地基处理排水固结.ppt

排水固结法 排水固结法 排水固结法是目前土木工程广为采用的地基处理方法 通过国内外众多专家学者近50年的共同努力 在排水系统 水荷载预压 水下真空预压 真空井点降水 真空联合堆载预压加固等方面均取得了大量有较高水平和实用价值的成果并在工程中得到广泛的应用 在堆载排水预压法的应用方面 我国已有大量成功经验与应用成果 如广东的高速公路 深圳湾填海等大型堆载预压加固项目 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 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 排水固结 加固机理设计与计算施工工艺质量检验 排水固结 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 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 同时强度逐步提高的方法 排水固结 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基本完成或大部分完成 使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 从而提高地基的承载力和稳定性 排水固结 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 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 美国跨越金山湾南端的Dumbarton桥东侧引道路堤场地 路堤下淤泥的抗剪强度小于5kpa 其固结时间将需要30 40年 为了支撑路堤和加速所预计的2m沉降量 采用如下方案 1 采用土工聚合物以分布路堤荷载和减小不均匀沉降 2 使用轻质填料以减轻荷载 3 采用竖向排水体使固结时缩短到一年以内 4 设置土工聚合物滤网以防排水层发生污染等 加固机理 1 堆载预压加固机理 2 真空预压加固机理 1 堆载预压加固机理 预压法 在建筑物建造以前 在建筑场地进行加载预压 使地基的固结沉降基本完成并提高地基土强度的方法 在饱和软土地基上施加荷载后 孔隙水被缓慢排出 孔隙体积随之逐渐减少 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 在荷载作用下 土层的固结过程就是超静孔隙水压力 简称孔隙水压力 消散和有效应力增加的过程 堆载预压固结法示意图 2 真空预压加固机理 真空预压法 在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层 然后埋设垂直排水管道 再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 真空预压的原理主要反映在以下几个方面 1 薄膜上承受等于薄膜内外压差的荷载 2 地下水位降低 相应附加应力增加 3 封闭气泡排出 土的渗透性加大 真空预压法示意图 真空预压法 设计与计算 排水固结法的设计 实质上就是进行排水系统和加压系统的设计 使地基在受压过程中排水固结 强度相应增加以满足逐渐加荷条件下地基稳定性的要求 并加速地基的固结沉降 缩短预压的时间 设计与计算 堆载预压法处理地基的设计应包括下列内容 1选择塑料排水带或砂井 确定其断面尺寸 间距 排列方式和深度 2确定预压区范围 预压荷载大小 荷载分级 加载速率和预压时间 3计算地基土的固结度 强度增长 抗滑稳定性和变形 设计与计算 加载预压法设计包括加压系统和排水系统的设计 加压系统主要指堆载预压计划以及堆载材料的选用 排水系统包括竖向排水体的材料选用 排水体长度 断面 平面布置的确定 设计与计算 一 加压系统设计目前采用的加压方法包括 堆载法 利用建筑物自重法 降水法 真空法以及联合法等 设计与计算 1 堆载预压法堆载预压是在建筑施工前通过临时堆填土 砂 石 砖等散料对地基加载预压 使地基土的沉降大部分或分基本完成 并因固结而提高地基承载力 然后除去堆载 再行建筑施工的一种处理方法 该法适用于各种软粘土地基 设计与计算 1 堆载预压的计算步骤由于软粘土地基抗剪强度较低 