《排水固结法》PPT课件.ppt

排水固结法是在建筑物建造前，对天然地基或已设置竖向排水体的地基加载预压，使土体固结沉降基本结束或完成大部分，从而提高地基土强度的一种地基加固方法。,利用此种方法处理软弱地基，可以使相对于预压荷载的地基沉降，在处理期间部分消除或基本消除，使建筑物在使用期间不会产生过大的沉降或沉降差。同时通过排水固结，加速地基土的抗剪强度的增长，提高建筑地基强度及稳定性。,41 概述,第4章 排水固结法,一、排水固结系统的组成,排水固结组成系统,加压系统,排水系统,排水固结,堆 水 预 压,粘 土 膏,粘土膏的电渗电泳试验,玻璃皿,玻璃管,排水系统主要用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。 当软土层较薄或土的渗透性较好并且施工期允许较长时间的话，可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层；若是渗透性很差的深厚软土层，则须在地基中设置砂井等竖向排水体，地面连以排水砂垫层构成排水系统，加快土体的固结。 砂井法特别适用于含水平夹砂或粉砂层的饱和软土地基。对于泥炭及透水性极小的流塑状态饱和软土，在很小的荷载作用下，地基土就出现较大的剪切蠕变，排水固结效果效果差，不宜只用砂井法。,二、排水固结系统作用及适用范围,加压系统目的在于对地基施行预压荷载，使地基土孔隙中的水产生压力差，促使水从饱和地基土自然排出，使地基土固结产生压缩。 堆载预压用填土等外加荷载对地基进行预压，它通过增加地基总应力，并使孔隙水压力u消散来增加有效应力，而真空预压、降低地下水位法和电渗排水是在总应力不变的情况下，通过减小地基内孔隙水压力来增加有效应力的方法，后者由于不会增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，因而适用于很软弱的粘土地基的排水固结处理。 排水固结法适用范围：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。,42 排水固结法加固原理,一、排水系统加固机理,根据太沙基固结理论,固结时间与排水距离的平方成正比，缩短排水距离可大大缩短固结时间。 在地基中设置砂垫层及砂井等的目的就是为了增加排水途径，缩短排水距离，从而加快软弱土层的排水固结。,对于在土层内设置了砂井等竖向排水体的地基，它在荷载作用下，地基的固结属于三维固结中的轴对称问题。求解地基的固结度时，先分别求解在指定时间内地基垂直向固结度和水平向固结度，然后加以综合得出地基的总固结度。,如果考虑逐级加荷，则时间t从加荷历时的一半起算。,1. 竖向平均固结度Uz可按太沙基固结理论计算。,（一）瞬间加荷条件下固结度计算,2.根据Barron的解法计算径向平均固结度Ur,式中 TH 水平向固结时间因数，,CH 水平固结系数，,KH 水平渗透系数(cm/s)，,F与n有关的系数，,n井径比，n =de/dw ，一般取为412。,dw,等效圆柱体的直径de与 砂井间距l 的关系：,砂井影响范围,3.砂井的平均固结度为,4.影响砂井固结度的因素 （1）若软粘土层较厚，砂井未能打穿软土层，应考虑其对固结度的影响； （2）砂井中的砂料对渗流有阻力，会产生水头损失，应考虑井阻作用。 （3）采用机械施工方式，会对周围土产生扰动，对井壁产生涂抹作用而降低径向渗透性。,不同条件的固结度计算公式,续表,（二）逐渐加荷条件下地基固结度的计算,式中 第i级荷载的加荷速率； p各级荷载的累加值； Ti-1、Ti分别为第i级荷载加载的起始和终止时 间（从零点起算），当计算第i级荷 载等速加荷过程中时间t的固结度 时，则Ti改用t。,二、加压系统,（一）堆载预压加固机理 堆载预压法是在建筑物施工前，在地基表面分级堆土或加其它荷重，使地基土压密、沉降、固结，待达到预定的强度变形标准后再卸载，建造建（构）筑物。从而提高地基强度和减少建筑物建成后的沉降量。,e,固结压力c,孔隙比e,0,1,e,a,b,c,d,f,加固机理1减小地基工后沉降： 初次加载曲线，在外加荷载10作用下，土样孔隙比减小了e；卸荷再压缩之后，孔隙比减小量为,e，远小于e，表明大部分压缩变形（ e e）都在预先施压过程中消除了。,a,b,c,d,f,固结压力c,o,抗剪强度f,预压后，土体处于超固结状态，其抗剪强度要比处于正常固结状态时的强度高。