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地基处理真空预压地基处理真空预压管网铺设排水板真空预压处理剖面示意图

排水固结法可解决以下两个问题：（1）沉降问题。使地基的沉降在加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降差。（2）稳定问题。加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。排水固结法适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。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。（1）排水系统由水平排水垫层和竖向排水体构成。竖向排水体可选用普通砂井、袋装砂井或塑料排水板。（2）加压系统即是起固结作用的荷载，它使地基土的固结压力增加而产生固结。工程上广泛使用且行之有效的增加固结压力的方法是堆载法，此外，还有真空法、降低地下水位法、电渗法和联合法。

排水固结法的设计，主要是根据上部结构荷载的大小、地基土的性质以及工期要求、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，使通过预压，地基能满足建筑物对变形和稳定性的要求。适用范围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。排水固结法分类根据加压和排水两个系统的不同，派生出多种固结加固地基的方法：美国三跨越三金山三湾南三端的Du三mb三ar三to三n桥东三侧引三道路三堤场三地，三路堤三下淤三泥的三抗剪三强度三小于5k三pa，其三固结三时间三将需三要30三—4三0年，三为了三支撑三路堤三和加三速所三预计三的2m沉降三量,采用三如下三方案三：1、采三用土三工聚三合物三以分三布路三堤荷三载和三减小三不均三匀沉三降；2、使三用轻三质填三料以三减轻三荷载三；3、采三用竖三向排三水体三使固三结时三缩短三到一三年以三内；4、设三置土三工聚三合物三滤网三以防三排水三层发三生污三染等三。时，时，

时，土在三某一三荷载三作用三下，三孔隙三水逐三渐排三出，三土体三随之三压缩三，土三体的三密实三度和三强度三随时三间逐三步增三长，三这一三过程三称之三为土三的固三结过三程。三亦即三孔隙三水压三力消三散、三有效三应力三增长三的过三程。4.三2排水三固结三法的三加固机理(1三)堆载三预压三加固三机理堆载三预压三是指三先在三地基三中设三置砂三井、三塑料三排水三带等三竖向三排水三体，三后利三用建三筑物三本身三重量三分级三逐渐三加载三，或三建筑三物建三造前三，在三场地三先行三加载三预压三，使三土体三中的三孔隙三水缓三慢排三出，三土层三逐渐三固结三，地三基发三生沉三降，三同时三强度三逐步三提高三的过三程。4.三2排水三固结三法的三加固机理砂井三堆载三预压三法基本三方法三：砂井三堆载三预压三法系三在软三弱地三基中三通过三采用三钢管三打孔三、灌三砂，三设置三砂井三作为三竖向三排水三通道三，并三在砂三井顶三部设三置砂三垫层三作为三水平三排水三通道三，形三成排三水系三统；三在砂三垫层三上部三堆载三，以三增加三软弱三土中三附加三应力三，使三土体三中孔三隙水三在较三短的三时间三内通三过竖三向砂三井和三水平三砂垫三层排三出，三达到三加速三土体三固结三、提三高软三弱地三基土三承载三力之三目的三。主要三用于三道路三路堤三、土三坝、三机场三跑道三、工三业建三筑油三罐、三码头三、岸三坡等三工程三的地三基处三理，三对于三泥炭三等有三机沉三积地三基则三不适三用。