第5章 排水固结

第5章排水固结法目录5.1概述5.2加固原理和计算理论5.3堆载预压法5.4真空预压法5.5真空联合预压法5.6降低地下水位法5.7电渗法5.1 概述45.1 概述1排水固结法又称预压法。排水固结法加固地基是通过对地基施加预压荷载，使软粘土地基土体中的孔隙水排出，土体产生排水固结，土体孔隙体积减小、抗剪强度提高，达到减少地基工后沉降和提高地基承载力的目的。55.1 概述1排水固结法又称预压法。排水固结法加固地基是通过对地基施加预压荷载，使软粘土地基土体中的孔隙水排出，土体产生排水固结，土体孔隙体积减小、抗剪强度提高，达到减少地基工后沉降和提高地基承载力的目的。排水固结法竖向通常由排水系统和加压系统两部分组成，排水系统一般由水平向排水垫层和竖向排水通道组成。水平向排水垫层一般为砂垫层，也有由砂垫层加土工合成材料垫层复合形成。竖向排水通道常采用在地基中设置普通砂井、袋装砂井、塑料排水带等形成。若地基土体渗透系数较大，或在地基中有较多的水平砂层，也可不设人工竖向排水通道，只在地基表面铺设水平排水垫层。加压系通常采用下述方法：堆载法，真空预压法，真空预压联合堆载法，降低地下水位法和电渗法等。5.2加固原理和计算理论5.2加固原理和计算理论15.2.1加固原理采用排水固结法加固地基的原理是利用饱和粘性土地基在荷载作用下产生排水固结，土体孔隙比减小，压缩性减小，抗剪强度提高。因此，采用排水固结法加固地基可有效减少地基工后沉降和提高地基承载力。现以图5-2（a）和(b)所示的e-lnp'曲线和p-τf曲线来说明采用排水固结法加固地基的原理。（a）e-lnp'曲线（b）p-τf曲线图5-2排水固结法加固地基原理5.2加固原理和计算理论15.2.2地基固结度计算图5-2所示为一维固结情况。对一维固结可采用Terzaghi固结理论计算。Terzaghi一维固结方程为根据Terzaghi一维固结理论，对最大排水距离为H的土层，当平均固结度≥30%时，地基平均固结度可采用下式计算：（5-1）

