第三章 排水固结

第三章排水固结概述排水固结法是对天然地基，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，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，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。该法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，使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，从而提高地基的承载力和稳定性。实际上，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。排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。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。【例题3-1】排水固结法由哪几个部分组成?（A）加压系统 （B）砂桩 （C）排水系统 （D）填土 （E）量测系统【正确答案】AC【解】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。排水系统主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离。加压系统，是指对地基施行预压的荷载，它使地基土的固结压力增加而产生固结。【例题3-2】在排水系统中，属于水平排水体的有：（A）普通砂井 （B）袋装砂井 （C）塑料排水带 （D）砂垫层【正确答案】D【解】在排水系统中竖向排水体有普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。水平排水带中有砂垫层。例题3-3】竖向排水体在工程中的应用有：(A)普通砂井 (B)砂垫层 (C)袋装砂井 (D)塑料排水带【正确答案】ACD【解】在排水系统中竖向排水体有普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。水平排水带中有砂垫层。【例题3-4】排水固结法加固地基的作用有：(A)提高承载力(B)减少沉降(C)提高稳定性(D)复合地基(E)加筋【正确答案】ABC【解】排水固结法是对天然地基，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，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，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。该法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，使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，从而提高地基的承载力和稳定性。【例题3-5】排水固结法适用于处理下列哪些地基土?(A)淤泥(B)淤泥质土(C)泥炭土(D)冲填土(E)有机质土(F)砂性土【正确答案】ABD【解】排水固结法适用于处理淤泥、淤泥质土和冲填土等饱和粘性土地基。对于在持续荷载作用下体积会发生很大压缩，强度会明显增长的土，这种方法特别适用。对超固结土，只有当土层的有效上覆压力与预压荷载所产生的应力水平明显大于土的先期固结压力时，土层才会发生明显的压缩。竖井排水预压法对处理泥炭土、有机质土和其他次固结变形占很大比例的土效果较差，只有当主固结变形和次固结变形相比所占比例较大时才有明显效果。【例题3-6】预压法加固下列哪些地基时可不设置竖向排水体?(A)软土层厚度小于4m (B)软土层厚度超过4m (C)软土层含较多薄粉砂夹层(D)真空预压工程【正确答案】AC【解】预压法处理地基分为堆载预压和真空预压两类，降水预压和电渗排水预压在工程上应用甚少。堆载预压分塑料排水带或砂井地基堆载预压和天然地基堆载预压。通常，当软土层厚度小于4m时，可采用天然地基堆载预压法处理，软土层厚度超过4m时，为加速预压过程，应采用塑料排水带、砂井等竖井排水预压法处理地基。对真空预压工程，必须在地基内设置排水竖井。当软土层含较多薄粉砂夹层时，在满足工期要求情况下，可不设置排水竖井。加固机理堆载预压加固机理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）消散和有效应力增加的过程。如地基内某点的总应力增量为Ac，有效应力增量为2，孔隙水压力增量为Au，则三者满足以下关系：Ac'=Ac-Au用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力Ac并使孔隙水压力Au消散而增加有效应力Ac'的方法。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。