地基处理排水固结法培训讲义[全面]

1、排水固结技术,Drain Consolidation,地 基 处 理,Soil Improvement,1 概 述,排水固结法解决的问题 （1）沉降问题。使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，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,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。,排水固结法（Consolidation）是处理软粘土地基的有效方法之一。该法是对天然地基，或先在地基中设置砂井、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，或是在建筑物建造以前，在场地先行加载预压，使土体中的

2、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。,主要用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层地基； 真空预压法适用于能在加固区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都适用于加固很软弱的软土地基。,适用范围

3、,1.1 排水固结法的原理,加 固 软 土 层,竖 向 排 水 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。,排水固结法的原理,真空预压法通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置抽气，使其形成真空，增加地基的有效应力。主要反映在以下方面： 1.薄膜上压差荷载 2.地下水位降低引起附加应力增加； 3.封闭起泡排除，增强渗透性。,排水固结法的原理,堆载预压与真空预压法加固原理对比,1.3 排水固结法的应用范围,用于处理软粘土地基，是十分有效的方法。,按照

4、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 Drains,sand,gravel,系统组成排水系统,Vertical Wick Drains,Vertical Wick Drains,Horizontal Dra

5、ins,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,FLASH,（二）、排水固结法的设计与计算,在设计以前，应该进行详细的岩土工程勘察和土工试验，以取得必要的设计资料。对以下各项资料应特别加以重视： （一）土层条件。通过适量的钻孔绘制出土层剖面图；采取足够数目的试样以确定土的种类和厚度；土的成层程度；透水层的位置；地下水位深度。 （二）固结试验。固结压力与孔隙比的关系曲线；固结系数。 （三）软粘土层的抗剪强度及沿深度的变化情况。

6、 （四）砂井及砂垫层所用砂料的粒度分布、含泥量等。,1.排水固结法设计流程图,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。 设计内容： 加压系统：堆载预压计划及材料选用 排水系统：竖向排水体材料选用、排水体长度、断面、平面布置,2 堆载预压法设计计算,总沉降量的计算：,2 堆载预压法设计计算,其中分别为瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降，若忽略次固结沉降则：,其中经验系数，堆载预压时正常固结饱和黏性土取1.1-1.4，荷载大地基

7、土较软弱时取大值，否则取小值；真空预压法取1.0-1.3，真空堆载联合预压法时取1.0-1.3。,预压期间沉降量的计算：,2 堆载预压法设计计算,其中为地基平均固结度在竖向排水情况下，采用太沙基固结理论计算；对于布置竖向排水体的地基，采用沙井固结理论。,2 堆载预压法设计计算,逐级加载条件下固结度计算 改进太沙基法假定： （1）每一级荷载所引起的固结过程是独立的，与上一级荷载引起的固结度无关； (2)总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加； (3)每一级荷载增量pi在等速加荷经过时间t的固结度与在t2时的瞬时加荷的固结度相同，也即计算固结的时间为t2；,2 堆载预压法设计计算,逐级加载条件

8、下固结度计算 改进太沙基法假定： (4)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(t-Ti/2)时的固结度相同； (5)所算得的固结度仅是对本级荷载而言，对总荷载还要按荷载的比例进行修正。,2 堆载预压法设计计算,逐级加载条件下固结度计算 改进太沙基法假定：,2 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。 一般可按斯开普顿极限荷载的半经验公式作初步估算：,对饱和的软黏土，可按下式估算，即：,对长条梯形填土，可根据Fellenius公式估算，即

9、：,2 堆载预压法设计计算,2.1 堆载预压的计算步骤,2. 计算第一级荷载下地基强度增长值。,其中为p1作用下地基固结强度增长，然后计算出强度增长量。,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作用下地基固结度达一定的强度时所需时间，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

10、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。,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

