合肥工业大学地基处理课件专题 地基处理方法04-排水固结法

地基处理方法一排水固结法合肥工业大学土木工程系列讲座主题地基处理方法一排水固结法二、排水固结法的原理三、排水固结法的设计与计算四、施工工艺内容提要一、概述排水固结法是对天然地基，或先在地基设置砂井(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，地基发生沉降时，同时强度逐渐提高的方

法。我国广泛分布着海相、湖相、河相沉积的软弱黏性土层：含水量大、压缩性高、强度低、透水性差、不少情况埋藏深厚按照使用目的，排水固结法可以解决以下两个问题。1.

沉降问题。使地基的沉降在加载预压期间大部或基本完成，使建筑物在使用期间

不致产生不利的沉降和沉降差。2.

稳定问题。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。概述35.1.1预压地基适用于处理淤泥质土、淤泥、冲填土等饱和黏

性土地基。预压地基按处理工艺可分为堆载预压、真空预压、真空和堆载联合预压。5.1.2真空预压适用于处理以黏性土为主的软弱地基。当存在

粉土、砂土等透水、透气层时，加固区周边应采取确保膜下真空

压力满足设计要求的密封措施。对塑性指数大于25且含水量大

于85%的淤泥，应通过现场试验确定其适用性。加固土层上覆

盖有厚度大于5m以上的回填土或承载力较高的黏性土层时，不

宜采用真空预压处理。4水固结进程。

普通砂井竖向排水井袋装砂井塑料排水带水平排水层—砂垫层

堆载法真空法加压系统降低地下水位法联合法概述加压系统：

为地基提供必要的固结压力而设置的，地基土层因产生附加压力而发生排水固结。>排水系统：

为了改善地基原有的天然排水系统的边界条件，增加孔隙水排出路径，缩短排水距离，从而加速地基土的排适用条件：淤泥质土、淤泥

和冲填土等饱和

粘性土地基。排水固结法由排水系统和加压系统两个主要部分组成。排水固结法排水系统施加固结压力的荷载，依据施加工艺的不同一般可分为三大类：>

堆载预压：实体荷载或以建筑物自身重量作为预压荷载>真空预压：对被加固软基抽真空形成大气压差作为预压荷载>降水预压：降低被加固软基范围地下水位以重度差为预压荷载堆载预压堆载预压是指在拟建路基场地上用堆土或其他荷重，施加或分级施加与其相当的荷载，对地基土进行预压，使土体中孔隙水排出，孔隙体积变小，地基土压密，以增加土体的抗剪强度，提高地基承载力和稳定性；同时可减小土体的压缩性并消除沉降量，使其在使用期间不致产生有害的沉降和沉降差。真空预压概述6地基处理方法一排水固结法二、排水固结法的原理三、排水固结法的设计与计算四、施工工艺内容提要一、概述饱和软黏土地基在荷载作用下，孔隙中的水被慢慢排出，

孔隙体积慢慢减小，地基发生

固结变形，同时，随着超静水

压力逐渐消散，有效应力逐渐

提高，地基土的强度逐渐增长。排水固结法的原理abc

cef

fgc加载

→

卸载

→

再加载，△e'比△e小得多固结压力σ。'如果在建筑场地先加一个和上部建筑物相同的压力进行预压，使土层固结(相当于压缩曲线上从a

点变化到c点)然后卸除荷载(相当于在膨胀曲线上由c

点变化到f点)再建造建筑物(相当于再压曲线上从f

点变化到c′点),这样，

建筑物所引起的沉降即可大大减小。如果预压荷载大于建筑物荷载，即所谓超载

预压，则效果更好，因为，经过超载预压，当土层的固结压力大于使用荷载下

的固结压力时，原来的正常固结黏土层将处于超固结状态，而使土层在使用荷21.021,50照杜期正常水位903.5细砂一昆少量粘土砾石腐殖土缴泥质粘土中抓砂提少量乐石二硬可塑粉质粘土酥石惟少量砂图9

.7杜湖水库砂井地基剖面图13.4

外杜湖比例尺

51015m二

排水固结法的原理加载，卸载，再加载过程说明：载下的变形大为减小。竖向排水固结：土层中的孔隙水向上、下面透水层排出而使土层发生固结。根据固结理论，黏性土固结所需的时间和排水距离的平方成正比。土层越厚，固结时间越长(a)

(b)排水法的原理(a)

竖向排水情况；(b)砂井地基排水情况0土层的排水固结效果与排水边界条件有关排水固结法的原理10土层越厚，固结延续的时间越长。为了加速土层的固结，最有效的方法是增加土层的排水途径，缩短排水距离。砂井、塑料排水带等竖向排水井就是为此目的而设置的。如图4-2

(b)

所示。这时土层中的孔隙水主要从水平向通过砂井和部分从竖向排出。砂井缩短了排水距离，因而大大加速了地基的固结速率(或沉降速率),这一点无论从理论上还是工程实践上都得到了证实。(a)(b)排水法的原理(a)

竖向排水情况；(b)

砂井地基排水情况

11二

排水固结法的原理在荷载作用下，土层的固结过程就是超静孔隙水压力(简称孔隙水压力)消散和有效应力增加的过程。如地基内某点的总应力增量为△σ,有效应力增量为△o,

孔隙水压力增

量为△u,

则三者满足以下关系：△σ′=△ø—△u

(4-1)用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力△σ并使孔隙水压力△u消散而增加有效应力△o的方法。真空预压法是在预压地基内总应力不变的条件下，使土中孔隙水

压力减小，有效应力增加的方法。降水预压法是土层在降水范围内土的浸水重度变为饱和

重度，因而产生了附加压力，使土层固结，有效应力增加。真空预压，地基土有效应力增量是各向相等的，在预压过程中土体不会发生剪切破

坏，所以很适合特别软弱黏性土地基的加固。降水预压，地基土基本上是在k。条件下

固

结

。排水固结法的原理地基处理方法一排水固结法二、排水固结法的原理三、排水固结法的设计与计算四、施工工艺内容提要一、概述设计目的：排水固结法的设计，实质上就是进行排水系统和加压系统的设计，使地基在受压过程中排水固结、强度相应增加以满足逐渐加荷条件下地基稳定性的要求，并加速地基的固结

沉降，缩短预压的时间。设计前的准备：1.

