排水固结法工程实例若干.doc

排水固结法工程实例若干工程实例（一）堆载预压法加固油罐地基工程实例 工程概要 某炼油厂建造在沿海地区，其中有1万m3油罐数个，罐体是钢制焊接，考虑到地基不均匀沉降，采用固定拱顶的结构形式，其倾斜度(周边最大沉降与最小沉降的差值和直径之比)控制在l。 建筑场地是近年新淤积的海滩。土的柱状图和主要物理力学指标如图1和表1。该场地含水量高(普遍大于30，最大达50)，压缩性大，抗剪强度低。天然地基承载力小(约6070kPa)，远不能满足油罐荷载的要求。可认为第14土层(深度在175m以上的淤泥质黏土层)对油罐稳定和沉降具有决定性影响。表1 各层土的主要物理力学性质指标 固结系数采用加权平均值。根据表1计算第l4层平均固结系数，。图1 土的柱状图十字板强度用最小二乘法整理，求得十字板的天然地基抗剪强度为：式中 为离地表面距离。 地基处理方案选择 1万m3油罐的直径D=31.282m，高度H=14.07m，钢板自重为2214.5kN，由于工艺上要求，油罐底板高出地面2.3m。油罐基础底面荷载为191.4kPa。显然，若罐基不做任何处理，就不能满足罐基的稳定和沉降控制标准。 针对工程和地基具体条件，可能采用的地基处理方案有：桩基；砂垫层预压；砂井预压；井点降水预压；振冲碎石桩。 桩基在技术上比较可靠，但费用昂贵；砂垫层预压在经济上比较合理，但以一个1万m3油罐而言，预压期大于3年；由于井点降水深度有限，土的渗透系数较小，采用井点降水可能效果不好；由于20kPa，若采用振冲碎石桩要起到复合地基的作用，需要耗费大量的碎石。经综合考虑，权衡利弊，认为采用砂井预压既能满足较大的荷载要求，又能按照100d预计时间完成试水加荷计划，技术上不复杂，经济上也合理。 确定砂井直径、间距、深度和范围 砂井的直径、间距主要取决于固结特性，根据工程特点，砂井地基基本设计参数和设计剖面见表2和图2。表2 基本设计参数图2 砂井平面布置及其剖面图制定加荷(充水)预压计划 拟订加荷速率控制计划分两步进行：首先，用一般方法拟订一个初步计划，然后校核这个初步计划的地基稳定性和沉降。具体步骤如下： 求出天然地基可能承受的荷载，按下式估算可施加的第一级荷载式中 天然地基的抗剪强度，一般采用不排水剪切试验强度或现场十字板强度； 安全系数，初步估算时可用1.01.1。 求出在作用下地基固结度达到70时所需停歇时间及地基强度的增长值：第一级荷载作用下，地基强度将增加到求得=0.287，=0.9。计算可施加的第二级荷载求出作用下地基强度的增长值 第三级、第四级荷载可依此类推，一直计算到设计所要求的荷载。本工程加荷计划如表3和图3所示。拟订的加荷计划必须满足固结计算和稳定分析。表3 加荷分级及修正后固结度图3 -曲线 固结度计算 固结度计算按巴伦砂井固结理论计算，巴伦固结理论假设荷载是一次瞬时施加的，但本工程实际上是分级加荷的，为此应予修正。当充水到14.07m，时问为160d。修正后的固结度计算结果列入表3和图3。 稳定分析 稳定分析的目的是检验所拟订的加荷计划的安全度，若不符合安全度要求，则需要另拟加荷计划。对油罐地基稳定分析，建议采用斯开普顿极限荷载的半经验公式作为初步估算：式中 抗剪强度，建议用基底以下2/3B深度范围内地基平均不排水抗剪强度，由无侧限、三轴不排水剪切试验与原位十字板剪切试验测定。油罐基础有可能发生整个底宽破坏，也可能发生局部底宽破坏，因此必须试算不同底宽的极限承载力，其最小值就是危险情况。当整个底宽破坏时，取A/B=1；局部破坏时，若局部破坏宽度小于油罐的半径，则取A为当量长度；如果破坏时的宽度BR，则式中 R滑弧半径； D油罐半径。 