11、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

12、专利。,Sand Drains,3.1 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：300500mm；间距：68k倍井径。,袋装砂井（塑料排水带）直径：70120mm； 间距：1522k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。,（1）根据建筑物对地基的稳定性、变形和工期要求定。（2）对以地基抗滑稳定性控制的

13、工程，应取至危险滑动面以下2m； （3）对以变形控制的建筑工程，应以限定的预压时间内完成的变形量确定，宜穿透受压土层。,3砂井排列,正三角形排列,正方形排列,排水路径,l,l,de,de,4. 砂井的布置范围:,不小于建筑物基础外缘的范围。,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。砂垫层的厚度不小于0.5m(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。预压区边缘应设排水沟，预压区内应设与砂垫层相连的排水盲沟，间距不宜大于20m,砂垫层砂料宜用中粗砂，粘粒含量不应大于3%，砂料可含少量粒径不大于50mm砾石，干密度

14、应大于1.5t/m3,渗透系数应大于1*10-2cm/s. 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.jpg,Heavy clay is placed atop vertical and horizontal drain systems t

15、o squeeze water out of the bog and compact the soft subsoils,3.3 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。,砂井固结理论假定： 1.每个砂井有效影响范围为一直径为de的圆柱体，圆柱体中的土体中水向砂井渗流，圆柱边界无渗流； 2.砂井地基表面受均布荷载作用，地基中的附加应力分布不随深度而变化； 3.荷载是一次施加上去的，即加荷开始时，外荷载全为孔隙水压力； 4.整个压密过程中，地基土的渗透系数不变； 5.井壁上面受砂井施工的涂抹作

16、用影响不计。,3.3 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：,根据卡里罗理论：任意一点的孔隙水压力u有如下关系：,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,总固结度（大于30%时）：,故,考虑井阻和涂抹作用时：,kw、kh、ks砂井砂、地基土和砂井涂抹土层的渗透系数； s涂抹比，砂井涂抹后的直径ds与砂井直径dw之比； L竖井深度； qw竖井纵向通水量。,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

17、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；,影响砂井固结度的几个因素,1关于初始孔隙水压力 上述计算砂井固结度的公式，都是假设初始孔隙水应力等于地面荷载强度，且整个砂井地基中应力分布是相同的。只有当荷载面的宽度足够大时，这些假设才与实际基本符合。一般认为当荷载面的宽度等于砂井的长度时，采用这样的假设其误差就可忽略不计。 2关于涂抹作用 当排水竖井采用挤土方式施工时，应考虑涂抹对土体固结的影响，涂抹区土的水平向渗透系数ks，可取(1/5-1/3)kh。涂抹区直径ds与竖井直径dw的比值s可取2.0-3.0，

18、对中等灵敏黏性土取低值，对高灵敏黏性士取高值； 3关于砂料的阻力 砂井中砂料对渗流也有阻力，产生水头损失。从巴伦理论解可得到：当井径比为715，井的有效影响直径小于砂井深度时其阻力影响很小。 当竖井的纵向通水量q与天然土层水平向渗透系数kh的比值较小且长度又较长时，尚应考虑井阻影响。,排水系统设计,1竖向排水体材料选择 竖向排水体可采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。若需要设置竖向排水体长度超过20m，建议采用普通砂井。 2竖向排水体深度设计 竖向排水体深度主要根据土层的分布、地基中附加应力大小、施工期限和施工条件以及地基稳定性等因素确定。 (1)当软土层不厚、底部有透水层时，排水体应尽可能穿

19、透软土层； (2)当深厚的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；而采用真空预压时应尽量避免排水体与砂层相连接，以免影响真空效果； (3)对于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，排水体长度应大于最危险滑动面的深度； (5)按沉降控制的工程，排水体长度可从压载后的沉降量满足上部建筑物容许的沉降量来确定。 竖向排水体长度一般为1025m。,排水系统设计,3.竖向排水体平面布置设计 普通砂井直径一般为300500mm。

