08地基处理(排水)

排水固结技术DrainConsolidation地基处理SoilImprovement1概述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）竖向排水体，然后利用建筑物自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，同时强度逐渐提高的方法。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。系统由两个部分组成：排水系统和加压系统。排水固结排水系统加压系统竖向排水体水平排水体堆载法真空法降低地下水位法电渗法联合法砂垫层普通砂井袋装砂井塑料排水带排水固结法体系的组成ds加压系统排水系统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。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。按照使用目的可以解决两个问题沉降问题稳定问题排水固结法的应用条件(1)预压荷载(2)预压时间(3)适用的土类沉降问题(settlementproblems)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(stabilizationproblems)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WickDrainssandgravel系统组成——排水系统VerticalWickDrainsVerticalWickDrainsHorizontalDrains水平排水体HorizontalDrains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。如果软土层不太厚(＜5m)或固结系数比较大(cv＞lx10－2cm2/s)时，不需要很长时间就可获得较好的预压效果；反之，饱和软土层比较深厚(＞lom)，而且固结系数又比较小(cv＜1xI0-3cm2/s。)，则排水固结所需随时间很长。堆预压的地基处理方法就受到了限制。注意：排水固结法能否获得满足工程要求的实际效果，则取决于地基土层的固结特性、土层的厚度、预压荷载的大、小和顶压时间长短等因素。2排水固结法的原理(一)堆载预压加固机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（Preloading）是指在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之缩小，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，地基土强度逐渐增长。堆载预压法就是用填上等外加荷载来增加总应力σ并使超静孔隙水压力u消散从而增加有效应力σ’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σ’的方法。(一)堆载预压加固机理(一)堆载预压加固机理堆载预压法一般根据预压目的选择加压方法：如果预压是为了减小建筑物的沉降，则应采用预先堆载加压，使地基沉降产生在建造建筑物之前；若预压的目的主要是增加地基强度，则可用自重重加压，即放慢施工速度或增加土的排水速率，使地基强度增长与建筑物自重的增加相适应。预压的荷裁一般应等于设计的荷载，为了缩短工期，也可大于设计荷载，此时称为超载领压，必需注意，任何时候预压都不得使地基上发生破坏。(一)堆载预压加固机理排水预压法的一些现场施工照片a95feet(29m)longhangingmastinstallswickdrainsunderwaterE~QUAKEdrainsareinstalledforanewhotelinSt.Lucia,BritishWestIndies.Thedrainsweretestedbya5.4magnitudeearthquakeevenbeforethehotelwasfinished.jpg真空预压发展历史:由瑞雪皇家地质学院W.Kjellman教授于1952提出.开始由于密封及抽真空装置问题,并未被很好应用.70年代后期,日本采用塑料排水板与真空降水相结合,取得理想效果.我国防50年代末60年代初引进并进行研究,开始也被能运用到工程实际中,到80年代初,由交通部一航局、天津大学和南京水利科学研究院等以过合作研究，对施工工艺和加固机理解释上取得了进展，关成功运用到工程中。我国在真空预压排水加固软基的技术方面已经处于世界相对领先的水平。真空预压法（VacuumPreloading）是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋深垂直排水管道，再利用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空，增加地基的有效应力。见下图所示。(二)真空预压加固机理工艺设备平面和剖面图真空预压加固机理示意图真空联合堆载预压加固机理示意图VacuumConsolidation系统组成——加压系统真空预压FLASHVACUUMPRELOADING目前真空预压研究热点：（1）真空预压加固地基的影响范围问题，这一问题包括两个方面的内容，一是真空预压加固地基的有效深度问题，二是真空预压加固地基对周边的影响区问题。（2）真空预压加固地基中有关地下水位的影响问题，这一问题包括真空预压导致地下水位下降的机理及意义，地下水位下降的极限深度，地下水位下降计算方法等方面。（3）真空预压加固地基的沉降计算问题，这一问题包括真空预压加固地基沉降组成分析，真空预压加固地基实用沉降计算方法，真空预压消除地基工后沉降的机理及计算等方面。