，土樣壓縮曲線為abc，從a點到c點，孔隙比變化量為e。卸除固結壓力，土樣沿卸荷曲線cef回彈到f點。再修建建筑物，相當于沿fgc的再壓縮曲線（圖中虛線）到達c點，此時孔隙比變化量為e。 e e，則建筑物修建過程中地基沉降量會大大縮小。 同理，從下圖中可以看出，f點的抗剪強度大于a點，說明通過排水固結作用，地基土的抗剪強度也相應得到一定程度的提高。1、排水固結法的原理、排水固結法的原理 堆載預壓法就是用填上等（超）外加荷載來增加總應力并使超靜孔隙水壓力u消散從而增加有效應力的方法。降低地下水位和電滲排水法是總應力不變,減少孔隙水壓力來增加有效應力的方法。排水固結

4、法的原理排水固結法的原理2 2、排水固結法的應用范圍、排水固結法的應用范圍 用于處理淤泥質土、淤泥、泥炭土和沖填土等飽和軟粘土地基，是十分有效的方法。 按照使用目的可以解決兩個問題沉降問題 穩(wěn)定問題 沉降問題 (settlement problems)采用豎向排水固結與不采用豎向排水固結的實測沉降-時間曲線對比采用豎向排水固結與不采用豎向排水固結的實測沉降-時間曲線對比不排水-等載預壓排水-超載預壓排水的沉降曲線穩(wěn)定問題 (stabilization problems) 地基間歇式加荷的應力路徑豎向排水提高邊坡穩(wěn)定性系統(tǒng)組成排水系統(tǒng) 系統(tǒng)組成排水系統(tǒng) 材料 Wick Drainssandgra

5、vel系統(tǒng)組成排水系統(tǒng) Vertical Wick DrainsVertical Wick DrainsVertical Wick DrainsHorizontal Drains水平排水體Horizontal Drains水平排水體系統(tǒng)組成加壓系統(tǒng) 堆載橋頭高填土堆載預壓場地高填土堆載預壓臨時填土堆載預壓Vacuum Consolidation系統(tǒng)組成加壓系統(tǒng) 真空預壓第三節(jié)第三節(jié) 排水固結法設計計算排水固結法設計計算 一、一、 設計前應取得的資料設計前應取得的資料 1. 進行場地勘察，查明土層在水平和豎直方向的分布和變化、透水層的位置及水源補給條件、地下水深度等 2. 進行室內土工試驗，確定

6、土的固結系數、孔隙比和固結壓力關系、三軸試驗抗剪強度等3.進行原位十字板剪切試驗，確定各土層十字板抗剪強度。 堆載預壓法（Preloading）是在建筑物建造以前，在建筑場地進行加載預壓，使地基的固結沉降基本完成并提高地基土強度的方法。 堆載預壓法是以事先完成的沉降和由于固結使地基強度增長的兩個要素為目標的，這種加固方法成立的背景，是以具有飽和粘性土地基由于固結而增加強度，以及所謂一旦地基固結沉降，即使卸掉荷載實際上也不恢復原來狀態(tài)這兩種條件而構成的。二、二、 堆載預壓法設計堆載預壓法設計 堆載預壓法的設計內容：（1）選擇豎向排水體，確定其尺寸、間距、排列方式和深度；（2）確定預壓荷載的大小、

7、范圍、速率和預壓時間；（3）計算地基的固結度、強度增長；（4）進行穩(wěn)定性和變形計算。1.堆載預壓的計算步驟堆載預壓的計算步驟 （1） 利用地基的天然抗剪強度計算第一級容許施加的荷載p1。斯開普頓極限荷載半經驗公式DBD0.21AB0.21Cu51）（KpK安全系數，建議采用1.11.5；Cu天然地基土的不排水抗剪強度（kPa）；D基礎埋置深度（m）；A、B分別為基礎的長邊和短邊（m）；基底標高以上土的重度（kN/m3）。土力學地基基礎土力學地基基礎P177對長條形填土，可根據Fellenius公式估算，即： K5.52Cup 1（2）計算第一級荷載下地基強度增長值。)(c01fff對飽和軟粘土

