排水预压法

排水预压法DrainageConsolidationMethod河海大学岩土工程科学研究所陈永辉副教授2009年一、排水预压法简介所谓预压法就是在建筑物建造之前，或竣工之前，在建筑场地进行预压，使地基土体产生一定程度的固结和压缩，地基产生预先的沉降，土体强度得到提高，使得建筑物的工后沉降减少，同时使建筑物在施工过程中更加稳定和安全。软土含水率高强度低压缩性高压缩变形大排水预压法含水率降低强度提高压缩性降低压缩变形减小排水预压法处理软土的效果土压缩性减小△’e△efec’abc承载力被加强加固地基1、排水预压法作用原理土体再压缩曲线图软粘土排水系统加压系统超孔隙水应力消散强度提高排水预压法作用流程图从预压法的过程和原理来看，排水预压法的过程始终伴随着土体的固结、压缩、土体强度变化的过程，要达到这个目的，使土体发生固结，必须有一个排水通道，有了排水通道，要使土体中的孔隙水往外排，还需要提供一个外部因素：即加压系统使得孔隙水具有压力差，才能往外排水。（1）排水通道排水通道一个可以利用天然地基的排水通道，利用土层本身的渗透性排水，如地基中天然的夹砂层。但有时候，土体本身的渗透性小，排水慢，或者说固结慢，达到预压的目的需要很长时间，因此为了加快排水，加速土体的固结，人为的缩短排水距离，即采用人工改进排水。常用的人工改进排水是由竖向排水体或水平排水垫层组成的，或者两者同时使用。①水平排水层砂垫层透水层根据太沙基一维固结理论有：122000exp122111/1mvHHTMMMdzuudzU2HtCTvv一般采用砂、碎石等透水性好的材料，渗透系数要到量级为佳。有的也采用水平塑料排水褥垫等。scm/102②竖向排水体粘性土渗透系数一般在渗透很慢；为了更好的加速排水，进一步缩短排水距离，还可以设置竖向排水体的方式作为排水系统。竖向排水体的渗透系数一般在量级附近，是良好的排水通道。scm/101097scm/102水平排水层常用：普通砂井、袋装砂井、塑料排水板等透水层竖向排水体（2）加压系统根据加压系统的不同，排水预压法可分为堆载排水预压法、真空排水预压法、真空堆载联合排水预压法以及降水预压法等。附加应力分布线水平砂垫层砂井荷载附加应力分布情况（砂井未打穿透水层）①堆载预压法堆载预压法是外面施加荷载，即施加附加应力通过增加总应力引起超静孔隙水压力，通过一定的预压施加，孔隙水压力消散，总应力逐步转化为有效应力，使土体发生压缩、强度增加的方法。u'等载预压对工后沉降影响超载预压法对工后沉降影响排水系统与加压系统使用效果②真空预压法真空排水预压法是利用在地基内设置竖向排水体，并形成一定的真空度，使土体中的水压力形成压力差，孔隙水排出，有效应力增加的方法。与堆载排水预压法相比有着本质的不同，它是总应力不变的情况下的排水固结。真空度原有有效应力总应力原有有孔隙水应力降低后的孔隙水应力增加的有效应力真空预压加压原理围堰大气压强砂垫层真空区薄膜沟渠真空泵真空管砂井或塑料排水板真空预压工法示意③降水位法降水预压法是降低地下水位，使得土层在降水范围内土的浮容重变为湿容重，土体的自重应力或附加应力增加，使土层固结，有效应力增加。有时候几个方法会联合使用，如真空堆载联合预压方法，可以提高预压效果。排水固结法预压系统排水系统堆载法真空法降低地下水位法联合法竖向排水体水平排水层普通砂井袋装砂井塑料排水板砂垫层（碎石垫层）（3）排水固结法分类汇总一般预压（无竖向排水体）（4）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期间大部分基本完成，使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降或沉降差，即减少工后沉降。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。