（4）真空预压加固地基的稳定计算问题，这一问题包括真空预压加固地基强度增长问题，真空预压加固地基稳定增长计算模型的建立待方面。（5）大量真空预压工程式积累了一大批实测资料，需要对这些资料的分析整理，总结真空预压加固地基各相关参数变化规律。同时改进真空预压加固地基监测技术，以获得更多更可靠边的监测数据。（6）改进先有真空预压加固地基设计方法，引入优化设计的思想。（7）改进真空预压加固地基工艺，提高该技术的实用性、经济性。真空项压的加固机理主要反映在以下几方面：1、薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载在抽气前，薄膜内外都承受一个大气压Pa。抽气后薄膜内气压逐渐下降，首先砂垫层，其次砂井中的气压降至Pv，帮使薄膜紧贴砂垫层。由于土体与砂垫层和砂井间的压差，从而发生渗流，使土中的孔隙水压力不断降低，有效应力不断增加，从而促使土体固结。土体和砂井间的压差，开始时为Pa-Pv，随着抽气时间的增长，压差逐渐变小，最终趋于零，该时渗充停止，土体固结完成。真空项压的加固机理主要反映在以下几方面：2、地下水位降低，相应于增加一个附加应力抽气前，地下水位离地面H1，在此范围内的土体便从浮重度变为湿重度，此时土骨架增加了大约水高H1-H2的固结压力。3、封闭气泡排水，土的渗透性加大。如饱和土体中含有少量的封闭气泡，在正压作用下，该气泡堵塞孔隙，使土的渗透性降低，固结过程减慢。但在真空吸力下，封闭气泡被吸出孔隙，从而使土的渗透性提高，固结过程加速。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(3)长期侧向变形第三节设计与计算一、设计计算理论堆载预压，根据土质情况分单级加载和多级加载；根据堆载材料分为自重预压、加荷预压和加水预压。排水固结法主要要求:(1)加固期限尽量短;(2)固结沉降要快;(3)充分增加强度;(4)注意安全)1(2222rurruCzuCturV（一）砂井固结理论砂井（或塑料排水板）地基的固结度计算属于三维问题。在轴对称条件下，单元井固结课题，Redulic－Terzaghi固结理论22zuCtuVz)1(22rurruCturr采用分离变量原理，则上式可分解成（一）砂井固结理论竖向固结的求解，可以采用Terzaghi解答，其固结度的计算公式为其中0222))2/(exp(81iivizALtCAU)12(iAi（一）砂井固结理论Barron(1948)根据等应变条件，其水平向固结度的计算公式为其中)8exp(1nrrFTU2errdtCT222413ln1nnnnnFn（一）砂井固结理论Carrillo（1942）根据前述分离变量原理，解得：或卡里罗定律)1)(1(1zrUUU)1)(1(1zrUUU（一）砂井固结理论21)1(UUU砂井未穿透软弱土层平均固结度计算砂井深度H1范围内根据上述单元井固结理论计算砂井以下部分H2范围内土层可简单地假定砂井底面为一排水面，采用Terzaghi解答计算。因此，整个土层平均固结度U式中－砂井打入深度H1与整个固结土层厚度比值，即；U1、U2－分别为砂井范围内土层（H1）固结度和砂井以下部分土层（H2）固结度。211HHH砂井未打穿软弱粘性土层HH1H2附加应力分布孔隙水压力分布砂井未穿透软弱土层平均固结度计算改进太沙基法基于如下基本假定（1）分级荷载增量Pi所引起固结过程是单独进行，与上一级荷载增量无关（2）总的固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加（3）等速加荷周期内，经过t的固结度与t/2时刻施加相应瞬时荷载固结度相同，即计算采用固结时间为t=t/2（4）等压期间，某一时刻t（tTi）固结度，计算采用t为等压时间（t-Ti）加上等速加载Ti/2，即（5）计算的固结度尚应对总荷载的比例进行修正22)(iiiTtTTtt（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法分级等速加荷固结计算p1p2p''p't2t1T1T2T3t3t4时间t荷载pt固结度U二次分级加载瞬时一次加载以二级等速加荷为例，说明Terzaghi改进法分级加荷固结计算的方法当时，进入首次等速加载过程，对于本级荷载p1，有当按总荷载计算固结度时，上式改写成1211ppUUttittppUU21（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法当时，进入首次等压期，计算采用时间修正后固结度为221TttT2212112TtTTttiTttppUU1)2(212（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法当时，进入二次等速加载对p1，采用的固结计算时间为对，固结度计算时间则为所以有332TttT213Ttt2223323TttTttiTttiTttppUppUU)2(1)2(323313p（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法当进入第二次等压期，则对p1，采用的固结计算时间为对，固结度计算时间则为，则固结度计算为34Ttt214Ttt222342334TTtTTTttiTTtiTttppUppUU2)2(1)2(432414（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法多级等速加荷可依次类推，并归纳如下式式中Tn、Tn+1－分别为各级等速加荷的起点和终点时间；pn－为第i级荷载的增量。ninTTttppUUnn1)2(1（二）逐级加荷条件下的固结度计算改进的Terzaghi法（三）井阻与涂抹作用地基中设置竖