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10〜20m，要达到较大固结度U>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。真空预压加固机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。当抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体固结。真空预压的原理主要反映在以下几个方面：薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载。地下水位降低，相应增加附加应力。封闭气泡排出，土的渗透性加大。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。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。真空预压和降水预压是在负超静水压力下排水固结，称为负压固结。【例题3-7】排水固结法中哪些方法适用于处理很软弱的饱和粘性土地基?(A)降低地下水位法 (B)真空预压法 (C)电渗法(D)堆载预压法 (E)超载预压法【正确答案】ABC【解】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饱和粘性土地基。【例题3-8】用于连续薄砂层的排水固结法有哪些；可克服次固结的有哪些?(A)砂井法 (B)堆载法 (C)真空预压 (D)超载法【正确答案】(AB)(D)【解】排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。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。【例题3-9】真空预压的原理主要有哪些方面?(A)薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载(B)地下水位降低，相应增加附加应力(C)封闭气泡排出，土的渗透性加大 (D)超孔隙水压力的消散【正确答案】ABC【解】真空预压的原理主要反映在以下几个方面：薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载。地下水位降低，相应增加附加应力。封闭气泡排出，土的渗透性加大。真空预压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。真空预压和降水预压是在负超静水压力下排水固结，称为负压固结。【例题3-10】理论上,真空预压法可产生的最大荷载为：(A)50kPa(B)75kPa(C)80kPa(D)100kPa(E)120kPa【正确答案】D【解】理论上，当地基达到完全真空时，可产生1个大气压即100kPa的预压荷载。【例题3-11】工程实际中,真空预压法可产生的最大荷载约为：(A)50kPa(B)70kPa(C)85kPa(D)100kPa (E)120kPa【正确答案】C【解】理论上，当地基达到完全真空时，可产生1个大气压即100kPa的预压荷载。但在实际工程中，根据目前的技术能力，使地基达到完全真空是不可能的，一般能达到85〜90kPa。【例题3-12】下列哪一种或几种预压法不需控制加荷速率?(A)砂井堆载预压 (B)堆载 (C)砂井真空预压(D)降水预压 (E)超载预压【正确答案】CD【解】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。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。真空预压和降水预压是在负超静水压力下排水固结，故也称为负压固结。其余的堆载预压方法总应力增加，为了防止地基土剪切破坏，因此要控制加荷速率。【例题3-13】下列哪一种或几种预压法为正压固结?哪一种或几种预压法为负压固结?(A)砂井堆载预压 (B)堆载预压 (C)砂井真空预压 (D)降水预压 (E)超载预压【正确答案】(ABE)(CD)【解】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。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。真空预压和降水预压是在负超静水压力下排水固结，故也称为负压固结。其余的堆载预压方法总应力增加，为了防止地基土剪切破坏，因此要控制加荷速率。3.3设计与计算排水固结法的设计，实质上就是进行排水系统和加压系统的设计，使地基在受压过程中排水固结、强度相应增加以满足逐渐加荷条件下地基稳定性的要求，并加速地基的固结沉降，缩短预压的时间。计算理论(1)瞬时加荷条件下固结度计算不同条件下平均固结度计算公式见表3-1表3-1不同条件下平均固结度计算公式序号平均固结度计算公式序号竖向排水固结(U>30%)zU=1-旦e-耕z 兀2Tezaghi解内径向排水固结8htU=1-eF(n)dr8ChF(n)d2eBarron解竖向和内径向排水固结(砂井地基平均固结度)LCh8 -( h+v)tU=1一•e F(n)d?4H2rz 兀2=1-(1-Ur)(1-Uz)兀2C+v4H2n2—F(n)= ln(n)-n2-1dn= edw3n2-14n2砂井未贯穿受压土U=Q兀+(1-Q)Uz层的平均固结度1-^eF(n)d2兀28ChF(n)d2e普遍表达式U=1-a•e表中：cv竖向固结系数，c=va•ywc——径向固结系数(或称水平向固结系数),hch=d——每一个砂井有效影响范围的直径；ekh(1+e)a•yw砂井直径。