一建资料 排水固结法PPT参考幻灯片

,固结问题的研究在Terzaghi1923年发表他的固结理论后达到了新的高度。有效应力原理和固结理论的建立标志着现代土力学的建立。从此,人们才可以借助有效应力的原理和固结理论,对土体的稳定性和沉降间题进行更符合客观实际的定量计算,也使在实验中计算固结速率的方法才成可能。,5排水固结法,5.0排水固结法的发展历程与趋势,1,由于淤泥等软土渗透性差,在附加应力下排水缓慢,单纯使用排水固结法往往要很长时间才能使软土基本固结。因此,排水固结法的发展过程也是改善软土竖向排水能力的砂井、排水板等工艺的发展过程。竖向排水方法先后发展了两种,即砂井法和排水纸板法。,2,1937年瑞典专家首先提出用排水纸板取代砂井作为竖向排水体,该法施工方便,排水效率高,具有极大的优越性。但由于最初的排水纸板在稳定性、耐久性方面所存在间题限制了该法的广泛应用,直到瑞典的O.wager研究成功用聚氯乙烯槽形芯板替代纸质芯板,用无纺土工织物代替纸质滤膜,解决了排水板的稳定间题,才使这一型式迅速被推广应用。排水板的推广也使排水固结法得到了更广泛的应用。,3,袋装砂井法是从加砂井法基础上发展起来的一种方法,该法使用7cm的袋装砂井取代了20-60cm的砂井,施工设备轻便、效率高,砂袋采用聚乙烯编织袋,砂则选用纯净的中粗砂。袋装砂井功能上可以与塑料排水板法等效,由于其施工质量较易控制,近年来有取代塑料排水板的趋势。在我国,真正意义上的排水固结法试验是交通部一航院1982年在天津塘沽新港四港池码头进行的,这次试验取得了良好的效果,加快了该法在全国的推广.,4,5.1概述一.排水固结法概念与应用排水固结法排水固结法（预压法）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。,5,6,二、排水固结法体系的组成排水固结法系统由两个部分组成：排水系统和加压系统。,排水固结,排水系统,加压系统,竖向排水体,水平排水体,普通砂井袋装砂井塑料排水带,砂垫层,堆载预压法真空预压法降低地下水位法电渗法真空联合预压法,7,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、小和预压时间长短等因素。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(l0m)，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。,8,排水固结法适用于处理淤泥、淤泥质土和冲填土等饱和粘性土地基。软土层厚度小于4m，用天然地基堆载预压法处理，否则，采用塑料排水带、砂井等竖井排水预压法处理地基。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，适用于很软弱粘土地基。排水固结法用于道路、仓库、罐体、飞机跑道、港口等大面积软土地基加固工程。,三.排水固结法适用范围,9,排水固结法加固地基的原理,施加荷载后，孔隙水被排出，地基发生固结变形。随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度就逐渐增长。,5.2加固原理和计算理论,一.加固地基原理,10,二.地基固结度计算,1）瞬时加荷条件下固结度计算,（1）固结度定义式,（2）竖向排水平均固结度计算,11,（3）径向固结度计算,12,（4）总平均固结度计算,土层的平均固结度普遍表达式为：,13,14,（改进的高木俊介法）,2）逐渐加荷条件下地基固结度的计算,15,三.考虑井阻作用的固结度计算,16,地基中某一时刻土的抗剪强度：,四.土体固结抗剪强度增减计算,1）有效应力法,17,对于正常固结饱和土：,18,因固结而增长的强度：,忽略土体蠕变及其他因素的影响，则地基土某点某一时间的抗剪强度：,2）固结压力法,19,1）设计前应取得的资料进行岩土工程勘察，查明场地的工程地质和水文地质条件。室内土工试验，确定土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、三轴试验强度等。进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗剪强度。2）设计内容堆载预压法设计包括加压系统和排水系统的设计。确定预压荷载的大小、范围、速率和预压时间。选择竖向排水体，确定其尺寸、间距、排列方式和深度。计算地基的固结度、强度增长。