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文档简介
1、第第5节节 排水固结法排水固结法 Chapter 5 Consolidation 5.1 5.1 概概 述述 排水固结法(排水固结法(Consolidation)是处理软)是处理软黏土地基的有效方法之一。该法是对天然地基,黏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等竖向排水体,然后利或先在地基中设置砂井等竖向排水体,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
2、方法。时强度逐步提高的方法。 排水固结法适用于处理淤泥质土、淤泥、排水固结法适用于处理淤泥质土、淤泥、泥炭土和冲泥炭土和冲 填土等饱和粘性土地基。填土等饱和粘性土地基。排水固结法通常由排水固结法通常由排水系统排水系统和和加压系统加压系统两部分组成。两部分组成。 塑料排水板插板机塑料排水板插板机 塑料排水板地基处理塑料排水板地基处理底 层 砂 垫 层 铺 设塑 料 排 水 板 进 场插 塑 板 机 定 位安 装 插 销上 拔 桩 管 至 离 地 5 0 c m下 插 桩 管 至 标 高移 机 至 下 一 桩 位回 填 桩 孔切 割 排 水 板 ( 外 露 3 0 c m )插 塑 板 机 进 场
3、 试 插塑料排水板施工工艺流程塑料排水板施工工艺流程图图塑料排水板施工现场塑料排水板施工现场 真空预压地基处理真空预压地基处理 真空预压管网铺设真空预压管网铺设 真空管网铺设真空管网铺设 真空系统第一层土工布铺设真空系统第一层土工布铺设土工布铺设土工布铺设土工布缝接土工布缝接真空系统双层密封土工膜的铺设真空系统双层密封土工膜的铺设 真空系统土工膜的密封真空系统土工膜的密封 出膜连接与真空系统安装出膜连接与真空系统安装出膜连接出膜连接出膜管与真空泵连接出膜管与真空泵连接 试抽真空试抽真空 排水固结法可解决以下两个问题:排水固结法可解决以下两个问题: (1)沉降问题沉降问题。使地基的沉降在加。使地
4、基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成,使建筑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物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差。降差。 (2)稳定问题稳定问题。加速地基土的抗剪。加速地基土的抗剪强度的增长,从而提高地基的承载力和强度的增长,从而提高地基的承载力和稳定性。稳定性。 5.2 排水固结法的原理排水固结法的原理5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算 一级或多级等
5、速加载条件下,当固结时间一级或多级等速加载条件下,当固结时间为为t时,对应总荷载的地基平均固结度可按时,对应总荷载的地基平均固结度可按下式计算:下式计算:5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算 当排水竖井采用挤土方式施工时,应考虑当排水竖井采用挤土方式施工时,应考虑涂抹涂抹对土体固结的影响。当竖井的纵向通对土体固结的影响。当竖井的纵向通水量与天然土层水平向渗透系数的比值较水量与天然土层水平向渗透系数的比值较小,且长度又较长时,尚应考虑小,且长度又较长时,尚应考虑井组井组影响。影响。5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算 瞬时瞬时加载条件下,考虑加载条件下,考虑涂抹和井组涂抹和井组影响时,影
6、响时,竖井地基竖井地基径向径向排水平均固结度可按下式计排水平均固结度可按下式计算:算:5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算 反映井阻作用影响的参数 的表达式为:rF5.3 地基固结度的计算地基固结度的计算 一级或多级一级或多级等速加载条件下,考虑等速加载条件下,考虑涂抹和井阻涂抹和井阻影影响时竖井穿透受压土层地基的平均固结度可按下响时竖井穿透受压土层地基的平均固结度可按下式计算:式计算:NoImage222248,8HcFdcveh例题例题1 某建筑场地为淤泥质粘土层,固结系数某建筑场地为淤泥质粘土层,固结系数为为 ,受压土层厚度为,受压土层厚度为1
7、0m,袋装,袋装砂井直径砂井直径70mm,砂井采取等边三角形布置,间,砂井采取等边三角形布置,间距距L等于等于1.4m,深度为,深度为10m,砂井底部为透水层,砂井底部为透水层,砂井打穿受压土层,预压荷载为砂井打穿受压土层,预压荷载为100kPa,一次等,一次等速施加,加载速率为每天速施加,加载速率为每天10kPa,按,按建筑地基建筑地基处理设计规范处理设计规范计算:加荷开始后计算:加荷开始后50d受压土层受压土层平均固结度是多少?如使受压土层平均固结度达平均固结度是多少?如使受压土层平均固结度达到到90%,需要多少天?,需要多少天? scmccvh23105 . 2例题例题1 解:解:)1(
