排水固结法二

第4章排水固结法

Chapter4Consolidation

4.1概述

排水固结法（Consolidation）是处理软粘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。深圳河真空预压全貌深圳美视妈湾油库海上抛石围堤、海上铺设土工布、回填砂和插板并堆载预压竣工后使用现场

堆水预压四航研究院进行的交通部综合地基加固现场试验（在潮间带插铺土工布、回填砂垫层、插排水板，并用真空气体、水荷载流体和堆砂固体进行三相体联合预压）四航研究院珠海前山水荷载预压加固示意图四航研究院深圳妈湾潮间带真空预压一角（退潮时）

塑料排水板插板机塑料排水板板地基处理理真空预压地地基处理真空预压管管网铺设排水板真空空预压处理理剖面示意意图排水固结法法可解决以以下两个问问题：（1）沉降问题。使地基的的沉降在加加载预压期期间大部分分或基本完完成，使建建筑物在使使用期间不不致产生不不利的沉降降和沉降差差。（2）稳定问题。加速地基基土的抗剪剪强度的增增长，从而而提高地基基的承载力力和稳定性性。排水固结法法适用于处理淤泥质质土、淤泥泥和冲填土土等饱和粘粘性土地基基。排水固结法法是由排水系统和加压系统两部分共同同组合而成成。（1）排水系统由水平排水水垫层和竖竖向排水体体构成。竖竖向排水体体可选用普普通砂井、、袋装砂井井或塑料排排水板。（2）加压系统即是起固结结作用的荷荷载，它使使地基土的的固结压力力增加而产产生固结。。工程上广泛泛使用且行行之有效的的增加固结结压力的方方法是堆载法，此外，还还有真空法、降低地下水水位法、电渗法和联合法。排水固结法法的设计，，主要是根根据上部结结构荷载的的大小、地地基土的性性质以及工工期要求、、确定竖向向排水体的的直径、间间距、深度度和排列方方式；确定定预压荷载载的大小和和预压时间间，使通过过预压，地地基能满足足建筑物对对变形和稳稳定性的要要求。适用范围适用于处理理各类淤泥泥、淤泥质质土及冲填填土等饱和和粘性土地地基。砂井法特别别适用于存存在连续薄薄砂层的地地基。但砂砂井只能加加速主固结结而不能减减少次固结结，对有机机质土和泥泥炭等次固固结土，不不宜只采用用砂井法。。克服次固固结可利用用超载的方方法。真空预压法法适用于能能在加固区区形成(包括采取措措施后形成成)稳定负压边边界条件的的软土地基基。降低地地下水位法法、真空预预压法和电电渗法由于于不增加剪剪应力，地地基不会产产生剪切破破坏，所以以它适用于于很软弱的的粘土地基基。排水固结法法分类根据加压和排水水两个系统的不不同，派生出多多种固结加固地地基的方法：美国跨越金山湾湾南端的Dumbarton桥东侧引道路堤堤场地，路堤下下淤泥的抗剪强强度小于5kpa，其固结时间将将需要30—40年，为了支撑路路堤和加速所预预计的2m沉降量,采用如下方案：：1、采用土工聚合合物以分布路堤堤荷载和减小不不均匀沉降；2、使用轻质填料料以减轻荷载；；3、采用竖向排水水体使固结时缩缩短到一年以内内；4、设置土工聚合合物滤网以防排排水层发生污染染等。时，时，