,加固机理2提高土体强度：,式中 st预压期所产生的沉降或被消除的沉降； sr残留沉降。 实践证明，预压的效果与预压时间有关，时间越长，消除的沉降st越大，残留沉降sr越小。因此，预压时间取决于永久荷载对残留沉降的要求而定。,堆载预压处理地基有两种方法。,（1）等载预压：预压荷载与永久荷载相等。 此时，地基的最终沉降量由两部分组成：,1.堆载方式,（2）超载预压：预压荷载大于永久荷载的情况。,临时超载填土,砂垫层,砂井,采用超载预压处理软弱地基，其处理效果更好。 原因：（1）经过超载预压后，当土层所受过的固结压力大于使用荷载下的固结压力时，原来的正常固结粘土层将处于超固结状态，其压缩性将进一步降低； （2）采用超载预压还可以达到消除残留沉降和次固结沉降的目的，使sr=0，即在使用期几乎没有沉降发生。 堆载预压时，是通过增加地基中的总应力，并使孔隙水压力u消散来增加有效应力的，地基中孔隙水的排出使由于形成了超孔隙水压力使得水得以排出，地基产生固结，因而称为正固结。,2.地基土抗剪强度增长值的预估,当软弱地基天然强度较低时，必须限制加载速率以利用前期荷载使地基排水固结，提高强度来适应下一级加载，避免由于荷载过大地基强度不足引起地基土失稳。因此，在进行设计时，需要预测抗剪强度在加载过程中的增长情况，以便合理确定预压加载速率。 地基中某一点在某时刻的抗剪强度f可表示为：,式中 f0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； fc由于排水固结而增长的抗剪强度； f由于剪切蠕动而引起的抗剪强度衰 减量。,由于剪切蠕动所引起的强度衰减部分目前尚未提出合适的计算公式，因此实用上地基的抗剪强度可用下式计算：,式中 考虑剪切蠕变及其它因素对强度影响的一个 综合性折减系数，可取0.90.95，若判断 地基土没有强度衰减可能时，则1.0。,强度增量fc的计算方法目前常用有以下两种：,由于,故,（1）有效应力法,（2）有效固结压力法 建筑地基处理技术规范推荐采用此方法。其计算式为：,式中 z预压荷载引起的该点的竖向附 加应力。,排水固结的设计理论着重于： （1）逐渐加载条件下固结度的修正计算； （2）地基强度增长的预计和与其相应的稳定性分析方法； （3）最终沉降量与沉降随时间发展的推算以及根据现场观测资料反算土的力学性质指标等。,真空预压法是以大气压力作为预压荷载。先在需加固的软土地基表面铺设一层透水砂垫层，再在其上覆盖数层不透气的塑料薄膜或橡胶布，四周密封，与大气隔绝。在砂垫层内埋设排水管道，然后与真空泵连通，进行抽气，使透水材料保持较高的真空度，在土体孔隙水中产生负的孔隙水应力，将土中孔隙水和空气逐渐吸出，从而使土体固结。,（二）真空预压加固机理,真空预压法示意图,砂垫层及滤管,铺 膜,抽 气,高真空井点,射流真空泵,射 流 箱,真空预压法的加固机理主要反映在下面三个方面： （1）土中水排出：真空预压在抽气前，薄膜内外均承受一个大气压pa的作用，抽气后薄膜内形成一个压力差：首先使砂垫层，其次是砂井中的气压降到pv，使薄膜紧贴砂垫层，这个压差称之为“真空度”。 砂垫层中形成的真空度，通过垂直排水通道逐渐向下延伸，同时，真空度又由垂直排水通道向其四周的土体传递与扩散，引起土中孔隙水压力降低，形成负的超静孔隙水压力。从而使土体孔隙中的气和水由土体向垂直排水通道发生渗流，最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被泵抽出。,1.加固机理,（2）有效应力增加：地下水在上升的同时，形成排水体附近的真空负压，使土体内的孔隙水压形成压差，促使土中的孔隙水压力不断下降，地基有效应力不断增加，从而使土体固结；同时抽气后土体中水位降落，也会增加有效应力。 （3）封闭气泡排出，土的渗透性加大：当饱和土体中含有少量封闭气泡时，在正压作用下，封闭气泡会堵塞孔隙，使土的渗透性降低，固结过程减慢。但在真空吸力下，封闭气泡被吸出，从而使土体渗透性提高，固结加快。,土体和砂井间的压差，开始时为（papv），随着抽气时间的增长，压差逐渐变小，最终趋向于零，此时渗流停止，土体固结完成。所以真空预压过程，实质是利用大气压差作为预压荷载，使土体逐渐排水固结的过程。,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，这种方法和降水预压一样都是在负超孔隙水压力下排水固结，因而称为负压固结。