土层分布及成因。通过钻探了解土层的分布，天然沉积土层通常都是成层分布的，

应查明土层在水平和竖直方向的变化。通过必要的钻孔连续取样及试验以确定土的种类、

土的成层程度。黏性土层中常分布有薄砂层或粉砂夹层，它们对土的固结速率有很大影

响。通过钻探确定透水层的位置，地下水位深度及地下水的承压与补给情况等。2.固结试验。通过试验取得：固结压力o与孔隙比e

的关系

(e-o′

或

e-logo

关系曲

线);土的先期固结压力；不同固结压力下土的竖向及水平向固结系数(包括一部分重塑

土固结系数)。3.

土的抗剪强度指标及不排水强度沿深度的变化。4.

砂井及砂垫层所用砂料的颗粒分布、渗透系数。5.

塑料排水带在不同侧压力和弯曲条件下的通水量。三

排水固结法的设计与计算试验

目

的试

验试

验

项

目土体基本性质的掌握物理性试验含水量(w),密度(p),孔隙比(e)塑限(wp),液限(w),塑性指数(Ip),液性指数(I.)饱和度(S)、土颗粒比重(ds)固结沉降量固结速率的推定固结试验先期固结压力(dp),压缩指数(Ce)固结系数(C,Ch),eoc或e-logdc曲线，渗透系数(k)地基承载力及稳定性分析三轴试验直剪试验无侧限抗压、十字板剪切试验三轴固结不排水试验c',φ不固结不排水试验cu,4u三轴或直剪试验固结不排水试验Ccu,Pcu和c、e不排水抗剪强度对软黏土，常规的土工试验项目如表4-1所示。软黏土常规土工试验项目

表4-1排水固结法的设计与计算15排水固结法的设计与计算三1

、竖井排水法软黏土的结构状态为蜂窝状或絮状，

一般在固体颗粒周围吸附较厚的薄膜水，并且孔隙中充满水，当受到应力作用时，土体中孔隙水慢慢排出而发生体积压缩。由于黏土

的孔隙本身非常小，水在其中的流动是很缓慢的，为了和透水性好的砂性土的压缩相区

别，特称之为固结。衡量土的透水性的指标是渗透系数，砂的渗透系数大部分界于

10-²~10⁻³cm/s,而黏土则是10-⁷~10-⁹

cm/s,相差很大，可见，黏土孔隙中水的渗流是很费时的，因此当工程上遇到的黏土层厚度很大时，如不改变黏土层的排水边界条件，

仅采用预压法则黏土层固结十分缓慢，地基土的强度增长太慢而不能快速堆载，使预压时临时超载填土永久性填土砂垫层待加固地层典型的砂井地基工程剖面图间延长，或者在一定时间内所需的超载过大而难以实施。这时可在地基内设置

砂井等竖向排水井(简称竖井),以缩短

排水距离，加速土层的固结，这是因为固结时间与排水距离的平方成正比，并且多

数土在水平向的渗透性比垂直向要好(含

粉砂薄层的成层土，其水平向固结系数Ch

约为垂直向固结系数C、的2～5倍)。16←1.6m(60

天，75%)←2m←2.5m0.6m

0.9m

1.1m

1.6m

2.0m-

2.5m10

20

30

40

50

60

70

801、竖井排水法竖井地基的设计工作包括竖井类型的选择；确定竖井的直径、间距、深度及平面布置，然后进行竖井地基固结度的计算，通常竖井直径、间距、深度的选择应满足在预压过

程中，在不太长的时间内，地基能达到80%以上的平均固结度。500400◆

测点1测点2

测点3

测点40202530

35排水固结法的设计与计算累计沉降(mm)沉

降

天

数(

天

)固结天数(天)固

结

度

(

%

)200803001004020601、

竖井排水法一竖井的类型工程上所应用的竖井有普通砂井、袋装砂井及塑料排水带砂垫层塑料排水板普通砂井图2

.

42

朔料排永蚯加软+地其砂井竖井三

排水固结法的设计与计算普通砂井袋装砂井一塑料排水带袋装砂井路堤1

、竖井排水法一竖井的直径和间距>

砂井直径和间距主要取决于：黏性土层的固结特性、工期要求原则上以采用“细而密”的方案为好工程上常用的普通砂井直径为30~50cm>

普通大直径砂井，工程上常用间距一般为砂井直径的6-8倍

>

袋装砂井我国常用7cm,

井距1~1.5m,等边三角形布置>

塑料排水带设计计算方法与砂井相同，一般换算成圆柱体FLAC3D

3.00Sp21890MocePerspecve2126205unA7052015ooTtF480_30页禁和Bmocener

Aoaiotx:4.200e-0C0

×30.0C0¥:420C-0C0

¥0.0C02:1.00C2-C01

2.30.000pst6.01C=-C01

MgAng:22500cmmaz

ofeme

kaMag'c-00CCe-800400CCe-0040-35.0Ce-CC4□5.000Ce+004050.0000e+000□occCCe+C0055.0CCCe+004□5.0000e+004510CCe-00510000-600551500Ce-005H15CCCe-0052Cccce-C051□20000-005522507e+005enai-5.00-04uzsLresvieasea