求得后，则稳定安全系数，式中，p为各级荷载下基础底面单位面积上压力(kPa)，本工程K取1.2。 油罐基础稳定分析也可按一般圆弧法计算，两者可相互校核。表4为按极限荷载法计算的结果。从分析结果可见，在各级荷载作用下，最小安全系数为1.26，大于1.2，所以拟订的加荷计划是合理的。表4 安全系数K计算结果沉降及沉降速率计算沉降计算的内容主要包括：a.计算油罐中心和周边的最终沉降，从而确定油罐底面的预抬高值和控制不均匀沉降；b.计算加荷过程中的沉降量，估计加荷结束后还可能产生的沉降值；c.估算沉降速率，以便控制加荷速度。具体沉降计算结果汇总见表5。表5 沉降计算结果 注：r为油罐半径，r=15.64m。 加固效果评价地基加固效果由各项实测结果进行分析，本项工程进行了沉降观测、孔隙水压力观测、基底压力及基础钢筋应力实测，砂井地基加固效果主要根据实测的沉降时间曲线(图4)及孔隙水压力一时间曲线(图5)进行分析。图4 沉降时间曲线图5 孔隙水压力一时间曲线 预压期间沉降与时间关系曲线上a、b、c；分别为罐周最大、最小及平均沉降曲线。基底边缘平均沉降达1.7 m，罐中心1.8 m，且在油罐放水(卸荷)前曲线已趋平缓。可以认为绝大部分沉降在预压期间已完成。使用期间沉降很小，由曲线可看出溅降速率在允许范围以内，即竖向变形10 mm/d，水平位移4 mm/d，且实测值与计算值很接近，说明计算是可靠的。 由孔隙承压力观测结果如图5可以看出：孔隙水压力随荷载的增加而逐渐上升，停荷后即迅速消散，这说明砂井的效果是显著的。当充水高度达罐顶后30天(即充水开始后110天)，孔隙水压力已基本消散。这与沉降观测结果一致，说明固结效果显著。 工程效果根据实测得知，利用80d充水加荷和30d预压(共110d)，孔隙水压力基本消散；放水前实测沉降值已接近推算的最终沉降，如测点8，实测沉降为1.88m，推算的最终沉降值为1.90m，这说明利用砂井排水预压法处理油罐地基效果良好。（二）用堆载预压加固软土地基工程实例某建筑物地基土层为淤泥质黏土，固结系数，受压土层厚度为20m，袋装砂井直径，袋装砂井为等边三角形布置，间距L=1.4m，深度为H=20m，砂井底部为不透水黏土层，砂井打穿受压土层。预压荷载总压力p=100kPa，分两级等速加载，如图6所示。计算地基堆载预压120d后，地层的平均固结度(不考虑排水板的井阻和涂抹影响)。图6 堆载预压法加荷曲线 由于竖井底部为不透水层，则受压土层平均固结度包括两部分，即径向排水平均固结度和向上竖向排水固结度。多级等速加荷条件下固结度为其中 ，由于袋装砂井为等边三角形布置，所以其有效排水直径。井径比，则有第一级荷载的平均加荷速率为第二级荷载的平均加荷速率为则地基预压120d后的总固结度为当考虑涂抹和井阻影响时，竖井穿透受压土层地基的平均固结度公式、算法与上述相同，但是应该注意、参数取值有所区别。 （三）真空预压法加固办公楼地基工程实例 工程概况某地区拟建一幢5层混合结构加构造柱办公楼，占地面积约400m2，拟建建筑物的荷载约为90kPa。拟建场地原为一旧池塘，地表以下约1.7m厚为密实度很差的黏土质填土，其下为17m厚呈流塑一软塑状态的高压缩性淤泥土，再下为呈可塑一硬塑状态的黏土。其物理力学性质指标见图7所示。鉴于邻近东侧一幢采用筏形基础的5层住宅产生整体倾斜(倾斜大于200mm)的教训，本工程不宜采用浅基，如采用桩基，则基础的造价约占工程总造价的35，最后决定对拟建场地采用袋装砂井一真空预压法进行浅层加固试验。图7 预压前、后加固深度内土层的物理力学指标变化 在18m36m的加固场地内，按一定的间距埋设长10m、直径10的袋装砂井，并在其上铺设一定厚度的中砂垫层，在砂垫层中铺设抽气管网，然后用密封材料一塑料薄膜将砂垫层密封起来，并把薄膜的周边埋人加固场地四周的沟槽内，用黏性土垫实。