,真空预压法能取得相当于7892kPa的等效荷载堆载预压法的效果。,堆载预压法，土体中的总应力是增加的，真空预压，总应力保持不变； 堆载预压法中，土体孔隙中形成的孔隙水压力增量是正值，即超静水压 力是正值；真空预压法中，土体孔隙中形成的孔隙水压力增量是负值。 堆载预压法中，土体有效应力的增长是通过正的超静孔隙水压力的消散 来实现的，而真空预压法中，土体有效应力的增长是靠负的超静孔隙水 压力的形成来实现的。 堆载预压法中，土体加固后形成的有效应力与上部施加的荷载大小有 关，并且在垂直向和水平向上大小一般是不同的；真空预压法中土体有 效应力的增加具有最大值，理论上最大为一个大气压，一般都低于此 值，由于有效应力的增加依赖于孔隙水压力的降低来实现。所以，土体 加固过程中有效应力增加值在垂直、水平及其他各方向上是相同的。,2.堆载预压与真空预压在加固机理方面区别,3.真空预压法的优点及缺点,（1）不需要大量堆载，可省去加载和卸载工序，节省大量材料、能源和运输能力，缩短预压时间； （2）真空法所产生的负压使地基土的孔隙水加速排出，可缩短固结时间；同时由于孔隙水排出，渗流速度增大，地下水位降低，由渗流力和降低水位引起的附加应力也随之增大，提高了加固效果；负压可通过管路传到任何场地，适应性强； （3）孔隙渗流水的流向及渗流力引起的附加应力均指向被加固土体，周围土体向预压区移动使整个加固地基呈收缩的趋势；,（4）适用于超软粘土以及边坡、码头等地基稳定性要求较高的工程地基加固，土愈软，加固效果愈明显； （5）真空预压加固地基影响范围广而深； （6）无噪声、无振动、无污染，可做到文明施工。,缺点：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，因而当淤泥层厚度小于8m时预压效果较好，厚度超过8m则有所减弱，厚度越大越明显。,3.真空预压法适用范围,真空预压法适用于能在加固区形成（包括采取措施后形成）负压边界条件的饱和均质粘性土及含薄层砂夹层的粘性土，特别适于新吹填土、超软粘土地基的加固。 但不适用于表层存在良好透气层或在加固范围内有较厚透水层并有充足水源补给的地基。,43 堆载预压法设计,加压系统设计：堆载材料的选用及堆载预压计划的确定。 排水系统设计：竖向排水体材料选用、排水体长度、断面、平面布置的确定等。,一、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；油罐通常利用罐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。,1. 加荷计划地确定,主要内容：分级加载速率和每级荷载的大小、总荷载水平、预压时间、预压加载范围等。 具体步骤如下：,（1）根据天然地基的抗剪强度确定第一级加载p1,一般的浅基础可采用斯开普顿极限荷载的半经验公式初步估算：,式中 cu 天然地基不排水抗剪强度； Nc 承载力因数； 矩形基础：Nc=5.52， 圆形基础：Nc=6; K 安全系数，K=1.31.5； l、b 基础的长边和短边； d 基础的埋置深度； 0 地基土的重度。,对于堤坝地基或条形基础可采用下式计算：,或,（Fellenius公式）,（2）计算第一级荷载作用下地基强度增长值 在p1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cu1，,一般可先假定一固结度，工程上常要求Ut7080（即让地基在荷载p1作用下达到相应固结度后再施加下一级荷载），计算出强度增量后再求出cu1。,式中 cup1作用下地基因固结而增长的强度，,（3）计算p1作用下达到所确定固结度（7080）所需时间。 目的：确定第一级荷载停歇时间，亦即第二级荷载开始施加的时间。 （4）根据第（2）步所得到的增长后的地基强度值计算第二级所能施加的荷载p2。 再同样求出在p2作用下地基达到设定固结度时（7080）的抗剪强度cu2以及所需时间。依次类推，可计算以后各级荷载及其间隔时间，从而制定出初步加载计划。,（5）对初步确定的加荷计划应进行每级荷载下地基的稳定性验算，如稳定性不满足要求，则需调整加荷计划。 （6）计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。 