(2)逐渐加荷条件下地基固结度的计算以上计算固结度的理论公式都是假设荷载是一次瞬间加足的。实际工程中，荷载总是分级逐渐施加的。因此，根据上述理论方法求得固结时间关系或沉降时间关系都必须加以修正。修正的方法有改进的太沙基法和改进的高木俊介法。改进的太沙基法对于分级加荷的情况，太沙基的修正方法是假定：每一级荷载增量pi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；

总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加;每一级荷载增量p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。在加荷停止以后，在恒载作用期间的固结度，即时间t大于T(此处T为p的加载期)iii时的固结度和在Tl时瞬时加荷p后经过时间ft-的固结度相同；2 i ( 2丿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。对多级等速加荷，修正通式为：EApEAp式中 U‘——多级等速加荷，t时刻修正后的平均固结度；tU——瞬时加荷条件的平均固结度；rzTi-1、Ti——分别为每级等速加荷的起点和终点时间(从时间0点起算)。当计算某一级加i-1i荷期间t的固结度时，则T.改为t;Ap.——第i级荷载增量，如计算加荷过程中某一时刻t的固结度时，则用该时刻相对应的荷载增量。改进的高木俊介法该法是根据巴伦理论，考虑变速加荷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：IMP(3-2)IMP(3-2)式中式中U‘——t时多级荷载等速加荷修正后的平均固结度(%)；tEAp——各级荷载的累计值；q.——第n级荷载的平均加速度率(kPa/d)；IT..、T.——分别为各级等速加荷的起点和终点时间(从零点起算)，当计算某一级等速1加荷过程中时间t的固结度时，则T.改为t；Ia、B 见表3-1。影响砂井固结度的几个因素关于初始孔隙水压力。关于涂抹作用。

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q。与天然土层水平向渗透系数k的比值较小，且长度又较长时，尚应考虑井阻影响。瞬时wh加载条件下，考虑涂抹和井阻影响时，竖井地基径向排水平均固结度可按下式计算(3-3a)(3-3b)— -叫(3-3a)(3-3b)U=1—eFd2rF=F+F+Fnsr式中UrFn=ln(n)式中UrFn=ln(n)—4F=sFrn215(3-3c)—h一1lnsks兀2l2_kh4qw(3-3d)(3-3e)固结时间t时竖井地基径向排水平均固结度；kh——天然土层水平向渗透系数(cm/s)；涂抹区土的水平向渗透系数，可取k涂抹区土的水平向渗透系数，可取kscm/s)；s——涂抹区直径d与竖井直径d的比值，可取s=2.0〜3.0,对中等灵敏粘性土取sw低值，对高灵敏粘性土取高值；L――竖井深度(cm)；q――竖井纵向通水量，为单位水力梯度下单位时间的排水量(cm3/s)；w一级或多级等速加荷条件下，考虑涂抹和井阻影响时竖井穿透受压土层地基之平均固结度82可按式(3-2)计算，其中«= ,X-8乩+』。兀2 Fnd4H2关于砂料的阻力。地基土抗剪强度增长的预估在预压荷载作用下，随着排水固结的进程，地基土的抗剪强度就随着时间而增长；另一方面，剪应力随着荷载的增加而加大，而且剪应力在某种条件(剪切蠕动)下，还能导致强度的衰减。因此，地基中某一点在某一时刻的抗剪强度e可表示为：fe=e+At—At (3-4)ff0fc fe式中e0——地基中某点在加荷之前的天然地基抗剪强度。用十字板或无侧限抗压强度试验、三轴不排水剪切试验测定；

A^.——由于固结而增长的抗剪强度增量；fcA仟——由于剪切蠕动而引起的抗剪强度衰减量。f考虑到由于剪切蠕动所引起强度衰减部分At.目前尚难提出合适的计算方法，故该式f为：为：(3-5)式中n是考虑剪切蠕变及其它因素对强度影响的一个综合性的折减系数。耳值与地基土在附加剪应力作用下可能产生的强度衰减作用有关，根据国内有些地区实测反算的结果，n值为0.8〜0.85。如判断地基土没有强度衰减可能时，则n=1.0。AtAtfc=k-Ao1_-Au=k-Ao-U1IAo1丿 1t(3-6)堆载预压法设计堆载预压法设计包括加压系统和排水系统的设计。加压系统主要指堆载预压计划以及堆载材料的选用；排水系统包括竖向排水体的材料选用、排水体长度、断面、平面布置的确定。(1)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，具体计算步骤如下：利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p。