无论直接建造建筑物还是进行堆载预压往往都不可能快速加载 而必须分级逐渐加荷 待前期荷载下地基强度增加到足以加下一级荷载时方可加下一级荷载 计算步骤 先用简便的方法确定一个初步的加荷计划 然后校核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降 设计与计算 1 利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1 一般可根据斯开普顿极限荷载的半经验公式作为初步估算 设计与计算 斯开普顿极限荷载 设计与计算 饱和软粘土条形填土 可根据公式估算 设计与计算 2 计算第一级荷载下地基强度增长值p1 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 其中Cu 为p1作用下地基因固结而增长的强度 一般可先假定一固结度 通常可假设为70 然后求出强度增量 为考虑剪切蠕动的强度折减系数 设计与计算 3 计算p1作用下达到所确定固结度所需要的时间 达到某一固结度所需要的时间可根据固结度与时间的关系求得 此步计算目的在于确定第一级荷载停歇时间 即第二级荷载开始施加的时间 设计与计算 4 根据第二步所得到的地基强度计算第二级所能施加的荷载p2 同样 求出在p2作用下地基固结度达70 时的强度以及所需要的时间 然后计算第三级所能施加的荷载 依次可计算出以后各级荷载和停歇时间 设计与计算 5 按以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载下地基的稳定性验算 如稳定性不满足要求 则调整加荷计划 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 即确定预压荷载卸除的时间 这时地基在预压荷载下所完成的沉降量已达设计要求 所留的沉降是建筑物所允许的 设计与计算 2 超载预压对沉降有严格限制的建筑 应采取超载预压法处理地基 经超载预压后 如受压土层各点的有效竖向应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加总应力时 则今后在建筑物荷载作用下地基土将不会再发生主固结变形 而且将减小次结变形 并推迟次固结变形的发生 设计与计算 在预压过程中 任意时间地基的沉降量可表示为 可用于 a确定所需的超载压力值ps 以保证使用 或永久 荷载pf作用下预期的总沉降量在给定时间完成 b确定在给定超载下达到预定沉降所需要的时间 设计与计算 3 真空预压法真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层 然后埋设竖向排水体 竖向排水体常采用袋装砂井 或塑料排水带 再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝 薄膜四周埋入土中 通过砂垫层埋设的吸水管道 用真空装置进行抽气 使其形成真空 使土中水排出 增加地基的有效应力 设计与计算 为了满足某些使用荷载大 承载力要求高的建筑物的需要 1983年开展了真空和堆载联合预压法的研究 实践证明 真空预压和堆载预压的效果是可以叠加的 采用真空和堆载联合预压法已获得过相当130kpa等效荷载的预压效果 设计与计算 1 真空预压的设计设计内容除排水系统外 主要包括 密封内的真空度 加固土层要求达到的平均固结度 竖向排水体的尺寸 加固后的沉降和工艺设计等 设计与计算 A 膜内真空度真空预压效果和封闭膜内所达到的真空度大小关系极大 根据国内一些工程的经验 当采用合理的工艺和设备 膜内真空度一般可维持600mmHg左右 相当于80kpa的真空压力 此值可作为最大膜内设计真空度 设计与计算 B 加固区内要求达到平均固结度一般可采用80 的固结度 如工期许可 也可采用更大一些的固结度作为设计要求达到的固结度 设计与计算 C 竖向排水体一般采用袋装砂井或塑料排水带 真空预压处理地基时 必须设置竖向排水体 由于砂井 袋装砂井或塑料排水带 能将真空度从砂垫层中传至土体 并将土体中的水抽至砂垫层然后排出 若不设置砂井等就起不到上述的作用和加固目的 抽真空的时间与土质条件和竖向排水体的间距密切有关 达到相同的固结度 