地基处理---排水固结课件

1、排水固结Drain Consolidation地基处理Ground Improvement 余闯 1 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。 排水固结排水系统，主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离。该系统是由水平排水垫层和竖向排水体构成的加压系统，是指对地基施行预压的荷载，它使地基土的固结压力增加而产生固结。其材料有固体(土石料等)、液体(水等)、

2、真空负压力荷载等。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。 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。 排水固结法的种类 排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和黏性土地基。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

3、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黏土地基。排水固结法的应用条件必须指出，排水固结法的应用条件，除了要有砂井(袋装砂井或塑料排水带)的施工机械和材料外，还必须要有：预压荷载；预压时间；适用的土类等条件。预压荷载是其中的关键问题，因为施加预压荷载后才能引起地基土的排水固结。然而施加一个与建筑物相等的荷载，这并非轻而易举的事，少则几千吨，大则数万吨，许多工程因无条件施加预压荷载而不宜采用砂井预压处理地基，这时就必须采用真空预压法、降水预压法或电渗排水等等。 1.1 排水固结法的原理 加 固 软 土 层竖 向 排 水

4、 体排水垫层水平排水盲沟 堆载预压法就是用填土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。堆载预压加固法的原理真空预压加固原理真空排水预压法加固软土地基的方法是属于排水固结法的一种。运用真空排水预压法加固软土地基时，一般来说：先在欲加固的软土地基上按一定间距打设塑料排水板或袋装砂井（统称垂直排水通道）； 在地面上铺设一定厚度的砂垫层； 将不透气的薄膜铺设在砂垫层上； 借助于埋设在砂垫层中的管道，通过抽真空装置将膜下土体中的空气和水抽出。最终使土体得以排水固结，土体的强度同时也得到增长，达到加固的

5、目的。 真空排水预压法是由排水系统和加压系统两部分共同组成： 真空预压加固原理水平排水体真空排水固结排水系统加压系统垂直排水体 抽真空装置 砂井、袋装砂井、塑料 排水板、钢丝滤管 砂垫层、土工合成材料 真空排水预压法加固软基的示意图 基本原理 真空堆载联合预压示意图 VACUUM PRELOADING沉降问题：使地基的沉降在抽气加载预压期间大部分被消除（一般是80）或基本消除，建筑物在使用期间不致有过大的沉降和沉降差。适用于对工后沉降要求较高或较敏感的集装箱堆场、大型仓库、冷藏库、斗轮机轨道、飞机跑道、道路桥头段等。稳定问题：加固能加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。应用

6、此法可以加速地基土抗剪强度增长、缩短工期的工程。1.3 排水固结法的关键问题沉降问题 (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 Drainssandgravel系统组成排水系统 Vertical Wick Drains排水板（带）是一种复合型结构的产品，中间是挤出成型的塑料芯板

7、，是排水带的骨架和通道，其断面呈并联十字，由35条筋，34条槽组成，宽100MM，厚3.5-6.0MM。芯板外部包覆化纤无纺布，它起着隔土滤膜作用。主要指标参数 注：Kg-为滤膜的渗透系数，Ks-为地基土的渗透系数 SPB为塑料排水带的代号 产品特点 1、滤水性好，排水畅通，能确保良好的排水效果。 2、其材料具有一定的强度延伸率，适合地基变形能力强。 3、排水带断面尺寸小，插板时对地基扰动小。 4、在超软弱粘地层上或水下也可进行插板施工。 5、施工速度快，工人劳动强度低，每台机每日可插板20000米，费用可比袋装砂井降低30%以上。 应用范围 主要运用于淤泥、淤泥质土、回填土等饱和粘性土及填土

8、的加固处理。 其中A型排水板适用于施打深度小于15m， B型排水板适用于施打深度小于25m， C型排水板适用于施打深度小于35m。Vertical 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 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

9、条件而构成的。3.3 设计与计算设计理论之-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。 1瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算固结微分方程：根据卡里罗理论：任意一点的孔隙水压力u有如下关系： 一点M：Uz,t=01：表征总应力中有效应力所占比例1.基本概念5.4.3 固结度的计算5.4.3.1 固结度的确定方法 地层：一层土的平均固结度M2.平均固结度Uz与沉降量St之间的关系t时刻： 确定Sct的关键是确定Uz 确定Uz的核心问题是确定uz.t在时间t的沉降与最终沉降量之比3.确定地基的平均固结度Uz1) 基本计算方法均布荷载，单向排水情