对长条梯形填土，可根据Fellennius公式估算：p=5.52c/K (3-7)1u式中K——安全系数，建议采用1.1〜1.5;c――天然地基土的不排水抗剪强度(kPa),由无侧限、三轴不排水试验或原位十字u板剪切试验测定；计算第一级荷载下地基强度增长值。在p荷载作用下，经过一段时间预压地基强度会提高，提高以后的地基强度为c，u1c=耳(c+Ac') (3-8)u1 uu式中Ac，为p作用下地基因固结而增长的强度。它与土层的固结度有关，一般可先假定一u1固结度，通常可假定为70%,然后求出强度增量Ac'。耳为考虑剪切蠕动的强度折减系数。u计算pi作用下达到所确定固结度与所需要的时间。根据第二步所得到的地基强度c计算第二级所施加的荷载p。u1 2p=552cui (3-9)2K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。如稳定性不满足要求，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。(2)排水系统设计竖向排水体材料选择竖向排水体可采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。若需要设置竖向排水体长度超过20m，建议采用普通砂井。竖向排水体深度设计竖向排水体深度主要根据土层的分布、地基中附加应力大小、施工期限和施工条件以及地基稳定性等因素确定。当软土层不厚、底部有透水层时，排水体应尽可能穿透软土层；当深厚的高压缩性土层间有砂层或砂透镜体时，排水体应尽可能打至砂层或砂透镜体。而采用真空预压时应尽量避免排水体与砂层相连接，以免影响真空效果；对于无砂层的深厚地基则可根据其稳定性及建筑物在地基中造成的附加应力与自重应力之比值确定(一般为0.1〜0.2)；按稳定性控制的工程，如路堤、土坝、岸坡、堆料等，排水体深度应通过稳定分析确定，排水体长度应大于最危险滑动面的深度。按沉降控制的工程，排水体长度可从压载后的沉降量满足上部建筑物容许的沉降量来确定。竖向排水体长度一般为10〜25m。竖向排水体平面布置设计普通砂井直径一般为200mm〜500mm，井径比为6〜8。袋装砂井直径一般为70mm〜100mm，井径比为15〜30。塑料排水带常用当量直径表示，塑料排水带宽度为b，厚度为5，则换算直径可按下式计算:DP=a算:DP=a2(b+5)兀(3-10)式中a为换算系数,一般a=0.75〜1.0。塑料排水带尺寸一般为100mmX4mm，井径比为式中a为换算系数,30。竖向排水体直径和间距主要取决于土的固结性质和施工期限的要求。排水体截面大小只要能及时排水固结就行，由于软土的渗透性比砂性土为小，所以排水体的理论直径可很小。但直径过小，施工困难，直径过大对增加固结速率并不显著。从原则上讲，为达到同样的固结度，缩短排水体间距比增加排水体直径效果要好，即井距和井间距关系是“细而密”比“粗而稀”为佳。竖向排水体在平面上可布置成正三角形（梅花形）或正方形，以正三角形排列较为紧凑和有效。正方形排列的每个砂井，其影响范围为一个正方形，正三角形排列的每个砂井，其影响范围则为一个正六边形。在实际进行固结计算时，由于多边形作为边界条件求解很困难，为简化起见，巴伦建议每个砂井的影响范围由多边信改为由面积与多边形面积相等的圆来求解。正方形排列时：d=、：--1=1.131e臥正三角形排列时：dr；兰3-1=1051e\兀式中d——每一个砂井有效影响范围的直径；e1——砂井间距。竖向排水体的布置范围一般比建筑物基础范围稍大为好。扩大的范围可由基础的轮廓线向外增大大约2〜4m。4） 砂料设计制作砂井的砂宜用中粗砂，砂的粒径必须能保证砂井具有良好的透水性。砂井粒度要不被粘土颗粒堵塞。砂应是洁净的，不应有草根等杂物，其含泥量不能超过3%。5） 地表排水砂垫层设计为了使砂井排水有良好的通道，砂井顶部应铺设砂垫层，以连通各砂井将水排到工程场地以外。砂垫层采用中粗砂，含泥量应小于3%。砂垫层应形成一个连续的、有一定厚度的排水层，以免地基沉降时被切断而使排水通道堵塞。陆上施工时，砂垫层厚度一般取0.5m左右；水下施工时，一般为1m左右。砂垫层的宽度应大于堆载宽度或建筑物的底宽，并伸出砂井区外边线2倍砂井直径。在砂料贫乏地区，可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。现场监测设计堆载预压法现场监测项目一般包括地面沉降观测、水平位移观测和孔隙水压力观测，如有条件可径向地基中深层沉降和水平位移观测。根据工程经验，提出如下控制要求：对竖井地基，最大竖向变形量每天不应超过15mm,对天然地基，最大竖向变形量每天不应超过10mm；边桩水平位移每天不应超过5mm；地基中孔压不得超过预压荷载的50〜60%，并且应根据上述观察资料综合分析、判断地基的稳定性。预压荷载的卸荷时间一般控制在固结度为85%左右。【例题3-14】排水固结法的设计原则为：(A)加固期限尽量短(B)固结沉降要快 (C)充分增加强度 (D)注意安全【正确答案】ABCD【解】排水固结法的设计，实质上就是进行排水系统和加压系统的设计，使地基在受压过程中排水固结、强度相应增加以满足逐渐加荷条件下地基稳定性的要求，并加速地基的固结沉降，缩短预压的时间确定竖向排水体的直径、间距、深度和排列方式；确定预压荷载的大小和预压时间，要求做到：1、加固期限尽量短；2、固结沉降要快；3、充分增加强度；4、注意安全。