Corsng

Groug.ineMnsooS

IN

USA三

排水固结法的设计与计算固结天数(天)固

结

度

(

%

)191、

竖井排水法一竖井的深度5.2.6排水竖井的深度应符合下列规定：1根据建筑物对地基的稳定性、变形要求和工期确定；2对以地基抗滑稳定性控制的工程，竖井深度应大于最危

险滑动面以下2.0m;3对以变形控制的建筑工程，竖井深度应根据在限定的预

压时间内需完成的变形量确定；竖井宜穿透受压土层。绿化带非机动车道人行道2人行道非机动车道绿化带机动车道

机动车道22.54.51.5231.54.52.5红线宽度40地基处理宽度46m三

排水固结法的设计与计算皖江城市带某市政道路结构层68cm地基处理交工线原状土1.5%

1.5%地基处理边线地基处理边线20三

排水固结法的设计与计算1、竖井排水法一竖井的排列211、

竖井排水法一排水砂垫层>

在竖井顶面应铺设一定厚度的排水砂垫层以连通竖井，引出从土层排入井中的渗流水>

砂垫层应有足够的厚度和良好的透水性，以减小对水流的阻力>

砂垫层的厚度一般为0.4m左右(水下砂垫层厚1m

左右)当砂垫层面积较大时，应在砂垫层底部设置纵横向排水盲沟，三

排水固结法的设计与计算使渗流水尽快排出预压区外221

、竖井排水法一竖井地基固结度的计算>固结度的计算是竖井地基设计中的一个很重要内容，知道各级荷载下不同时间的固结度，就可推算地基土强度的增长，从而

可进行各级荷载下地基的稳定性分析，并确定相应的加载计划。

由固结度可推算加荷预压期间地基的沉降量，确定预压的期限>

竖井地基的固结理论假设荷载是瞬时施加的1、竖井排水法一竖井地基固结度的计算三

排水固结法的设计与计算三维渗流固结问题231

、竖井排水法一竖井地基固结度的计算求解，得到U₁=1-(1-Uz₁)(1-Un)—

固结度其

中

增加井径dwUzπ=f(T、)Un=f(T,,n)查表5-7与减小间距de哪个有效?—井径比三

排水固结法的设计与计算排水固结条件参数竖向排水固结U₂

>30%向内径向排水固结竖向和向

内径向排

水固结(竖

井穿透受

压土层)说

明a1Ch-—土的径向排水固结系数(cm²/s);C-土的竖向排水固结系数(cm²/s);H

—

土层竖向排水距离

(cm);U…--双面排水土层或固结应力均匀分布的单面

排水土层平均固结度β固结度的一个普遍表达式综观上述不同排水条件平均固结度的计算公式，可看出它们在形式上有共同之处，可

用以下一个普遍表达式概括起来(曾国熙，1959):U=1—aeβt

(4-33)表5.2.7

a和β值三排水固结法的设计与计算1、竖井排水法一竖井地基固结度的计算251、竖井排水法一竖井地基固结度的计算

2(b+δ)固结度计算(砂井)

排水板

dw=a

π三

排水固结法的设计与计算26式中：

de-—

竖井的有效排水直径；l—-

竖井的间距。5.2.5

排水竖井的间距可根据地基土的固结特性和预定时间内

所要求达到的固结度确定。设计时，竖井的间距可按井径比n

选

用(n=d./dw,dw

为竖井直径，对塑料排水带可取dw=dp)。塑料排水带或袋装砂井的间距可按n=15～22

选用，普通砂井的间距可按n=6～8

选用。1

当等边三角形排列时，de=1.05L2

当正方形排列时，(5.2.4-1)de=1.131(5.2.4-2)5.2.4

排水竖井可采用等边三角形或正方形排列的平面布置，并应符合下列规定：27竖井未打穿受压土层之平均固结度的计算从加速土层的固结来看，竖井如能打穿整个受压土层当然是很有利的，但如土层很厚，

要打穿整个压缩土层实际上是有困难的，而且

对有的工程也不一定需要。当竖井未打穿整个压缩土层时，如图4-10。整个压缩土层的平均固结度按下式计算：U=QU₂+(1-QU₂'式中

A₁——

竖井部分土层起始孔隙水压力分布曲线所包围的面积(取附加应力o₂

分布曲线包围的面积);A₂——竖井以下土层起始孔隙水压力分布曲线包围的面积(取σ₂分布曲线包围的

面积)。排水固结法的设计与计算1、

竖井排水法一竖井地基固结度的计算式中

U——

竖井部分土层的平均固结度。按式(4-16)计算；U₂'——竖井以下部分土层的平均固结度，按单向固结理论计算(式4-9)。图4-10

竖井未打穿受压土层的情况(4-29)附加压应力σ,的分布曲线

任意时间孔隙水A₁A₂下部分竖井部分(4-30)竖井以正1、竖井排水法一竖井地基固结度的计算【算例1】

某路堤下软黏土地基采用袋装砂井处理。受压土层厚30m,

土的固结系数C、=Ch=1.8×10-³cm²/s

袋装砂井

直径dw=7cm,

砂井间距l=1.4m,砂井深度H₁=20m,砂井平面布置：等边三角形排列。求：瞬时加荷后t=120

天时受压土层的平均固结度(不考虑井阻和涂抹影响)计算：砂井未打穿受压土层地基平均固结度的计算式为：U.=QU₂+(1-QU',先计算砂井范围土层的平均固结度：U=1-(1—U₁)(1—U₂)排水固结法的设计与计算de=1.051=1.05×1.4=1.47m29∴U=1-(1-0.95)(1—0.19)=0.96砂井以下土层的平均固结度计算：排水距离

排水固结法的设计与计算1、竖井排水法一竖井地基固结度的计算∴

U,=QU₂+(1—QU′₂=0.67×0.96+(1—0.67)×0.22=0.72a=1—√β₂/(β+β)=0.96;H'=(1—0.96×0.67)×30=10.7m30排水固结法的设计与计算2、预压法之堆载预压预压法即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

成和提高地基土强度的方法。对于在持续荷载下体积会发生很大的压缩和强度会增长的土，而又有足够时间进行压缩时，这种方法特别适用。为了加速压缩过程，可采用比建筑物重量为大的所谓超载进行

