砂井排水固結(jié)法處理軟基[全面]

1、砂井排水固結(jié)法處理軟土地基一、前言 云南省地處高原,地形多為山嶺重丘,溝谷切割深,地質(zhì)變化復(fù)雜.不多的平地多為山谷盆地及山間洼地,這些地區(qū)是地表水常年匯積的地方,因排水差、沖積物多年淤積及耕種等因素影響而形成軟土地基.軟土地基因內(nèi)聚力小 、抗剪強(qiáng)度 低、天然含水量高、可壓縮性大 等特點(diǎn)而成為公路修建中令人頭疼的問題,處理不好,將會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)的路面基層和面層的施工,產(chǎn)生路面沉陷、裂縫等病害,嚴(yán)重影響和降低公路的使用性能,造成巨大 的經(jīng)濟(jì)損失. 近年來(lái),高速公路的建設(shè)在云南省得到了 長(zhǎng)足的發(fā)展.因受地形的限制及高速公路本身高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求,它將不可避免地通過軟土地區(qū).從而使軟土處治成為每條高速公

2、路修建中都會(huì)遇到的問題,引起了 廣大 建設(shè)者的高度 重視.軟土處治方法很多,概括地講,有置換法、強(qiáng)夯法、排水固結(jié)法(袋裝砂井、塑料排水板)、木樁擠密法、振沖碎石樁、爆擴(kuò)碎石樁、深層攪拌法等.具體采用哪一種方法,要根據(jù)工程實(shí)際,結(jié)合軟土深度 、面積大 小 、當(dāng)?shù)乜捎貌牧?、?jīng)濟(jì)適用性等多方面綜合比較后,再確定選用方案,以取得最佳使用效果.本文介紹排水固結(jié)法處理地基的原理、設(shè)計(jì)計(jì)算、施工工藝,對(duì)砂井抗滑穩(wěn)定性、一般砂井的施工工藝提出改進(jìn)措施.二、排水固結(jié)法概述1、排水固結(jié)法的原理飽和軟粘土地基在荷載作用下,孔隙中的水被慢慢地排出,孔隙體積慢慢地減小 ,地基發(fā)生固結(jié)變形.同時(shí),隨著超靜水壓力逐漸消散,

3、有效應(yīng)力逐漸提高,地基土的強(qiáng)度 逐漸增長(zhǎng).現(xiàn)以圖1為例作一說明.當(dāng)土樣的天然固結(jié)壓力為時(shí),其孔隙比為,在-坐標(biāo)上其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為A點(diǎn),當(dāng)壓力增加,固結(jié)終了 時(shí)變?yōu)镃點(diǎn),孔隙比減小 ,曲線ABC稱為壓縮曲線.與此同時(shí),抗剪強(qiáng)度 與固結(jié)壓力成為比例地由A點(diǎn)提高到C點(diǎn).所以,土體在受壓固結(jié)時(shí),一方面孔隙比減小 產(chǎn)生壓縮,一方面抗剪強(qiáng)度 也得到提高.如從C點(diǎn)卸除壓力,則土樣發(fā)生膨脹,圖中CEF為卸荷膨脹曲線,如從F點(diǎn)再加壓,土樣發(fā)生再壓縮,沿虛線變化到C,其相應(yīng)的強(qiáng)度 包絡(luò)線如圖下部所示.從再壓縮曲線FGC可清楚地看出,固結(jié)壓力同樣從增加,而孔隙比減小 值為,比小 得多.如果在建筑場(chǎng)地先加上一個(gè)和上部建筑