把抽气管网的主管与场外的抽真空装置相连接。整个施工程序可概括成下列框图(图8)。 图8 真空预压法施工程序 图9 量测点平面布置 加固效果及分析为了对加固效果进行分析，在加固区内对被加固土体进行了膜内真空度、水平和垂直方向的变形观测，其量测点的平面位置详见图9。加固前后还进行了一系列野外测试和室内土工试验。 真空度根据加固区中心点观测资料绘制的膜内真空度随时间的变化曲线(图10)，表明在试验开始后经6h加固区中心点的真空度就可上升到77kPa；经16h真空度可达80 kPa，到48h后就稳定在88kPa。这说明袋装砂井一真空预压法在短时间内一次就可上满预压荷载。图10 膜内真空度随时间的变化曲线垂直变形地面沉降经过55d的预压，地面最大沉降发生在中心点，沉降量为0.60m，地面平均沉降为0.46m；卸荷后平均回弹量为31.6mm，中心点回弹量为42mm。地面的变形特征是中间大、两侧小，整个地面呈一锅底状(图11)。根据实测沉降值，采用对数曲线法，推算出最终平均沉降量为0.565m；加固深度内土层的固结度为82。图11 沉降随时间变化曲线 深层沉降 分层沉降仪测得的结果表明，经过真空预压加固后的地基，其压缩基本是在地下8m范围内，8m以下的压缩量只占总沉降的17(图12)。水平变形 根据布置在加固区边缘的15号和16号测斜孔测得水平变形随时间深度的变化曲线(图13)。 由图13可见，不论是沿着建筑物纵轴方向还是横轴方向，变形都是向着预压区，即土体往中心点收缩，这与堆载预压后土体产生的水平变形特征侧向挤出是截然相反的。这种变形特征可减少由于建筑物荷载施加后，软土地基产生的侧向挤出变形。土质变化 预压前后土质变化情况详见图7和表8。经过真空预压加固后其黏聚力c增长1倍以上，内摩擦角减小13。这种变化说明，经过真空预压后，“土的黏聚力随着密度的增加而增加，但内摩擦角却随密度的增加而减小”，被加固土体强度增长表现为随着深度逐渐减小。这种变化趋势与深层沉降随深度的变化是一致的，其压缩量越大的地方，土的压密程度越高，强度提高越大，但强度和变形指标增长较大的是在地面以下06m范围内。 图12 深层沉降变化曲线 图13 15号测斜孔s测向表8 预压前后承载力和压缩模量变化 工程检验 本次加固工作于1983年底结束，后因各种原因，工程实际到1984年才开工，主体结构于1985年8月完工，历时1年。建筑物施工期间的平均沉降量为17.5cm，到1987年1月累计平均沉降量为36 cm，沉降已趋稳定。沉降观测资料表明沉降十分均匀，沉降差小于20mm。而其西侧一幢6层住宅同时开工，地基采用块石砂垫层碾压处理的筏形基础，中心点沉降量已大于0.5m(1层开工后开始观测)，不均匀沉降大于100mm，严重影响建筑物的正常使用。这两幢建筑物的高度基本一致，前者的基底附加压力为90kPa，是后者的2倍，可见前者明显优于后者。 本工程地基虽经预压加固处理后，但沉降量仍然偏大，对其主要原因分析如下： 真空预压时间偏短，地基固结度只达82，残留的沉降量过大。 加固后，由于种种原因，未能及时封底施工，造成加固场地积水达半年之久；加固后的地基受到一定程度的浸水软化，降低了加固效果。 真空预压荷载产生的地基变形特征与实际建筑物荷载产生的变形特征不一致。前者与柔性基础在均布荷载及自重作用下地基产生挠曲的情况相一致，后者近似于半刚性基础及自重作用下产生的挠曲。变形特征和荷载分布的不一致，可能导致土中应力的重分布并产生新的沉降。 建筑物的基底附加压力太大，超载部分必然会产生新的沉降。本加固工程与相邻建筑物距离仅713m，而这些相邻建筑物大部分都是采用附加应力扩散慢、压缩层深度大的筏形基础，其附加应力叠加必然会对本建筑物产生一定的附加沉降。