20、 袋装砂井直径一般为70l20mm。 塑料排水带常用当量直径表示，塑料排水带宽度为b，厚度为，则换算直径可按下式计算：,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(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=l522选用，普通砂井的间距可按n=68选用。 竖向排水体的布置范同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。,排水系统设计,4砂料设计 制作砂井的砂宜用中粗砂，砂的粒径必须能保证砂井具有良好的透水性。砂的粒度要不被黏土颗粒堵塞。砂应是洁净的，不应有草根等杂物，其黏粒含量不应

21、大于3。 5地表排水砂垫层设计 为了使砂井排水有良好的通道，砂井顶部必须铺设砂垫层。以连通各砂井将水排到工程场地以外。砂垫层采用中粗砂，含泥量应小于3。 砂垫层应形成一个连续的、有一定厚度的排水层，以免地基沉降时被切断而使排水通道堵塞。陆上施工时，砂垫层厚度不应小于500cm；水下施工时，一般为lm。砂垫层的宽度应大于堆载宽度或建筑物的底宽，并伸出砂井区外边线2倍砂井直径。在砂料贫乏地区，可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。,工程实例,工程实例,工程实例,4 真空预压法,4 真空预压法,真空预压设计内容,竖井断面尺寸、间距、排列方式和深度的选择； 预压区面积和分块大小； 真空预压工艺； 要

22、求达到的真空度和土层的固结度； 真空预压和建筑物荷载下地基的变形计算； 真空预压后承载力增长计算。,.竖井断面尺寸、间距、排列方式和深度的选择,.竖井断面尺寸、间距、排列方式和深度的选择,若软弱土层下有砂卵层时，竖向排水体不能与砂卵层相连。,.预压区面积和分块大小,在真空预压区边缘，由于真空度会向外部扩散，其加固效果不如中部，真空预压区边缘应大于建筑物基础轮廓线，每边增加量不得小于3.0m。每块预压面积宜尽可能大且呈方形。分区面积宜为20000-40000m2。,.真空预压工艺,当建筑物的荷载超过真空预压的压力，且建筑物对地基变形有严格要求时，可采用真空-堆载联合预压法，其总压力宜超过建筑物的

23、荷载。 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。 真空预压所需抽真空设备的数量，可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。,.要求达到的真空度和土层的固结度,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%。 预压时间不宜低于90d。,.真空预压和建筑物荷载下地基的变形计算,采用真空预压可取1.0-1.3，真空-堆载联合预压法时，可取1.0-1.3。,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

24、模型试验,真空预压处理现场鸟瞰,排水预压法的其他一些现场施工照片,a 95 feet (29 m) long hanging mast installs wick drains underwater,EQUAKE drains are installed for a new hotel in St. Lucia, British West Indies. The drains were tested by a 5.4 magnitude earthquake even before the hotel was finished.jpg,工程实例,工程实例,工程实例,工程实例,工程实例,5、其他

25、一些排水固结方法,（1）降低地下水位法 降低地下水位法是指利用井点降水，使地下水位下降，以增加土的自重应力，达到预压加固的目的。由于地基土自重应力的增加，将导致地基发生附加沉降。降低地下水位，使地基中的软土承受了相当于水位下降高度的水柱重量，因而地基产生固结，这种增加有效应力的方法。,降低地下水位法最适用于砂性土地基，或在软粘土层中存在砂或粉土的情况。 对于深厚的软粘土层，常设置砂井并采用井点法来降低地下水位，以加速其固结。 当应用真空装置降水时，地下水位可降低5m6m。,（2）电渗法,在地基土中插入金属电极并通以直流电，在直流电场的作用下，土中的水分从阳极流向阴极，这种现象称电渗。如果将汇聚在阴极的水排除。而在阳极不予补充，那么土层就会固结，引起土层的压缩。,原理,弱透水性土层土粒间的微小孔隙将水保持其中，单靠一般井点制造真空吸力难以达到理想的降水效果；在一定区域内的土