4、物相同的壓力進(jìn)行預(yù)壓,使土層固結(jié),然后卸除荷載,再建造建筑物,建筑物所引起的沉降即可大 大 減小 .如果預(yù)壓的荷載比建筑物荷載大 ,即超載預(yù)壓,那效果更好.因經(jīng)過超載預(yù)壓,當(dāng)土層的固結(jié)壓力大 于使用荷載下的固結(jié)壓力時(shí),原來(lái)正常固結(jié)粘土層將處于超固結(jié)狀態(tài),而使土層在使用荷載下的變形大 為減小 .土層的排水固結(jié)效果和它的排水邊界條件有關(guān).根據(jù)固結(jié)理論,粘性土固結(jié)所需的時(shí)間和排水距離的平方成正比,土層越厚,固結(jié)延續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng).為了 加速土層的固結(jié),最有效的方法是增加土層的排水途徑,縮短排水距離.砂井、塑料排水板等豎向排水體就是為此目的而設(shè)置的,如圖2所示,這時(shí)土層中的孔隙水主要從水平向通過砂井和部分

5、從豎向排出.砂井縮短了 排水距離,因而大 大 加速了 地基的固結(jié)速率,這一點(diǎn)無(wú)論從理論上還是工程實(shí)踐上都得到了 證實(shí).在荷載作用下,土層的固結(jié)過程就是孔隙水壓力消散和有效應(yīng)力增加的過程.如地基內(nèi)某點(diǎn)的總應(yīng)力為,有效應(yīng)力為,孔隙水壓力為,則三者有以下關(guān)系:=- (31)用填土等外加荷載對(duì)地基進(jìn)行預(yù)壓,是通過增加總應(yīng)力并使孔隙水壓力消散來(lái)增加有效應(yīng)力的方法.2、 排水固結(jié)法的應(yīng)用自從我國(guó)在50年代起使用普通砂井法處理地基,排水固結(jié)法在我國(guó)得到了 飛速發(fā)展.在70年代發(fā)展成袋裝砂井法,1980年開始應(yīng)用真空預(yù)壓法,1981年應(yīng)用塑料排水帶法處理軟土地基.由于砂井排水法對(duì)軟土地基的處理具有質(zhì)量可靠、施

6、工方便、工效高、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),從而在我國(guó)東南沿海和內(nèi)陸地區(qū)廣泛應(yīng)用.3、 排水固結(jié)法的適用條件排水固結(jié)法適用于處理厚度 較大 的飽和軟土和沖填土地基,該法是對(duì)天然地基或先在地基中設(shè)置砂井等豎向排水體,然后利用建筑物本身重量分級(jí)逐漸加載,或是在建筑物建造以前,在場(chǎng)地先行加載預(yù)壓,使土體中的孔隙水排出,逐漸固結(jié),地基發(fā)生沉降,同時(shí)強(qiáng)度 逐步提高的方法.所以排水固結(jié)法需要有較長(zhǎng)的預(yù)壓時(shí)間和荷載條件及土石方搬運(yùn)機(jī)械.三、設(shè)計(jì)所需的土工資料在進(jìn)行排水固結(jié)法設(shè)計(jì)前,應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的勘探和土工試驗(yàn),以取得必要的設(shè)計(jì)資料,以下項(xiàng)目的資料應(yīng)特別加以重視.1、 土層條件.通過適量的鉆孔繪制出土層剖面圖,采取足夠數(shù)

7、量的試樣以確定土的種類和厚度 、土的成層厚度 ,透水層的位置,地下水位的深度 .2、 固結(jié)試驗(yàn).固結(jié)壓力與孔隙比的關(guān)系、固結(jié)系數(shù).3、 軟粘土層的抗剪強(qiáng)度 及沿深度 的變化.4、 砂井及砂墊層所用砂料的粒度 分布、含泥量.對(duì)軟粘土,常規(guī)的土工試驗(yàn)項(xiàng)目如表1:表1 軟粘土的常規(guī)土工試驗(yàn)項(xiàng)目土 的 性 質(zhì)試 驗(yàn) 內(nèi) 容試 驗(yàn) 方 法土的物理性質(zhì)稠 度 液限(L)塑限(p)塑性指數(shù)(Ip)液限試驗(yàn)塑限試驗(yàn)含水量含水量()飽和度 (Sr)含水量試驗(yàn)密度 容 重(r)孔隙比()容重試驗(yàn)滲透性滲透系數(shù)(k)滲透試驗(yàn)土的力學(xué)性質(zhì)壓縮固結(jié)系數(shù)(CV,Ch)壓縮指數(shù)(CC)-C或曲線固結(jié)試驗(yàn)強(qiáng)度 粘聚力 (C)