(2三)真空三预压三加固三机理真空三预压三指在三软土三地基三中打三设竖三向排三水体三后，三在地三面铺三设排三水用三砂垫三层和三抽气三管线三，然三后在三砂垫三层上三铺设三不透三气的三封闭三膜使三其与三大气三隔绝三，再三用真三空泵三抽气三，使三排水三系统三维持三较高三的真三空度三，利三用大三气压三力作三为预三压荷三载，三增加三地基三的有三效应三力，三以利三于土三体排三水固三结。真空三预压三适用三于均三质粘三性土三及含三薄粉三砂夹三层粘三性土三等，三尤其三适用三于新三吹填三土地三基的三加固三。对三于在三加固三范围三内有三足够三补给三水源三的透三水层三，而三又没三有采三取隔三断措三施时三，不三宜采三用该三法。真空三预压三法示三意图真空三预压三法(3三)降水三预压三加固三机理降水三预压三法是三借助三于井三点抽三水降三低地三下水三位，三以增三加土三的有三效自三重应三力，三从而三达到三预压三的目三的。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(4三)电渗三预压三加固三机理电渗三预压三是在三土中三插入三金属三电极三并通三以直三流电三，由三于直三流电三场作三用，三土中三的水三分从三阳极三流向三阴极三，将三水在三阴极三排除三且无三补充三水源三的情三况下三，引三起土三层的三压缩三固结。电渗三预压三与降三水预三压一三样，三是在三总应三力不三变的三情况三下，三通过三减小三孔隙三水压三力来三增加三土的三有效三应力三作为三固结三压力三的，三所以三不需三要用三堆载三作为三预压三荷载三，也三不会三使土三体发三生破三坏。AB水力坡降线预压三法的三设计三，实三质上三是根三据上三部结三构荷三载的三大小三、地三基土三的性三质及三工期三要求三合理三安排加压三系统三与排三水系三统，三使地三基在三预压三过程三中快三速排三水固三结，三缩短三预压三时间三，从三而减三小建三筑物三在使三用期三间的三沉降三量和三不均三匀沉三降，三同时三增加三一部三分强三度，三以满三足逐三级加三荷条三件下三地基三的稳三定性三。4.三3堆载三预压三法设三计计三算4.三3三D三es三ig三n三Pr三oc三ed三ur三e三of三P三re三lo三ad三in三g一、三堆载三预压三的计三算步三骤因软三粘土三地基三抗剪三强度三较低三，无三论直三接建三造建三筑物三还是三进行三堆载三预压三往往三都不三可能三快速三加载三，而三必须三分级三逐渐三加荷三，待三前期三荷载三下地三基强三度增三加到三足以三加下三一级三荷载三时才三可加三下一三级荷三载。三具体三计算三步骤三是，三首先三用简三便的三方法三确定三一个三初步三的加三荷计三划，三然后三校核三这一三加荷三计划三下地三基的三稳定三性和三沉降三，其三步骤三如下三：1利用三地基三的天三然地三基土三抗剪三强度三计算三第一三级容三许施三加的三荷载p1，对三饱和三软粘三土可三采用三下列三公式三估算三：2计算三第一三级荷三载下三地基三强度三增长三值。三在p1荷载三作用三下，三经过三一段三时间三预压三地基三强度三会提三高，三提高三以后三的地三基强三度为cu1：3计算p1作用三下达三到所三确定三固结三度所三需要三的时三间。三目的三在于三确定三第一三级荷三载停三歇的三时间三，亦三即第三二级三荷载三开始三施加三的时三间。4根据三第二三步所三得到三的地三基强三度cu1计算三第二三级所三能施三加的三荷载p2。p2可近三似地三按下三式估三算：同样三，求三出在p2作用三下地三基固三结度三达70％时三的强三度以三及所三需要三的时三间，三然后三计算三第三三级所三能施三加的三荷载三，依三次可三计算三出以三后的三各级三荷载三和停三歇时三间。5按以三上步三骤确三定的三加荷三计划三进行三每一三级荷三载下三地基三的稳三定性三验算三。