时，土在某一荷载作作用下，孔隙水水逐渐排出，土土体随之压缩，，土体的密实度度和强度随时间间逐步增长，这这一过程称之为为土的固结过程程。亦即孔隙水水压力消散、有有效应力增长的的过程。4.2排水固结法的加加固机理(1)堆载预压加固机机理堆载预压是指先先在地基中设置置砂井、塑料排排水带等竖向排排水体，后利用用建筑物本身重重量分级逐渐加加载，或建筑物物建造前，在场场地先行加载预预压，使土体中中的孔隙水缓慢慢排出，土层逐逐渐固结，地基基发生沉降，同同时强度逐步提提高的过程。4.2排水固结法的加加固机理砂井堆载预压法法基本方法：砂井堆载预压法法系在软弱地基基中通过采用钢钢管打孔、灌砂砂，设置砂井作作为竖向排水通通道，并在砂井井顶部设置砂垫垫层作为水平排排水通道，形成成排水系统；在在砂垫层上部堆堆载，以增加软软弱土中附加应应力，使土体中中孔隙水在较短短的时间内通过过竖向砂井和水水平砂垫层排出出，达到加速土土体固结、提高高软弱地基土承承载力之目的。。主要用于道路路路堤、土坝、机机场跑道、工业业建筑油罐、码码头、岸坡等工工程的地基处理理，对于泥炭等等有机沉积地基基则不适用。(2)真空预压加固机机理真空预压指在软软土地基中打设设竖向排水体后后，在地面铺设设排水用砂垫层层和抽气管线，，然后在砂垫层层上铺设不透气气的封闭膜使其其与大气隔绝，，再用真空泵抽抽气，使排水系系统维持较高的的真空度，利用用大气压力作为为预压荷载，增增加地基的有效效应力，以利于于土体排水固结结。真空预压适用于于均质粘性土及及含薄粉砂夹层层粘性土等，尤尤其适用于新吹吹填土地基的加加固。对于在加加固范围内有足足够补给水源的的透水层，而又又没有采取隔断断措施时，不宜宜采用该法。真空预压法示意意图真空预压法(3)降水预压加固机机理降水预压法是借借助于井点抽水水降低地下水位位，以增加土的的有效自重应力力，从而达到预预压的目的。抽水前水位线抽水后水位降落线滤水管抽水井管降水预压原理(4)电渗预压加固机机理电渗预压是在土土中插入金属电电极并通以直流流电，由于直流流电场作用，土土中的水分从阳阳极流向阴极，，将水在阴极排排除且无补充水水源的情况下，，引起土层的压压缩固结。电渗预压与降水水预压一样，是是在总应力不变变的情况下，通通过减小孔隙水水压力来增加土土的有效应力作作为固结压力的的，所以不需要要用堆载作为预预压荷载，也不不会使土体发生生破坏。AB水力坡降线预压法的设计，，实质上是根据据上部结构荷载载的大小、地基基土的性质及工工期要求合理安安排加压系统与排水水系统，使地基基在预压过程中中快速排水固结结，缩短预压时时间，从而减小小建筑物在使用用期间的沉降量量和不均匀沉降降，同时增加一一部分强度，以以满足逐级加荷荷条件下地基的的稳定性。4.3堆载预压法设计计计算4.3DesignProcedureofPreloading一、堆载预压的的计算步骤因软粘土地基抗抗剪强度较低，，无论直接建造造建筑物还是进进行堆载预压往往往都不可能快快速加载，而必必须分级逐渐加加荷，待前期荷荷载下地基强度度增加到足以加加下一级荷载时时才可加下一级级荷载。具体计计算步骤是，首首先用简便的方方法确定一个初初步的加荷计划划，然后校核这这一加荷计划下下地基的稳定性性和沉降，其步步骤如下：1利用地基的天然然地基土抗剪强强度计算第一级级容许施加的荷荷载p1，对饱和软粘土土可采用下列公公式估算：2计算第一级荷载载下地基强度增增长值。在p1荷载作用下，经经过一段时间预预压地基强度会会提高，提高以以后的地基强度度为cu1：3计算p1作用下达到所确确定固结度所需需要的时间。目目的在于确定第第一级荷载停歇歇的时间，亦即即第二级荷载开开始施加的时间间。4根据第二步所得得到的地基强度度cu1计算第二级所能能施加的荷载p2。p2可近似地按下式式估算：同样，求出在p2作用下地基固结结度达70％时的强度以及及所需要的时间间，然后计算第第三级所能施加加的荷载，依次次可计算出以后后的各级荷载和和停歇时间。5按以上步骤确定定的加荷计划进进行每一级荷载载下地基的稳定定性验算。如稳稳定性不满足要要求，则调整加加荷计划。6计算预压荷载下下地基的最终沉沉降量和预压期期间的沉降量。。这一项计算的的目的在于确定定预压荷载卸除除的时间。二、超载预压对沉降有严格限限制的建筑，应采用超载预预压法处理地基基。