8、也可采用下式計算：DK5.14Cup1。，可取起強度衰減的折減系數土體由于剪切蠕動而引時強度增長值；強度，通常取固結度為該點由于固結而增長的地基土天然抗剪強度；度；，地基中某點的抗剪強作用下，經過一段時間0.900.7570%pc110fff土力學土力學（陳仲頤編）（陳仲頤編）P282（3） 計算p1作用下達到所定固結度所需要的時間。 達到某一固結度所需時間可根據固結度與時間的關系求得。這一步計算的目的是確定第一級荷載停歇的時間，亦即第二級荷載開始施加的時間。（4） 根據第2步所得到的地基強度f1計算第二級所能施加的荷載p2。即Kpf152. 52 同樣求出在p2作用下地基固結度達70時的強度

9、以及所需時間，然后計算第三級所能施加的荷載。依次可計算出以后各級荷載和停歇時間，初步的加荷計劃也就確定下來。 （5）對按以上步驟確定的加荷計劃進行每一級荷載下地基的穩(wěn)定性驗算。如穩(wěn)定性不滿足，則調整加荷計劃。（6） 計算預壓荷載下地基的最終沉降量和預壓期間的沉降量。 這一項計算的目的在于確定預壓荷載卸除的時間，這時地基在預壓荷載下所完成的沉降量已達設計要求，所剩留的沉降為建筑物所允許的。2. 超載預壓超載預壓 實際工程中還往往采用超載預壓方法來消除主固結沉降，以縮短預壓時間。預壓期間任一時刻地基沉降量可表示為：sctdtssssU 上式可用于：(1)確定所需的超載壓力值ps，以保證在使用荷載p

10、f作用下預期的總沉降量在給定的時間內完成； (2)確定在給定超載下達到預定沉降量所需要的時間。式中 St時間t時地基的沉降量（mm）； Sd瞬時沉降量（mm）； t時刻地基的平均固結度； Sc最終沉降量（mm）； Ss次固結沉降量（mm）。tU 為了消除永久性荷載下的固結沉降，只要將超載保持到時間tSR時刻，以使超載作用下，地基的固結沉降量等于永久荷載下的最終固結沉降，即stRsf，為了消除超載卸除以后繼續(xù)發(fā)生的主固結沉降，超載應維持到使上層中間部位的固結度Uz（f+s）達到下式要求：sffsfzpppU )(超載預壓的標準 該方法要求將超載保持到pf作用下所有點都完全固結為止，這時土層的大部

11、分將處于超固結狀態(tài)。因此，這是一個安全度較大的方法，它預估的ps值或超載時間都大于實際所需的值。 對于有機質粘土、泥炭上等，其次固結沉降是重要的，采用超載預壓法對減小永久荷載下的次固結沉降有一定效果。二、砂井排水固結設計計算二、砂井排水固結設計計算 丹尼爾.莫蘭（Daniel.E.Moran）最早（1925年）將垂直砂井用于土的深層加固，1926年獲得專利。 Sand Drains （一）砂井設計（一）砂井設計 砂井地基的設計工作即為選擇適當的砂井長度、直徑、間距、以及形成有效的砂井排水系統(tǒng)所需的材料、砂墊層厚度等，以及地基在批載預壓過程中，在預期的時間內，達到所需要的固結度(通常定為80)。

12、1砂井直徑和間距常采用“細而密”原則。一般砂井直徑：300400mm；間距：68倍井徑。 袋裝砂井直徑：70120mm；間距：1530倍井徑。2砂井長度 根據現場各種因素定。（土層厚度、有無透水層、壓縮層厚度、承壓水、穩(wěn)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 排水路徑lldede4. 砂井的布置范圍:大出基礎輪廓線24m。6. 砂墊層 在砂井頂面應鋪設排水砂墊層，以連接砂井，引出從上層排入砂井的滲流水。砂墊層的厚度一股為0.30.5m(水下砂墊層厚度為1.0m左右)。如砂料缺乏，可采用連通砂井的縱橫砂溝代替整片砂墊層。5. 砂料： 宜選用中粗砂，其含泥量不能超