8、內(nèi)磨擦角()不排水抗剪強(qiáng)度 (Cu)有效抗剪強(qiáng)度 ()直剪試驗(yàn)三軸試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 試驗(yàn)十字板剪切試驗(yàn)三軸試驗(yàn)四、設(shè)計(jì)計(jì)算1、 砂井布置 砂井直徑和間距砂井的直徑和間距主要取決于土的固結(jié)特性和施工期限的要求.從原則上講為達(dá)到同樣的固結(jié)度 ,縮短砂井間距比增加砂井直徑效果要好,即“細(xì)而密”比“粗而稀”為佳.砂井直徑一般為300400米米;袋裝砂井直徑70120米米.工程上常用的井距,一般為砂井直徑的68倍,袋裝砂井一般為1530倍.設(shè)計(jì)時(shí),可先假定井距,再計(jì)算地基固結(jié)度 ,若不能滿足要求,則可縮小 井距或延長(zhǎng)施工期. 砂井深度 砂井深度 主要根據(jù)土層的分布、地基中附加應(yīng)力大 小 、施工期限和條

9、件及地基穩(wěn)定性等因素確定.當(dāng)軟土層不厚、底部有透水層時(shí),砂井應(yīng)盡可能穿透軟土層.當(dāng)深厚的壓縮土層間有砂層或砂透鏡體時(shí),砂井應(yīng)盡可能打至砂層或砂透鏡體,而采用真空預(yù)壓時(shí)應(yīng)盡量避免砂井相連接,以免影響真空效果.對(duì)于無(wú)砂層的深厚地基則可根據(jù)其穩(wěn)定性及建筑物在地基中造成的附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比值確定(一般為0.10.2).若砂層中存在承壓水,由于承壓力的長(zhǎng)期作用,粘土中就存在超孔隙水壓力,這對(duì)粘性土固結(jié)和強(qiáng)度 增長(zhǎng)都是不利的,所以宜將砂井打到砂層,利用砂井加速承壓水的消散.按穩(wěn)定性控制的工程,如路堤、土壩、岸坡、堆料等,砂井深度 應(yīng)通過穩(wěn)定分析確定,砂井長(zhǎng)度 應(yīng)大 于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的深度 .按沉降控制的

10、工程,砂進(jìn)長(zhǎng)度 可從壓載后的沉降量滿足上部建筑物容許的沉降量來(lái)確定.砂井長(zhǎng)度 一般為1025米. 砂井排列砂井在平面上可布置成正三角形或正方形,以正三角形排列較為緊湊和有效.等效圓的直徑de與砂進(jìn)間距l(xiāng)的關(guān)系如下: 等邊三角形排列時(shí) (41) 正方形排列時(shí) (42) 砂井布置范圍 砂井的布置范圍一般比建筑物基礎(chǔ)稍大 為好.這是因?yàn)樵诨A(chǔ)以外一定范圍內(nèi),地基中仍然產(chǎn)生由于建筑物荷載而引起的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力.如能加速基礎(chǔ)外地基土的固結(jié),對(duì)提高地基的穩(wěn)定性和減小 側(cè)向變形以及由此引起的沉降均有好處.一般可由基礎(chǔ)的輪廓線向外增大 約24米. 砂料制作砂井的砂宜用中粗砂,砂的粘徑必須能保證砂井具有良好的透