如三稳定三性不三满足三要求三，则三调整三加荷三计划三。6计算三预压三荷载三下地三基的三最终三沉降三量和三预压三期间三的沉三降量三。这三一项三计算三的目三的在三于确三定预三压荷三载卸三除的三时间三。二、三超载三预压对沉三降有三严格三限制三的建三筑，应三采用三超载三预压三法处三理地三基。三经超三载预三压后三，如三受压三土层三各点三的有三效竖三向应三力大三于建三筑物三荷载三引起三的相三应点三的附三加总三应力三时，三则今三后在三建筑三物荷三载作三用下三地基三土将三不会三再发三生主三固结三变形三，而三且将三减小三次固三结变三形，三并推三迟次三固结三变形三的发三生。4.三4砂井三排水三固结三设计三计算4.三4三D三es三ig三n三Pr三oc三ed三ur三e三of三S三an三d三Dr三ai三n19三25年，三丹尼三尔.莫兰三将垂三直砂三井用三于费三城－三－奥三克兰三海湾三大桥三公路三软土三地基三的加三固，19三26年获三得专三利。砂井三法问三世以三后，三因缺三乏理三论根三据而三按经三验设三计。19三40～19三42年，三巴隆三（Ba三rr三on）根三据太三沙基三的固三结理三论，三提出三砂井三法的三设计三计算三方法三。我三国从20世纪50年代三起，三开始三应用三砂井三法。砂井三法主三要适用三于没有三较大三集中三荷载三的大三面积三荷重三或堆三土荷三重工三程，三例如三水库三土坝三、油三罐、三仓库三、铁三路路三堤、三贮矿三场以三及港三口的三水工三建筑三物等三工程三。一、三砂井三设计砂井三设计三包括三砂井三直径三、间三距、三深度三、排三列方三式、三范围三、砂三料选三择和三砂垫三层厚三度等三。（1）砂三井直三径和三间距主要三取决三于土三的固三结特三性和三施工三期限三的要三求。三“细三而密三”比三“粗三而稀三”效三果好三。砂三井直三径一三般为30三0～40三0m三m；袋三装砂三井直三径为70～12三0m三m。（2）砂三井深三度主要三根据三土层三的分三布、三地基三中附三加应三力大三小、三施工三期限三和条三件及三地基三稳定三性等三因素三确定三。一三般为10～25三m。（3）砂三井排三列砂井三在平三面上三可布三置成三正三三角形三（梅三花形三），三以正三三角三形排三列较三为紧三凑和三有效三。在三实际三进行三固结三计算三时，三由于三多边三形作三为边三界条三件求三解很三困难三，巴三隆建三议每三个砂三井的三影响三范围三由多三边形三改为三由面三积与三多边三形面三积相三等的三圆来三求解三。正方三形排三列时de＝1.三13l正三三角形三排列三时de＝1.三05lde为砂三井的三有效三直径三，l为砂三井间三距。（4）砂三井布三置范三围砂井三的布三置范三围一三般可三由基三础的三轮廓三线向三外增三大约2～4m。（5）砂三料宜选三用中三粗砂三，其三含泥三量不三能超三过3％。（6）砂三垫层砂井三顶部三铺设三砂垫三层，三可使三砂井三排水三有良三好的三通道三，将三水排三到工三程场三地以三外。二、三沉降三计算地基三土的三总沉三降一三般包三括瞬时三沉降、固结三沉降和次固三结沉三降三部三分。三瞬时三沉降三是在三荷载三作用三下由三于土三的畸三变所三引起三，并三在荷三载作三用下三立即三发生三的。三固结三沉降三是由三于孔三隙水三的排三出而三引起三土体三积减三小所三造成三的，三占总三沉降三的主三要部三分。三次固三结沉三降则三是由三于超三静水三压力三消散三后，三在恒三值有三效应三力作三用下三土骨三架的三徐变三所致三。设计三内容三除排三水系三统外三，主三要包三括：三密封三内的三真空三度，三加固三土层三要求三达到三的平三均固三结度三，竖三向排三水体三的尺三寸，三加固三后的三沉降三和工三艺设三计等三。4.三5真空三预压三设计三计算A.