间距越小 则所需的时间越短 设计与计算 袋装砂井间距与所需时间关系 设计与计算 D 沉降计算先计算加固前建筑物荷载下天然地基的沉降量 然后计算真空预压期间所完成的沉降量 两者之差即为预压后在建筑物使用荷载下可能发生的沉降 预压期间的沉降可根据设计要求达到固结度推算加固区所增加的平均有效应力 设计与计算 4 真空 堆载联合预压法对承载力要求高 沉降限制严的建筑物 可采用真空 堆载联合预压法 真空是负压 堆载是正压 通过实际工程测出的效果是可以叠加的 真空 堆载联合预压法示意图 4 真空 堆载联合预压法 设计与计算 真空预压的总面积不得小于基础外边缘所包围的面积 一般真空的边缘应比建筑物基础外缘超出2 3m 另外 每块预压的面积尽可能大 彼此间可搭接或有一定间距 加固面积越大 加固面积与周边长度之比也越大 气密性也越好 真空度也越高 根据现有的材料和工艺设备 每块面积已达3万 当在加固区发现有透气层和透水层时 一般可在塑料薄膜周边采用另加水泥土搅拌桩的壁式密封措施 真空度与加固面积的关系 设计与计算 5 降低地下水位预压法降低地下水位法是指利用井点抽水降低地下水位以增加土的自重应力 达到预压加固的目的 最适用于砂性土或在软粘土层中存在砂或粉土的情况 对于深度的软粘土层 为加速其固结 往往设置砂井并采用井点法降低地下水位 当应用真空装置降水时 地下水位约可降低5 6m 产生的预压荷载为50 60kpa 相当于3m左右的砂石堆载 若需要更深的降水时 则需要用高扬程的井点法 设计与计算 各类井点的适用范围 轻型井点降水 轻型井点降水 喷射井点降水 喷射井点降水 电渗井点降水 电渗井点降水 二级井点降水 二级井点降水 滤管及沉管 滤管及沉管 设计与计算 6 利用建筑物自重加压法直接利用建筑物自身重量 分期施工 使地基在前期荷载下固结 强度提高到满足下一级荷载再继续施工 如此反复 直至建筑物竣工 达到使用荷载 由于在施工过程中 地基逐渐发生固结沉降 至建筑物使用时沉降大部分完成 该法不需要另外的加载系统 经济有效 适用于某些对沉降要求不严格 能够适应较大变形 而以地基稳定性为控制条件的建筑物 如路堤 土坝 油罐等 设计与计算 二 排水系统设计1 竖向排水体材料选择2 砂井或塑料排水带直径3 砂井或塑料排水带间距4 砂井排列方式5 竖向排水体深度设计6 地表排水砂垫层设计 设计与计算 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带 若竖向排水体长度超过20m 建议采用普通砂井 制作砂井的砂宜用中粗砂 不应有草根等杂物 其含泥量不能超过3 设计与计算 2 砂井或塑料排水带直径普通砂井直径可取300 500mm 井径比为6 8 袋装砂井直径可取70 100mm 井径比为15 20 塑料排水带尺寸一般为100mm 4mm 井径比为15 30 塑料排水带的当量换算直径 设计与计算 3 砂井或塑料排水带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 通常砂井的间距可按井径比n确定 n de dw de为砂井的有效排水圆柱体直径 dw为砂井直径 普通砂井的间距可按n 6 8选用 袋装砂井或塑料排水带的间距可按n 15 20 30 选用 设计与计算 3 砂井 设计与计算 4 砂井排列方式砂井的平面布置可采用等边三角形或正方形排列 以正三角形排列较为紧凑和有效 正方形排列时 de 1 13s正三角形排列时 de 1 05s式中de 每一个砂井有效影响范围的直径 s 砂井间距 竖向排水体的布置范围一般由基础的轮廓线向外增大大约2 4m 设计与计算 5 竖向排水体深度设计竖向排水体深度主要根据土层分布 附加应力大小 施工期限和施工条件及地基稳定性等因素确定 a 当软土层不厚 底部有透水层时 排水体应尽可能穿透软土层 b 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 c 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 1 0 2 设计与计算 d 按稳定性控制的工程 如路堤 土坝 岸坡 堆料等 排水体深度应通过稳定分析确定 排水体长度应大于最危险滑动面2m的深度 e 