进行稳定性和变形计算。,一.计算规定,5.3堆载预压法设计计算,20,单级加荷和多级加荷；自重预压、加荷预压和加水预压；正常加载预压和超载预压。,对于沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理。预压荷载顶面的范围应等于或大于建筑物基础外缘所包围的范围。,天然地基土的强度满足预压荷载下地基的稳定性要求时，可一次性加载，否则应分级逐渐加载。软粘土地基抗剪强度低，必须分级逐渐加荷。,房屋建筑、道路与机场跑道等工程，用填土、砂石等散粒材料进行堆载预压。油罐利用灌体充水对地基进行预压。堤坝工程，本身重量分级加载。,二.加压系统设计,1.堆载预压基本要求,1）堆载预压分类,2）荷载大小与加载范围规定,3）加载速率控制,4）堆载材料,21,2.预压荷载计算,1）正常加载预压的计算,（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,用斯开普顿极限荷载半经验公式计算,22,对于饱和软粘土可采用下式估算,对于长条形填土，可根据Fellenius公式估算,（2）计算第一级荷载下地基强度增长值,23,求出p2下地基固结度达70时强度即所需时间，然后依次计算各级荷载。,（5）计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量,地基土总沉降量一般由瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分组成,24,瞬时沉降：,固结沉降：,25,变形计算时，可取附加应力与土自重应力的比值为0.1的深度作为受压层的计算深度。,次固结沉降：,26,考虑时间平均固结度之后，在荷载作用下地基的沉降随时间的变化计算式为：,对于一次瞬间加荷或一次等速加荷结束之后，任意时间的地基沉降量计算式改写为：,对于多级等速加荷情况，应对sd作加荷修正：,27,a）荷载与时间关系b）沉降与时间关系超载预压消除主固结沉降,2）超载预压的计算,28,普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。也可不设置排水竖井。（1）制作砂井的填料宜用中粗砂，以保证砂井具有良好的透水性。（2）袋装砂井通常在现场制备，袋子材料可采用聚丙烯编织布，袋内砂料宜用风干砂，含泥量应小于3%。（3）芯板的原材料为聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有口琴型、城墙型、圆孔型、双面型、双面交错凹凸乳头型等。塑料排水带的宽度为100mm，厚度3.54mm，每卷长100200m，每米重约0.125kg。排水带宽度最大达230mm，国外已有2m以上宽带。,三.排水系统设计,1）竖向排水体材料选择,a）城墙型b）口琴型c）凹凸乳头型,29,2）竖向排水体深度设计,排水体长度1025m。（1）软土层不厚、底部有透水层时，排水体应穿透软土层。（2）深厚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。真空预压时应避免排水体与砂层相连接。（3）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）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，排水体深度至少应超过最危险滑动面2m。（5）对以沉降控制的建筑物，如压缩土层厚度不大，排水体宜贯穿压缩土层；对深厚的压缩土层，排水体深度应根据在限定的预压时间内消除的变形量确定。（6）若砂层中有承压水，宜将砂井排水体打到砂层。,30,3）竖向排水体平面布置设计,（1）竖向排水体直径,普通砂井直径300mm500mm；袋装砂井直径70mm120mm；塑料排水带尺寸100mm4mm。塑料排水带常用当量直径表示:,（2）竖向排水体排列形式与间距,等边三角形排列:,正方形排列:,31,（3）竖向排水体的布置范围,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约24m。,（4）地表排水砂垫层设计,砂垫层厚度不应小于500mm，水下施工时，一般为1m左右。砂垫层用中粗砂，粘粒含量不宜大于3%，砂料中可混有少量粒径小于50mm砾石。砂垫层干密度1.5g/cm3，渗透系数大于110-2cm/s。砂垫层宽度应大于堆载宽度或建筑物底宽，并伸出砂井区外边线2倍砂井直径。