预压。当预计的压缩时间过长时，可在地基中设置砂井、塑料排水带等竖向排水井以加速

土层的固结，缩短预压时间。适合于采用预压法处理的土是：饱和软黏土、可压缩粉土、

有机质黏土和泥炭土等。无机质黏土的次固结沉降一般很小，这种土的地基采用竖向排水

井预压很有效。预压法已成功地应用于码头、堆场、道路、机场跑道、油罐、桥台等对沉

降和稳定性要求比较高的建筑物地基。预压法的类型有堆载预压、真空预压、降水预压、真空联合堆载预压法等。普通砂井竖向排水井

袋装砂井排水系统

塑料排水带

水平排水层——砂垫层

堆载法降低地下水位法联合法竖向排水体。加

固

软

土

层31Loading水平排水盲沟开Pre排水垫层排水固结法排水固结法的设计与计算2、预压法之堆载预压通常堆载预压有两种情况：(1)在建筑物建造以前，在场地先进行堆载预压，待建筑物施工时再移去预压荷载。堆载预压减小建筑物沉降的原理如图(4-21)所示。由图可

见，如不先经预压直接在场地建造建筑物，则沉降-时间曲线如曲线①所示，其最终沉降

量为s',经过堆载预压，建筑物使用期间的沉降-时间曲线如曲线②所示，其最终沉降量

为

sf,可见，通过预压，建筑物使用期间的沉降大大减小。(2)超载预压。对机场场道、

高速公路或铁路路堤等建筑物，在预压过程中，将一超过使用荷载

P的超载

Ps

先加上

去，待沉降满足要求后，将超载移去，再建造道面或铺设轨道，此后，建筑物的工后沉降

s将很小。其原理如图4-22所示。超载预压期间

原有填土建筑物二超载

填土时间挖除填土建筑物,图4-21

预压法图4-22

超载预压法2、预压法之堆载预压一强度增长饱和软黏土地基在荷载作用下，孔隙中的水被慢慢排出，

孔隙体积慢慢减小，地基发生

固结变形，同时，随着超静水

压力逐渐消散，有效应力逐渐

提高，地基土的强度逐渐增长。加载→卸载→再加载，△e'比△e小得多abc

cef

fgc

三

排水固结法的设计与计算固结压力o!排水固结法的设计与计算2、预压法之堆载预压一强度增长2

堆载过快易失稳1T竖向排水砂井、塑料排水板水平排水垫层>分级堆载真空预压不会失稳排水固结法的设计与计算2、

预压法之堆载预压一强度增长在荷载作用下，土层的固结过程就是超静孔隙水压力(简称孔隙水压力)消散和有效应力增加的过程。如地基内某点的总应力增量为△o,有效应力增量为△o′,孔隙水压力增

量为△u,

则三者满足以下关系：△σ'

△σ

△u

(4-1)用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力△σ并使孔隙水压力△u消散而增

加有效应力△o'的方法。35三排水固结法的设计与计算2、预压法之堆载预压一沉降计算对于以沉降为控制条件需进行预压处理的工程，沉降计算的目的在于估算堆载预压期

间沉降的发展情况、预压时间、超载大小以及卸载后所剩留的沉降量，以便调整排水系统

和加压系统的设计。对于以稳定为控制的工程，通过沉降计算，可以估计施工期间因地基

沉降而增加的土石方量，估计工程完工后尚未完成的沉降量，以便确定预留高度。建筑物地基某时间的总沉降s.

可表示为St=Sd

十

sc

十

Ss

(4-61)式中

sa—

瞬时沉降量；Sc——固结沉降量；Ss—

次固结沉降量。瞬时沉降是在荷载施加后立即发生的那部分沉降量，它是由剪切变形引起的。相对于土层

厚度，建筑物的荷载面积一般都是有限的，当荷载加上后，地基中就会产生剪切变形。固

结沉降指的是那部分主要由于主固结而引起的沉降量，在主固结过程中，沉降速率是由水

从孔隙中排出的速率所控制的，而次固结沉降是土骨架在持续荷载下发生蠕变所引起的。次固结大小和土的性质有关。泥炭土、有机质土或高塑性黏土土层，次固结沉降占很

可观的部分，而其他土则所占比例不大。在建筑物使用年限内，次固结沉降经判断可以忽

略的话，则最终总沉降s∞

可按下式计算Sa==Sd

十

sc

(4-62)排水固结法的设计与计算2、预压法之堆载预压一沉降计算应用一般单向压缩分层总和法，将地基分成若干薄层，如分为n层，其中第i

层的压缩量为式中eo;——第

i层中点之土自重应力所对应的孔隙比；e₁;——

第

i

层中点之土自重应力和附加应力之和相对应的孔隙比；△h;——第

i

层厚度。eo;和e₁

从室内固结试验所得的e-σ'c

曲线上查得。0200400

600

800100012001600总压缩量为(4-63)(4-64)荷载p(kPa)孔

隙

比

e0

2000

4000

6000400Pre

Loading排水垫层

六、水平排水盲沟竖向排水体加

固

软

土

层排水固结法的设计与计算2、预压法之堆载预压一沉降计算图4-26

舟山冷库实测沉降-时间曲线

图4-27图解法推算的主固结沉降和次固结沉降时间(d)沉

降

(

m

m

)S;(cm)200-s(cm)38三

排水固结法的设计与计算3、预压法之真空预压真空预压法是在需要加固的软黏土地基内设置砂井或塑料排水带，然后在地面铺设砂垫层，其上覆盖不透气的密封膜与大气隔绝，通过埋设于砂垫层中带有滤水孔的分布管

道，用真空装置进行抽气，因而在膜内外形成大气压差，由于砂垫层和竖向排水井与地基

土界面存在这一压差，土中的孔隙水发生向竖井的渗流，使孔隙水压力不断降低，有效应

力不断提高，而使土逐渐固结。真空预压增加有效应力的原理如图4-43所示。在抽真空

前，地基处于天然固结状态，对正常固结黏土层，其总应力为土的自重应力，孔隙水压力

为地下水位以下之静水压力，膜内外的气体压力均为大气压力Pa。抽气后，膜内压力从

大气压力Pa

降低至P。形成压差△P=Pa-P

。

此压差，工程上称为“真空度”,该真空度通过砂垫层和竖井作用于地基土，从而引起土中孔隙水向排水井和砂垫层的渗流，孔隙

水压力逐渐降低，有效应力不断提高。因此真空预压加固地基的过程是在总应力不变的条

件下，孔隙水压力降低、有效应力增加的过程。密封膜

砂垫层淤泥层0.5m硬土店封闭膜砂垫层真空泵黏土黏土层砂井0.6m

0.9m

1.1m

1.6m

2.0m

2.5m100

150

200

固结天数(天)(a)-0m-“s0姿

，1一总应力线；2—原来的水压线；3一降低后的水压线；4—不考虑排水井内水头损失时的水压力线图4-43

真空预压法的原理排水固结法的设计预压法之真空预压50

100固结天数(天)(b)-2m压力增加的有效应力(a)

真空法

(b)用真空法增加的有效应力60050040030020010050350300-250-2001501005020.6m0.9m2.0m2.5m150

200三

3、2#监控点z=0m沉冗降里(mm)2

#

监

控

点

z

=

-

2m沉降(mm)0

01.