目的：确定预压荷载卸除的时间，这时地基在预压荷载作用下所完成的沉降量已达到设计要求，所剩余的沉降是建筑物所允许的。,2. 预压总荷载的确定及预压加载范围,预压总荷载水平通常是以建筑物的基底压力大小为依据，一般两者相同。但对沉降有严格限制的建筑，以及深厚土层中竖向排水系统难以达到设计深度等情况下，为缩短预压时间，可采用超载预压。超载量应根据预压期间要求消除的变形量通过计算确定，一般超载应控制小于设计荷载的30。 预压荷载的分布应与建筑物的设计荷载分布大致相同。加载范围不应小于建筑基础外缘所包括的范围。,二、排水系统设计,1. 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板。 普通砂井的特点：优点井径较大、排水性能良好、井阻和涂抹作用的影响不明显。缺点容易出现不连续和缩颈现象，施工速度较慢、工程量大、造价较高。 袋装砂井优点：（1）能够保证砂井的连续性； （2）打设设备轻型化； （3）用砂量减少，工效高，造价低。,若需要设置的竖向排水体长度超过20m，建议采用普通砂井。,塑料排水带：排水畅通、质量轻、强度高、耐久性好等特点，是一种较理想的竖向排水体。,插 板 机,塑料排水板,2. 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、地基中附加应力的大小、施工期限和施工条件以及建筑物对地基稳定性和变形的要求等因素确定，具体原则为：,（1）当软土层不厚（10m）、底部有透水层时，排水体应尽可能穿透软土层； （2）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；,（3）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0.10.2）； （4）对稳定性控制的工程（路堤、土坝），排水体深度应通过稳定分析确定，打入深度至少应超过最危险滑动面最大深度2m； （5）按沉降控制的工程，排水体打入深度应到达地基沉降计算时有效压缩层的深度。,3. 竖向排水体平面布置设计 内容：平面布置型式和井径、井距选择。 砂井在平面上的布置可采用等边三角形或正方形排列，以等边三角形排列较为紧凑和有效。 普通砂井直径一般为300mm500mm，井径比为68； 袋装砂井直径一般为70mm120mm，井径比1522； 塑料排水带常用当量直径（周长相等）表示，其当量直径可按下式计算：,式中 换算系数，约为0.751.0； b塑料排水带宽度； 塑料排水带厚度。 塑料排水带尺寸一般为100mm4mm，井径比与袋装砂井类似，一般为1522（30）。,竖向排水体的间距可根据地基土的固结特性和预定时间内所要求达到的固结度确定，设计时，间距可按井径比选用。一般砂井间距在1.5m2.0m。 砂井直径与间距的关系：砂井截面大小只要能保证从周围软土中渗流进来的水能及时排出去即可，由于软土的渗透性比砂土小，因此砂井的理论直径可很小。但直径过小，施工困难，而且有可能出现灌砂量不足、缩颈或砂井不连续等质量问题，而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更好，即井径和井间距的关系是“细而密”比“粗而稀”为佳。 但间距也不能太小，否则施工时对周围土体扰动大，有破坏土体结构的可能。,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24m。 4. 砂料设计 制作砂井的砂应选用中粗砂。砂的粒径必须能保证砂井具有良好的透水性。砂料应是洁净的，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外。 砂垫层的砂料一般采用级配良好的中粗砂，含泥量不宜超过3。,砂垫层厚度在陆地上约为0.50.8m；水下施工时，砂垫层厚度一般为12m。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。为节省砂子，也可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层，砂沟的高度一般为0.51.0m，宽度取砂井直径的2倍，砂井位于砂沟的交叉点上。,砂沟排水构造,44 施工方法,包括三部分：铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加荷载。