,32,5.4真空预压法设计计算,一.真空预压法作用原理,通过在砂垫层和竖向排水体中形成负压区，在土体内部与排水体间所形成的压差，迫使软土地基中水排出，完成地基土固结的。,真空预压法工作原理示意图,33,真空预压的原理主要反映在以下几个方面：（1）薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载。（2）地下水位降低，相应增加附加应力。（3）封闭气泡排出，土的渗透性加大。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方法。,34,二.真空预压法计算内容,1）竖向排水体尺寸直径700mm袋装砂井，也可采用普通砂井或塑料排水带。砂井深度应根据设计要求在预压期间完成的沉降量和拟建建筑物地基稳定性的要求。砂井的砂粒应采用中粗砂，其渗透系数k宜大于110-2cm/s。,2）预压区面积和分块大小应大于建筑物基础轮廓线，每边增加量不得小于3m。单块预压面积宜尽可能大且呈方形，但不宜超过30000m2。两个预压区的间隔以26m较好。,35,3）膜内真空度真空预压的膜下真空度应稳定地保持在650mmHg以上，且应均匀分布，竖井深度范围内土层的平均固结度应大于90%。对于表层存在良好的透气层或在处理范围内有充足水源补给的透水层时，应采取有效措施隔断透气层或透水层。,4）变形计算预压期间的沉降可根据设计所要求达到的固结度推算加固区所增加的平均有效应力，从固结度-有效应力曲线上查出相应的孔隙比进行计算。,5）真空设备的数量确定按加固面积的大小和形状、土层结构特点，以一套设备可抽真空的面积为10001500m2确定。,36,三.真空堆载联合预压法设计,当建筑物的荷载超过真空压力（预压荷载80kPa），且建筑物对地基的承载力和变形有严格要求时，应采用真空-堆载联合预压法，其总压力宜超过建筑物的荷载。某工程4754m2面积真空和堆载联合预压试验，平均沉降及预压前后十字板强度的变化为：,实测沉降值,37,5.5施工技术,一.堆载预压法施工技术1）竖向排水体施工（1）砂井施工,砂井施工一般先在地基中成孔，再在孔内灌砂形成砂井。砂井的实际灌砂量不得小于计算值的95%。砂袋放入孔内至少应高出孔口200mm。砂井成孔施工方法有振动沉管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法。,（2）袋装砂井施工,锤击打入法、水冲法、静力压入法、钻孔法和振动贯入法等。锤击打入法施工过程为：打入成孔套管；套管到达规定标高；在套管内放下砂袋；拔套管，袋装砂井施工完毕。,袋装砂井常用的直径为70mm。,38,（3）塑料排水带施工,履带式插带机施工现场,a）混凝土圆形桩尖b）倒梯形桩尖c）楔形固定桩尖,a）定位并打入小木桩；b）将塑料带通过导管从管靴穿出，对准桩位；c）插入塑料带至设计深度；d）拔出插管；e）剪断塑料带，地面以上预留2030cm；f）移位，对桩位四周形成的空隙用砂回填，将预留的塑料带叠埋入砂垫层中,39,40,2）水平排水垫层施工,地基表层硬壳层，采用机械分堆摊铺法，即先堆成若干砂堆，然后用机械或人工摊平。当硬壳层承载力不足时，采用顺序推进摊铺法。当软土地基表面很软，如新沉积或新吹填不久的超软地基，要改善地基表面的持力条件，使其能上施工人员和轻型运输工具。超软地基持力条件很差，采用人工或轻便机械顺序推进铺设。,3）预压荷载施工,加载过程中进行竖向变形、边桩水平位移及孔隙水压力等项目的监测，根据监测资料控制加载速率。对竖井地基，最大竖向变形量每天不应超过15mm，对天然地基，最大竖向变形量每天不应超过10mm；边桩水平位移每天不应超过5mm。,41,二.真空预压法施工技术,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）膜下管道施工真空管路的连接应严格密封，在真空管路中应设置止回阀和截门。滤水管应设在砂垫层中，其上覆盖厚度100200mm的砂层。滤水管采用钢管或塑料管，外包尼龙纱或土工织物等滤水材料。水平向分布滤水管可采用条状、梳齿状及羽毛状等，滤水管布置宜形成回路。,1.真空压力分布管；2.集水管；3.出膜口,42,3）密封膜施工（1）采用抗老化性能好、韧性好、抗穿刺能力强不透气材料，如线性聚乙烯等专用薄膜。（2）热合时宜采用两条热合缝的平搭接，搭接长度应大于15mm。（3）宜铺设3层，覆盖膜周边可采用挖沟折铺、平铺并用粘土覆盖压边，围埝沟内覆水以及膜上全面覆水等方法进行密封。