第4章 排水固结法

第4章排水固结法Chapter4Consolidation4.1概述排水固结法（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。塑料排水板插板机•塑料排水板地基处理•真空预压地基处理•真空预压管网铺设•排水板真空预压处理剖面示意图•排水固结法可解决以下两个问题：•（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。•排水固结法适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。•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。•（1）排水系统水平排水垫层和竖向排水体构成。竖向排水体可选用普通砂井、袋装砂井或塑料排水板。•（2）加压系统即是起固结作用的荷载，它使地基土的固结压力增加而产生固结。•工程上广泛使用且行之有效的增加固结压力的方法是堆载法，此外，还有真空法、降低地下水位法、电渗法和联合法。•排水固结法的设计，主要是根据上部结构荷载的大小、地基土的性质以及工期要求、确定竖向排水体的直径、间距、深度和排列方式；确定预压荷载的大小和预压时间，使通过预压，地基能满足建筑物对变形和稳定性的要求。4.2堆载预压法设计计算4.2DesignProcedureofPreloading•一、堆载预压的计算步骤•因软粘土地基抗剪强度较低，无论直接建造建筑物还是进行堆载预压往往都不可能快速加载，而必须分级逐渐加荷，待前期荷载下地基强度增加到足以加下一级荷载时才可加下一级荷载。具体计算步骤是，首先用简便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降，其步骤如下：•1利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1，对饱和软粘土可采用下列公式估算：•2计算第一级荷载下地基强度增长值。在p1荷载作用下，经过一段时间预压地基强度会提高，提高以后的地基强度为cu1：••3计算p1作用下达到所确定固结度所需要的时间。目的在于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。DKcpu14.51)(1uuuccc•4根据第二步所得到的地基强度cu1计算第二级所能施加的荷载p2。p2可近似地按下式估算：••同样，求出在p2作用下地基固结度达70％时的强度以及所需要的时间，然后计算第三级所能施加的荷载，依次可计算出以后的各级荷载和停歇时间。Kcpu1252.5•5按以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载下地基的稳定性验算。如稳定性不满足要求，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。•二、超载预压•对沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理地基。经超载预压后，如受压土层各点的有效竖向应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加总应力时，则今后在建筑物荷载作用下地基土将不会再发生主固结变形，而且将减小次固结变形，并推迟次固结变形的发生。4.3砂井排水固结设计计算4.3DesignProcedureofSandDrain•1925年，丹尼尔.莫兰将垂直砂井用于费城－－奥克兰海湾大桥公路软土地基的加固，1926年获得专利。•砂井法问世以后，因缺乏理论根据而按经验设计。1940～1942年，巴隆（Barron）根据太沙基的固结理论，提出砂井法的设计计算方法。我国从20世纪50年代起，开始应用砂井法。•砂井法主要适用于没有较大集中荷载的大面积荷重或堆土荷重工程，例如水库土坝、油罐、仓库、铁路路堤、贮矿场以及港口的水工建筑物等工程。•一、砂井设计•砂井设计包括砂井直径、间距、深度、排列方式、范围、砂料选择和砂垫层厚度等。•（1）砂井直径和间距•主要取决于土的固结特性和施工期限的要求。“细而密”比“粗而稀”效果好。砂井直径一般为300～400mm；袋装砂井直径为70～120mm。•（2）砂井深度•主要根据土层的分布、地基中附加应力大小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。一般为10～25m。•（3）砂井排列•砂井在平面上可布置成正三角形（梅花形），以正三角形排列较为紧凑和有效。在实际进行固结计算时，由于多边形作为边界条件求解很困难，巴隆建议每个砂井的影响范围由多边形改为由面积与多边形面积相等的圆来求解。•正方形排列时de＝1.13l•正三角形排列时de＝1.05l•de为砂井的有效直径，l为砂井间距。•（4）砂井布置范围•砂井的布置范围一般可由基础的轮廓线向外增大约2～4m。•（5）砂料•宜选用中粗砂，其含泥量不能超过3％。•（6）砂垫层•砂井顶部铺设砂垫层，可使砂井排水有良好的通道，将水排到工程场地以外。•二、沉降计算•地基土的总沉降一般包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。瞬时沉降是在荷载作用下由于土的畸变所引起，并在荷载作用下立即发生的。固结沉降是由于孔隙水的排出而引起土体积减小所造成的，占总沉降的主要部分。次固结沉降则是由于超静水压力消散后，在恒值有效应力作用下土骨架的徐变所致。4.4施工方法4.4ConstructionMethods•要保证排水固结法的加固效果，从施工角度考虑，主要应重视以下三个环节：铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加固结压力。•砂井成孔的典型方法有套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法。•袋装砂井成孔的方法有锤击打入法、水冲法、静力压入法、钻孔法和振动贯入法五种。塑料排水板施工工艺流程图塑料排水板施工现场•真空管网铺设真空系统第一层土工布铺设土工布铺设土工布缝接真空系统双层密封土工膜的铺设真空系统土工膜的密封出膜连接与真空系统安装出膜连接出膜管与真空泵连接试抽真空4.5质量检验4.5QualityVerificationTest•排水固结法加固地基施工中经常进行的质量检验和检测项目有孔隙水压力观测、沉降观测、侧向位移观测、地基土物理力学指标检测等。•预压法竣工验收检验应符合下列规定：•（1）排水竖井处理深度范围内和竖井底面以下受压土层，经预压所完成的竖向变形和平均固结度应满足设计要求。•（2）应对预压的地基土进行原位十字板剪切试验和室内土工试验。必要时，尚应进行现场载荷试验，试验数量不应少于3点。思考题(Problems)•（1）排水固结法适用于处理何种地基土？•（2）排水固结法是如何提高地基土的强度和减小地基的沉降的？•（3）了解堆载预压设计计算的步骤。•（4）了解砂井排水固结的设计计算步骤。•（5）了解真空预压设计计算的步骤。•（6）了解堆载预压、真空预压及真空－堆载预压法的施工方法。•（7）排水固结法的现场监测与质量检验项目有哪些？