排水固结法综述

排水固结法加固软土地基综述摘要：阐述了排水固结法的发展历程与趋势，排水固结法加固软土地基的原理，以及目前几种常用方法的使用条件及优缺点，结合工程实际证明加固效果。关键词：固结；排水；软基刖言我国东南沿海自连云港至广州湾几乎都有软土分布，其厚度大体自北向南变薄，软土主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土。具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。由于软土的特殊性，软土地基加固的重要性被越来越多的业内外认识所认知，在软土地基上直接建造建筑物或进行填土时，地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和沉降差异，而且沉降的延续时间长，因此有可能影响建筑物的正常使用。另外，由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求而产生地基土破坏。许多因没有做好地基处理的建(构)筑物最终倒塌的案例让更多人清醒的认识到采取科学的方法进行地基加固的重要性。如何能让“软”变“硬”从而增加土的承载力成为工程师们首要解决的问题。目前国内对于软土地基加固最常见的施工方法就是排水固结法。而排水固结法经过多年的实践，从技术创新到施工创新均有较大提高，排水固结法这一技术体系不断在被完善。排水固结法的发展历程与趋势固结问题的研究在太沙基(Terzaghi)在1923年发表他的固结理论后的到的新的高度。有效应力原理和固结理论的建立标志着现代土力学的建立。从此，人们才可以借助有效应力原理和固结理论对土体的稳定性和沉降问题进行更符合客观实际的定量计算，也使在实验中计算固结速率的方法才成为可能。由于淤泥等软土渗透性差，在附加应力下排水缓慢，单纯的使用排水固结法往往要很长时间才能固结。因此，排水固结法的发展过程也使改善软土竖向排水能力的沙井、排水板能工艺的发展过程。竖向排水方法先后发展了两种，即沙井法和排水板法。1937年，瑞典专家首先提出用排水纸板取代沙井作为竖向排水体，该法施工方便，排水效率高，具有极大的优越性。但由于最初的排水纸板在稳定性、耐久性方面所存在的问题限制了该法的广泛应用，直到瑞典专家欧•瓦格（O.Wager）研究成功的聚氯乙烯槽型芯板代替了纸质芯板，用无纺土工布代替了纸质滤膜，解决了排水板稳定性的问题，才使这一形式迅速被推广应用。排水板的推广也使排水固结法得到了更广泛的应用。袋装沙井法使从加沙井法基础上发展起来的一种方法，该法使用7cm的袋装沙井取代了20-60cm的沙井，施工设备轻便、效率高，沙袋采用聚氯乙烯编织袋，沙采用纯净的中粗砂。袋装沙井功能上可以与塑料排水板法等效，由于施工质量较易控制，近年来有望取代塑料排水板的趋势。在我国，真正意义上的排水固结法试验是在交通部一航院1982年在天津塘沽新港四港池码头进行的，这次试验取得了良好的效果，加快了该法在全国的推广。排水固结法原理排水固结法是对天然地基，或先在地基设置沙井（袋装沙井或塑料排水带）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，地基发生沉降时，同时强度逐渐提高的方法。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。排水固结法是由排水系统和加压系统两部分组成的，排水系统通常有普通沙井、袋装沙井、塑料排水带等；加压系统通常有堆载预压法、真空预压法、降低地下水位法，电渗法和联合法。近十几年来，竖向排水系统采用塑料排水板和袋装沙井较多，加压系统采用堆载预压和真空预压法较多，也有采用真空加堆载联合预压法以及利用建筑自重加载法；特别的是，利用冲击荷载及软土之上覆盖共同形成残余作用力使得冲击荷载作为加压系统组成部分成为一种经济而有效的选择。排水固结法加固软土地基的常用方法3.1堆载预压法在软土中打设竖向排水体后，在地面按使用荷载或超载进行预压。