密封膜铺3层理由：最下一层和砂垫层相接触，膜容易被刺破，最上一层膜易老化、刺破等，而中间一层膜是最安全最起作用的一层膜。,4）抽气设备选用射流真空泵，空抽时必须达到95kPa以上的真空吸力，每块预压区至少应设置两台真空泵。,43,5）管路连接真空管路的连接点应严格进行密封，以保证密封膜的气密性。为避免膜内真空度在停泵后很快降低，在真空管路中应设置止回阀和截门。当预计停泵时间超过24h时，则应关闭截门。,天津港软基处理采用真空预压法施工现场,a）密封膜分层铺设b）膜上全面覆水后真空泵抽气,44,三.真空堆载预压法施工技术,粘性土，当膜下真空度稳定地达到80kPa后，抽真空10d左右可进行上部堆载施工，即边抽真空，边连续施加堆载。对高含水量的淤泥类土，当膜下真空度稳定地达到80kPa后，一般抽真空2030d可进行堆载施工；若荷载大时应分级施加。在进行上部堆载之前，必须在密封膜上铺设防护层，以保护密封膜的气密性。防护层可采用土工编织布或无纺布等，其上铺设100300mm厚的砂垫层，然后再进行堆载。堆载时宜采用轻型运输工具，以免损坏密封膜，并密切观察膜下真孔度变化，发现漏气及时处理。,工艺流程为：,45,5.6质量检验,一.施工过程质量检验,（1）塑料排水带现场随机抽样送往实验室进行性能指标的测试，如纵向通水量、复合体抗拉强度、滤膜抗拉强度、滤膜渗透系数等。（2）对不同来源砂井和砂垫层砂料，取样进行颗粒分析和渗透性试验。（3）对于以抗滑稳定性控制的重要工程，在堆载不同阶段进行原位十字板剪切试验和取土进行室内土工试验，验算下一级荷载地基的抗滑稳定性。（4）对预压工程，应进行地基竖向变形、侧向位移和孔隙水压力等监测。（5）真空预压工程除应进行地基变形、孔隙水压力的监测外，尚应进行膜下真空度和地下水位的量测。,二.竣工验收检验,（1）排水竖井处理深度范围内和竖井底面以下受压土层，经预压所完成的竖向变形和平均固结度应满足设计要求。（2）应对预压的地基土进行原位十字板剪切试验和室内土工试验。必要时，尚应进行现场载荷试验，试验数量不应少于3点。,46,水平向平均固结度,【例1】某工程建在饱和软粘土地基上，砂井长H=12m，间距l=1.5m，梅花形布置，dw=30cm，Cv=Ch=1.010-3cm2/s，求一次加荷3个月时砂井地基的平均固结度。,解竖向平均固结度,5.7工程应用实例,47,地基的平均固结度,48,【例2】,预压法加荷过程,49,【解】受压土层平均固结度包括两部分：径向排水平均固结度和向上竖向排水平均固结度。,50,加固地基土层平均固结度:,因此，加荷开始后120d受压土层之平均固结度为0.93。,51,【例3】,52,【解】,53,当考虑竖井井阻和涂抹影响时，120d后土层平均固结度仅为0.68，而不考虑井阻和涂抹作用时，相同的加荷过程其受压土层平均固结度可达0.93。影响因子Fs所占比例较大，在施工中尽量减少井壁扰动，以提高固结效果。,54,【例4】浙江炼油厂油罐地基充水预压处理工程,1）工程概况整个厂区座落在杭州湾南岸的海涂上，厂区大小油罐共60余个，其中1万m2的油罐10个，罐体采用钢制焊接固定拱顶的结构型式。1万m2油罐直径D=31.28m,高14.07m，采用钢筋混凝土环形基础，环基高h=2.30m，其中填砂。罐区地基土属第四纪滨海相沉积的软粘土，土质十分软弱，而油罐基底压力达P=191.4kN/m2，采用砂井并充水的预压处理。,砂井地基设计剖面,55,2）工程地质条件场地地基土层从上而下分为：层为黄褐色粉质粘土硬壳层，为超固结土，厚度lm左右；层为淤泥质粘土，厚度约3.2m；层为淤泥质粉质粘土，其中夹有薄层粉砂，平均厚度为4.0m；层为淤泥质粘土，其中含有粉砂夹层，下部粉砂夹层逐渐增多而过渡到粉砂层，平均厚度为9.3m；层为粉、细、中砂混合层，其中以细砂为主，并混有粘土，平均厚度为8.0m；第层以下为粘土、粉质粘土及淤泥质粘土层，距地面50m左右为厚砂层，基岩在80m以下。主要持力层土含水量高（超过液限），压缩性高，抗剪强度低。第、第层由于含有薄粉砂夹层，其水平向渗透系数大于竖向渗透系数，这对加速土层的排水固结是有利的。,56,表5.6各层土的主要物理力学性质指标,57,3）设计计算（1）砂井布置砂井直径40cm、间距2.5m，等边三角形布置，井径比n=6.55。考虑到地面下17m处有粉、细、中砂层，为便于排水，砂井长度定为18m，基础外设两排砂井，利于基础外地基土强度的提高和减小侧向变形。,加荷