膜内三真空三度真空三预压三效果三和封三闭膜三内所三达到三的真三空度三大小三关系三极大三。根三据国三内一三些工三程的三经验三，当三采用三合理三的工三艺和三设备三，膜三内真三空度三一般三可维三持60三0m三mH三g左右三，相三当于80三kp三a的真三空压三力，三此值三可作三为最三大膜三内设三计真三空度三。4.三5真空三预压三设计三计算B.加固三区内三要求三达到三平均三固结三度一般三可采三用80三%的固三结度三。如三工期三许可三，也三可采三用更三大一三些的三固结三度作三为设三计要三求达三到的三固结三度。4.三5真空三预压三设计三计算C.竖向三排水三体一般三采用三袋装三砂井三或塑三料排三水带三。真空三预压三处理三地基三时，三必须三设置三竖向三排水三体，三由于三砂井三（袋三装砂三井或三塑料三排水三带）三能将三真空三度从三砂垫三层中三传至三土体三，并三将土三体中三的水三抽至三砂垫三层然三后排三出。三若不三设置三砂井三等就三起不三到上三述的三作用三和加三固目三的。抽真三空的三时间三与土三质条三件和三竖向三排水三体的三间距三密切三有关三。达三到相三同的三固结三度，三间距三越小三，则三所需三的时三间越三短.4.三5真空三预压三设计三计算袋装三砂井三间距三与所三需时三间关系4.三5真空三预压三设计三计算D.沉降三计算先计三算加三固前三建筑三物荷三载下三天然三地基三的沉三降量三，然三后计三算真三空预三压期三间所三完成三的沉三降量三，两三者之三差即三为预三压后三在建三筑物三使用三荷载三下可三能发三生的三沉降三。预压三期间三的沉三降可三根据三设计三要求三达到三固结三度推三算加三固区三所增三加的三平均三有效三应力三。4.三5真空三预压三设计三计算真空三预压三的总三面积三不得三小于三基础三外边三缘所三包围三的面三积，三一般三真空三的边三缘应三比建三筑物三基础三外缘三超出2～3m，另三外，三每块三预压三的面三积尽三可能三大，三彼此三间可三搭接三或有三一定三间距三。加三固面三积越三大，三加固三面积三与周三边长三度之三比也三越大三。气三密性三也越三好，三真空三度也三越高三。根三据现三有的三材料三和工三艺设三备，三每块三面积三已达3万㎡三。当在三加固三区发三现有三透气三层和三透水三层时三，一三般可三在塑三料薄三膜周三边采三用另三加水三泥土三搅拌三桩的三壁式三密封三措施三。真空三度与三加固三面积三的关三系4.三6施工三方法4.三6三C三on三st三ru三ct三io三n三Me三th三od三s要保三证排三水固三结法三的加三固效三果，三从施三工角三度考三虑，三主要三应重三视以三下三个三环节：一、三铺设三水平三垫层三、二、三设置三竖向三排水三体三、三施加三固结三压力三。排水三固结三法施三工工三艺一、三铺设三水平三排水三砂垫三层；垫层三材料：渗三水好三的砂三料，三其渗三透系三数一三般不三低于10-3cm三/s，同三时能三起到三一定三的反三滤作三用。三常用三级配三良好三的中三粗砂三。也三可采三用连三通砂三井的三砂沟三（2-三3D，40三-6三0c三m深）三代替三整片三砂垫三层。三不宜三采用三粉、三细砂三。垫层三厚度：满三足渗三流水三能及三时排三出，三应起三到持三力层三的作三用。三一般三应选三用30～50三cm厚度三。对三新吹三填不三久的三或无三硬壳三层的三软粘三土及三水下三施工三的特三殊条三件，三应采三用厚三的或三混合三料排三水垫三层。垫层三施工：机三械分三堆摊三铺、三堆成三若干三砂堆三，然三后用三推土三机或三人工三摊平三。排水三固结三法施三工工三艺二、三竖向三排水三体施三工材料三：30～50三cm直径三的普三通砂三井；7～12三cm直径三的袋三装砂三井；10三cm宽的三塑料三排水三带。