5排水固结法.

固结问题的研究在Terzaghi1923年发表他的固结理论后达到了新的高度。有效应力原理和固结理论的建立标志着现代土力学的建立。从此,人们才可以借助有效应力的原理和固结理论,对土体的稳定性和沉降间题进行更符合客观实际的定量计算,也使在实验中计算固结速率的方法才成可能。5排水固结法5.0发展历程与趋势由于淤泥等软土渗透性差,在附加应力下排水缓慢,单纯使用排水固结法往往要很长时间才能使软土基本固结。因此,排水固结法的发展过程也是改善软土竖向排水能力的砂井、排水板等工艺的发展过程。竖向排水方法先后发展了两种,即砂井法和排水纸板法。1937年瑞典专家首先提出用排水纸板取代砂井作为竖向排水体,该法施工方便,排水效率高,具有极大的优越性。但由于最初的排水纸板在稳定性、耐久性方面所存在间题限制了该法的广泛应用,直到瑞典的O.wager研究成功用聚氯乙烯槽形芯板替代纸质芯板,用无纺土工织物代替纸质滤膜,解决了排水板的稳定间题,才使这一型式迅速被推广应用。排水板的推广也使排水固结法得到了更广泛的应用。袋装砂井法是从加砂井法基础上发展起来的一种方法,该法使用7cm的袋装砂井取代了20-60cm的砂井,施工设备轻便、效率高,砂袋采用聚乙烯编织袋,砂则选用纯净的中粗砂。袋装砂井功能上可以与塑料排水板法等效,由于其施工质量较易控制,近年来有取代塑料排水板的趋势。在我国,真正意义上的排水固结法试验是交通部一航院1982年在天津塘沽新港四港池码头进行的,这次试验取得了良好的效果,加快了该法在全国的推广.5.1概述5.1.1.排水固结法概念与应用1）排水固结法的概念排水固结法排水固结法（预压法）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。2）排水固结法的应用排水固结法可与其它地基处理方法结合起来使用，以提高软土地基的加固效果。天津新港先进行真空预压（先使地基土抗剪强度得以提高），再施工碎石桩形成复合地基的试验，取得了成功；美国横跨金山湾南端的Dumbarton桥东侧引道路堤下淤泥的抗剪强度小于5kPa，其预压固结时间需要40年左右为了支承路堤及加速固结完成所预计的2m的沉降量，采用了以下设计方案：①采用土工聚合物以分布路堤荷载和减小不均匀沉降；②使用轻质填料以减少荷载（降低自重应力）；③采用竖向排水体使固结时间缩短到一年之内；④设置土工聚合物滤网以防排水层发生污染等。此外，国内亦有采用长塑料排水板与短深层搅拌桩的联合地基加固形式，用以加固高速公路路基的试验与应用报导。5.1.2排水固结法体系的组成排水固结法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普通砂井袋装砂井塑料排水带砂垫层堆载预压法真空预压法降低地下水位法电渗法真空联合预压法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、小和预压时间长短等因素。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(＞l0m)，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。排水固结法适用于处理淤泥、淤泥质土和冲填土等饱和粘性土地基。软土层厚度小于4m，用天然地基堆载预压法处理，否则，采用塑料排水带、砂井等竖井排水预压法处理地基。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，适用于很软弱粘土地基。排水固结法用于道路、仓库、罐体、飞机跑道、港口等大面积软土地基加固工程。5.1.3排水固结法适用范围5.2加固机理5.2.1加固地基原理饱和土的渗透固结理论土力学中，土在某一压力作用下，自由水逐渐排出，土体随之压缩，密实度和强度随时间增长的过程称为土的固结过程。因此，固结过程就是超静水压力消散、有效应力增长和土体逐步压密的过程。渗透固结是指饱和土体在荷载作用下，土孔隙中的水随着时间延续缓慢渗出，土的体积逐渐减小的过程。饱和土体受荷产生压缩（固结）过程包括：1）土体孔隙中自由水逐渐排出；2）土体孔隙体积逐渐减小；3）孔隙水压力逐渐转移到土骨架来承受，成为有效应力，土体逐渐被压密。5.2.2堆载预压法的加固机理预压法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并提高地基土强度的方法。在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减少，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，地基土强度就逐渐增长。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，有效应力增量为，孔隙水压力增量为，则三者满足以下关系:用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力并使孔隙水压力消散而增加有效应力的方法。堆载预压是在地基中形成超静水压力的条件下排水固结，称为正压固结。地基土层的排水固结效果与它的排水边界有关。对沉降有严格限制的建筑物，应采用超载预压法处理地基，缩短预压的时间。如图5.2所示，当土体的天然固结压力为时，其孔隙比为，在曲线上为相应的A点；当压力增加，达到固结终了的C点，孔隙比减少了，曲线称为土的压缩曲线。与此同时，在曲线上，土的抗剪强度由A点上升至C点。由此可见，土体在受固结压力时，因孔隙比的减少，使其抗剪强度得到提高。从C点开始卸荷至F点，卸下压力为，土体产生膨胀，见图中CEF卸荷膨胀曲线；如从F点再加压，使土体产生再压缩，沿虚线变化到，从再压缩曲线可看出，固结压力又从增加至，增幅为，相应的孔隙比减小值为（比小）。同样，在土体卸荷及再压缩过程中，其抗剪强度与孔隙比变化相似，也经历了下降与上升恢复。