11、水性.砂井的粒度 不要被粘土顆粒堵塞.砂應(yīng)是潔靜的,不應(yīng)有草根等雜物,其含泥量不能超過3%. 砂墊層 砂墊層應(yīng)形成一個(gè)連續(xù)的、有一定厚度 的排水層,以免地基沉降時(shí)被切斷而使排水通道堵塞.陸上施工時(shí),砂墊層厚度 一般為0.5米左右;水下施工時(shí),一般為1米左右.如砂料缺乏,可采用連通砂井的縱橫砂溝代替整片砂墊層. 砂井布置如圖32、制定分層預(yù)壓計(jì)劃 利用地基的天然地基土抗剪強(qiáng)度 計(jì)算第一級(jí)容許施加的荷載p1.對(duì)長(zhǎng)條形填土,可根據(jù)Fellenius公式估算: (43)式中 安全系數(shù),建議采用1.11.5 天然地基土的不排水抗剪強(qiáng)度 計(jì)算第一級(jí)荷載下地基強(qiáng)度 增長(zhǎng)值,提高以后的地基強(qiáng)度 為: (44)

12、 式中 為P1作用下地基因固結(jié)而增長(zhǎng)的強(qiáng)度 為考慮剪切蠕動(dòng)的強(qiáng)度 折減系數(shù)與土層的固結(jié)度 有關(guān),一般可先假定一固結(jié)度 ,通?？杉僭O(shè)為70%, (45)式中 荷載所引起的地基中某一點(diǎn)的最大 主應(yīng)力增量,按彈性理論公式計(jì)算有效內(nèi)磨擦角的函數(shù)KK地基中某點(diǎn)的固結(jié)度 計(jì)算P1作用下達(dá)到所確定固結(jié)度 所需要的時(shí)間,根據(jù)假定的固結(jié)度 (46) (47) (48) (49)聯(lián)合求解出所需的時(shí)間. 根據(jù)第二步所得到的地基強(qiáng)度 計(jì)算第二級(jí)所能施加荷載.依次可計(jì)算出以后各級(jí)荷載和停歇時(shí)間.確定初步的加荷計(jì)劃.3、地基固結(jié)度 計(jì)算 根據(jù)改進(jìn)的太沙基法,對(duì)多級(jí)等速加荷,地基固結(jié)度 如下式: (410) 式中:多級(jí)等速

13、加荷,t時(shí)刻修正后的平均固結(jié)度 瞬間加荷條件的平均固結(jié)度 分別為每級(jí)等速加荷的起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)間 第n級(jí)荷載增量4、地基強(qiáng)度 增長(zhǎng)的預(yù)計(jì)地基中某一點(diǎn)在某一時(shí)間的抗剪強(qiáng)度 可表示為 (411)式中:地基中某點(diǎn)在加荷之前的天然抗剪強(qiáng)度 由于固結(jié)而增長(zhǎng)的抗剪強(qiáng)度 增量 由于剪切蠕動(dòng)而引起的抗剪強(qiáng)度 衰減量由于剪切蠕動(dòng)所引起強(qiáng)度 衰減部分,目前尚難提出合適的計(jì)算方法,故該式改為: (412)式中為一個(gè)綜合性的折減系數(shù),與地基土在附加剪應(yīng)力作用下可能產(chǎn)生的強(qiáng)度 衰減作用有關(guān),根據(jù)國(guó)內(nèi)有些地區(qū)實(shí)測(cè)反算的結(jié)果,值為0.80.85.對(duì)正常固結(jié)飽和粘土 (413)式中 k-有效內(nèi)摩擦角的函數(shù), 荷載所引起的地基中某

