第2章 地基处理(排水固结)

1、第5章 排水固结Drain Consolidation地基处理地基处理Soil Improvement 第一节第一节 概概 述述 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。排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的

2、。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。 排水系统加压系统排水固结竖向排水体水平排水体砂垫层普通砂井袋装砂井塑料排水带堆载法真空法降低地下水位法电渗法联合法排水系统加压系统 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。 第二节第二节 加固机理加固机理 加 固 软 土 层竖 向 排 水 体排水垫层水平排水盲沟 如上图所示，在建筑物修建前，

3、通过排水固结方法，施加的固结压力，土样压缩曲线为abc，从a点到c点，孔隙比变化量为e。卸除固结压力，土样沿卸荷曲线cef回弹到f点。再修建建筑物，相当于沿fgc的再压缩曲线（图中虚线）到达c点，此时孔隙比变化量为e。 e e，则建筑物修建过程中地基沉降量会大大缩小。 同理，从下图中可以看出，f点的抗剪强度大于a点，说明通过排水固结作用，地基土的抗剪强度也相应得到一定程度的提高。1、排水固结法的原理、排水固结法的原理 堆载预压法就是用填上等（超）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。排水固结

4、法的原理排水固结法的原理2 2、排水固结法的应用范围、排水固结法的应用范围 用于处理淤泥质土、淤泥、泥炭土和冲填土等饱和软粘土地基，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 沉降问题 (settlement problems)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 (stabilization problems) 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 Wick Drainssandgra

5、vel系统组成排水系统 Vertical Wick DrainsVertical Wick DrainsVertical Wick DrainsHorizontal Drains水平排水体Horizontal Drains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Vacuum Consolidation系统组成加压系统 真空预压第三节第三节 排水固结法设计计算排水固结法设计计算 一、一、 设计前应取得的资料设计前应取得的资料 1. 进行场地勘察，查明土层在水平和竖直方向的分布和变化、透水层的位置及水源补给条件、地下水深度等 2. 进行室内土工试验，确定

6、土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、三轴试验抗剪强度等3.进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗剪强度。 堆载预压法（Preloading）是在建筑物建造以前，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。 堆载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。二、二、 堆载预压法设计堆载预压法设计 堆载预压法的设计内容：（1）选择竖向排水体，确定其尺寸、间距、排列方式和深度；（2）确定预压荷载的大小、

7、范围、速率和预压时间；（3）计算地基的固结度、强度增长；（4）进行稳定性和变形计算。1.堆载预压的计算步骤堆载预压的计算步骤 （1） 利用地基的天然抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1。斯开普顿极限荷载半经验公式DBD0.21AB0.21Cu51）（KpK安全系数，建议采用1.11.5；Cu天然地基土的不排水抗剪强度（kPa）；D基础埋置深度（m）；A、B分别为基础的长边和短边（m）；基底标高以上土的重度（kN/m3）。土力学地基基础土力学地基基础P177对长条形填土，可根据Fellenius公式估算，即： K5.52Cup 1（2）计算第一级荷载下地基强度增长值。)(c01fff对饱和软粘土

8、也可采用下式计算：DK5.14Cup1。，可取起强度衰减的折减系数土体由于剪切蠕动而引时强度增长值；强度，通常取固结度为该点由于固结而增长的地基土天然抗剪强度；度；，地基中某点的抗剪强作用下，经过一段时间0.900.7570%pc110fff土力学土力学（陈仲颐编）（陈仲颐编）P282（3） 计算p1作用下达到所定固结度所需要的时间。 达到某一固结度所需时间可根据固结度与时间的关系求得。这一步计算的目的是确定第一级荷载停歇的时间，亦即第二级荷载开始施加的时间。（4） 根据第2步所得到的地基强度f1计算第二级所能施加的荷载p2。即Kpf152. 52 同样求出在p2作用下地基固结度达70时的强度

9、以及所需时间，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，初步的加荷计划也就确定下来。 （5）对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，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。 这一项计算的目的在于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，所剩留的沉降为建筑物所允许的。2. 超载预压超载预压 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：sctdtssssU 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p

