地基处理(排水).ppt

排水固结技术,DrainConsolidation,地基处理,SoilImprovement,1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）竖向排水体，然后利用建筑物自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，同时强度逐渐提高的方法。,概述,排水固结法能解决软粘土地基的沉降和稳定问题。可使地基的沉降在预压期间基本完成或大部分完成，保证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，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共同组合而成的。,系统由两个部分组成：排水系统和加压系统。,排水固结法体系的组成,排水系统,加压系统,根据排水系统和加压系统的不同，排水固结法可分为堆载预压法、砂井(包括袋装砂井、塑料排水板等)堆载预压法、真空预压法、降低地下水位法和电渗法。,排水固结法的种类,堆载预压法和砂井堆载预压法唯一的区别在于：前者的排水系统以天然地基土层本身为主；而后者在天然地基中还人为地增设了诸如砂井等排水系统。,排水固结法的应用范围,用于处理软粘土地基，是十分有效的方法。,按照使用目的可以解决两个问题,沉降问题,稳定问题,排水固结法的应用条件,预压荷载预压时间适用的土类,沉降问题(settlementproblems),采用竖向排水固结与不采用竖向排水固结的实测沉降-时间曲线对比,采用竖向排水固结与不采用竖向排水固结的实测沉降-时间曲线对比,不排水-等载预压排水-超载预压排水的沉降曲线,稳定问题(stabilizationproblems),地基间歇式加荷的应力路径,竖向排水提高边坡稳定性,系统组成排水系统,系统组成排水系统,材料,WickDrains,sand,gravel,系统组成排水系统,VerticalWickDrains,VerticalWickDrains,HorizontalDrains,水平排水体,HorizontalDrains,水平排水体,系统组成加压系统,堆载,桥头高填土堆载预压,场地高填土堆载预压,临时填土堆载预压,预压法是以事先完成的沉降和由于固结使地基强度增长的两个要素为目标的，这种加固方法成立的背景，是以具有饱和粘性土地基由于固结而增加强度，以及所谓一旦地基固结沉降，即使卸掉荷载实际上也不恢复原来状态这两种条件而构成的。,如果软土层不太厚(5m)或固结系数比较大(cvlx102cm2/s)时，不需要很长时间就可获得较好的预压效果；反之，饱和软土层比较深厚(lom)，而且固结系数又比较小(cv1xI0-3cm2/s。)，则排水固结所需随时间很长。堆预压的地基处理方法就受到了限制。,注意：,排水固结法能否获得满足工程要求的实际效果，则取决于地基土层的固结特性、土层的厚度、预压荷载的大、小和顶压时间长短等因素。,2排水固结法的原理(一)堆载预压加固机理,加固软土层,竖向排水体,排水垫层,水平排水盲沟,堆载预压（Preloading）是指在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之缩小，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，地基土强度逐渐增长。堆载预压法就是用填上等外加荷载来增加总应力并使超静孔隙水压力u消散从而增加有效应力的方法。降低地下水位和电渗排水法是总应力不变,减少孔隙水压力来增加有效应力的方法。,(一)堆载预压加固机理,(一)堆载预压加固机理,堆载预压法一般根据预压目的选择加压方法：如果预压是为了减小建筑物的沉降，则应采用预先堆载加压，使地基沉降产生在建造建筑物之前；若预压的目的主要是增加地基强度，则可用自重重加压，即放慢施工速度或增加土的排水速率，使地基强度增长与建筑物自重的增加相适应。预压的荷裁一般应等于设计的荷载，为了缩短工期，也可大于设计荷载，此时称为超载领压，必需注意，任何时候预压都不得使地基上发生破坏。