14、一點(diǎn)的最大 主應(yīng)力增量 Ut地基中某點(diǎn)的固結(jié)度 5、 穩(wěn)定分析圖4為軟粘土地基上路堤斷面的穩(wěn)定分析示意圖.滑動(dòng)力矩: = (414)式中 分別為土條在地基部分及填土部分的重量 土條底面與水平面交角 (415) 地基部分抗滑力矩: (416)式中 不排水剪求得的強(qiáng)度 指標(biāo) 固結(jié)不排水剪求得的內(nèi)磨擦角 平均固結(jié)度 壩體部分抗滑力矩: (417)式中壩體抗滑力矩折減速系數(shù),可采用0.60.8 強(qiáng)度 指標(biāo)折減系數(shù),可采用0.5 壩體土抗剪強(qiáng)度 指標(biāo)最終抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算式為:(418)以上抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算都不考慮砂井的因素,這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的砂井只考慮排水固結(jié)作用,而不考慮其加筋作用.其實(shí)由于砂井的

15、存在,地基的抗滑穩(wěn)定性將會(huì)提高,尤其是袋裝砂井和塑料排水板,砂袋和排水板的抗拉能力對(duì)地基的抗滑起一定的作用. (419)砂井的抗滑力矩: (420)式中 S砂袋或排水板產(chǎn)生的拉力 砂井與滑動(dòng)圓弧在砂井處切線的夾角 n滑動(dòng)圓弧穿過砂井?dāng)?shù)此時(shí)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為: (421)所增加安全系數(shù)為 (422)6、沉降計(jì)算若忽略次固結(jié)沉降,最終沉降KK為: (423)式中 瞬時(shí)沉降量固結(jié)沉降量壓縮固結(jié)沉降KK為: (424)式中 第i層中點(diǎn)之土自重應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的孔隙比 第i層中點(diǎn)之土自重應(yīng)力和附加應(yīng)力之和相對(duì)應(yīng)的孔隙比 第i層的厚度 壓縮土層總數(shù)瞬時(shí)沉降S為: (425)式中 均布荷載 荷載面積寬度 考慮荷載

16、面積形狀和沉降計(jì)算點(diǎn)位置的系數(shù) 土的彈性模量和泊松比最終的計(jì)算計(jì)算Sd時(shí),由于其中的彈性模量和泊松比不易準(zhǔn)確判定,影響計(jì)算的精確度 .根據(jù)國(guó)內(nèi)外建筑物實(shí)測(cè)沉降資料的分析結(jié)果,可將式(4-19)改寫為: (426)式中米為考慮地基剪切變形及其他影響因素的綜合性經(jīng)驗(yàn)系數(shù),通常取米=1.11.4在荷載作用下地基的沉降隨時(shí)間的發(fā)展可用下式計(jì)算 (427)式中 時(shí)間地基的沉降量 時(shí)間地基的平均固結(jié)度 對(duì)于一次瞬間加荷或一次等速加荷結(jié)束后任何時(shí)間的地基沉降量,可將上式改寫為: (428)對(duì)于多級(jí)等速加荷的情況 (429)式中 時(shí)間的累計(jì)荷載 總的累計(jì)荷載五、施工方法1、施工準(zhǔn)備施工時(shí),應(yīng)清除干凈砂井頂面的

17、淤泥和雜物,并對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行整平,以利砂井排水.2、 水平排水墊層施工排水砂墊層目前有四種施工方法(1)、當(dāng)?shù)鼗韺佑幸欢ê竦挠矚?其承載力較好,能承載通常的運(yùn)輸機(jī)械時(shí),一般采用機(jī)械分堆攤鋪法,即先堆成若干砂堆,然后用機(jī)械或人工攤平.(2)、當(dāng)硬殼層承載力不足時(shí),一般采用順序推進(jìn)攤鋪法.(3)、當(dāng)軟土地基表面很軟,如新沉積或新吹填不久的超軟地基,首先要改善地基表面的持力條件,使其能承載施工人員或輕型運(yùn)輸工具.(4)盡管對(duì)超軟地基礎(chǔ)表面采取了 加強(qiáng)措施,但持力條件仍然很差,一般對(duì)不能承載輕型機(jī)械情況下,通常要用人工或輕便機(jī)械順序推進(jìn)鋪設(shè).不論采用何種施工方法,都應(yīng)避免對(duì)軟土表層的過大 擾動(dòng),以免造