10、f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。式中 St时间t时地基的沉降量（mm）； Sd瞬时沉降量（mm）； t时刻地基的平均固结度； Sc最终沉降量（mm）； Ss次固结沉降量（mm）。tU 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stRsf，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：sffsfzpppU )(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

11、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。二、砂井排水固结设计计算二、砂井排水固结设计计算 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。 Sand Drains （一）砂井设计（一）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，以及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)。

12、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。2砂井长度 根据现场各种因素定。（土层厚度、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。3砂井排列正三角形排列 正方形排列 排水路径lldede4. 砂井的布置范围:大出基础轮廓线24m。6. 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。5. 砂料： 宜选用中粗砂，其含泥量不能超

13、过3%。（二）（二） 砂井地基固结度的计算砂井地基固结度的计算1瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算 19401942年，巴伦（Barron）根据太沙基固结理论，提出砂井的设计计算方法。 固结微分方程：)1(2222vrurruczuctuH上式可分解为：22vzCtzuuz)1(Ct22hrrurruurr 砂井地基的固结度计算一般先假设荷载是瞬时施加的，然后根据实际情况进行修正。根据卡里罗理论：任意一点的孔隙水压力u有如下关系：000uuuuuuzr用固结度表示为：)1)(1 (1zrrzUUU（1）竖向固结度由太沙基一维理论计算。）竖向固结度由太沙基一维理论计算。时，可采用下式计算：当30

14、%zU)4exp(8122vzTU2vvHtcT （2）径向排水固结度计算）径向排水固结度计算由巴伦（Barron）导得的解为：)8exp(1HrTFU2eHHdtcT2222413ln1nnnnnFweddn 井径比 时间因数时间因数Th当总固结度大于30%时：trzeU28122248HcFdcveH故)1 (8ln12rzUt（3）总固结度的确定）总固结度的确定由：）（rzU-1U1-1rzU得t-e-1U1975）建议：曾国熙（2逐渐加荷条件下地基固结度的计算 以上计算固结度的理论公式都是假设荷载是一次瞬间加足的。实际工程中，荷载总是分级逐渐施加的。因此，根据上述理论方法求得的固结时间

15、关系或沉降时间关系都必须加以修正。目前常用的有改进的太沙基法改进的太沙基法和曾国熙提出的改进的高木俊介法改进的高木俊介法，（1）改进的太沙基法方法作如下假定：a、每一级荷载增量pi所引起的固结过程是单独进行的，与上一级荷载增量所引起的固结度无关；b、总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加； c、每一级荷载增量pi等速加荷经过时间t的固结度与在t/2时的瞬时加荷的固结度相同，也即计算固结的时间为t/2。d、在加荷停止以后，在恒载作用期间的固结度，即时间t大于Ti（此处Ti为pi的加载期）时的固结度和在Ti/2时瞬时加荷pi后经过时间(t- Ti/2)的固结度相同；e、所算得的固结度仅是对本级

16、荷载而言，对总荷载还要按荷载的比例进行修正。ppUnnTTtrznn1)2(/t1U对多级等速加荷，修正通式为：对多级等速加荷，修正通式为：式中多级等速加荷，t时刻修正后的平均固结度；瞬时加荷条件的平均固结度；Tn-1、Tn分别为每级等速加荷的起点和终点时间（从时间0点起算）。当计算某一级加荷期间t时刻的固结度时，则改为t； pn第n级荷载增量，如计算加荷过程中某一时刻t的固结度时，则用该时刻相对应的荷载增量。 p各级荷载的累积值。tUUrz （2）改进的高木俊介法 其特点是不需要求得瞬时加荷条件下地基固结度，而是可直接求得修正后的平均固结度。修正后的平均固结度为： 1-11 nnTTtnnn