经超载预压压后，如受压土土层各点的有效效竖向应力大于于建筑物荷载引引起的相应点的的附加总应力时时，则今后在建建筑物荷载作用用下地基土将不不会再发生主固固结变形，而且且将减小次固结结变形，并推迟迟次固结变形的的发生。4.4砂井排水固结设设计计算4.4DesignProcedureofSandDrain1925年，丹尼尔.莫兰将垂直砂井井用于费城－－－奥克兰海湾大大桥公路软土地地基的加固，1926年获得专利。砂井法问世以后后，因缺乏理论论根据而按经验验设计。1940～1942年，巴隆（Barron）根据太沙基的的固结理论，提提出砂井法的设设计计算方法。。我国从20世纪50年代起，开始应应用砂井法。砂井法主要适用于没有较大集中荷荷载的大面积荷荷重或堆土荷重重工程，例如水水库土坝、油罐罐、仓库、铁路路路堤、贮矿场场以及港口的水水工建筑物等工工程。一、砂井设计砂井设计包括砂砂井直径、间距距、深度、排列列方式、范围、、砂料选择和砂砂垫层厚度等。。（1）砂井直径和间间距主要取决于土的的固结特性和施施工期限的要求求。“细而密””比“粗而稀””效果好。砂井井直径一般为300～400mm；袋装砂井直径径为70～120mm。（2）砂井深度主要根据土层的的分布、地基中中附加应力大小小、施工期限和和条件及地基稳稳定性等因素确确定。一般为10～25m。（3）砂井排列砂井在平面上可可布置成正三角角形（梅花形）），以正三角形形排列较为紧凑凑和有效。在实实际进行固结计计算时，由于多多边形作为边界界条件求解很困困难，巴隆建议议每个砂井的影影响范围由多边边形改为由面积积与多边形面积积相等的圆来求求解。正方形排列时de＝1.13l正三角形排列时时de＝1.05lde为砂井的有效直直径，l为砂井间距。（4）砂井布置范围围砂井的布置范围围一般可由基础础的轮廓线向外外增大约2～4m。（5）砂料宜选用中粗砂，，其含泥量不能能超过3％。（6）砂垫层砂井顶部铺设砂砂垫层，可使砂砂井排水有良好好的通道，将水水排到工程场地地以外。二、沉降计算地基土的总沉降降一般包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。瞬时沉沉降是在荷载作作用下由于土的的畸变所引起，，并在荷载作用用下立即发生的的。固结沉降是是由于孔隙水的的排出而引起土土体积减小所造造成的，占总沉沉降的主要部分分。次固结沉降降则是由于超静静水压力消散后后，在恒值有效效应力作用下土土骨架的徐变所所致。设计内容除排水水系统外，主要要包括：密封内内的真空度，加加固土层要求达达到的平均固结结度，竖向排水水体的尺寸，加加固后的沉降和和工艺设计等。。4.5真空预压设计计计算A.膜内真空度真空预压效果和和封闭膜内所达达到的真空度大大小关系极大。。根据国内一些些工程的经验，，当采用合理的的工艺和设备，，膜内真空度一一般可维持600mmHg左右，相当于80kpa的真空压力，此此值可作为最大大膜内设计真空空度。4.5真空预压设计计计算B.加固区内要求达达到平均固结度度一般可采用80%的固结度。如工工期许可，也可可采用更大一些些的固结度作为为设计要求达到到的固结度。4.5真空预压设计计计算C.竖向排水体一般采用袋装砂砂井或塑料排水水带。真空预压处理地地基时，必须设设置竖向排水体体，由于砂井（（袋装砂井或塑塑料排水带）能能将真空度从砂砂垫层中传至土土体，并将土体体中的水抽至砂砂垫层然后排出出。若不设置砂砂井等就起不到到上述的作用和和加固目的。抽真空的时间与与土质条件和竖竖向排水体的间间距密切有关。。达到相同的固固结度，间距越越小，则所需的的时间越短.4.5真空预压设计计计算袋装砂井间距与与所需时间关系4.5真空预压设计计计算D.沉降计算先计算加固前建建筑物荷载下天天然地基的沉降降量，然后计算算真空预压期间间所完成的沉降降量，两者之差差即为预压后在在建筑物使用荷荷载下可能发生生的沉降。预压期间的沉降降可根据设计要要求达到固结度度推算加固区所所增加的平均有有效应力。4.5真空预压设计计计算真空预压的总面面积不得小于基基础外边缘所包包围的面积，一一般真空的边缘缘应比建筑物基基础外缘超出2～3m，另外，每块预预压的面积尽可可能大，彼此间间可搭接或有一一定间距。加固固面积越大，加加固面积与周边边长度之比也越越大。