二、排水固结法施工工艺1、堆载排水预压法堆载砂垫层砂井、塑料排水板施工主要环节：1）水平向排水砂垫层施工；2）竖向排水井（塑排板）施工；3）铺设土工格栅；4）均匀稳定的施加预压荷载；5）沉降监测和效果检验。水平系统一般采用砂垫层，砂垫层一般采用透水性好的中粗砂，其渗透系数大于10-2cm/s，含泥量不大于3%。根据工程所在地的料源情况，也可以采用碎石或砂砾材料做垫层，即碎石或砂砾垫层。①水平排水层施工②竖向排水体施工从国内外的技术发展来看，竖向排水体先后主要应用过：200-500mm的普通砂井；70-120mm的袋装砂井；塑料排水板。1）普通砂井普通砂井经常会出现不连续出现断桩或者缩颈现象不能避免；大直径的砂井使用的设备比较笨重，施工麻烦，造价高，而且从排水需要上看，不需要这么大的排水体。地基中的淤泥经常在施工时或者排水时会混入砂井中，影响排水效果。因此后来大直径的砂井用得越来越少，逐步采用小直径的袋装砂井。2）袋装砂井袋装砂井的形状如图。它是采用土工编织布制成7-12cm（国内一般用7cm左右，日本用的12cm左右）直径的袋子，在里面填充砂子，先灌好。打设完的袋装砂井小直径袋装砂井与普通大直径的砂井相比，主要有以下一些优势：由于土工布袋的存在可以基本保证排水体的连续性；由于采用了小直径，可以采用细而密的分布，那么排水距离大为缩短，加快了排水固结，同时施工设备可以实现轻型化，比较适应软弱的地基表面施工，施工速度加快、工程造价降低。3）塑料排水板目前塑料排水板的样式如图，由板芯和滤膜组成。厂家、型号很多，我国实际工程目前采用的最多的是这种芯板截面为并联十字型而组成口琴状。塑排板截面图外层过滤纤维显微结构成卷的塑料排水板打设完的塑料排水板塑料排水板加固软土地基的优点：1）滤水性好，排水畅通，排水效果有保证。2）材料有良好的强度和延展性，能适合地基变形能力而不影响排水性能（袋装砂井容易折断）。3）排水板断面尺寸小，施打排水板过程中对地基扰动小。4）可在超软弱地基上进行插板施工。5）施工快、工期短，材料可工厂化生产，造价比袋砂井低。普通砂井和塑料排水板，土扰动范围对比①将塑料带通过导管从管靴穿出；将塑料带与桩尖连接贴紧管靴并对准桩位；②静压沉入导管达设计深度；③拔管，塑料排水板与软土粘接锚固留在软基内；④在砂垫层中预留30cm以上，剪断塑料排水板，将塑料排水板板头埋入到砂垫层中；⑤将塑料排水板与桩尖再连接，移位重新打设。塑排板打设流程：当塑料排水板带出长度大于0.5m时将进行补打。塑料排水板搭接时，搭接长度在20cm以上。塑料排水板的打设③预压荷载的施工（1）填筑实体材料注意控制加载速率，确保稳定。（2）真空预压荷载的施加。2、真空预压法真空预压荷载施加，是在被加固软土表面和深度范围内完全密封抽真空特定条件下，被加固软基内外形成大气压差，并以此作为预压荷载，当设计荷载超过80~90kPa时，可与堆载预压联合使用，称为“真空联合堆载预压排水固结法”。真空联合堆载预压法1）真空预压法施工步骤：⑴铺设50cm厚砂砾垫层，并打设塑料排水板；⑵在砂砾垫层中埋设主、滤管；⑶填10cm厚细砂垫层；⑷铺设复合土工布和密封膜；⑸在加固区边缘挖沟、填沟、安装并连接抽气管道和射流泵；⑹检验土工膜密封情况；⑺土工膜上铺设20cm厚细砂层和30cm厚的粘土层,以保护密封膜；⑻开始抽气，密切注意膜下真空度的变化，发现漏气，及时处理，当膜下真空度稳定到设计值后，连续抽气一周左右，进行上部堆载填筑。2）砂垫层的铺设①垫层材料：垫层材料应采用透水性好的砂料，采用50cm厚砂砾垫层，并在其上铺设10cm细砂。②垫层尺寸：垫层厚度为50cm砂砾+10cm细砂共计60cm。平面尺寸为加固区周围向外各延伸1m，以保证渗出的水能够沿砂垫层排出。③垫层施工：垫层的施工方法采用机械分堆摊铺法，即先堆成若干砂堆，然后用机械摊平。施工时避免对软土表层的过大扰动，以免造成砂和淤泥混合，影响垫层的排水效果。