13、過3%。（二）（二） 砂井地基固結度的計算砂井地基固結度的計算1瞬時加荷條件下砂井地基固結度的計算 19401942年，巴倫（Barron）根據太沙基固結理論，提出砂井的設計計算方法。 固結微分方程：)1(2222vrurruczuctuH上式可分解為：22vzCtzuuz)1(Ct22hrrurruurr 砂井地基的固結度計算一般先假設荷載是瞬時施加的，然后根據實際情況進行修正。根據卡里羅理論：任意一點的孔隙水壓力u有如下關系：000uuuuuuzr用固結度表示為：)1)(1 (1zrrzUUU（1）豎向固結度由太沙基一維理論計算。）豎向固結度由太沙基一維理論計算。時，可采用下式計算：當30

14、%zU)4exp(8122vzTU2vvHtcT （2）徑向排水固結度計算）徑向排水固結度計算由巴倫（Barron）導得的解為：)8exp(1HrTFU2eHHdtcT2222413ln1nnnnnFweddn 井徑比 時間因數時間因數Th當總固結度大于30%時：trzeU28122248HcFdcveH故)1 (8ln12rzUt（3）總固結度的確定）總固結度的確定由：）（rzU-1U1-1rzU得t-e-1U1975）建議：曾國熙（2逐漸加荷條件下地基固結度的計算 以上計算固結度的理論公式都是假設荷載是一次瞬間加足的。實際工程中，荷載總是分級逐漸施加的。因此，根據上述理論方法求得的固結時間

15、關系或沉降時間關系都必須加以修正。目前常用的有改進的太沙基法改進的太沙基法和曾國熙提出的改進的高木俊介法改進的高木俊介法，（1）改進的太沙基法方法作如下假定：a、每一級荷載增量pi所引起的固結過程是單獨進行的，與上一級荷載增量所引起的固結度無關；b、總固結度等于各級荷載增量作用下固結度的疊加； c、每一級荷載增量pi等速加荷經過時間t的固結度與在t/2時的瞬時加荷的固結度相同，也即計算固結的時間為t/2。d、在加荷停止以后，在恒載作用期間的固結度，即時間t大于Ti（此處Ti為pi的加載期）時的固結度和在Ti/2時瞬時加荷pi后經過時間(t- Ti/2)的固結度相同；e、所算得的固結度僅是對本級

16、荷載而言，對總荷載還要按荷載的比例進行修正。ppUnnTTtrznn1)2(/t1U對多級等速加荷，修正通式為：對多級等速加荷，修正通式為：式中多級等速加荷，t時刻修正后的平均固結度；瞬時加荷條件的平均固結度；Tn-1、Tn分別為每級等速加荷的起點和終點時間（從時間0點起算）。當計算某一級加荷期間t時刻的固結度時，則改為t； pn第n級荷載增量，如計算加荷過程中某一時刻t的固結度時，則用該時刻相對應的荷載增量。 p各級荷載的累積值。tUUrz （2）改進的高木俊介法 其特點是不需要求得瞬時加荷條件下地基固結度，而是可直接求得修正后的平均固結度。修正后的平均固結度為： 1-11 nnTTtnnn

17、nteeeTTpqUUtt 時多級荷載等速加荷修正后的平均固結度（%）； qn第n級荷載的平均加荷速率（kPa/d）；、參數，查表。 、值表值表參數參數豎向排水固結豎向排水固結（Uz30%）向內徑向向內徑向排水固結排水固結豎向和徑向排水固結豎向和徑向排水固結（砂井貫穿受壓土層）（砂井貫穿受壓土層）砂井未貫穿受砂井未貫穿受壓土層的固結壓土層的固結12828HLL822v24HC2ehdFC82v22ehH4CdFC82ehdFC8L砂井長度；砂井長度；H砂井以下壓縮土層厚度。砂井以下壓縮土層厚度。三、地基抗剪強度增長計算三、地基抗剪強度增長計算 在預壓荷載作用下，隨著排水固結的進程，地基土的抗剪