（5-2）

5.2加固原理和计算理论1图5-3一维固结Terzaghi固结理论图5-4砂井地基固结理论5.3堆载预压法115.3.1设计1堆载预压法设计主要包括排水系统和加压系统两部分的设计。排水系统设计包括竖向排水体的材料选用，排水体长度、断面、平面布置的确定等；加压系统设计主要包括堆载预压计划的确定和堆载材料的选用，以及堆载预压过程中的现场监测设计等。125.3.1设计1堆载预压法设计计算步骤如下：1、竖向排水体材料选择（1）竖向排水体材料选择（2）竖向排水体设置深度设计（3）竖向排水体平面设计（4）水平排水砂垫层设计2、堆载预压计划设计根据初步确定的排水系统和对地基处理的要求，包括提高地基承载力、减小工后沉降、以及容许的堆载预压工期等要求，初步拟定一个堆载预压计划。例如初步拟定的堆载预压计划如图5-3-2所示。135.3.1设计1（1）堆载预压过程中地基稳定性验算主要验算加载阶段地基的稳定性。加载阶段地基稳定，则恒载预压阶段地基肯定是稳定的。通常通过稳定分析验证加载计划，主要验证一级加载量和加载速率是否合理。稳定分析一般可采用圆弧滑动法分析。图5-10堆载预压计划145.3.1设计1（2）堆载预压结束时刻（t4）地基承载力和工后沉降是否满足设计要求通过计算预压荷载作用下地基固结度、地基土体抗剪强度的提高，可进一步得到经堆载预压处理后的地基承载力，判断通过堆载预压处理后的地基是否已满足提高地基承载力的要求。155.3.2施工1堆载预压法施工包括排水系统施工和堆载预压施工。排水系统包括砂垫层和竖向排水体两部分。在铺摊砂垫层时应注意与竖向排水体的联接。以保证排水固结过程中，排水流畅。若软土地基表面很软，直接进行竖向排水系统的施工有困难，可辅以土工聚合物。竖向排水体通常有普通砂井、袋装砂井和塑料排水带三类。施工方法各不相同。165.3.3质量检验1排水固结法施工过程中主要通过沉降观测、地基中超孔隙水压力监测来检验其处理效果，也可在加载不同阶段进行不同深度的十字板抗剪强度试验和取土进行室内试验检验地基处理效果，并且通过上述检验手段验算预压过程中地基稳定性。预压完成后，可通过沉降观测成果、超孔隙水压力监测成果以及对预压后地基进行十字板抗剪强度试验及室内土工试验检验处理效果。175.4真空预压法1真空预压法是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形成压差，迫使地基土中水排出，地基土体产生固结。5.4真空预压法5.4.1设计5.4.2施工18195.4.1设计1真空预压法设计包括下述几方面：（1）排水系统设计通常采用塑料排水带、普通砂井、袋装砂井作为竖向排水体，设计计算和施工同堆载预压法。（2）抽气抽水系统抽气抽水系统由水平向分布滤管、真空管路和真空泵组成。（3）真空预压计划设计真空预压是否满足设计要求，何时停止抽气抽水可通过地基沉降量的完成量来评定。（4）现场测试设计现场测试设计同堆载预压法。205.4.2施工1真空预压的施工工艺包括排水系统、抽真空系统和密封系统三方面，真空预压施工过程较堆载预压复杂，其基本流程如图5-12所示。图5-12真空预压法施工流程图215.4.2施工1（1）抽真空系统（i）真空管、滤管布置真空管、滤管布置的好坏会直接影响抽真空的效率和地基加固的效果，二者主要布置形式如图5-13所示。（ii）抽真空装置抽真空装置一般由离心泵或潜水泵、加射流喷嘴、循环水箱组成。图5-13真空预压法真空管、滤管主要布置形式225.4.2施工1（2）密封系统（i）密封膜铺设密封膜是否能形成封闭系统是真空预压法加固地基成败关键之一。材料一般采用密封性聚乙烯薄膜或线性聚乙专用薄膜，通过热合与粘结，形成500m2—5000m2密封膜。除采用密封膜外，也有采用淤泥密封。将塑料排水带直接跟水平排水排气管网连接，然后在管网及地面上覆盖厚度大于300mm的淤泥层，以达到密封的目的。235.4.2施工1（2）密封系统（ii）密封沟加固区周边的密封多采用挖密封沟。密封沟的深度在1.2-1.5m之间。当被加固土的表层粘粒含量较高、渗透性较差时，可以取小值；反之，沟要挖深一些。沟的宽度一般最小为60cm；人工挖掘密封沟最小宽度为70cm。（iii）土层深部密封对透水层的密封处理有钢板桩法、灌浆法、深层搅拌法、高压旋喷法等。对较细颗粒组成的透水层，如细砂或粉细砂的透水层要求的含泥量较大，目前主要采取泥浆搅拌墙法对深部透水层密封。（iV）对地表裂缝的处理当发现有漏气时，可将拌制一定稠度的粘土浆倒灌到裂缝中，泥浆在重力和真空吸力的作用下向裂缝深处钻进，慢慢充填于裂缝中，堵住裂缝、达到密封的效果。