10、况已知解得近似Tv反映固结程度简化图表 P168，图5-30单面排水时2) 常见计算条件实践背景：H小，p大自重应力附加应力自重应力附加应力压缩土层底面的附加应力还不接近零应力分布：12534基本情况：不透水边界透水边界计算公式：情况2、3：图表：图5-30曲线(2)(3)情况4、5：叠加原理，公式（5-49）（5-50）不透水边界透水边界渗流123双面排水时透水边界应力分布：12534基本情况：透水边界H无论哪种情况：图表：图5-30曲线(1)压缩土层深度取H/2值计算公式：不同初始孔压分布下的固结性状分析 用固结度表示为：竖向固结度由太沙基一维理论计算。径向固结度等应变条件下用下式：井径比

11、 总固结度（大于30%时）：故 2逐渐加荷条件下地基固结度的计算目前常用的有太沙基修正法和曾国熙提出的改进的高木俊介法，理论上可以证明，能者是近似的，而后者是精确的。改进的高木俊介法通常将实际荷载简化为多级等速加荷，最常用的公式为； 1、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算3、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算（考虑涂抹和井阻影响）4、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算（考虑涂抹和井阻影响）可以分解成两个方向的固结问题叠加（ Carrillo ）三维渗流固结问题其中1、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算求解，得到其中 固结度 井径比查表取值 增加井径dw与减小

12、间距de哪个有效？2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算井阻和涂抹作用 在实际砂井施工中，由于沉管对周围土体的扰动和重塑作用，在砂井周围形成了一个“涂抹区”，使该区内土渗透性降低，压缩性增大。 在土中水向砂井渗流过程中，砂料对渗流产生的阻力也会影响土层的固结速率。 井阻和涂抹作用对固结速率的影响有时十分显著。比如宁波机场袋装砂井场地，在堆载205天后，考虑井阻与涂抹作用影响的地基实际平均固结度仅为按理想砂井地基计算的固结度0.81倍。3、瞬时加荷条件下砂井地基固结度计算（考虑涂抹和井阻影响）4、多级逐级加荷条件下

13、砂井地基固结度计算（考虑涂抹和井阻影响）3.3 地基抗剪强度增长的预计曾国熙1975，198l年提出：式中为考虑剪切蠕变及其他因素对强度影响的折减系数。3.4 沉降计算瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降地基土的沉降计算 A、瞬时沉降计算Skempton（1955）弹性理论公式受荷面形状 L/B 中 点 矩形角点，圆形周边 平均值 刚性基础 圆 形 1.00 0.64 0.85 0.79 正 方 形 1.00 1.12 0.56 0.95 0.88 矩 形 1.53.06.010.030.0100.0 1.361.782.232.533.234.00 0.680.891.121.271.622.00

14、 1.151.521.962.252.883.70 1.081.442.12 沉降系数值注：平均值指柔性基础面积范围内各点的平均值B、固结沉降计算C、次固结沉降计算次固结段（基本上是一条直线）的斜率反映土的次固结变形速率，一般用Ca表示，称为土的次固结指数。次固结沉降量为规范规定预压固结法地基最终沉降采用 经验公式：二、 堆载预压法设计计算 2.1 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。对长条梯形填土，可根据Fellenius公式估算，即： 2. 计算第一级荷载下地基强度增长值。 通常假设地基的固结度为70，然后计算出强度增长量；为考虑剪切蠕变的强度折减系

15、数。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 同样求出在p2作用下地基因给度达70时的强度以及所需时间，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，

16、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。2.2 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

17、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。超载预压排水与动力置换相结合3 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 Drains3.1 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

18、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。 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。 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。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

19、的纵横砂沟代替整片砂垫层。 horizontal drain system is installed to collect water squeezed into the crushed stone blanket.jpg Horizontal drains are installed in sand blanket to collect water to be discharged from vertical drains. Heavy clay is placed atop vertical and horizontal drain systems to squeeze water out

20、 of the bog and compact the soft subsoils4 工程实例 ：某建筑地基地层为淤泥质黏土，纵向与横向固结系数为1.810-3cm2/s，受压土层厚20m，袋装砂井直径700mm，呈等边三角形排列，间距1.4m，深度20m，底部不透水，砂井打穿受压土层。预压荷载总压力为100kPa，分两级等速加载，如下所示，计算堆载预压120d后，地层的平均固结度。（不考虑竖井井阻和涂抹影响）。 解： 解： 解：5 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 施工工艺一、竖向排水体施工1、普通砂井沉管法：静压法、锤击法、振动法水冲法钻孔法2、袋装砂井导管式振动打设机械3、塑料排水板矩形导