根据有效应力原理，总应力不变，孔隙水压力减小而使有效应力增加(注：1一原地基总应力线；2—原水压力线；3—降低后的水压力线)2.

预压过程中，有

效应力增量是各向相等

的，剪应力不增加，不

会引起土体的剪切破

坏，在

p'-q

平

而

上

，

有效应力路径从ko

线

上的b

点出发，平行于

p

轴向右移动3.不必控制加载速率，可连续抽真空至最大真空度，

因而可缩短预压时间4.预压过程中，预压区周围土产生指向预压区的侧向

变形5.等向应力增量下固结而使土的强度增长6.

真空度往下传递有一定衰减[实测真空度沿深度的

衰减每延米(0.8～2.0)kPa]3.

由于第(2)点原因，堆载过程中需控制加载

速率4.预压过程中，预压区周围土产生向外的侧向

变形5.非等向应力增量下固结面获得强度增长6.有效影响深度较大有效影响深度取决于附加应

力的大小和分布1.

根据有效应力原理，增加总应力，孔隙水压力消散而使有效应力增加(注：3—附加应力线；1—原地基总应力线；2一地下水k₁

线总应力路径k

线b有效应力路径压力线)2.

加载预压过程中，一方面土体强度

在提高，另一方面剪

应力也在增大。当剪

应力达到土的抗剪强

度时，土体发生破坏如图中的a

点堆载预压和真空预压的比较三

排水固3、预压法之真空预压一堆

载

预

压真

空

预

压膜内真空度应维持在650mm

汞柱，以上，相当于86.7kPa

的真空压力加固区要求达到的平均固结度：

一般可采用90%的固结度，

如工期许可，可适当提高固结度设计要求竖向排水井的尺寸：对塑料排水带或7cm直径的袋装砂井，

间距一般可在1-1.5m

范围内选用>

预压时间不少于90天三

排水固结法的设计与计算3

、预压法之真空预压一真空预压设计423、预

压法之真空预压一真空预压设计强度增长。真空预压加固地基，土体在等向应力增量下固结，强度提高，土体中不会产生因预压荷载而引起的剪应力增量，根据有的实测资料(薛红波，1988),地基中

某一点某一时间的实测十字板剪切强度t

与天然强度tfo及固结强度增量△Tfc之和的比值

Tit/(tfo

+△Tfe)大于1,其中△Tfc按有效固结压力法计算。预压区面积和形状影响。真空预压效果与预压区面积大小及长宽比等有关。实测资料表明，预压区面积越大，加固效果越明显。表4-10为天津新港现场预压试验的实测

结果(叶柏荣，1985)。预压区面积大小对沉降的影响

表4-10预压区平面形状对加固效果也有影响，它可以通过形状系数β来反映，如预压区面积

为S,长宽比为n=A/B,则β=S/n

。表4-11为连云港某厂三个形状不同的预压区预压效

果的比较(薛红波，1988)。三个预压区的膜下真空度、平均膜面沉降都基本相等，面积

也接近，由于各区的长宽比和形状系数不同，预压后强度增长也不同，β大则强度增长也

大。所以预压区形状应尽可能接近正方形，预压区面积应尽可能大。预压区面积(m²)26412503000中心点沉降量(cm)505774～80排水固结法的设计与计算一原水位一降低了的水位”粘土层原水压力

有效应力σ降水后的水

压

力u₂降低地下水位预压法，是通过降低地下水位，使降低地下水范围内土

的浸水重度变为饱和重度，因而产生

了附加荷载，使土层固结、沉降、土

的性质得到改善。三排水固结法的设计与计算4、预压法之降低地下水位预压图4-46

降低地下水位和增加有效应力透水层总

应

力深度应力44K图2-7

基坑降水预固结地基图排水固结法的设计与计算4、预压法之降低地下水位预压HK_HwY24、预压法之降低地下水位预压>降低地下水位预压法可和真空法或堆载预压法联合使用>

对于随着填土荷载增高，地基有可能破坏时，限制堆载高度，采用降低地下水位联合堆载预压法优越性更为显著降水荷载l₂

时

间排水固结法的设计与计算□t₂

时间所剩留的孔隙水压力△uZZ

t₂时间之有效应力图4-48

降低地下水位和堆载联合加固法沉降荷载o地基处理方法一排水固结法二、排水固结法的原理三、排水固结法的设计与计算四、施工工艺内容提要一、概述应用预压排水固结法加固软黏土地基是一种改善软黏土自身特性、提高自身抵抗能力比较成熟、应用广泛的方法。该法以改善软黏土地基排水边界条件为主、以设定的衡定荷

载先行预压排水固结、改善为满足设计要求的超压密状态的黏性土。从工程施工角度分析，保证排水固结法的加固效果三个主要环

节

：>按设计做好排水系统的施工，即铺设水平排水砂垫层、打设竖向排水井严格做好施加预压荷载的施工，确保在预压加全过程均匀稳定做好对工程起控制作用的监测和加固效果检验四

施工工艺481、水平排水砂垫层的施工工艺对于堆载预压加固工程施工，砂垫层起着聚积各竖向排水井所排出的水、再通过外排水工艺排出加固范围、应做到与固结沉降同步排水、使堆载材料处于水面以上的作用。对于真空预压加固工程施工，排水砂垫层不仅起到聚水作用、更重要的对真空预压荷