8、0369. 0)1(102706. 45004105 . 214. 31473 . 2105 . 28483 . 22141213)21ln(12121413)ln(181. 082107. 047. 147. 14 . 105. 105. 1723223222222222222dsHCdFCnnnnnFddnldvenhnwee例题例题1 解:解:845. 0)2.718-(2.718718. 20.03690.81-0)-(1010010)e-(e-)T-(T50d00.0369100.0369500369. 0-tt-1 - ii1 - iititepqU后的平均固结度:加荷的天数:使固
9、结度达到90%depqUttit8 .61t9 . 0)2.718-(2.718718. 20.03690.81-0)-(1010010)e-(e-)T-(T00.0369100.03690369. 0-tt-1 - ii1 - ii整理得: 堆载预压设计计算堆载预压设计计算1 12 2 对深厚软粘土地基,对深厚软粘土地基,应设置塑料排水带或砂井等排水竖井应设置塑料排水带或砂井等排水竖井。当软土层。当软土层厚度不大或软土层含较多薄粉砂夹层,且固结速率能满足工期要求时,厚度不大或软土层含较多薄粉砂夹层,且固结速率能满足工期要求时,可不设排水竖井可不设排水竖井。 预压荷载顶面的范围应预压荷载顶面的
10、范围应等于或大于等于或大于建筑物基础外缘所包围的范围。建筑物基础外缘所包围的范围。 加载速率应根据地基土的强度确定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。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。求时方可加载。堆载过快易失稳堆载过快易失稳5.4 砂井排水固结设计计算砂井排水固结设计计算Design Procedure of Sand D
11、rain 1925年,丹尼尔年,丹尼尔 . 莫兰将垂直砂井用于莫兰将垂直砂井用于费城奥克兰海湾大桥公路软土地基的加费城奥克兰海湾大桥公路软土地基的加固,固,1926年获得专利。年获得专利。 砂井法问世以后,因缺乏理论根据而按砂井法问世以后,因缺乏理论根据而按经验设计。经验设计。19401942年,巴隆(年,巴隆(Barron)根据太沙基的固结理论,提出砂井法的设计根据太沙基的固结理论,提出砂井法的设计计算方法。我国从计算方法。我国从20世纪世纪50年代起,开始应年代起,开始应用砂井法。用砂井法。 砂井法主要砂井法主要适用于适用于没有较大集中荷载没有较大集中荷载的大面积荷重或堆土荷重工程,例如水
12、库的大面积荷重或堆土荷重工程,例如水库土坝、油罐、仓库、铁路路堤、贮矿场以土坝、油罐、仓库、铁路路堤、贮矿场以及港口的水工建筑物等工程。及港口的水工建筑物等工程。 一、砂井设计一、砂井设计 砂井设计包括砂井设计包括砂井直径、间距、深度、砂井直径、间距、深度、排列方式、范围、砂料选择和砂垫层厚度排列方式、范围、砂料选择和砂垫层厚度等。等。 (1)砂井直径和间距)砂井直径和间距 砂井直径一般为砂井直径一般为300400mm;袋装砂井;袋装砂井直径为直径为70120mm。 塑料排水板的换算直径为:塑料排水板的换算直径为: 式中:式中: b塑料板宽度;塑料板宽度;塑料板厚度;塑料板厚度;换算系数,当换
13、算系数,当b=100mm,=34mm时取时取=0.75,求得,求得Dp=50mm;若不考虑排水井内部;若不考虑排水井内部的水头损失,的水头损失,=1,Dp=66mm。 根据固结理论,砂井直径越大,间距越密,固结速率越快。如果比较砂井的直径和间距对固结度的影响,又可看出,在同一井径的条件下,砂井间距缩小一半,固结时间约缩短三倍,而在同一间距条件下,井径增大一倍,固结时间只减小约三分之一。因此,缩短间距比增大井径对加速固结的效果更好。所以,采用“细而密细而密”的方案是合理的。 按施工条件,砂井的间距一般不小于按施工条件,砂井的间距一般不小于1.5m。为了保证排水畅通,在砂井预压地表铺一为了保证排水
14、畅通,在砂井预压地表铺一层砂,厚一般为层砂,厚一般为0.51.0m,水下为,水下为12m。 (2)砂井深度)砂井深度 主要根据土层的分布、地基中附加应力大主要根据土层的分布、地基中附加应力大小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。一般为一般为1025m。 (3)砂井排列)砂井排列 砂井在平面上可布置成正三角形(梅花砂井在平面上可布置成正三角形(梅花形),以正三角形排列较为紧凑和有效。在实形),以正三角形排列较为紧凑和有效。在实际进行固结计算时,由于多边形作为边界条件际进行固结计算时,由于多边形作为边界条件求解很困难,巴隆建议每个砂井的影响范围由求解很
15、困难,巴隆建议每个砂井的影响范围由多边形改为由面积与多边形面积相等的圆来求多边形改为由面积与多边形面积相等的圆来求解。解。 正方形排列时正方形排列时 de1.13l 正三角形排列时正三角形排列时 de1.05l de为砂井的有效直径,为砂井的有效直径,l为砂井间距。为砂井间距。 (4)砂井布置范围)砂井布置范围 砂井的布置范围一般可由基础的轮廓线向外增砂井的布置范围一般可由基础的轮廓线向外增大约大约24m。 (5)砂料)砂料 宜选用中粗砂,其含泥量不能超过宜选用中粗砂,其含泥量不能超过3。 (6)砂垫层)砂垫层 砂井顶部铺设砂垫层,可使砂井排水有良好的砂井顶部铺设砂垫层,可使砂井排水有良好的通