18、強度就隨著時間而增長；另一方面，剪應力隨著荷載的增加而加大，而且剪應力在某種條件（剪切蠕動）下，還能導致強度的衰減。 因此，如果適當地控制加荷速率，使由于固結而增長的地基強度與剪應力的增長相適應，則地基就穩(wěn)定；反之，如果加荷速率控制不當，使地基中剪應力的增大超過了由于固結而引起的強度增長，地基就會發(fā)生局部剪切破壞，甚至地基產生整體破壞而滑動。 ft 地基土某一時刻的抗剪強度（kPa）f0 地基中某點在加荷之前的天然地基抗剪強度 fc由于固結而增長的抗剪強度增量；fs由于剪切蠕動而引起的抗剪強度衰減量。 地基中某一點在某一時刻的抗剪強度可用下式表示：fsff0f-ct 目前常用的預估抗剪強度增長

19、的方法有有效應力法和有效固結壓力法。下面僅對有效應力法加以介紹。 綜合折減系數，可取0.750.90。因fs難以推算，故上式改寫為：）（ctff0f 強度增長值的估算可采用下式：1tcUKf式中：K有效內摩擦角的函數， sin1cossinKUt地基中某點的固結度，可用平均固結度代替。1荷載引起的地基中某點的最大主應力增量。故地基土某點的強度可表示為：）（1ttUKf0f四、沉降計算四、沉降計算 預壓荷載作用下地基的最終沉降量S由瞬時沉降Sd、固結沉降Sc和次固結沉降Ss三部分組成，即：scdSSSS而次固結沉降對一般泥炭土、有機質土或高塑性粘土層較大，其它土可忽略。n1i0i1i0iCe1e

20、-eSih）（1、固結沉降、固結沉降Sc計算計算分層總和法： 當軟土很厚，荷載為均布時，Sd可按下式估算：Eb2dd1pCSP均布荷載；b荷載面積的直徑或寬度；Cd考慮荷載面積形狀和沉降計算點位置的系數，可查表。E土的彈性模量；土的泊松比。2、瞬時沉降、瞬時沉降Sd計算計算 由于具體計算時Sd與Sc不易區(qū)分，且E和不好確定，一般采用以下經驗公式計算：ihn1i0i1i0iscse1eeSS）（沉降計算經驗系數，通常取1.11.4。3、最終沉降、最終沉降S計算計算s 穩(wěn)定分析是路堤、土壩以及岸坡等以穩(wěn)定為控制的工程設計中的一項重要內容。進行穩(wěn)定分析可解決以下問題： 地基在天然狀態(tài)下的最大堆載；在

21、各級預壓荷載作用下的穩(wěn)定性；最大許可預壓堆載；理想的堆載計劃。五、穩(wěn)定分析五、穩(wěn)定分析第四節(jié)第四節(jié) 排水固結的施工排水固結的施工 排水固結的施工包括三個部分：鋪設水平墊層、設置豎向排水體和施加荷載。一、水平排水墊層的施工一、水平排水墊層的施工1、墊層材料、墊層材料 砂墊層砂料宜用中粗砂，滲透系數110-3cm/s，含泥量不小于5%，無雜質，無有機質。2、水平排水系統(tǒng)設置、水平排水系統(tǒng)設置 在水平墊層預壓區(qū)應設置與砂墊層相連的盲溝，盲溝可平行布置，并與集水井連通。盲溝中可采用粒徑3050mm的碎石或礫石。 若砂粒來源較困難，可采用網狀布置的砂溝代替整片砂墊層，并與集水井連通。明溝盲溝 排水墊層的

22、厚度一方面要求保證從土中滲出的水能及時排出，另一方面能滿足施工設備施工時的承載要求。 一般情況下墊層厚度可取3050cm，水下施工時，墊層厚度可取0.81.0m。3、墊層厚度、墊層厚度4、墊層施工、墊層施工 施工方法根據地基土表面的承載情況進行選擇。當地基土表層有硬殼層，可承受一般機械進行時，可用機械鋪砂，采用機械分堆攤鋪法或順序推進攤鋪法。 當地基較軟不能承受機械運行時，可選用人力車或輕型皮帶輸送機由外向里或一邊向另一邊鋪設。 （一）砂井施工（一）砂井施工 1、砂井材料、砂井材料 砂井的材料應采用中粗砂，其滲透系數宜大于110-2cm/s。砂料應干凈，不含草根等雜物，含泥量不超過3%。二、豎