17、nteeeTTpqUUtt 时多级荷载等速加荷修正后的平均固结度（%）； qn第n级荷载的平均加荷速率（kPa/d）；、参数，查表。 、值表值表参数参数竖向排水固结竖向排水固结（Uz30%）向内径向向内径向排水固结排水固结竖向和径向排水固结竖向和径向排水固结（砂井贯穿受压土层）（砂井贯穿受压土层）砂井未贯穿受砂井未贯穿受压土层的固结压土层的固结12828HLL822v24HC2ehdFC82v22ehH4CdFC82ehdFC8L砂井长度；砂井长度；H砂井以下压缩土层厚度。砂井以下压缩土层厚度。三、地基抗剪强度增长计算三、地基抗剪强度增长计算 在预压荷载作用下，随着排水固结的进程，地基土的抗剪

18、强度就随着时间而增长；另一方面，剪应力随着荷载的增加而加大，而且剪应力在某种条件（剪切蠕动）下，还能导致强度的衰减。 因此，如果适当地控制加荷速率，使由于固结而增长的地基强度与剪应力的增长相适应，则地基就稳定；反之，如果加荷速率控制不当，使地基中剪应力的增大超过了由于固结而引起的强度增长，地基就会发生局部剪切破坏，甚至地基产生整体破坏而滑动。 ft 地基土某一时刻的抗剪强度（kPa）f0 地基中某点在加荷之前的天然地基抗剪强度 fc由于固结而增长的抗剪强度增量；fs由于剪切蠕动而引起的抗剪强度衰减量。 地基中某一点在某一时刻的抗剪强度可用下式表示：fsff0f-ct 目前常用的预估抗剪强度增长

19、的方法有有效应力法和有效固结压力法。下面仅对有效应力法加以介绍。 综合折减系数，可取0.750.90。因fs难以推算，故上式改写为：）（ctff0f 强度增长值的估算可采用下式：1tcUKf式中：K有效内摩擦角的函数， sin1cossinKUt地基中某点的固结度，可用平均固结度代替。1荷载引起的地基中某点的最大主应力增量。故地基土某点的强度可表示为：）（1ttUKf0f四、沉降计算四、沉降计算 预压荷载作用下地基的最终沉降量S由瞬时沉降Sd、固结沉降Sc和次固结沉降Ss三部分组成，即：scdSSSS而次固结沉降对一般泥炭土、有机质土或高塑性粘土层较大，其它土可忽略。n1i0i1i0iCe1e

20、-eSih）（1、固结沉降、固结沉降Sc计算计算分层总和法： 当软土很厚，荷载为均布时，Sd可按下式估算：Eb2dd1pCSP均布荷载；b荷载面积的直径或宽度；Cd考虑荷载面积形状和沉降计算点位置的系数，可查表。E土的弹性模量；土的泊松比。2、瞬时沉降、瞬时沉降Sd计算计算 由于具体计算时Sd与Sc不易区分，且E和不好确定，一般采用以下经验公式计算：ihn1i0i1i0iscse1eeSS）（沉降计算经验系数，通常取1.11.4。3、最终沉降、最终沉降S计算计算s 稳定分析是路堤、土坝以及岸坡等以稳定为控制的工程设计中的一项重要内容。进行稳定分析可解决以下问题： 地基在天然状态下的最大堆载；在

21、各级预压荷载作用下的稳定性；最大许可预压堆载；理想的堆载计划。五、稳定分析五、稳定分析第四节第四节 排水固结的施工排水固结的施工 排水固结的施工包括三个部分：铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加荷载。一、水平排水垫层的施工一、水平排水垫层的施工1、垫层材料、垫层材料 砂垫层砂料宜用中粗砂，渗透系数110-3cm/s，含泥量不小于5%，无杂质，无有机质。2、水平排水系统设置、水平排水系统设置 在水平垫层预压区应设置与砂垫层相连的盲沟，盲沟可平行布置，并与集水井连通。盲沟中可采用粒径3050mm的碎石或砾石。 若砂粒来源较困难，可采用网状布置的砂沟代替整片砂垫层，并与集水井连通。明沟盲沟 排水垫层的