4）真空预压的施工抽真空系统包括主、滤管及其布置、密封膜的铺设及抽真空设备。①主、滤管及其布置主管、滤管的几种布置形式如下图所示：真空预压（已打设塑料排水板）a)))bcd)主管、滤管的几种布置形式滤管的铺设真空预压（铺设真空管）②封闭膜的铺设加工好的密封膜面积要大于加固场地面积，一般情况下，密封膜每边大于加固区相应边1m以上。为了保证整个预压过程中的密封性，塑料膜铺设了2层，每层膜铺好后进行检查和粘补破漏处。封闭膜的铺设250回填土50cm砂砾垫层10cm中粗砂垫层无纺土工布一层密封膜两层无纺土工布一层（填土前铺设）围堰塑料排水板密封沟设计示意图密封沟施工③抽真空设备的施工抽真空设备主要包括出膜装置和真空射流泵。出膜装置是指膜下的主管与膜外的抽真空装置相联接的一种装置。真空射流泵包括离心泵、射流喷嘴和循环水箱，射流喷嘴和循环水箱由玻璃钢制成。真空预压（真空泵工作中）①、孔隙水压力观测1）利用孔隙水压力观测资料反算固结系数。2）利用孔隙水压力观测资料控制加荷速度。②、沉降观测③、侧向位移观测3、施工质量和预压效果。孔压计的埋设情况监测点埋设的密封三、排水固结法的设计理论1、竖向排水体的设计①直径和间距关于直径，目前国内使用的是袋装砂井和塑料排水板。袋装砂井普遍采用7cm的直径。塑料排水板来说，设计计算时常把其换算成圆柱体来分析，对界面宽度为b，厚度为δ的塑料排水带，其当量换算直径可按下式计算：pDbDp2式中α为换算系数，可通过实验求得。下表为提供的α值。α值资料来源备注0.6~0.9一般0.750.7511松尾新一郎卡尔斯坦尼Hansbo等MitchellandKatti《土质加固方法手册》福冈正已：《最新软弱地基处理方法》“Consolidationbyverticaldrains”第十届国际土力学及基础工程会议报告表1α值设计时，α可在0.75值1.0范围内取值。②竖向排水体的深度竖向排水体深度的选择和土层分布、地基中附加应力大小，建筑物对地基变形和稳定性的要求以及工期等因素有关。当软黏土层不厚时，排水井应贯穿黏土层，黏土层较厚但间有砂层或砂透镜体时，排水井应尽可能打至砂层或透镜体。当黏土层很厚又无砂透水层时可按建筑物对地基变形及稳定性要求以及排水体的施工和有效排水能力来决定，国内一般的工程控制在25-30m。deAALLdeAALL水流经过此界线无水流途径dederwZH2H(a)(b)(c)A-A剖面图排水井平面布置及影响范围土柱体剖面③竖向排水体的排列竖井的平面布置方式一般为正三角形和正方形两种。在实际固结计算时，常使用等效圆直径来简化计算，与排水间距L的关系如下：LLde050.132edLLde128.14等边三角形排列时：正方形排列时：竖井的布置范围，一般比建筑物基础范围稍大。（2）（3）p0u排水层0Z不透水面积＝1zqdzdzqqzzu0uHzdz2、固结度的计算单向固结问题（1）太沙基理论太沙基研究的是地基中发生固结的土层只有一层的情况，外荷载p一次瞬时施加且在固结过程中维持不变。因此，式（11）简化为：22zuCtuv（12）此式为太沙基提出的单向固结微分方程。假设土层单面排水，则边界条件为：0|0zu0|Hzzu（13）初始条件记作：00|uut（14）经计算可得到z深度处超静水压力的消散程度即固结度为：zU1200expsin12/111mvzTMHMzMMHzuuuU（15）整个土层的平均固结度U为：122000exp122111/1mvHHTMMMdzuudzU（16）式中，，为时间因数。122mM2HtCTvv（2）砂井固结理论按照砂井固结理论，当垂直排水通道打穿整个软土层时，地基在加固历时t的平均固结度按下式计算：tteU1（17）式中：α、β为排水固结参数，其值见表2。排水情况径向排水竖向排水竖向和径向组合三维排水β理想井非理想井α12/828enhrdFC2)(8enhrdGJFC224HCvzzr表2α、β值rzhvC