,(一)堆载预压加固机理,排水预压法的一些现场施工照片,a95feet(29m)longhangingmastinstallswickdrainsunderwater,EQUAKEdrainsareinstalledforanewhotelinSt.Lucia,BritishWestIndies.Thedrainsweretestedbya5.4magnitudeearthquakeevenbeforethehotelwasfinished.jpg,真空预压发展历史:由瑞雪皇家地质学院W.Kjellman教授于1952提出.开始由于密封及抽真空装置问题,并未被很好应用.70年代后期,日本采用塑料排水板与真空降水相结合,取得理想效果.我国防50年代末60年代初引进并进行研究,开始也被能运用到工程实际中,到80年代初,由交通部一航局、天津大学和南京水利科学研究院等以过合作研究，对施工工艺和加固机理解释上取得了进展，关成功运用到工程中。我国在真空预压排水加固软基的技术方面已经处于世界相对领先的水平。真空预压法（VacuumPreloading）是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋深垂直排水管道，再利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。见下图所示。,(二)真空预压加固机理,工艺设备平面和剖面图,真空预压加固机理示意图,真空联合堆载预压加固机理示意图,VacuumConsolidation,系统组成加压系统,真空预压,FLASH,VACUUMPRELOADING,目前真空预压研究热点：,（1）真空预压加固地基的影响范围问题，这一问题包括两个方面的内容，一是真空预压加固地基的有效深度问题，二是真空预压加固地基对周边的影响区问题。（2）真空预压加固地基中有关地下水位的影响问题，这一问题包括真空预压导致地下水位下降的机理及意义，地下水位下降的极限深度，地下水位下降计算方法等方面。（3）真空预压加固地基的沉降计算问题，这一问题包括真空预压加固地基沉降组成分析，真空预压加固地基实用沉降计算方法，真空预压消除地基工后沉降的机理及计算等方面。（4）真空预压加固地基的稳定计算问题，这一问题包括真空预压加固地基强度增长问题，真空预压加固地基稳定增长计算模型的建立待方面。（5）大量真空预压工程式积累了一大批实测资料，需要对这些资料的分析整理，总结真空预压加固地基各相关参数变化规律。同时改进真空预压加固地基监测技术，以获得更多更可靠边的监测数据。（6）改进先有真空预压加固地基设计方法，引入优化设计的思想。（7）改进真空预压加固地基工艺，提高该技术的实用性、经济性。,真空项压的加固机理主要反映在以下几方面：,1、薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载在抽气前，薄膜内外都承受一个大气压Pa。抽气后薄膜内气压逐渐下降，首先砂垫层，其次砂井中的气压降至Pv，帮使薄膜紧贴砂垫层。由于土体与砂垫层和砂井间的压差，从而发生渗流，使土中的孔隙水压力不断降低，有效应力不断增加，从而促使土体固结。土体和砂井间的压差，开始时为Pa-Pv，随着抽气时间的增长，压差逐渐变小，最终趋于零，该时渗充停止，土体固结完成。,真空项压的加固机理主要反映在以下几方面：,2、地下水位降低，相应于增加一个附加应力抽气前，地下水位离地面H1，在此范围内的土体便从浮重度变为湿重度，此时土骨架增加了大约水高H1-H2的固结压力。,3、封闭气泡排水，土的渗透性加大。如饱和土体中含有少量的封闭气泡，在正压作用下，该气泡堵塞孔隙，使土的渗透性降低，固结过程减慢。但在真空吸力下，封闭气泡被吸出孔隙，从而使土的渗透性提高，固结过程加速。,真空预压法,真空膜,水气收集管道系统,水气收集管道系统,工作原理,处理效果数据,真空预压模型试验,真空预压处理现场鸟瞰,(3)长期侧向变形,第三节设计与计算,一、设计计算理论,堆载预压，根据土质情况分单级加载和多级加载；根据堆载材料分为自重预压、加荷预压和加水预压。,排水固结法主要要求:(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,（一）砂井固结理论,砂井（或塑料排水板）地基的固结度计算属于三维问题。