【例题3-15】砂井地基固结度包含以下哪几个部分?(A)竖向排水固结 (B)向内径向排水固结 (C)瞬时加荷条件下的固结 (D)逐渐加荷条件下的固结(E)向外径向排水固结【正确答案】AB【解】砂井地基的固结度由两部分组成，一部分为竖向排水固结度，另一部分为向内径向排水固结度。【例题3-16】塑料排水带的宽度为100mm，厚度为5mm，则其当量换算直径(换算系数取1.0)为：(A)25.2mm (B)66.8mm (C)33.4mm (D)50.4mm【正确答案】B【解】塑料排水带常用当量直径表示，设计时，将塑料排水板换算成相当直径的砂井，是根据两种排水体与土的接触面积相等的原理进行的。塑料排水带宽度为b，厚度为，则换算直径可按下式计算:=1.0=1.0x2120+52冗=66.8mm【例题3-17】排水竖井的直径为200mm，采用间距为1.5m的等边三角形布置，则竖井的有效排水直径最接近下列哪个值?(A)1.5m (B)1.6m (C)1.7m (D)1.8m【正确答案】B【解】正方形排列的每个砂井，其影响范围为一个正方形，正三角形排列的每个砂井，其影响范围则为一个正六边形。在实际进行固结计算时，由于多边形作为边界条件求解很困难，为简化起见，巴伦建议每个砂井的影响范围由多边信改为由面积与多边形面积相等的圆来求解。正方形排列时：d--1=1.131e丫兀正三角形排列时：d=,2--1=1051eV兀式中d——每一个砂井有效影响范围的直径；e1——砂井间距。\2j3因此，de= -1=1.051=1.05x1.5=1.575me 兀【例题3-18】塑料排水带的宽度为100mm，厚度为5mm，采用间距为2.0m的正方形布置，则其有效排水直径最接近下列哪个值?(A)2.0m (B)2.1m (C)2.15 (D)2.25m (E)2.3m (F)2.35【正确答案】D【解】正方形排列的每个砂井，其影响范围为一个正方形，正三角形排列的每个砂井，其影响范围则为一个正六边形。在实际进行固结计算时，由于多边形作为边界条件求解很困难，为简化起见，巴伦建议每个砂井的影响范围由多边信改为由面积与多边形面积相等的圆来求解。正方形排列时：d=〕--1=1.131e、兀I_l正三角形排列时：d= -1=1051e\冗式中d——每一个砂井有效影响范围的直径；e1——砂井间距。-1=-1=1.131=1.13x2=因此，de2.26m【例题3-19】有一饱和软粘土层，厚度H=8m,压缩模量Es=1.8MPa，地下水位与饱和软粘土层顶面相齐。先准备分层铺设1m砂垫层(重度为18kN/m3)，施工塑料排水板至饱和软粘土层底面。然后采用80kPa大面积真空预压3个月，固结度达到80%。(沉降修正系数取1.0,附加应力不随深度变化)1、 地基最终固结沉降接近下列哪一个值?(A)36cm (B)44cm (C)50cm (D)55cm【正确答案】B2、 软粘土层的残余沉降接近下列哪一个值?(A)7cm(B)9cm(C)10cm (D)11cm【正确答案】B【解】排水固结沉降计算固结度Ut的定义：在时间t内固结下沉量st与最终固结下沉量s之比。根据地基基础设计规范沉降计算公式：附加压力值p0为：p0=80kPa(真空预压)+rxh(砂垫层)=98kPa附加应力不随深度变化，则附加应力系数«=1压缩层深度H=8m,压缩模量为1.8MPa沉降修正系数屮s=1.0如果不考虑次固结，最终固结下沉量s=98x8/1800=43.56cm软粘土层的残留沉降量为：43.56cmx(1-0.8)=&71cm【例题3-20】地基土为淤泥质粘土层，固结系数Cv=1.1x10-3cm2/s,Ch=8.5x10-4cm2/s，渗透系数kv=2.2x10-7cm/s,kh=1.7x10-7cm/s，受压土层厚度28m，采用塑料排水板(宽度b=100mm,厚度5=4.5mm)竖井，排水板为等边三角形布置，间距1.1m,竖井底部为不透水粘土层，竖井穿过受压土层。采用真空结合堆载预压方案处理。真空预压的荷载相当于80kPa,堆载预压总加载量为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，之后预压时间30d。第二级堆载60kPa,10d内匀速加载，之后预压时间60d。1、 该地基的总加载量接近下列哪一个值?(A)80kPa(B)120kPa (C)160kPa (D)200kPa (E)260kPa【正确答案】D2、 该地基的总预压时间为?(A)90d (B)110d (C)150d (D)170d (E)200d【正确答案】D3、 塑料排水板的当量直径接近下列哪一个值?(A)33mm (B)66mm (C)24mm (D)48mm【正确答案】B4、塑料排水板的有效排水直径最接近下列哪个值?(A)1.10m (B)1.15m (C)1.20 (D)1.25m【正确答案】B5、井径比最接近下列哪个值?(A)16.5 (B)18.0 (C)17.5 (D)18.8【正确答案】C6、 在不考虑排水板的井阻和涂抹影响下Fn最接近下列哪个值？