,铺设水平垫层的目的：连通水体，将土体中渗出的水迅速排出，同时防止土颗粒堵塞排水通道；对软粘土地基起到持力层的作用。 1.垫层材料 宜用中粗砂，一般不宜选用粉砂和细砂；砂垫层的干密度1.5t/m3，其渗透系数宜大于10-2cm/s。,一、水平排水垫层的施工,2.水平排水系统的设置,在预压区边缘应设置排水沟，与集水井相连，在预压区内宜设置与砂垫层连通的排水盲沟。,水平排水系统设置,3.垫层厚度 厚度应能保证土从土中渗出的水能及时排出；厚度应满足施工时的承载要求。 砂垫层的厚度一般不宜小于500mm。 4.垫层施工 地基土表层可承受一般机械运行时，采用机械分堆摊铺或顺序推进摊铺法； 不能时可选用人力车或轻型皮带传输机由里向外或一边向另一边铺设； 铺设荆笆、透水性好的编织物或土工聚合物。,5.施工要点 厚度和平面尺寸要符合设计要求；误差小于10； 与竖向排水体连接好，不允许混入杂物，防止堵塞排水通道； 避免对地基土产生扰动； 对真空预压垫层，面层4cm厚度范围内不得有带棱角的硬物。,二、竖向排水体的施工,（一）普通砂井施工 1.砂井材料 砂井的材料应采用中粗砂，不得含有杂物； 砂粒级配应满足下式，保证有反滤作用；,2.施工顺序 应遵循：先中间后周边的原则。,3.施工工艺 砂井成孔方法有：套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法。 套管法 套管法是将带有活瓣桩尖或套有混凝土端靴的套管沉入到土层预定深度后，再灌砂、拔管成砂井。 根据沉管工艺不同，分为：静压沉管法、锤击沉管法、锤击静压联合沉管法和振动沉管法。 施工要点：沉管到设计深度灌水至充满灌砂至充满拔管。,射水法 射水法是利用射水管的高速水流的冲击及环形切刀的机械切削作用。破坏土体，形成具有一定直径和深度的砂井，然后灌砂形成砂井。 主要机具设备：高压水泵、冲管、卷扬机。,1）施工工艺 a.机具就位，埋设护筒； b.冲管起吊，对准砂井中心； c.成孔至设计深度； d.提起冲管并清孔； e.灌砂。,2）施工要点 a.控制好冲孔水压力和时间； b.保证灌砂量和灌砂率； c.做好清孔工作； d.做好泥浆排放工作； e.淤泥或淤泥质土施工要慎重； f.井口要保证高出自然地面。,（3）螺旋钻成孔法 以动力螺旋钻钻孔，属于干钻法施工，提钻后孔内灌砂成形。适用于陆上工程，砂井长度在10m以内，土质较好，不会出现缩颈和塌孔现象的土层。,4.质量要求 保证砂井连续和密实，不缩颈； 减少对周围土体的扰动； 砂井长度、直径、间距要满足设计要求； 砂井水平位置的允许偏差为该井直径，垂直度的允许偏差为1.5。,(二)袋装砂井施工 1.砂袋材料要求 良好透水性； 足够的抗拉强度； 一定的抗老化性能； 抗腐蚀性能。,2.施工机具 袋装砂井成孔方法：锤击打入法、射水法、静力压入法、钻孔法和振动沉管法。 目前，国内常用的是振动沉管法。,3.施工工艺 施工顺序 放线测量机具定位设置桩尖沉管成孔投送砂袋拔管成井 施工方法 灌砂：a.先投后灌法；b.先灌后投法； 沉管； 吊送砂袋与拔管成桩。,套管直径的选用应根据砂井直径而定，不可太大，也不宜太小。在套 管上划出控制标高的刻划线。一般采用活瓣式桩尖固定在套管下端部。 套管打入前将活瓣桩尖与套管口封闭，用振动或静压法将套管压入设计 深度。要确保定位正确、套管垂直、深度符合设计要求。 下砂袋时必须将整个砂袋吊起，从端部放入套管口，徐徐下放，要防止 砂袋扭结、断裂和砂袋磨损。 拔管时应先启动激振器，后提升套管，要连续缓慢地进行，中途不得放 松吊绳，防止因套管下坠损坏砂袋，若套管起拔时砂袋随套管上吊，可 将套管下放至原位，在套管内加放少量水，帮助打开桩尖活瓣。当带出 长度大于0.5米时应重新补打。 套管拔出后，砂袋应露出孔口不小于30厘米，并将其埋入砂垫层中。,4.注意事项,(三)塑料带排水法施工 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作为竖向排水体，通过改善排水条件，促使地基软土再荷载作用下排水固结。 1.施工机具 要求：具有较低的接地压力和较高的稳定性； 插带速度快，对地基扰动小； 移位迅速，对位容易。 2.导管靴和桩尖 导管靴有：圆形和矩形。桩尖因导管靴不同而选择不同桩尖。 桩尖的作用：防止淤泥等进入管内，防止提管时将塑料排水