在轴对称条件下，单元井固结课题，RedulicTerzaghi固结理论,采用分离变量原理，则上式可分解成,（一）砂井固结理论,竖向固结的求解，可以采用Terzaghi解答，其固结度的计算公式为其中,（一）砂井固结理论,Barron(1948)根据等应变条件，其水平向固结度的计算公式为其中,（一）砂井固结理论,Carrillo（1942）根据前述分离变量原理，解得：或卡里罗定律,（一）砂井固结理论,砂井未穿透软弱土层平均固结度计算,砂井深度H1范围内根据上述单元井固结理论计算砂井以下部分H2范围内土层可简单地假定砂井底面为一排水面，采用Terzaghi解答计算。因此，整个土层平均固结度U,式中砂井打入深度H1与整个固结土层厚度比值，即；U1、U2分别为砂井范围内土层（H1）固结度和砂井以下部分土层（H2）固结度。,砂井未打穿软弱粘性土层,砂井未穿透软弱土层平均固结度计算,改进太沙基法基于如下基本假定（1）分级荷载增量Pi所引起固结过程是单独进行，与上一级荷载增量无关（2）总的固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加（3）等速加荷周期内，经过t的固结度与t/2时刻施加相应瞬时荷载固结度相同，即计算采用固结时间为t=t/2（4）等压期间，某一时刻t（tTi）固结度，计算采用t为等压时间（t-Ti）加上等速加载Ti/2，即（5）计算的固结度尚应对总荷载的比例进行修正,（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法,分级等速加荷固结计算,以二级等速加荷为例，说明Terzaghi改进法分级加荷固结计算的方法当时，进入首次等速加载过程，对于本级荷载p1，有当按总荷载计算固结度时，上式改写成,（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法,当时，进入首次等压期，计算采用时间修正后固结度为,（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法,当时，进入二次等速加载对p1，采用的固结计算时间为对，固结度计算时间则为所以有,（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法,当进入第二次等压期，则对p1，采用的固结计算时间为对，固结度计算时间则为，则固结度计算为,（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法,多级等速加荷可依次类推，并归纳如下式式中Tn、Tn+1分别为各级等速加荷的起点和终点时间；pn为第i级荷载的增量。,（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法,（三）井阻与涂抹作用,地基中设置竖向排水系统，本身透水性虽然大，而对渗流总有一定的阻力，称为井阻（wellResistance）在竖向排水系统施工中，井管插拔对井壁附近一定区域土体具有涂抹作用，该作用降低了土体径向渗透系数，称为施工涂抹作用（SmearEffect）。近年来，断面尺寸较小塑料排水板。井径dw、井间距de减小，降低了地基径向排水渗径，提高了地基排水固结的速率。考虑井阻和涂抹作用的非理想井固结理论具有现实的意义。在Barron解的基础上，Yashikmmi（1979）和Hansbo（1981）提出了可以考虑上述作用的非理想单元井固结理论。,（三）井阻与涂抹作用,Hansbo考虑井阻和施工涂抹的固结度解答，以PVDs为例,其中：,PVDs通水能力设计值qw根据PVDs室内试验通水能力极限值qult确定，qult基于Short-Term试验得出，一般2550升/sm。美国ASTMD4716（ASTM，1996），采用水头梯度1.0，PVDs侧面正应力200kPa，得到qw表达式如下式中RFIN反滤土工织物弹性应度，压缩了芯板排水通道的折减系数；RFCRPVDs的蠕变折减系数；RFCC反滤织物和芯板孔隙中化学物质沉淀产生化学阻塞作用的折减系数；RFBC芯板排水通道或反滤织物孔隙上生物积聚阻塞作用的折减系数；RFK由固结变形导致PVDs的纠结、皱折和应变的折减系数。,（三）井阻与涂抹作用,PVDs的使用时间较短，化学和生物的阻塞影响相对较小，一般可以忽略考虑井阻、涂抹，亦可简单乘以一个折减系数0.800.95特殊情况下，PVDs可以长期使用，例如降压、加筋，抗液化,（三）井阻与涂抹作用,在附加荷载作用下，某一时间，土体中一点的抗剪强度tf可用下式表示式中tf天然地基在加荷前的抗剪强度kPa）；Dtfc由于固结而增长的抗剪强度（kPa）；Dtft由于剪切应力水平提高和应变发展所引起的土体强度衰减（kPa）。