载起着分布和传递作用、即将真空预压荷载通过排水砂垫层传递到软基加固的任何点，

边，角、再通过排水砂垫层与竖向排水井的连接点分布到各竖向排水井、并传递到设计加

固深度

。四

施工工艺491、水平排水砂垫层的施工工艺---排水垫层材料的选择排水垫层材料，一般采用透水性好的中粗砂，其渗透系数一般不低于2×10-²cm/s能起到一定的反滤作用，避免土颗粒渗入垫层的孔隙中阻塞排水通道，减小垫层的渗透

性。为了保证垫层的渗透性，

一般采用级配良好的中粗砂其粒度分布范围如图4-52所示，

并且要求含泥量不超过5%,无杂物和有机质混入。粉、细砂一般不宜采用。若理想的砂

料来源困难时，也可因地制宜地选用符合要求的其他材料，或采用连通砂井的砂沟来代替

整片砂垫层。其构造形式如图4-53。5.0

Ds]砂井用砂砂垫层用砂0.4~5.0砂井用砂0.1~0.84砂垫层用砂0.074~0.841.0

10.0

50.0mm粒径曲线砂井用砂均质系数>3通过74μ筛孔的颗粒<3%

砂垫层用砂k>1×10-³cm/s0.074砂沟

砂井图4-

53

砂沟排水构造0.001

0.006

0.074

2.0图4-52

排水砂井及砂垫层所用砂的粒度分布图粉土砂砾胶体黏土四

施工工艺100厂90807060-5040-30-2010-0.001

0.01

0.10.11

、水平排水砂垫层的施工工艺---排水垫层的厚度排水垫层的厚度首先要满足从土层渗入垫层的渗流水能及时地排出去，另一方面能起持力层的作用。根据需要和工程实践，其厚度按软基所处条件确定：(一)对陆上一般软土地基排水垫层，厚度一般为30～50cm。(二)对于所吹填或新近淤积的超软土，需铺设超厚砂垫层或混合垫层，其厚度根据

承载力计算或有关规定确定。(三)当表层所吹填的砂类土时、可根据砂类上的性能确定排水砂垫层的结构和厚度。(四)对于潮间带的软基加固工程，排水砂垫层的厚度根据表层软黏土的性能参照陆上规定确定，要做好垫层的封围。(五)对于水下软基施工条件，砂垫层厚度>100cm。四

施工工艺件，使其能上施工人员和轻型运输工具。荷载三

塑料编织网荷载垫层图4-57

轻型皮带机推进回填1、水平排水砂垫层的施工工艺---排水垫层的施工排水砂垫层施工方法：(一)当地基表层具有一定厚度的硬壳层，有一定承载能力，能上一般轻型运输机械

时，

一般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。(二)当硬壳层承载力不足时，

一般采用顺序推进摊铺法。(三)当软土地基为新沉积或新吹填不久的超软地基，首先要改善地基表面的持力条四

施工工艺图4-56

土工合成材料铺设示意图522、竖向排水井的施工根据我国应用排水固结法加固软土地基多年实践经验，以及国内外技术发展，竖向排水井随着工程不断扩大应用及科研技术的发展，先后应用过：200

mm～500mm

直径的普

通砂井；70mm～120mm

直径的袋装砂井；100mm×4mm塑料排水带。可看出，竖向排

水井有个逐步由粗到细，由散装到袋装、由天然材料的砂井到塑料带工厂化生产这个发展

过程减少了材料用量，提高了加固效果，简化了施工工艺，提高了加固效果，加快了施工

进度，同时与竖向排水井相适应的施工机械和施工工艺都得到相应的发展。砂井施工工艺直接影响到砂井的施工效率及排水效果，施工一般采用导管法，只是沉管工艺不同、下竖向排水井的方式及底部密封工艺不同。选择工艺时主要从以下三个方面

(1)保证砂井连续、密实，并且不出现颈缩现象；

---砂井的施工工艺：考

虑(2)施工时尽量减小对周围土的扰动；(3)施工后砂井的长度、直径和间距应满足设计要求。我国、日本及欧美等国家常用砂井施工方法：>

套管法：根据工艺可分静压、锤击联合沉管法和振动沉管法>

水冲成孔法螺旋钻成孔法四

施工工艺532、

竖向排水井的施工-

--袋装砂井施工袋装砂井是在探讨、改进砂井存在的问题而发展起来的，工程实践经验表明，大直径砂井的施工存在以下普遍性的问题：(1)砂井不连续或缩颈现象很难完全避免；(2)所用设备相对比较笨重，不便于在很软弱的地基上进行大面积施工；(3)从排水要求分析，不需要普通砂井这样大的断面，这完全是砂井施工的需要，因

此，这种砂井材料消耗大；(4)造价相对比较高。袋装砂井在工程中的应用，基本上解决了大直径砂井所存在的问题，使砂井的设计和施工更加科学化。它保证了砂井的连续性；打设设备实现了轻型化，比较适应在软弱地基

上施工；砂用量大大减少；施工速度加快、工程造价降低，更重要的是排水距离缩短具有机具定位打设套管成孔检查下砂袋拔套管检查砂袋入土深度优越的排水固结条件是一种比较理想的竖向排水体。四

施工工艺检查砂袋质量淫制砂袋施工前应清理场地，排除积水，并将路基范围内原地面上淤泥、树根、草皮、腐殖土等全部挖除。在

路基范围内按设计要求填筑土拱，碾压密实，其上按

设计要求铺设砂垫层。机具按设计桩位就位后，塑料

排水板经导管内穿出底部，与桩尖连接、拉紧，与管

靴口贴紧，并对准桩位，沉入导管至设计深度，然后

拔出导管，切断塑料排水板。将顶部露出地面的塑料

排水板埋入砂垫层中，埋入长度应大于0.3m

或符合

设计要求。铺

设

上

层

砂

垫

层图

1

砂井堆载预E1堆

料2砂垫层3

淤

泥4

砂

井埋设砂袋头机

具

移

位拔

出

套

管沉

入

砂

袋孔

口

检

查打

设

套

管机

其

就

位测

量

放

样铺

设

下

层

砂

垫

层填

筑

土

拱原

地

面

处

理四

施工工艺2

、竖向排水井的施工---袋装砂井施工徐州桩机械限公司袋装砂井施工流程图灌制砂袋塑料排水板施工工艺流程图施工前应清理场地，排除积水，并将路基范围内原地面上淤泥、树根、草皮、腐殖土等