23、向排水體的施二、豎向排水體的施工工2、施工順序、施工順序 要求盡量減小對周圍土的擠壓力，應遵循“先中間后周邊”的原則。3、施工工藝、施工工藝 砂井施工一般先成孔，再灌砂形成砂井。 砂井成孔的方法有套管法、射水法、螺旋鉆成孔法和爆破法，其中以套管法和射水法應用較廣泛。 保持砂井的連續(xù)和密實，并不出現縮頸現象。 盡量減少對周圍土的擾動。 砂井的長度、直徑和間距應滿足設計要求。 砂井的位置允許偏差為該井的直徑，垂直度的允許偏差為1.5%。4、砂井施工的質量要求、砂井施工的質量要求（二）袋裝砂井施工（二）袋裝砂井施工 袋裝砂井是用具有一定的伸縮性和抗拉強度很高的編織袋裝滿砂子，放入樁孔中形成豎向排水體

24、。1、砂袋材料要求、砂袋材料要求 袋裝砂井的編織袋應具有良好的透水性，袋內砂不易漏失，袋子材料應具有足夠的抗拉強度，能承受袋內砂自重及彎曲產生的拉力，要有一定的抗老化性能和耐環(huán)境水腐蝕的性能。 國內常用的編制袋有麻布袋和聚丙烯編織袋。 袋裝砂井成孔的方法有錘擊打入法、射水法、靜力壓入法、鉆孔法和振動沉管法等。目前常用的方法是振動沉管法。 2、施工機具、施工機具3、施工程序、施工程序放線測量機具定位設置樁尖（樁靴）沉管成孔投送砂袋拔管成樁 塑料帶排水法是將帶狀塑料排水帶用插帶機將其插入軟土中作為豎向排水體，通過改善排水條件，促使地基軟土在荷載作用下排水固結。 （三）塑料帶排水法施工（三）塑料帶排

25、水法施工1、塑料排水帶的結構、塑料排水帶的結構塑料排水帶由芯板和濾膜組成。常見斷面結構形式如下圖。 2、塑料排水帶的性能、塑料排水帶的性能 在土中設置塑料排水帶后，土層中的滲透水通過濾膜滲入芯板溝槽中，并通過溝槽從排水墊層中排出。因此，要求濾膜的透水性好，與土接觸后其滲透系數不低于中粗砂，排水溝槽保證排水通暢，受到土壓力后過水斷面不減小，耐酸、耐堿。 具體要求：濾膜的滲透系數 510-4cm/s，縱向通水量1540cm3/s。芯板的抗拉強度1015N/mm，濾膜的抗拉強度，干態(tài)時1.53.0N/mm，濕態(tài)時1.02.5N/mm，整個排水帶反復對折5次不斷裂。 三、預壓荷載的施工三、預壓荷載的施

26、工 預壓荷載的施工，一般分三類：利用建筑物自重加壓；施加外部荷載（堆載預壓施工）；減少地基土的孔隙水（真空預壓施工） （一）利用建筑物自重加壓（一）利用建筑物自重加壓 利用建筑物自重加壓就是在未經預壓的天然軟土地基上直接建造建筑物。該方法適用于以地基的穩(wěn)定性為控制條件，能適應較大變形的建筑物，如路堤、土壩、貯礦場、油罐、水池等。 要注意控制加荷速率，使其與地基土強度相適用。 （二）堆載預壓施工（二）堆載預壓施工 堆載預壓的材料一般以石料、砂、磚等不污染環(huán)境的散體材料為主。 （三）真空預壓施工（三）真空預壓施工 （三）真空預壓施工（三）真空預壓施工 第五節(jié)第五節(jié) 施工觀測及質量檢驗施工觀測及質量檢驗 施工過程中需要進行觀測的項目有：孔隙水壓力、沉降、邊樁水平位移、真空度等。需要檢驗的內容主要是地基土的物理力學性能指標。一、地基土的物理力學性能指標檢驗一、地基土的物理力學性能指標檢驗（1）對以抗滑穩(wěn)定性為控制的工程，應在預壓區(qū)內選擇代表性地點預留孔位。在加載的不同階段進行不同深度的十字