16、道,将水排到工程场地以外。通道,将水排到工程场地以外。 二、沉降计算二、沉降计算 地基土的总沉降一般包地基土的总沉降一般包括括瞬时沉降、固结瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降沉降和次固结沉降三部分。三部分。 瞬时沉降瞬时沉降是在荷载作用下由于土的畸变所引起,是在荷载作用下由于土的畸变所引起,并在荷载作用下立即发生的并在荷载作用下立即发生的 固结沉降固结沉降是由于孔隙水的排出而引起土体积减是由于孔隙水的排出而引起土体积减小所造成的,占总沉降的主要部分。小所造成的,占总沉降的主要部分。 次固结沉降次固结沉降则是由于超静水压力消散后,在恒则是由于超静水压力消散后,在恒值有效应力作用下土骨架的徐变所致。值
17、有效应力作用下土骨架的徐变所致。对于一对于一般粘性土,数值不大,但如果是塑性指数较大般粘性土,数值不大,但如果是塑性指数较大时,正常固结的软粘土,尤其是有机土,次固时,正常固结的软粘土,尤其是有机土,次固结沉降就不能忽略。结沉降就不能忽略。沉降计算沉降计算沉降计算沉降计算沉降计算沉降计算沉降计算例题例题2 某场地资料如下:某场地资料如下:以下为基岩。流塑状粘土,淤泥质粘土memkNmemkNm1098. 0,5 .19:105;12. 1,19,:500303土土层层号号压力p/kPa025507510012515017520025011.121.081.041.000.970.950.930
18、.910.890.8720.980.950.930.910.890.870.850.840.830.82室内压缩试验资料如下表所示:室内压缩试验资料如下表所示:按地基规范计算,当大面积预压荷载为按地基规范计算,当大面积预压荷载为100kPa,经验系数取,经验系数取1.3,固结度达,固结度达80%时地基的竖向变形量。时地基的竖向变形量。例题例题2 解解:(1)自重应力下土层中点的孔隙比)自重应力下土层中点的孔隙比ie0855. 0125-15087. 0-85. 0125-75.14387. 0-044. 125-5008. 1-04. 125-5 .4708. 1-75.14355 .1921
19、519215 .4751921210202010102211211121eeeeekPahhkPahi孔隙比自重应力下土层中点的,土层中点的自重应力例题例题2 (2)自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比)自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比ie1218 . 0200-50238 . 0-28 . 0200-75.43238 . 0-932. 0251-50195. 0-93. 0251-5 .47195. 0-75.24310075.1431005 .1471005 .47100212111111221121eeeeekPakPai土层中点的孔隙比自重应力与附加应力下,附加应力之和土层中点的自
20、重应力与例题例题2 38cm47.50.80sU:80%5cm.47475. 05855. 01821. 0855. 03 . 15044. 11932. 0044. 13 . 113 . 11-3 . 11-)3(ft20212021011101010smheeeheeeheeessiiiiff时的竖向沉降量固结度达到:最终沉降量例题例题3 有一饱和软粘土,厚度为有一饱和软粘土,厚度为6m,压缩模量为,压缩模量为1.5MPa,地下水位与饱和软粘土层顶面相,地下水位与饱和软粘土层顶面相齐。现准备分层铺设齐。现准备分层铺设80cm砂垫层(重度为砂垫层(重度为18),打设塑料排水板至饱和软粘土层底
21、面。),打设塑料排水板至饱和软粘土层底面。然后采用然后采用80kPa大面积真空预压大面积真空预压3个月,固个月,固结度达到结度达到85%。请问此时的残留沉降是多少?。请问此时的残留沉降是多少?(沉降修正系数取(沉降修正系数取1.0,附加应力不随深度,附加应力不随深度变化)变化)例题例题3 解:5.67cm37.80.85)-(1)sU-(1:85%8 .37600105 . 180188 . 01-1-ft3010010scmhEpheeeheeessiiiif时的残留沉降量固结度达到最终沉降量:5.5 施工方法施工方法Construction Methods 要保证排水固结法的加固效果,从施工要保证排水固结法的加固效果,从施工角度考虑,主要应重视以下三个环节:角度考虑,主要应重视以下三个环节:铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加固结压力固结压力。 砂井成孔的典型方法有套管法、射水法、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。螺旋钻成孔法和爆破法。 灌入砂袋中的砂宜用干砂,并应灌致密灌入砂袋中的砂宜用干砂,并应灌致密实。实。 袋装砂井成孔的方法有锤击打入法、水袋装砂井成孔的方法有锤击打入法、水冲法、静力压入法、钻孔法和振动贯入冲法、静力压入法、钻孔法和振动贯入法五种。法五种。 塑料排水袋和袋装砂井砂袋埋入砂垫层塑料排水袋
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