全部挖除。在路基范围内按设计要求填筑土拱，碾压密实，其上按设计要求铺设砂垫层。机

具按设计桩位就位后，塑料排水板经导管内穿出底部，与桩尖连接、拉紧，与管靴口贴紧，并对准桩位，沉入导管至设计深度，然后拔出导管，切断塑料排水板。将顶部露出地面的塑料排水板埋人砂垫层中，埋人长度应大于0.3m或符合设计要求。铺

设

上

层

砂

垫

层埋

设

板

头机

具

移

位热

明

断

木

板

外

断

露

0a

m)拔

出

导

管插设排水板至设计深度机

具

就

位测

量

放

样铺

设

下

砂

垫

层填

筑

土

拱原

地

面

处

理2

、

竖向排水井的施工---塑料排水带施工四

施工工艺3、预压荷载施加固结压力的荷载，依据施加工艺的不同一般可分为三大类：>

堆载预压：实体荷载或以建筑物自身重量作为预压荷载>真空预压：对被加固软基抽真空形成大气压差作为预压荷载>降水预压：降低被加固软基范围地下水位以重度差为预压荷载预压荷载---真空预压荷载工艺在完成排水系统设计与施工后，为了保证地基在较短的时间内均匀的施加完预压荷载达到满足设计要求的加固效果，必须将抽真空和竖向排水体这个整体工艺、同步的分布和传递作用，采用先进的抽真空设备和真空预压荷载施加工艺，为确保各环节的施工质量，采用如下工艺流程：竖向排水体设计地质调查排水砂垫层施工

打设竖向排水体→

[

观测设备埋设埋设真空分布管

铺设密封膜

真空泵安装管路连接

→

抽真空

观测

效果检验四

施工工艺573、

预

压荷载---真空密封系统施工四

施工工艺围堰内全面覆水密封板桩加覆水密封方法长距离平铺膜情况挖沟折铺膜情况板桩密封方法58地基处理方法一排水固结法二、排水固结法的原理三、排水固结法的设计与计算四、施工工艺内容提要一、概述软黏土地基工程的理论与实践、室内试验研究和现场观测是三个不可缺少的技术工作。特别是通过现场原型观测资料，分析软基在预压加固过程中和预压后的固结程度，强

度增量和沉降的变化规律，评价处理效果同时观测资料也是完善设计和指导施工的依据，

并可完全避免意外工程事故。软土地基的稳定性与施工时的加荷速率有密切关系。加荷过程中，

一方面地基强度因排水固结而提高，另一方面由于外荷作用，地基剪应力也在增大，为了保证地基的稳定

性、减小侧向变形引起的附加沉降，必须科学地进行分级加载设计，严格控制加荷速率，

使强度的提高与地基中剪应力的增长相适应。预压排水固结法加固软基属隐蔽工程范畴，必须通过加固上体内部变化规律分析，才

能更好的评定软基加固效果，工程施工现场监测和检验是理论分析的基础。为此，对各监

测项目的手段，测量仪器，传感元件，力求先进、稳定，实测结果充分反应软基特性及客

观规律，通过分析以指导软基加固工程施工。软基工程中行之有效的观测项目有以下

几

种

：五

效果检验及加荷速率的控制601、孔隙水压力观测地基中孔隙水压力是指在预压荷载(附加应力)作用下的孔隙水压力增量——超静水压力，其增长与消散规律，反应了软基的排水固结特性及有效应力变化规律。因此，孔隙

水压力现场观测资料不论对理论性研究，或者作为加荷速率的控制都具有重要意义。根据

测点孔隙水压力-时间变化曲线，即可反算土的固结系数，也可推算该点不同时间的固结

度，从而推算强度增长，并确定下一级施加荷载的大小。进行孔隙水压力观测，是控制加

荷速率的重要手段。图4-72为上海金山石油化工总厂一万m³

油罐软黏土地基各级荷载下孔隙水压力随时

间的变化曲线。5.3.9堆载预压加载过程中，应满足地基承载力和稳定控制要求，并应进行竖向变形、水平位移及孔隙水压力的监测，堆载预

压加载速率应满足下列要求：1竖井地基最大竖向变形量不应超过15mm/d;2

天然地基最大竖向变形量不应超过10mm/d;3

堆载预压边缘处水平位移不应超过5mm/d;4根据上述观测资料综合分析、判断地基的承载力和稳定

性

。1五

效果检验及加荷速率的控制2、沉降观测沉降观测是软基工程最基本最重要的观测项目之一，观测内容包括，荷载作用范围内地基的总沉降；荷载外地面沉降或隆起，分层沉降以及沉降速率等。沉降观测资料反映了