孔隙比e抗剪强度τ固结压力σ△e00ABCDFEC(C)(C)AFEGGσ0△eσ1△σ固结压力σ为了加速土层的固结，最为有效的方法是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离，在天然地基中设置砂井（袋装砂井或塑料排水带）等竖向排水体的作用就是增加排水条件。如图5.3（b）所示，砂井就是为此目的而设置的排水途径，它使大部分孔隙水改变流向，从水平向通过砂井排出，而只有小部分孔隙水从竖向排出，砂井缩短了排水距离，大大加快了孔隙水的排出速度，加速了固结速率（或沉降速率）。5.2.3真空预压的加固机理真空预压法(VacuumPreloading)不需要进行堆载和卸荷，是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水管道，再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，如图5.4所示。当抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下，土体中的孔隙水不断地由排水通道排出，使土体固结。真空预压的原理主要反映在以下几个方面：⑴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；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，故使薄膜紧贴砂垫层。由于土体与砂垫层砂井间的压差，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随着抽气时间的增长，逐渐变小，最终趋向于零，此时渗流停止，土体固结完成。⑵地下水位降低，相应增加附加应力抽气后土体中水位降落，在此水位降落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与水位降落距离相当的固结压力。⑶封闭气泡排出，土的渗透性加大如饱和土体中含有少量封闭气泡，在正压作用下，该气泡堵塞孔隙，使土的渗透降低，固结过程减慢，但在真空吸力下，封闭气泡被吸出，从而使土体的渗透性提高，固结过程加速。真空预压即在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。真空预压是在负超静水压力下排水固结，称为负压固结。真空预压法一般适用于饱和软粘土地基，特别是超软地基的加固，但当遇到粘性土层与有充足水源补给的透水层相同的情况时，地下水大量涌入就不可能得到预计的负压-u，因次达不到预期的效果。砂井虽然能使负压迅速传递到土层下部，加速土层排水固结，但真空压力能达到多大的有效深度目前尚不清楚，因此砂井的深度应事先由现场试验确定。5.2.4堆载和联合预压联合加固机理堆载法的最大优点是没有受到荷载的限制，因此可以进行超载预压，但缺点是堆载的工程量太大，所需投资高。真空法虽比较经济，但所形成的预压荷载不可能太大（真空预压法膜下真空度一般只可达到85kpa左右），技术要求也比较复杂。因此，当地基预压荷载也比较大时，在工程实践中，可采用堆载和真空联合预压法。5.2.5降低地下水位预压法加固机理降低地下水位法是指利用井点抽水降低地下水位以增加土的自重应力，达到预压加固的目的。降低地下水位能使土的性质得到改善，地基发生附加沉降。降低地基中的地下水位，使地基中的软土承受相当于水位下降高度水柱的重量而固结。降低地下水位法最适用于砂性土或在软粘土层中存在砂或粉土的情况。对于深处的软粘土层，为加速其固结，往往设置砂井并采用井点降低地下水。5.3排水系统设计与计算5.3.1排水系统设计（1）竖向排水体材料选择竖向排水体（或称排水竖井）可采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。若竖向排水体长度超过20m，建议采用普通砂井。当软土层厚度不大或软土层含较多薄粉砂夹层，且固结速率能满足工期要求时，可不设置排水竖井。1）制作砂井的填料宜用中粗砂，以保证砂井具有良好的透水性。砂井粒度要不被粘土颗粒堵塞。砂应是洁净的，不应有草根等杂物，其粘粒含量不应大于3%。2）袋装砂井通常在现场制备，袋子材料可采用聚丙烯编织布，袋内砂料宜用风干砂，含泥量应小于3%。3）塑料排水带是由不同截面形状的连续塑料芯板，外面包裹非织造土工织物（滤膜）而成。芯板的原材料为聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有多种型式，常见的有如口琴型、城墙型、圆孔型、双面型、双面交错凹凸乳头型等，如图如图5.5所示。芯板起骨架作用，截面形成的纵向沟槽供通水之用，而滤膜多为涤纶无纺织物，作用是滤土、透水。塑料排水带的宽度一般为100mm，厚度3.5～4mm，每卷长100～200m，每米重约0.125kg。我国目前排水带的宽度最大达230mm，国外已有2m以上的宽带产品。图5.5塑料排水带结构型式a）城墙型b）口琴型c）凹凸乳头型塑料排水带主要质量指标是复合体的力学性能、纵向通水量、滤膜的渗透性和隔土性。塑料排水带的力学性能包括抗拉强度和延伸率、弯曲性能等。不同型号塑料排水带的厚度，见表5.2所示，塑料排水带的性能见表5.3所示。（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。竖向排水体长度一般为10～25m。1）当软土层不厚、底部有透水层时，排水体应尽可能穿透软土层。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0.1～0.2)。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，排水体深度至少应超过最危险滑动面2m。5）对以沉降控制的建筑物，如压缩土层厚度不大，排水体宜贯穿压缩土层；对深厚的压缩土层，排水体深度应根据在限定的预压时间内消除的变形量确定，若施工设备条件达不到设计深度，则可采用超载预压等方法来满足工程要求。6）若砂层中有承压水，因承压水的长期作用，砂层上部的粘土层中