,（四）地基强度的增长规律,Dtft研究不够深入，表达式一般改写成式中土体剪切应力等因素对强度影响综合性折减系数=0.750.90。,（四）地基强度的增长规律,天然地基的强度可用十字板剪切试验或无侧限抗压试验确定。采用十字板剪切试验，软土地基强度S0与深度z关系基本上是直线当采用无侧限抗压试验，确定地基初始抗压强度时式中qu土体的无侧限抗压强度（kPa）。,（四）地基强度的增长规律,地基初始强度与深度的关系,a,h,c,0,l,=tan,a,强度增量估算上式可以改写成由此可以得到,（四）地基强度的增长规律,（五）沉降计算,总沉降包括三部分:瞬时沉降、固结沉降、次固结沉降,超载预压,实际工程中还往往采用超载预压方法来消除主固结沉降，以缩短预压时间。预压期间任一时刻地基沉降量可表示为：,上式可用于：(1)确定所需的超载压力值ps以保证在使用荷载pf作用下预期的总沉降量在给定的时间内完成；(2)确定在给定超载下达到预定沉降量所需要的时间。,为了消除永久性荷载下的固结沉降，只要将超载保持到时间tsR时刻，以使超载作用下，地基的固结沉降量等于永久荷载下的最终固结沉降，即ssRsf，为了消除超载卸除以后继续发生的主固结沉降，超载应维持到使上层中间部位的固结度Uz（f+s）达到下式要求：,超载预压的标准,该方法要求将超载保持到pf作用下所有点都完全固结为止，这时土层的大部分将处于超固结状态。因此，这是一个安全度较大的方法，它预估的ps值或超载时间都大于实际所需的值。,对于有机质粘土、泥炭上等，其次固结沉降是重要的，采用超载预压法对减小永久荷载下的次固结沉降有一定效果。,在预压法中地基中固结压力荷载来源利用建筑物自身重量加压的方法外加预压荷载（堆载）加压的方法减小地基中孔隙水压力方法/降水法,（六）预压方法,1、利用建筑物自重加压方法,是一种经济而有效的方法，加压周期长，对沉降差要求严格结构不宜此法。应用于地基稳定性、适应较大变形的建筑物路堤、土坝、贮矿场、油罐、水池等。特别是对油罐或水池等建筑物，例如先进行充水加压，既可检验有无渗漏；又可利用分级充水预压，地基土强度提高，满足稳定性要求。路堤、土坝等建筑物，严格控制加荷速率，逐层填筑确保地基稳定性。,2、堆载预压方法,堆载预压法，预先堆填等于或大于设计荷载的散粒料，如石料、砂和砖等。1）堆载面积不得小于建筑的基础底面积；2）严格控制堆载的速率，确保各级荷载下地基稳定性，避免局部破坏；3）超软地基或竖向排水体施工扰动后软弱地基，堆载预压荷载大小、施工工艺应更加精心设计，避免土扰动和破坏。,3、真空预压法,减少地基中孔隙水压力可采用真空技术和降水技术，无需强度稳定控制。首先在地基中设置竖向排水通道和地表平面排水通道；埋设吸水管道与抽真空装置连接，形成抽气、抽水系统；铺设不透气封闭膜，薄膜四周埋入土中一定深度；通过抽气、抽水在地面排水系统和竖向排水体中形成负压区真空预压法真空度一般可达80kPa（目前达到130kPa）。通过不断的抽气、抽水，孔隙水在压差作用下，排出土体而固结。,真空预压和堆载预压可叠加。加固地基中，真空预压使得排水系统压力降至pv，在压差(pa-pv)作用下，土中水流向排水体发生真空预压固结。堆载预压使得土体中孔隙水压力增高至pp，在压差(pp-pa)作用下，土中水流向排水体发生堆载预压固结。真空和堆载联合预压时，被加固地基土体在压差(pp-pv)作用下，土中水流向排水体发生固结。联合预压的压差增大，荷载强度提高，加固效果相对更好。,1、堆载预压的计算步骤（1）计算第一级容许加载p1。利用天然地基土的抗剪强度确定：,K安全系数，取1.11.5；D基础埋深。A、B基础长、短边，基础标高以上土的重度。,堆载预压法设计计算（一）加压系统,对于饱和软粘性土采用下式：,对于长条形填土，采用（Fellenius公式估算）：,（一）加压系统,（2）计算第一级荷载下地基强度增长值。提高后的地基强度为cu1,cu当固结度达到70时的地基强度增量。考虑剪切蠕动的强度折减系数。,（3）计算p1作用下达到确定的固结度时间，即决定了下级荷载加载时间。,（一）加压系统,（4）根据第二步所得到的地基强度cu1计算第二级施加的荷载p2,（5）进行每一级加载下地基稳定性验算。（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。