（四）用真空预压加固机场跑道下软土地基工程实例 工程地质概况 某场跑道长2400m，宽60m。为了满足大型飞机的起降要求，需在原跑道南端对跑道延长300m。在新建的跑道中段约110m范围的地段内，存在一条故河道，河道底淤积有深厚淤泥层，在兴建机场时未予挖除，仅用周围丘陵的坡积土将沟填平并压实，形成一坚硬的表壳。经勘探表明，该段场地土自上而下分别为： 回填黏土层，一般厚为2.62.8m，最厚5.4m，混有白云质灰岩风化成的角砾，含量高达1546，天然含水量W=22.6，重度=19.7kN/m3，孔隙比e=0.703，塑性指数Ip=18.8，压缩系数，压缩模量Es(12)=14.2MPa，无侧限抗压强度qu=173.5kPa。 淤泥质黏土淤泥质粉质黏土层，一般厚35m，部分地段厚21m，最薄处为0.8m，软土层厚度变化突变性很大。呈流塑至软塑状，天然含水量W=37.4，重度=18.1 kN/m3，孔隙比e=1.02，塑性指数工Ip=17.4，压缩系数，压缩模量Es(12)=4.65MPa，无侧限抗压强度qu=9.3kPa。其下为坚硬的黏土层。场地地下水位埋藏较浅，部分地段存在上层滞水。 地基加固要求 设计荷载为道面结构与回填土构成的永久荷载和飞机滑行的活荷载两部分。回填土约1m厚，其上为0.18m厚石灰稳定沙砾土，表层为0.34m厚的混凝土道面。以MD82型飞机设计，滑行最大重量为68.266t，轮胎压力1196kPa，主轮荷载分布93.85。对地基加固的技术要求为：加固后地基的压缩模量不低于30MPa；预计总沉降量的95以上在施工过程中完成；差异沉降量弯沉盆直径不小于100mm，盆底沉降量不大于50mm；土的平均固结度不低于95；加固深度应穿透软土层。地基处理方案 根据地基加固要求，曾先后考虑过砂井堆载预压法、换土法、强夯法、真空预压法等四种加固方法。从加固效果(特别是消除变形方面)、工期、工程造价、施工难易程度(特别是当地雨水多、淤泥埋藏深)渚方面因素分析，确定采用真空预压法对跑道延长段的软土进行地基处理。 打设塑料板、铺设砂垫层。因地表土层坚硬，故先打设塑料排水板后铺砂垫层。塑料板按梅花形布置，间距1.0m。由于软土层与其上和其下的土层强度有明显差异，所以打设塑料板时套管的贯入速度也差别较大。根据贯入速度记录了每根塑料板下各土层厚度。打人深度均达到软土层底面以下0.51.0m，一般在13m深以上。打设机采用1001型挖掘机为主机改装而成，采用锤击式打设塑料板，打桩架高22m，套管长13m。因表层土坚硬，采用厚壁套管，其外径为168mm，内径112mm。共打设塑料排水带3975条。对表层土中形成的塑料排水板打设孔，在安插好塑料排水板以后，孔中填置中粗的净砂，并用高压水冲实至表层土的密实度，待孔洞填满后，再在地表铺设0.3m厚的砂垫层。 铺设水平排水板替代滤管。由于传统的真空滤管为钢质或硬质塑料管，滤管需全部穿孔、包扎过滤层，成本昂贵，为此，本工程采用了水平塑料排水板替代传统的硬质滤管。水平排水板的制作方法是：在两层塑料排水板外面用塑料膜包住并缝牢，即构成水平排水板。两排垂直塑料板孔之间设置水平排水板，两侧的垂直塑料板均插入水平排水板内且用铁丝固定。水平排水板均与其相垂直的、间距为25m的76mm水平集水管相连，集水管也与射流泵连接。 密封沟。 因地下水位低且表层为含角砾硬土，密封沟呈直立坡，深1.3m、宽0.6m。沟内壁铺一层聚丙烯编织布，以防角砾石将密封膜刺破。密封膜为两层塑料膜。抽真空时间。 工程采用了5台7.5kW的射流泵，后为加快加固速度，又增加了2台射流泵抽气，抽真量共历时65d，根据实测沉降过程曲