该法适用范围广，不受地质条件的限制，工序简单，工程费用较低，但工期较长。3.2真空预压法在软土中打设竖向排水体后，在地面铺设密封真空膜并抽真空，利用大气压力作为预压荷载。该法的优点是工期短，缺点是工序复杂，工程费用较高，预压效果受到一定局限，预压区周边效果相对较差，同时由于真空抽水最大高度为10m，淤泥层厚度小于8m时预压效果较好，但厚度大于8m时则有所减弱，厚度越大则越明显，当淤泥中存在砂层时四周需增设密封墙。3.3真空联合堆载预压法在软土中打设竖向排水体后，在地面铺设密封真空膜并抽真空，当真空预压到一定程度时再在其上堆载联合进行。该法的优点是克服了真空预压法对加固深度的限制，较适用于淤泥层相当软弱，地面堆载受限制，堆载料成本较高，工期较紧等情况；但缺点是工序复杂，工程费用较高。3.4强夯法在软土中打设竖向排水体后，利用强夯代替预压荷载，通过强夯的动力和压密作用，使孔隙中的水排出达到加固地基的目的，适用于软土厚度小于8m的情况，且土质越好效果就越好。该法的优点是工期短，费用低，但目前应用尚不多，其加固效果及加固机理还有待进一步的研究。排水固结法加固软土地基工程实例4.1广州番禺南沙蒲洲大酒店国际商贸广场工程广州番禺南沙蒲洲大酒店国际商贸广场工程，场地淤泥层厚度为14-19m，含水量达74.4%，天然密度为1.53g/3,孔隙比为2.03，快剪强度c=8.6kPa，j=1.7（平均值），现场十字板试验值为5.7kPa（-10m以上）和13.2kPa（-10m以下）平均9.3kPa。由于设计要求地基承载力达到40kPa，在使用荷载下的固结度N85%，故需对该工程软基进行加固处理。加固设计采用SPB-II型塑料排水板，板长15-20m，呈正方形布置，间距1.2mx1.2m。施工方案为分3级干法堆填中粗砂，各级加载量及其静压（分区）时间分别为：第1级为35kPa,静压18-40d；第2级为45kPa，静压70-100d；第3级为20-32kP,满载静压60-120d。施工时采用表面沉降盘、深层沉降、现场十字板试验、钻孔取土等方法进行监测，以确保加固施工效果。加固后的现场十字板试验值达26.6kPa，比原先的9.3kPa提高了175%，固结度达92.2%，满足设计要求，场地地基土的各项物理力学性能也大为改善，处理后的淤泥层地基承载力N40kPa，消除地基沉降量1.8m-2.8m，工后沉降量V300mm。4.2日本东北地区新干线某段超软土地基处理工程工程地点位于日本东北地区新干线新臼石到仙台之间的一段上，即大河原和村田地区，距起点东京都296.5km附近的“第七号谷”，从地质图上看，主要为泥炭土和混有有机物的淤泥土，深度从地表算起有12m-13m。地基强度，静力触探试验％在200kPa以下，属于极软地基。拟采用真空排水预压法进行加固处理，以提高建筑物基础的水平承载力和道路的稳定性。加固区的平面尺寸大约是75mx76m，面积1950泌。加固区膜下设置的水平排水层厚度70cm的砂垫层，砂料选用洁净而透水性较好的砂。为防止砂的下沉，在垫砂之前，由于地面先铺设有30cm的孔洞，由熟铁条编织的铁板网，以保证车辆通行和推土机等施工机械能在上完成铺砂等作业。加固区中设置了表面沉降、分层沉降、孔隙水压力及出水量的观测项目，加固区外设置了水平位移、水位观测孔及边桩的观测。从设在试验区中央的沉降仪的记录来看，加固结束时第21d的沉降量时149cm，其中由抽真空形成的沉降量大约是83cm，而另外的66cm则是由于施工形成的沉降。用双曲线法推求的最终沉降量是204cm，因此，施工中达到的固结度约为73%。根据现场触探试验知，加固后再地表下2-7m的范围内，均比加固前的％值增大1.5-2倍，但增大的程度越往下越小，7m以下地基的强度几乎与加固前相同。无侧限抗压强度试验结果表明，在7m以上的泥炭土层中，地基土的无侧限抗压强度均有增大，从加固前的%=7-12kPa，增加了一倍左右。土体的含水率在加固前后变化很明显，加固