地基土在荷载作用下的变形特性。利用实测沉降资料可以推算出最终沉降量s和由于侧

向变形(剪切变形)而引起的沉降sa,从而可求得固结沉降se

以及沉降计算经验系数m,

为更精确的计算沉降积累经验。此外，可根据沉降资料计算地基的平均固结度；可由式

(4-73)解出β值，然后按式(4-99)求出地基的平均固结系数Ch。通过分层沉降的观测

资料可以分析和研究各土层的压缩性；确定沉降计算中土层的压缩层深度。荷载外地面的

沉降资料可用以分析沉降的影响范围以确定对邻近建筑物的可能影响。通过以上分析可看

出，沉降观测资料是验证理论和发展理论的重要依据。,环基外缘各边桩的平面位置边F

边2边3边4

边5边6

荷载P=60.4KNm²P=49

放大五

效果检验及加荷速率的控制P=135.45

10/

边215

20

25

30P.停止以后第四天(74、12、12)地面隆起形状图4-

76

隆起-沉降曲

图4-

77

罐外原地面隆起的形状P=74.6/246

o2边

1H101074年十一月二P₂(74.12、6)边

5

原

地

面P-1209∠

罐

壁累计天数十月边一

边3P.=104.7

P.=898边3

边4边6降

起(

m

m

)(mm)6493、侧向位移观测侧向位移是分析预压荷载下地基的稳定性以及由于侧向位移所引起沉降大小的重要依

据

。侧向位移观测包括边桩位移和沿深度的侧向位移两部分。图4-79、图4-80为浙江省台州电厂煤场袋装砂井地基预压工程沿堆载纵向一排边桩的位移和时间的变化曲线，以及

坡脚处不同深度的侧向位移变化曲线。边桩沿纵向的间距为20m。五

效果检验及加荷速率的控制地基处理方法一排水固结法二、排水固结法的原理三、排水固结法的设计与计算四、施工工艺内容提要一、概述1、芜湖江北产业集中区市政道路现场监测内容：沉降、真空度、孔隙水压力、加速度六

工程实例5000山皮石砂垫层土层土层1、芜湖江北产业集中区市政道路山皮石砂垫层土层六

工程实例真空膜5加速度传感器测点布置图3000

2000传感器2号埋设点夯锤土层4001、芜湖江北产业集中区市政道路低位高真空分层预压标准测试单一塑料排水板-4.

OO

00e+4-2.o0

0

Oe+4O..0

0

0

0

e+O

2.

O

OO

O

e

+4

4.

O

O

O

0

e·+

46.

00

00

e

+4

8.

O

O

0

0

e

+4

1

.O

0

OO

e

+5

2

OOO

e

+51.2:

3

79

e+5真空度80kPa固结天数90天+4

0.

.0e+D

2.0e+44.0e+4

..2六

工程实例tototo

to

to

to

to

to

toto孔隙水压分布—

地表监控点地下监控点43e+004

toOe00000.00oto

3.2818e+0041、芜湖江北产业集中区市政道路低位高真空分层预压标准测试多排塑料排水板，1.1m×1.1m

方形布置固结时间(天)10

2030

5060

70-10-20-30-40-50-60-70-80-90真空度80kPa真空度无衰减

固结天数90天六

工程实例沉

降

量

(

m

m

)1、芜湖江北产业集中区市政道路低位高真空分层预压现场监测结果无为县城南新城杨巷路软基处理工程多排塑料排水板，1.1m×1.1m

方形布置500450400350300250200150100500020沉降天数(天)◆测点1测点2—测点3测点425

30350

5

10

15

20沉降天数(天)六

工程实例累计沉降(mm)2535累

计

沉降

(

m

m

)190018501800213631750214291700213841650160001015201、芜湖江北产业集中区市政道路低位高真空分层预压现场监测结果无为县城南新城杨巷路软基处理工程多排塑料排水板，1.1m×1.1m

方形布置六

工程实例真空加压天数(天)真空加压天数(天)25

30

35孔

隙

水

压

力(

P

a

)21409空

度

(

k

P

a)20871FLAC3D

3.00Step

3408509:16:42Sun

Sep

282014加

速8.06.04.020-0.0-2.0--4.0-度x10^

-加速度m/s2120100806040200-20-40-60-80⑩.65输入波形0.1

0.15time/s0.2History3Z-Acceleration

Gp

1513Linestyle-5.605e-001→>8.946e-001s.DynamicTime7.500e-005<->1.999e-001Itasca

Consulting

Group,Inc.Minneapolis,MNUSAhV输出波形0.5

1.0

1.5时

间

/

s

x

1

0

^

-

1强夯击密标准模型测试：数值方法可行、可靠、高效1

、芜湖江北产业集中区市政道路六

工程实例层序土层名称层厚含水量重度(kN/m³)孔隙比液限塑性指数液性指数压缩系数(MPa-1)渗透系数

×10-8(cm/s)十字板

强度

(kN/m²)固结系数(cm²/s)×10~3水平竖直ChCvIia黏土、粉质黏土0.6534.6518.90.95544.918.40.412.971.7450Iib粉质黏土、黏土32.0519.10.88241.616.30.363.102.42I₃淤泥、淤泥质粉质黏土2.8052.817.21.44745.017.51.381.1410.37.52241.631.73Il₃淤泥质粉质黏土、

淤泥质黏土4.0049.017.51.34139.515.51.581.158.615.09222.390.94Ⅲ淤泥质粉质黏土、

淤泥质黏土22.248.9517.41.35240.916.91.441.089.887.18300.72Ⅲ2轻粉质黏土、

粉质黏土2.2035.7518.91.02233.611.50.90VI1粉质黏土、黏土2.0033.7518.90.94239.615.80.562、浙江宁波机场跑道地基-

--工程概况宁波机场位于宁波市西南的宁奉平原上，机场跑道宽45m,

长2500m,

设计要求在300m宽的跑道范围需不同程度的回填，其中跑道中心处填高1.70m。场区土层，上部主要为全新世海相沉积层，从上至下依次为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土层等，淤泥质黏土为正常固结土。从剖面图看，场道东部、中部软土层较

薄，厚度变化较大，西部软土深厚，分布较均匀。试验区各土层物理力学性质指标六

工程实例(%)(%)(%)(m)2

、浙江宁波机场跑道地基---工程概况机场跑道对地基的沉降和不均匀沉降要求很高，为了减小机场使用期间的沉降和不均匀沉降，保证场道的正常使用，本工程采用袋装砂井超载预压对软土地基进行预处理。为检验这种方法的处理效果，并取得较符合现场实际的能指导全场设计和施工的参数，在场

道西部选择面积78×108m²的试验区先行超载预压试验。试验区所选用袋装砂井直径为

7cm,

入土深度由于受当时施工条件限制选用20m,

对中部和东部场道，该深度已贯穿整

个