18、成砂和淤泥混合,影響墊層的排水效果.3、 豎向排水體施工袋裝砂井是普通砂井的改良和發(fā)展,基本上解決了 大 直徑砂井中所存在的問題,使砂井的設(shè)計(jì)和施工更加科學(xué)化,是一種比較理想的豎向排水體.(1)、施工機(jī)具現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外均有專用的施工設(shè)備,一般為導(dǎo)管式的震動(dòng)打設(shè)機(jī)械,各類機(jī)械性能如表2表2 打設(shè)機(jī)械性能打設(shè)機(jī)械型號(hào)行進(jìn)方式打設(shè)動(dòng)力接地壓力KN/米2打設(shè)深度 米打設(shè)效率米/臺(tái)班SSD20型寬履帶震動(dòng)錘10201500IJB16步 履震動(dòng)錘5010151000門架軌道震動(dòng)錘2310151000履帶吊機(jī)震動(dòng)錘100121000(2)、施工程序袋裝砂井的施工程序包括立位、整理樁尖、沉入導(dǎo)管、將砂袋放入導(dǎo)管、

19、往管內(nèi)灌水、拔管等.(3)、施工中注意的問題 定位要準(zhǔn)確,砂井垂直度 要好. 砂料含泥量要小 ,一般含泥量要求小 于3%. 袋中砂宜用風(fēng)干砂,并應(yīng)灌制密實(shí). 聚丙烯編織袋在施工時(shí)應(yīng)避免太陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間直接照射. 砂袋入口處的導(dǎo)管口應(yīng)裝設(shè)滾輪,避免砂袋被掛破漏砂. 施工中要經(jīng)常檢查樁尖與導(dǎo)管口的密封情況,避免導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)泥過多,影響加固深度 . 確定袋裝砂井施工長(zhǎng)度 時(shí),應(yīng)考慮袋內(nèi)砂體積減小 ,袋裝砂井在孔內(nèi)的彎曲、超深以及伸入水平排水墊層內(nèi)的長(zhǎng)度 等因素,避免砂井全部深入孔內(nèi),造成與水平排水墊層不連接.(4)、預(yù)壓荷載的施工利用建筑物本身重量對(duì)地基加壓是一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法.此法一般應(yīng)用于以地基的穩(wěn)定

20、性為控制條件,能適應(yīng)較大 變形的建筑物.對(duì)路堤、土壩等建筑物,由于填土高、荷載大 ,地基的強(qiáng)度 不能滿足快速填筑的要求,工程上都采用嚴(yán)格控制加荷速率、逐層填筑的方法來(lái)確保地基的穩(wěn)定性.六、砂井施工工藝提出改進(jìn)措施加設(shè)素土墊層砂井排水固結(jié)法加固厚度 較大 的軟土地基具有良好的效果,參照砂井排水固結(jié)的實(shí)例,在預(yù)壓結(jié)束后,地基固結(jié)度 一般達(dá)到90%以上,路基沉降量達(dá)到1米,有些甚至達(dá)到2米,由于沉降量大 ,水平排水墊層比地面低,而且沉降不均勻,路基中心沉降比路基邊緣小 ,使水平排水墊層成鍋底狀,增加排水的困難,為使水平排水墊層排水墊層排水順利,應(yīng)在鋪設(shè)水平排水墊層前,在原地面上填筑素土墊層,并呈雙向橫坡布置,方便水平排水墊層排水.用土工聚合物代替砂料 某些地區(qū)嚴(yán)重缺乏砂井排水固結(jié)法所需的中粗砂,運(yùn)輸困難,而且價(jià)格昂貴,大 量用砂顯然是不經(jīng)濟(jì)的.參考介紹土工聚合物的文章可發(fā)現(xiàn),許多具有一定厚度 的土工纖維具有良好的三維透水性能.