按沉降控制的工程 排水体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 竖向排水体长度一般为10 25m 设计与计算 6 地表排水砂垫层设计砂井顶部应铺设砂垫层 以连通各砂井将水排到工程场地以外 砂垫层应形成一个连续的 有一定厚度的排水层 以免地基沉降时被切断而使排水通道堵塞 陆上施工时 砂垫层厚度一般取0 5m左右 水下施工时 一般为1m左右 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 在砂料贫乏地区 可采用连通砂井的纵横砂沟 2 3D 40 60cm 深代替整片砂垫层 设计与计算 现场监测设计监测项目一般包括地面沉降观测 水平位移观测和孔隙水压力观测 如有条件可进行地基中深层沉降和水平位移观测 控制要求 竖井地基 最大竖向变形量每天不应超过15mm 天然地基 最大竖向变形量每天不应超过l0mm 边桩水平位移每天不应超过5mm 地基中孔压不得超过预压荷载的50 60 并应根据上述观察资料综合分析 判断地基的稳定性 预压荷载的卸荷时间一般控制在固结度为85 左右 设计与计算 三 计算理论1 地基固结度的计算2 地基土抗剪强度的计算3 地基的最终竖向变形量 设计与计算 1 地基固结度的计算在一级或多级等速加荷条件下 t时刻对应总荷载的地基平均固结度 设计与计算 参数 设计与计算 2 地基土抗剪强度的计算地基中某一点在某一时刻的抗剪强度 预压荷载下地基的最终竖向变形量 排水固结法施工工艺 一 铺设水平排水砂垫层 二 设置竖向排水体 三 施加固结压力 排水固结法施工工艺 一 铺设水平排水砂垫层 垫层材料 渗水好的砂料 其渗透系数一般不低于10 3cm s 同时能起到一定的反滤作用 常用级配良好的中粗砂 也可采用连通砂井的砂沟 2 3D 40 60cm深 代替整片砂垫层 不宜采用粉 细砂 垫层厚度 满足渗流水能及时排出 应起到持力层的作用 一般应选用30 50cm厚度 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 垫层施工 机械分堆摊铺 堆成若干砂堆 然后用推土机或人工摊平 排水固结法施工工艺 二 竖向排水体施工材料 30 50cm直径的普通砂井 7 12cm直径的袋装砂井 10cm宽的塑料排水带 1 砂井施工2 袋装砂井施工3 塑料排水带施工 排水固结法施工工艺 1 砂井施工要求 a保证砂井连续和密实 并且不出现颈缩现象 b尽量减少对周围土的扰动 c砂井的长度 直径和间距应满足设计要求 先在地基中成孔 再在孔内灌砂形成砂井 应尽量选用对周围土扰动小且施工效率高的方法 典型方法有套管法 射水法 螺旋钻成孔法和爆破法 排水固结法施工工艺 振动沉管法 以振动锤为动力 将套管沉到预定深度 灌砂后振动 提管形成砂井 避免了管内砂随管带上 保证砂井的连续性 同时砂受到振密 砂井质量较好 射水法 利用高压水通过射水管形成高速水流的冲击和环刀的机械切削 使土体破坏 并形成一定直径和深度的砂井孔 然后灌砂而成砂井 对土质较好且均匀的粘性土地基较适用 排水固结法施工工艺 螺旋钻成孔法 用动力螺旋钻钻孔 提钻后孔内灌砂成形 此法适用于陆上工程 砂井长度在10m以内 土质较好 不会出现缩颈和塌孔现象的软弱地基 设备简单而机动 成孔比较规整 但灌砂质量较难掌握 对很软弱的地基也不太适用 爆破法 先用直径73mm的螺纹钻钻成一个砂井所要求设计深度的孔 在孔中放置由传爆线和炸药组成的条形药包 爆破后将孔扩大 然后往孔内灌砂形成砂井 适用于深度为6 7m的浅砂井 深圳河打设砂井桩和排水板示意图 排水固结法施工工艺 砂井可能产生的质量事故 排水固结法施工工艺 缺点 套管成孔法在打设套管时必将扰动其周围土 使透水性减弱 即涂抹作用 射水成孔法对含水量高的软土地基施工质量难以保证 砂井中容易混入较多的泥砂 螺旋钻成孔法在含水量高的软土中难做到孔壁直立 施工中需排除废土 适用范围受到一定限制 对含水量很高的软土 应用砂井易产生缩颈 断颈或错位现象 普通砂井当地面荷载较大时 软土层便产生侧向变形 也可能使砂井错位 排水固结法施工工艺 2 袋装砂井施工袋装砂井是普通砂井的改良和发展 是用具有一定伸缩性和抗拉强度很高的聚丙烯或聚乙烯编制袋装满砂子 