,（一）加压系统,（二）排水系统设计计算,丹尼尔.莫兰（Daniel.E.Moran）最早（1925年）将垂直砂井用于土的深层加固，1926年获得专利。,SandDrains,砂井设计,砂井地基的设计工作即为选择适当的砂井长度、直径、间距、以及形成有效的砂井排水系统所需的材料、砂垫层厚度等，以随地基在批载预压过程中，在预期的时间内，达到所需要的固结度(通常定为80)。,1砂井直径和间距,常采用“细而密”原则。,一般砂井直径：300400mm；间距：68倍井径。,袋装砂井直径：70120mm；间距：1530倍井径。,设计时先假定井距，再计算地基固结度，若不能满足要求，则可缩小井距或延长施工工期。,2砂井长度,根据现场各种因素定。（土层厚、有无透水层、压缩层厚度、承压水、稳定控制、沉降控制量等）一般1025米。,深度主要根据土层的分布、地基中附加应力大小、施工期限和条件及地基稳定等因素确定。1）当软土层不厚、底部有透水层时，应穿透软土层。2）当深厚的压缩土层间有砂层或砂透镜体时，砂井应尽可能打至砂层或砂透镜体，而采用真空预压时应尽可能避免砂井与砂层连接，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确定（一般为0.10.2）。,2砂井长度,4）若砂层中存在承压水，由于承压水的长期作用，粘土中就存在超孔隙水压力，对粘性土固结和强度增长不利，所以宜将砂井打到砂层，利用砂井加速承压水的消散。5）按稳定性控制的工程，如路堤、土坝、岸坡、堆料等，砂井深度应通过稳定分析确定，砂井长度应大于最危险滑动面的深度。6）按沉降控制的工程，砂井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。砂井长度一般1025m。,2砂井长度,3砂井排列,正三角形排列,正方形排列,排水路径,砂井在平面上可布置为正三角形（梅花形）或正方形，以正三角形排列较为紧凑和有效。,l,l,de,de,4.砂井的布置范围:,大出基础轮廓线24m。,5.砂垫层,在砂井顶面应铺设排水砂垫层，以连接砂井，引出从上层排入砂井的渗流水。砂垫层的厚度一股为0.30.5m(水下砂垫层厚度为1.0m左右)。如砂料缺乏，可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。,horizontaldrainsystemisinstalledtocollectwatersqueezedintothecrushedstoneblanket.jpg,Horizontaldrainsareinstalledinsandblankettocollectwatertobedischargedfromverticaldrains.jpg,Heavyclayisplacedatopverticalandhorizontaldrainsystemstosqueezewateroutofthebogandcompactthesoftsubsoils,6、砂料宜选用中粗砂，砂的粒径必须保证砂井具有良好的透水性。砂井粒度要不被粘土粒堵塞。砂应洁净，不应有草根等杂物，其含泥量不超过3。,沉降监测、水平位移监测、孔隙水压力监测,(三)现场监测,第四节施工方法,一、堆载预压施工方法保证排水固结法的加固效果的三个环节：铺设水平排水垫层、设置竖向排水体和施加固结压力。,第四节施工方法,（一）水平排水垫层施工1、垫层材料选用透水性较好的砂料，其渗透系数一般不低于10-3cm/s，同时起到反滤作用。通常采用级配良好的中粗砂，含泥量不大于3%，不宜采用粉、细砂。也可采用连通砂井的砂沟来代替整片砂垫层。排水盲沟的材料一般采用粒径为35cm的碎石和砾石。,2、垫层尺寸（1）确定排水层平面尺寸和厚度时，须考虑加固场地的面积、加固地基单位时间的排水量、排水层材料的渗透系数和地基处理所采用的施工工艺。排水垫层厚度首先满足从土层渗入垫层的渗流水能及时排出；另一方面能起到持力层的作用。一般陆上垫层厚度：2050cm，水下垫层：80100cm。对新吹填不久的或无硬壳层的软粘土及水下施工的特殊条件，应采用厚的或混合料排水垫层。,（2）排水层兼作持力层，应满足承载力要求。（3）排水砂垫层的宽度等于铺设场地宽度，砂料不足时，可采用砂沟代替砂垫层。（4）砂沟的宽度为23倍砂井直径，一