气密性也也越好，真空度度也越高。根据据现有的材料和和工艺设备，每每块面积已达3万㎡。当在加固区发现现有透气层和透透水层时，一般般可在塑料薄膜膜周边采用另加加水泥土搅拌桩桩的壁式密封措措施。真空度与加固面面积的关系4.6施工方法4.6ConstructionMethods要保证排水固结结法的加固效果果，从施工角度度考虑，主要应应重视以下三个环节：一、铺设水平垫垫层、二、设置竖向排排水体三、施加固结压压力。排水固结法施工工工艺一、铺设水平排排水砂垫层；垫层材料：渗水好的砂砂料，其渗透透系数一般不不低于10-3cm/s，同时能起到到一定的反滤滤作用。常用用级配良好的的中粗砂。也也可采用连通通砂井的砂沟沟（2-3D，40-60cm深）代替整片片砂垫层。不不宜采用粉、、细砂。垫层厚度：满足渗流水水能及时排出出，应起到持持力层的作用用。一般应选选用30～50cm厚度。对新吹吹填不久的或或无硬壳层的的软粘土及水水下施工的特特殊条件，应应采用厚的或或混合料排水水垫层。垫层施工：机械分堆摊摊铺、堆成若若干砂堆，然然后用推土机机或人工摊平平。排水固结法施施工工艺二、竖向排水水体施工材料：30～50cm直径的普通砂砂井；7～12cm直径的袋装砂砂井；10cm宽的塑料排水水带。1、砂井施工2、袋装砂井施施工3、塑料排水带带施工深圳河打设砂砂井桩和排水水板示意图袋装砂井的施施工过程袋装砂井的施施工过程插板机插板机插板机插板机四航研究院排排水板施工现现场图塑料排水板施施工工艺流程程图塑料排水板施施工现场排水固结法施施工工艺三、施加固结结压力（一）利用建筑筑物自重加压压一般应用于以以地基的稳定定性为控制条条件，能适应应较大变形的的建筑物，如如路堤、土坝坝、储矿场、、油罐、水池池等。对油罐和水池池等建筑物，，先进行充水水加压，一方方面可检验罐罐壁本身有无无渗透现象，，同时，还利利用分级逐渐渐充水预压，，使地基土强强度得以提高高，满足稳定定性要求。对路堤、土坝坝等建筑物，，由于填土高高、荷载大，，地基的强度度不能满足快快速填筑的要要求，工程上上都采用严格格控制加荷速速率，逐层填填筑的方法以以确保地基的的稳定性。排水固结法施施工工艺（二）堆载预预压堆载预压的材材料：以散料料为主，如土土、石料、砂砂、砖等。大面积施工时时通常采用自自卸汽车与推推土机联合作作业。对超软软地基的堆载载预压，第一一级荷载宜用用轻型机械或或人工作业。。堆载预压工艺艺简单，但处处理不当，特特别是加荷速速率控制不好好时，容易导导致工程施工工的失败。排水固结法施施工工艺（二）堆载预预压注意事项：1、必须严格控控制加载速率率。保证在各各级荷载下地地基的稳定性性。基本控制制标准是：竖竖向变形每天天不应超过10㎜，边桩水平位位移每天不应应超过5㎜。2、堆载面积要要足够。堆载载的顶面积不不小于建筑物物底面积。3、注意堆载过过程中荷载的的均匀分布，，避免局部堆堆载过高导致致地基局部失失稳破坏。排水固结法施施工工艺（三）真空预预压（1）真空预压压系统设置1.排水通道施工工先在软基表面面铺设砂垫层层和在土体中中埋设袋装砂砂井或塑料排排水带；2.埋设水平向分分布滤水管。。主要作用：使使真空度在整整个加固区域域内均匀分布布。要求：滤水管管在预压过程程中应能适应应地基的变形形，特别是差差异变形。材料：钢管或或塑料管，其其外侧宜缠绕绕铅丝，外包包尼龙砂网或或土工织物作作为滤水层。。排水固结法施施工工艺滤水管布置：：滤水管在加加固区内的分分布形式可采采用条状、梳梳子状或羽毛毛状等，滤水水管一半埋设设在排水砂垫垫层中间，其其上应有100～200㎜砂层覆盖。真空预压水平平管路施工排水固结法施施工工艺（三）真空预预压（1）真空预压压系统设置排水固结法施施工工艺3、铺设密封膜膜密封膜铺设质质量是真空预预压加固法成成贩的关键。。要求：a、应选用抗老化化性能好、韧韧性大、抗穿穿刺能力强的的不透气材料料。普通聚氯氯乙烯薄膜性性能不如线性性聚乙烯等专专用膜好。b、密封膜热合时时宜用双热合合线平搭接，，搭接长度应应大于15㎜。密封膜宜铺铺设三层，以以确保自身密密封性能。c、膜周边可采用用挖沟折铺、、平铺并用粘粘土压边，围围捻沟内覆水水以及膜上全全面覆水等方方法进行密封封。d、当处理区内有有充足水源补补给的透水层层时，应采用用封闭式