1、砂三井施三工2、袋三装砂三井施三工3、塑三料排三水带三施工深圳三河打三设砂三井桩三和排三水板三示意三图袋装三砂井三的施三工过三程袋装三砂井三的施三工过三程插板三机插板三机插板三机插板三机四航三研究三院排三水板三施工三现场三图塑料三排水三板施三工工三艺流三程图塑料三排水三板施三工现三场排水三固结三法施三工工三艺三、三施加三固结三压力（一）三利用三建筑三物自三重加三压一般三应用三于以三地基三的稳三定性三为控三制条三件，三能适三应较三大变三形的三建筑三物，三如路三堤、三土坝三、储三矿场三、油三罐、三水池三等。对油三罐和三水池三等建三筑物三，先三进行三充水三加压三，一三方面三可检三验罐三壁本三身有三无渗三透现三象，三同时三，还三利用三分级三逐渐三充水三预压三，使三地基三土强三度得三以提三高，三满足三稳定三性要三求。对路三堤、三土坝三等建三筑物三，由三于填三土高三、荷三载大三，地三基的三强度三不能三满足三快速三填筑三的要三求，三工程三上都三采用三严格三控制三加荷三速率三，逐三层填三筑的三方法三以确三保地三基的三稳定三性。排水三固结三法施三工工三艺（二三）堆三载预三压堆载三预压三的材三料：三以散三料为三主，三如土三、石三料、三砂、三砖等三。大面三积施三工时三通常三采用三自卸三汽车三与推三土机三联合三作业三。对三超软三地基三的堆三载预三压，三第一三级荷三载宜三用轻三型机三械或三人工三作业三。堆载三预压三工艺三简单三，但三处理三不当三，特三别是三加荷三速率三控制三不好三时，三容易三导致三工程三施工三的失三败。排水三固结三法施三工工三艺（二三）堆三载预三压注意三事项三：1、必三须严三格控三制加三载速三率。三保证三在各三级荷三载下三地基三的稳三定性三。基三本控三制标三准是三：竖三向变三形每三天不三应超三过10三㎜，边三桩水三平位三移每三天不三应超三过5㎜。2、堆三载面三积要三足够三。堆三载的三顶面三积不三小于三建筑三物底三面积三。3、注三意堆三载过三程中三荷载三的均三匀分三布，三避免三局部三堆载三过高三导致三地基三局部三失稳三破坏三。排水三固结三法施三工工三艺（三三）真三空预三压（1）三真空三预压三系统三设置1.排水三通道三施工先在三软基三表面三铺设三砂垫三层和三在土三体中三埋设三袋装三砂井三或塑三料排三水带三；2.埋设三水平三向分三布滤三水管三。主要三作用三：使三真空三度在三整个三加固三区域三内均三匀分三布。要求三：滤三水管三在预三压过三程中三应能三适应三地基三的变三形，三特别三是差三异变三形。材料三：钢三管或三塑料三管，三其外三侧宜三缠绕三铅丝三，外三包尼三龙砂三网或三土工三织物三作为三滤水三层。排水三固结三法施三工工三艺滤水三管布三置：三滤水三管在三加固三区内三的分三布形三式可三采用三条状三、梳三子状三或羽三毛状三等，三滤水三管一三半埋三设在三排水三砂垫三层中三间，三其上三应有10三0～20三0㎜砂层三覆盖三。真空三预压三水平三管路三施工排水三固结三法施三工工三艺（三三）真三空预三压（1）三真空三预压三系统三设置排水三固结三法施三工工三艺3、铺三设密三封膜密封三膜铺三设质三量是三真空三预压三加固三法成三贩的三关键三。要求三：a、应选三用抗三老化三性能三好、三韧性三大、三抗穿三刺能三力强三的不三透气三材料三。普三通聚三氯乙三烯薄三膜性三能不三如线三性聚三乙烯三等专三用膜三好。b、密封三膜热三合时三宜用三双热三合线三平搭三接，三搭接三长度三应大三于15三㎜。密三封膜三宜铺三设三三层，三以确三保自三身密三封性三能。c、膜周三边可三采用三挖沟三折铺三、平三铺并三用粘三土压三边，三围捻三沟内三覆水三以及三膜上三全面三覆水三等方三法进三行密三封。d、当处三理区三内有三充足三水源三补给三的透三水层三时，三应采三用封三闭式三板桩三墙、三封闭三式板三桩墙三加沟三内覆三水或三其他三密封三措施三隔断三透水三层。排水三