(A)1.9 (B)2.0 (C)2.1 (D)2.2【正确答案】C7、 参数a最接近下列哪个值？(A)0.7(B)0.8 (C)0.85 (D)0.9 (E)0.95【正确答案】B8、 在不考虑排水板的井阻和涂抹影响下0最接近下列哪个值？(A)0.0185(1/d) (B)0.0195(1/d) (C)0.0205(1/d) (D)0.0215(1/d)【正确答案】C9、 在不考虑排水板的井阻和涂抹影响下真空预压所产生的总固结度最接近下列哪个值?(A)0.30 (B)0.35 (C)0.40 (D)0.45【正确答案】C10、 在不考虑排水板的井阻和涂抹影响下第一级堆载所产生的总固结度最接近下列哪个值?(A)0.23 (B)0.25 (C)0.27 (D)0.29【正确答案】C11、在不考虑排水板的井阻和涂抹影响下第二级堆载所产生的总固结度最接近下列哪个值?(A)0.20(B)0.22(C)0.24(D)0.26【正确答案】C12、在不考虑排水板的井阻和涂抹影响下受压土层的平均固结度最接近下列哪个值?(A)0.87 (B)0.90 (C)0.93 (D)0.95【正确答案】B【解】固结度计算地基的总加载量为200kPa(80kPa(真空预压)+120kPa(堆载))，总预压时间为170d(60d(真空预压时间)+10d(第一级加载时间)+30d(第一级加载预压时间)+10d(第二级加载时间)+60d(第二级加载预压时间))地基平均固结度按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)式(5.2.7)计算。其中：=n~qj—(Ti-T.,)—半e-加(e巧―e巧―)t："piz-1Bq—第z级荷载的加载速率(kPa/d)，本题中：.q真空预压加载速率，可一次连续抽真空至最大压力，q=80kPa/d；q、q均为10天内加载60kPa，q=G=6kPa/d。2 3 2 3SAp—各级荷载的累加值200kPa。T.—1，T.,t—第z级荷载加载的起始和终止时间和总固结时间(d)；真空加载：T0=0,T=1第一次堆载：T2=60,T3=70第二次堆载：T4=100,T5=110总固结时间：t=170塑料排水板的当量直径为：d=2x(b+5)/n=2x(100+4.5)/n=66.5mmp有效排水直径：d=1.05X1100=1155mme井径比：n=d/d=1155/66.5=17.4，满足规范要求n=15〜22epa、B—参数，按《建筑地基处理技术规范》(JGJ99—2002)表5.2.7采用，本题中：Fnn2n2ln(n)Fnn2n2ln(n)一3n2一14n2=2.117a=8/冗2=0.811° 8C 兀2C8x8.5x10一4 兀2x1.1x10一3卩=亠+亠=+Fd2 4H2 2.117x115.52 4x28002ne=2.41x10―7+3.46x10—10=2.411x10-7(1/s)=0.020(8/d)U=竺[(1—0)_0.811e—0.0208x170(e0.0208x1—e0)]t2000.0208+-^[(70—60)—0.811e—0.0208x170(e0.0208x70—e0.0208x60)]2000.0208+6[(110—100)—0.811e—0.0208x170(e0.0208x110—e0.0208x100)]2000.0208=0.3905+0.2726+0.2369=0.900【例题3-21】地基土为淤泥质粘土层，固结系数C=Ch=1.8x10-3cm2/s,受压土层厚度vh20m,袋装砂井直径d=70mm,为等边三角形布置，间距1.4m,深度为20m,砂井底部为不w透水层，砂井打穿受压土层。预压荷载总压力为100kPa，分两级等速加载。其加载过程为：第一级堆载60kPa,10d内匀速加载,之后预压时间20d。第二级堆载40kPa,10d内匀速加载,之后预压时间80d。1、 该地基的总预压时间为：(A)80d(B)90d(C)100d(D)110d(E)120d【正确答案】E2、 袋装砂井的有效排水直径最接近下列哪个值?(A)1.40m (B)1.45m (C)1.47 (D)1.50m (E)1.58【正确答案】C3、 井径比最接近下列哪个值?(A)15 (B)17 (C)20 (D)21 (E)22 (F)23【正确答案】D4、 在不考虑袋装砂井的井阻和涂抹影响下Fn最接近下列哪个值?n(A)1.9 (B)2.1 (C)2.3 (D)2.5【正确答案】C5、 参数a最接近下列哪个值？(A)0.7 (B)0.8 (C)0.85 (D)0.9 (E)0.95【正确答案】B6、 在不考虑袋装砂井的井阻和涂抹影响下0最接近下列哪个值？(A)0.019(1/d)(B)0.021(1/d)(C)0.023(1/d)(D)0.025(1/d)(E)0.027(1/d)【正确答案】D7、 在不考虑袋装砂井的井阻和涂抹影响下受压土层的平均固结度最接近下列哪个值?(A)0.87 (B)0.90 (C)0.93 (D)0.95【正确答案】C【解】固结度计算总预压时间为120d(10d(第一级加载时间)+20d(第一级加载预压时间)+10d(第二级加载时间)+80d(第二级加载预压时间))地基平均固结度按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)式(5.2.7)计算。