5.5真空联合预压法5.5.1设计和施工5.5.2工程实例24若单纯采用真空预压法不能满足地基加固设计要求，可采用真空预压和堆载预压相结合的处理方法，通常称为真空与堆载联合预压法。255.5.1设计和施工1堆载时需考虑是否需要分级施加；经验表明，膜下真空度维持在80kPa时，总堆载高度在2m以下时，可不考虑分级堆载；当堆载高度在3m以上时，需分级加载，分级的次数、每级荷载和稳载时间，可按堆载预压法中的荷载分级设计进行。真空联合预压法中，真空预压的和堆载预压加固效果可分别计算，然后将两者叠加就可得到联合预压法的加固效果。施工同堆载预压法或真空预压法。265.5.2工程实例11985年4月在天津港区矿石码头堆场进行了真空联合堆载的现场加固试验，也是我国第一个真空联合预压法的工程实例。试验时膜下真空度达到80kPa，堆载为3.05m高的山坡土，相当于55kPa的荷载,分两次施加。加固区内打设袋装砂井，直径7cm，正方形排列，间距1.5m，长度10m。275.5.2工程实例1经过联合加固，总历时176天，总沉降量达到131.2cm，其中在堆载阶段产生的沉降量53.5cm。砂井范围内土体固结度达到86%；土的物理性质与土的强度都发生了很大的变化，具体见表5-5-1和图5-5-2所示。大型荷载试验的结果表明承载力增加二倍（见表5-5-2）。真空联合预压法加固效果显著。图5-14真空联合堆载加荷与沉降关系过程线图5-15加固前后十字板强度沿深度的变化285.7电渗法1电渗法是通过在插入土体中的电极上施加直流电使得土体加速排水、固结从而提高强度的一种地基处理方法。电渗过程中，电渗渗透系数是决定土体排水速率的关键因素之一，与常用的水力渗透系数与土壤类型息息相关的特性不同，电渗渗透系数受土颗粒大小影响较小，如对于不同的土壤类型水力渗透系数的变化范围为10-1-10-9(m/s)，而电渗渗透系数的变化范围为10-8-10-9(m2/s)。5.7电渗法5.7.1加固机理5.7.2适用范围和特点5.7.3设计计算5.7.4工程实例29305.7.1加固机理1离子在电场作用下发生迁移运动，并且拖拽周围的极性水分子一起移动，粘土颗粒的负电性使得离子较多地聚集在双电层中，且阳离子浓度要高于阴离子浓度，这使得阳离子转移的水量高于阴离子的转移量，于是在阳离子迁移方向产生净渗流，即电渗（图5-7-1）。如果将汇聚于阴极的水排水，土中的水减少产生加固。图5-17电渗原理图315.7.2适用范围和特点1

（1）适用范围包括有机质土、泥炭土、含油淤泥、工业尾矿、疏浚淤泥、吹填淤泥、废弃泥浆、海洋底泥、污染土、城市污泥等根据已有文献报道，笔者总结了电渗工程实例和试验中的数据，得到表5-7-1所示适宜电渗法的土体各参数大致范围。需要说明的是，表5-7-1中的数据仅为已有文献报道中各参数的范围，只能作为初步定性判断的参考，适用性的进一步判断和设计参数的确定还有赖室内模型试验。325.7.2适用范围和特点1（2）特点

a.固结速度快

b.电渗法不会引起因软土承载力不足而发生的失稳现象。

c.安全性高。

d.金属材料作电极时，会腐蚀生成氧化物或是氢氧化物的胶体，形成电化学加固，使土体逐渐变得密实335.7.3设计计算1已有电渗固结理论大多基于Esrig固结理论，Esrig一维电渗固结理论的假设条件为：（1）土体均一且饱和；（2）土体的物理化学性质均匀，且不随时间变化；（3）不考虑土颗粒的电泳现象，且土颗粒不可压缩；（4）电渗水流速度和电势梯度成正比；（5）电势梯度均匀恒定，且施加的电势完全用于电渗；（6）不考虑电极处的电化学反应；（7）电场和水力梯度引起的水流可叠加。345.7.3设计计算1与达西定律类似，电渗过程中电渗流与电势梯度存在以下关系：

（5-45）其中，为电渗流，为电势，叠加以水力流得到：

（5-46）其中，为总水流，为水力流，为水力渗透系数，为超孔隙水压力，为水的重度。由于孔隙水不可压缩，排出的水完全贡献于土体体积的减少，进一步推导得到以下控制方程：

（5-50）355.7.3设计计算1在阳极不透水、阴极排水的常规边界条件，以及孔压u(x,0)=0的初始条件下，其一维固结解为：

（5-51）其中为阴极与阳极之间的距离（图5-18）。基于应力的平均固结度为：

图5-18Esrig一维电渗固结模型365.7.4工程实例1

（1）工程概况广州中船龙穴造船基地某项目是首次大面积采用真空-电渗降水-低能量强夯联合的软弱地基加固技术的案例。该造船基地位于虎门外珠江右岸、