基本解决了大直径砂井所存在的问题 使砂井的设计和施工更加科学化 保证砂井的连续性 施工设备实现了轻型化 比较适应在软土地基上施工 用砂量大为减少 施工速度快 工程造价低 是一种比较理想的竖向排水体 排水固结法施工工艺 1 施工机具成孔方式 锤击打入法 水冲法 静力压入法 钻孔法和振动贯入法 用于袋装砂井施工的专用设备 导管式振动打设机 排水固结法施工工艺 2 砂袋材料的选择砂袋材料必须具有透水 透气 足够的强度 韧性和柔性 并且在水中能起耐腐蚀和滤网作用 聚丙烯或聚乙烯编制袋 袋装砂井的直径一般采用70 120 间距1 5 2 0m 井径比为15 20 袋装砂井的施工过程 袋装砂井的施工过程 排水固结法施工工艺 3 塑料排水带施工塑料排水带是用专门插板机将其插入地基中 然后在地基表面加载预压 或采用真空预压 土中水沿塑料带的通道溢出 从而使地基土得到加固方法 排水固结法施工工艺 1 塑料排水带材料由芯板和滤膜组成 芯板是由聚丙烯和聚乙烯塑料加工而成的两面有间隔沟槽的板体 土层中的固结渗流水通过滤膜渗入到滤槽内 并通过沟槽从排水垫层中排出 多孔质单一结构型和复合结构型性能 应具有良好的透水性和强度 塑料带的纵向通水量不小于 15 40 103 3 s 滤膜的渗透系数不小于5 10 3 s 芯带的抗拉强度 10 15N mm 滤膜的抗拉强度 干态时不小于1 5 3N mm 湿态时不小于1 0 2 5N mm 插入土中较短时用小值 较长时用大值 整个排水带应反复对折五次不断裂才认为合格 排水固结法施工工艺 多孔质单一结构型 排水固结法施工工艺 复合结构型 排水固结法施工工艺 3 塑料排水带施工插带机械 专门厂商生产 也有自行设计和制造的 或用挖掘机 起重机 打桩机改装 从机型分 由轨道式 轮胎式 链条式 履带式和步履式多种 打设顺序 定位 将塑料带通过导管从管靴穿出 将塑料带与桩尖连接贴紧管靴并对准桩位 插入塑料带 拔管剪断塑料带等 排水固结法施工工艺 导管靴 圆形和矩形 桩尖主要作用是在打设塑料带过程中防止淤泥进入导管内 并且对塑料带起锚定作用 防止提管时将塑料带拔出 排水固结法施工工艺 桩尖 插板机 插板机 插板机 插板机 四航研究院排水板施工现场图 排水固结法施工工艺 施工注意事项 a 塑料带滤水膜在转盘和打设过程中应避免损坏 防止淤泥进入带芯堵塞输水孔影响塑料带的排水效果 b 塑料带与桩尖连接要牢固 避免拔管时脱开 将塑料带拔出 c 桩尖平端与导管靴配合适当 避免错缝 防止淤泥在打设过程中进入导管 增大对塑料带的阻力 甚至将塑料带拔出 d 塑料带需接长时 为减小带与导管阻力 应采用滤水膜内平搭接的连接方法 为保证输水畅通并有足够的搭接强度 搭接长度需在200 以上 排水固结法施工工艺 三 施加固结压力 一 利用建筑物自重加压一般应用于以地基的稳定性为控制条件 能适应较大变形的建筑物 如路堤 土坝 储矿场 油罐 水池等 对油罐和水池等建筑物 先进行充水加压 一方面可检验罐壁本身有无渗透现象 同时 还利用分级逐渐充水预压 使地基土强度得以提高 满足稳定性要求 对路堤 土坝等建筑物 由于填土高 荷载大 地基的强度不能满足快速填筑的要求 工程上都采用严格控制加荷速率 逐层填筑的方法以确保地基的稳定性 排水固结法施工工艺 二 堆载预压堆载预压的材料 以散料为主 如土 石料 砂 砖等 大面积施工时通常采用自卸汽车与推土机联合作业 对超软地基的堆载预压 第一级荷载宜用轻型机械或人工作业 堆载预压工艺简单 但处理不当 特别是加荷速率控制不好时 容易导致工程施工的失败 排水固结法施工工艺 二 堆载预压注意事项 1 必须严格控制加载速率 保证在各级荷载下地基的稳定性 基本控制标准是 竖向变形每天不应超过10 边桩水平位移每天不应超过5 2 堆载面积要足够 堆载的顶面积不小于建筑物底面积 3 注意堆载过程中荷载的均匀分布 避免局部堆载过高导致地基局部失稳破坏 排水固结法施工工艺 三 真空预压 1 真空预压系统设置1 排水通道施工先在软基表面铺设砂垫层和在土体中埋设袋装砂井或塑料排水带 2 埋设水平向分布滤水管 主要作用 使真空度在整个加固区域内均匀分布 要求 滤水管在预压过程中应能适应地基的变形 特别是差异变形 材料 钢管或塑料管 其外侧宜缠绕铅丝 外包尼龙砂网或土工织