U (卩-卩1)e(e0T.-e曙)t盒"pi z-10q—第i级荷载的加载速率(kPa/d)，本题中：.为第一级荷载加载速率，幺=60/10=6kPa/d；q为第二级荷载加载速率，q=40/10=4kPa/d。22SAp—各级荷载的累加值120kPa。T.-1?T.,t—第i级荷载加载的起始和终止时间和总固结时间(d)；第一次堆载：T0=0,T=10第二次堆载：T2=30,T3=40总固结时间：t=120有效排水直径：d=1.05X1400=1470mme井径比：n=de/dw=1470/70=21a、0—参数，按《建筑地基处理技术规范》(JGJ99—2002)表5.2.7采用，本题中：n2]/、3n2-1 212ln(n)-n2]/、3n2-1 212ln(n)-n2-1Fn=4n2 212-1 4x212a=8/冗2=0.811+Fd2 4H2ne8x1.8x10-3 兀2x+Fd2 4H2ne+2.3x1472 4x20002=2.908x10-7(1/s)=0.025(11/d)U=2[(10-0)-0,811e-0.0251x120(e0.0251x10_e0)]t1000.0251+土[(40-30)_0.811e-0.0251x120(e0.0251x40-e0.0251x30)]100 0.0251=0.93【例题3-22】地基土为淤泥质粘土层,水平向渗透系数kh=1..0x10-7cm/s，固结系数C=C=1.8x10-3cm2/s,受压土层厚度20m,袋装砂井直径d=70mm,砂料渗透系数vhwk=2.0x10-2cm/s,涂抹区土的渗透系数k=-kh=0.2x10-7cm/s。取涂抹区直径d与竖井直w s5h s径d的比值s=2,袋装砂井为等边三角形布置，间距1.4m,深度为20m,砂井底部为不透水w层，砂井打穿受压土层。预压荷载总压力为100kPa,分两级等速加载。其加载过程为：第一级堆载60kPa,10d内匀速加载,之后预压时间20d。第二级堆载40kPa,10d内匀速加载,之后预压时间80d。1、 袋装砂井纵向通水量最接近下列哪个值?(A)0.68cm3/s(B)0.70cm3/s(C)0.73cm3/s(D)0.77cm3/s(E)0.80cm3/s(F)0.82cm3/s【正确答案】D2、 在考虑袋装砂井的井阻和涂抹影响下F最接近下列哪个值？n(A)2.23 (B)2.25 (C)2.27 (D)2.29 (E)2.31【正确答案】D3、 在考虑袋装砂井的井阻和涂抹影响下F最接近下列哪个值？r(A)1.22 (B)1.24 (C)1.26 (D)1.28 (E)1.30【正确答案】D4、 在考虑袋装砂井的井阻和涂抹影响下F最接近下列哪个值？(A)2.73 (B)2.75 (C)2.77 (D)2.79 (E)2.81【正确答案】C5、 在考虑袋装砂井的井阻和涂抹影响下F最接近下列哪个值？(A)6.18 (B)6.24 (C)6.34 (D)6.36 (E)6.42【正确答案】D6、 在考虑袋装砂井的井阻和涂抹影响下0最接近下列哪个值？(A)0.0088(1/d) (B)0.0090(1/d) (C)0.0092(1/d)(D)0.0094(1/d)(E)0.0096(1/d)【正确答案】C7、 在考虑袋装砂井的井阻和涂抹影响下受压土层的平均固结度最接近下列哪个值?(A)0.66(B)0.68(C)0.70(D)0.72【正确答案】B【解】计算：袋装砂井纵向通水量q=kx兀d2/4=2x10一2x3.14x72/4=0.769cm3/swww33Fn=ln(n)—4=ln(21)—才=2.29Fr兀2L2k,h4q

w3-142Fr兀2L2k,h4q

w0.769F=「倖—:lns=1.0x10—7 1—1ln2=2.77sksJ0.2x10—7F=F+F+F=2.29+1.28+2.77=6.34nsra=8/冗2=0.811空8x空8xL8x10-3Q 8CP=h+Fd2 4H2 6.34x1472ex1.8x10—3兀2+4x20002=1.06x10—7(1/s)=0.009(2/d)U=—[(10—0)—0.811e—0.0092x120(e0.0092x10—e0)]t100 0.0092+—[(40—30)—0.811e—0.0092x120(e0.0092x40—e0.0092x30)]100 0.0092=0.68【例题3-23】砂井在地基中的作用为：（A）置换作用 （B）排水作用 （C）加筋作用 （D）复合作用【正确答案】B【解】砂井在地基中的作用仅仅为竖向排水通道，起竖向排水作用，砂井在地基中不起竖向增强体的作用。【例题3-24】地基土为淤泥土层，固结系数C=C=7.0X10-4cm2/s，渗透系数为vhk=k=0.8X10-4cm/s，受压土层厚度25m，袋装砂井直径d=100mm,正方形布井，井vh w距1.3m,砂料渗透系数2.0X10-2cm/s，q竖井纵向通水量（砂料渗透系数X砂井截面积）w1.57cm3/s，竖井底部为不透水粘土层，竖井穿过受压土层。涂抹区的水平向渗透系数k二l/4k,涂抹区直径d与竖井直径d的比值s=2.5。