22、厚度一方面要求保证从土中渗出的水能及时排出，另一方面能满足施工设备施工时的承载要求。 一般情况下垫层厚度可取3050cm，水下施工时，垫层厚度可取0.81.0m。3、垫层厚度、垫层厚度4、垫层施工、垫层施工 施工方法根据地基土表面的承载情况进行选择。当地基土表层有硬壳层，可承受一般机械进行时，可用机械铺砂，采用机械分堆摊铺法或顺序推进摊铺法。 当地基较软不能承受机械运行时，可选用人力车或轻型皮带输送机由外向里或一边向另一边铺设。 （一）砂井施工（一）砂井施工 1、砂井材料、砂井材料 砂井的材料应采用中粗砂，其渗透系数宜大于110-2cm/s。砂料应干净，不含草根等杂物，含泥量不超过3%。二、竖

23、向排水体的施二、竖向排水体的施工工2、施工顺序、施工顺序 要求尽量减小对周围土的挤压力，应遵循“先中间后周边”的原则。3、施工工艺、施工工艺 砂井施工一般先成孔，再灌砂形成砂井。 砂井成孔的方法有套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法，其中以套管法和射水法应用较广泛。 保持砂井的连续和密实，并不出现缩颈现象。 尽量减少对周围土的扰动。 砂井的长度、直径和间距应满足设计要求。 砂井的位置允许偏差为该井的直径，垂直度的允许偏差为1.5%。4、砂井施工的质量要求、砂井施工的质量要求（二）袋装砂井施工（二）袋装砂井施工 袋装砂井是用具有一定的伸缩性和抗拉强度很高的编织袋装满砂子，放入桩孔中形成竖向排水体

24、。1、砂袋材料要求、砂袋材料要求 袋装砂井的编织袋应具有良好的透水性，袋内砂不易漏失，袋子材料应具有足够的抗拉强度，能承受袋内砂自重及弯曲产生的拉力，要有一定的抗老化性能和耐环境水腐蚀的性能。 国内常用的编制袋有麻布袋和聚丙烯编织袋。 袋装砂井成孔的方法有锤击打入法、射水法、静力压入法、钻孔法和振动沉管法等。目前常用的方法是振动沉管法。 2、施工机具、施工机具3、施工程序、施工程序放线测量机具定位设置桩尖（桩靴）沉管成孔投送砂袋拔管成桩 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，促使地基软土在荷载作用下排水固结。 （三）塑料带排水法施工（三）塑料带排

25、水法施工1、塑料排水带的结构、塑料排水带的结构塑料排水带由芯板和滤膜组成。常见断面结构形式如下图。 2、塑料排水带的性能、塑料排水带的性能 在土中设置塑料排水带后，土层中的渗透水通过滤膜渗入芯板沟槽中，并通过沟槽从排水垫层中排出。因此，要求滤膜的透水性好，与土接触后其渗透系数不低于中粗砂，排水沟槽保证排水通畅，受到土压力后过水断面不减小，耐酸、耐碱。 具体要求：滤膜的渗透系数 510-4cm/s，纵向通水量1540cm3/s。芯板的抗拉强度1015N/mm，滤膜的抗拉强度，干态时1.53.0N/mm，湿态时1.02.5N/mm，整个排水带反复对折5次不断裂。 三、预压荷载的施工三、预压荷载的施

26、工 预压荷载的施工，一般分三类：利用建筑物自重加压；施加外部荷载（堆载预压施工）；减少地基土的孔隙水（真空预压施工） （一）利用建筑物自重加压（一）利用建筑物自重加压 利用建筑物自重加压就是在未经预压的天然软土地基上直接建造建筑物。该方法适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、贮矿场、油罐、水池等。 要注意控制加荷速率，使其与地基土强度相适用。 （二）堆载预压施工（二）堆载预压施工 堆载预压的材料一般以石料、砂、砖等不污染环境的散体材料为主。 （三）真空预压施工（三）真空预压施工 （三）真空预压施工（三）真空预压施工 第五节第五节 施工观测及质量检验施工观测及质量检验 施工过程中需要进行观测的项目有：孔隙水压力、沉降、边桩水平位移、真空度等。需要检验的内容主要是地基土的物理力学性能指标。一、地基土的物理力学性能指标检验一、地基土的物理力学性能指标检验（1）对以抗滑稳定性为控制的工程，应在预压区内选择代表性地点预留孔位。在加载的不同阶段进行不同深度的十字