采用真空堆载预压地基，假定受压snsw土层中任意点的附加竖向应力与预压加载总量140kPa相同，三轴固结不排水(CU)压缩试验求得的土的内摩擦角9二4.5°，预压80天后地基中10m深度处某点土的固结度U十为0.8,则cu t由于固结影响该点土的抗剪强度增量At最接近下列哪个值？ft(A)6.8kPa (B)7.8kPa (C)8.8kPa (D)9.8kPa【正确答案】C【解】At”=Ab-Utan9=140x0.8xtan4.5=8-81kPa-ftztcu3.4施工方法堆载预压施工方法从施工角度分析，要保证排水固结法的加固效果，主要做好以下三个环节：铺设水平排水垫层；设置竖向排水体和施加固结压力。排水砂垫层施工时，应避免对软士表层的过大扰动，以免造成砂和淤泥混合，影响垫层的排水效果。另外，在铺设砂垫层前，应清除干净砂井顶面的淤泥或其它杂物，以利砂井排水。竖向排水体在工程中的应用有：普通砂井；袋装砂井；塑料排水带。砂井施工砂井施工要求：1)保持砂井连续和密实，并且不出现颈缩现象；2)尽量减小对周围土的扰动；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控制要求，不得小于计算值的95%。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%。袋装砂井施工袋装砂井是普通砂井的改良和发展。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织袋装满砂子，它基本上解决了大直径砂井中所存在的问题，使砂井的设计和施工更加科学化，保证了砂井的连续性，施工设备实现了轻型化，比较适应在软弱地基上施工；用砂量大为减少；施工速度加快、工程造价降低，是一种比较理想的竖向排水体。袋装砂井成孔的方法有锤击打入法、水冲法、静力压入法、钻孔法和振动贯入法五种。砂袋材料必须选用抗拉力强、抗腐蚀和抗紫外线能力强、透水性能好、韧性和柔性好、透气、并且在水中能起滤网作用和不外露砂料的材料制作。国内采用过的砂袋材料有麻布袋和聚丙烯编织袋。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50cm，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，不宜过大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0.50m。（3）塑料排水带的施工塑料带排水法是将带状塑料排水带用插带机将其插入软土中，然后在地基面上加载预压（或采用真空预压），土中水沿塑料带的通道逸出，从而使地基土得到加固的方法。选择塑料排水带时，应使其具有良好的透水性和强度，塑料带的纵向通水量不小于（15〜40）X103mm3/s；滤膜的渗透系数不小于5X10-3mm/s；芯带的抗拉强度不小于（10〜15）N/mm；滤膜的抗拉强度，干态时不小于（1.5〜3.0）N/mm，湿态时不小于（1.0〜2.5）N/mm（插人土中较短时用小值，较长时用大值）。整个排水带应反复对折5次不断裂才认为合格。在施工中尚应注意以下几点：1） 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，影晌塑料带的排水效果；2） 塑料带与桩尖连接要牢固，避免提管时脱开，将塑料带拔出;3） 桩尖平端与导管靴配合要适当，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；4） 严格控制间距和深度，如塑料带拔起2m以上者应补打；5） 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，搭接长度需在200mm以上。预压荷载的施工（1） 利用建筑物自重加压利用建筑物本身重量对地基加压是一种经济而有效的方法。此法一般应用于以地基的稳定性为控制条件，能适应较大变形的建筑物，如路堤、土坝、贮矿场、油罐、水池等。特别是对油罐或水池等建筑物，先进行充水加压，一方面可检验罐壁本身有无渗漏规象，同时，还利用分级逐渐充水预压，使地基土强度得以提高，满足稳定性要求。对路堤、土坝等建筑物，由于填土高、荷载大，地基的强度不能满足快速填筑的要求，工程上都采用严格控制加荷速率，逐层填筑的方法以确保地基的稳定性。利用建筑物自重预压处理地基，应考虑给建筑物预留沉降高度，保证建筑物预压后，其标高满足设计要求。在处理油罐等容器地基时，应保证地基沉降的均匀度，保证罐基中心和四周的沉降差异在设计许可范围内，否则应分析原因，在沉降同时采取措施进行纠偏。堆载预压堆载预压的材料一般以散料为主，如石料、砂、砖等。大面积施工时通常采用自卸汽车与推土机联合作业。对超软地基的堆载预压，第一级荷载宜用轻型机械或人工作业。施工时应注意以下几点：堆载面积要足够大。堆载的顶面积不小于建筑物底面积。堆载的底面积也应适当扩大，以保证建筑物范围内的地基得到均匀加固。堆载要求严格控制加荷速率，保证在各级荷载下地基的稳定性，同时要避免部分堆载过高而引起地基的局部破坏。对超软粘性土地基，荷载的大小、施工工艺更要精心设计，以避免对土的扰动和破坏。真空预压施工方法(