地基处理(第2版)-3-预压法

地基处理湖南科技大学地基处理湖南科技大学概述1预压法加固机理2预压法的设计与计算3预压法施工4施工质量监测与检测5地基处理湖南科技大学预压法（排水固结法）：指直接在天然地基或在设置有袋装砂井、塑料排水带等竖向排水体的地基上，利用建筑物本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，使土体中孔隙水排出，提前完成土体固结沉降，逐步增加地基强度的一种软土地基加固方法。3.1概述预压法地基处理湖南科技大学地基处理湖南科技大学•加压系统:通过预先对地基施加荷载，使地基中的孔隙水产生压力差，从饱和地基中自然排出，进而使土体固结；•排水系统:则通过改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离，使地基在预压期间尽快地完成设计要求的沉降量，并及时提高地基土强度预压法由加压系统和排水系统两部分组成。共70页第13页地基处理湖南科技大学砂井法堆载预压示意图分级加载：前一级荷载作用下地基基本固结后，再施加下一级荷载，直至达到设计荷载为止。加载过快地基会失稳加水预压土方堆载预压地基处理湖南科技大学袋装砂井埋设完毕真空预压是在负超静水压力下排水固结，又称为负压固结。真空预压法处理地基必须设置排水竖井。地基处理湖南科技大学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适用:饱和的、渗透性低的、软土埋藏较深的软弱粘性土地基加固应用范围：广泛用于路基填筑工程，工业和民用建筑以及机场跑道工程地基处理湖南科技大学图1排水固结系统排水固结法水平排水体竖向排水体塑料排水带排水系统加压系统降水预压法真空预压法堆载预压法砂垫层袋装砂井普通砂井电渗排水法地基处理湖南科技大学应用排水固结法的主要目的应用排水固结法的主要目的包括三个方面：减少建筑地基沉降，使地基的沉降在加载预压期间大部或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差；通过排水固结，加速地基土的抗剪强度的增长，提高建筑地基强度及稳定性；消除欠固结软土地基中桩承受的负摩阻力，并可消除竣工后地基的不均匀沉降等。地基处理湖南科技大学饱和土体受荷产生压缩（固结）过程包括：土体孔隙中自由水逐渐排出；土体孔隙体积逐渐减小；由孔隙水承担的压力逐渐转移到土骨架来承受，成为有效应力。饱和土体固结作用是排水、压缩和压力转移同时进行的一个过程。饱和土体渗流固结过程3.2预压法加固机理u地基处理湖南科技大学渗流固结力学模型0tzu0t0uzut0uz饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力的逐渐消散和有效应力相应增长的过程0U1uuU1U01U根据土力学，地基内某点总应力σ、有效应力σ′、及孔隙水压力u之间的关系为:σ′=σ-u;固结度U可表示地基处理湖南科技大学堆载预压是指先在地基中设置砂井、塑料排水带等竖向排水体，后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或建筑物建造前，在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水缓慢排出，土层逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的过程。3.2.1堆载预压加固机理铺设排水用砂垫层地基处理湖南科技大学排水固结法增大地基土密度的原理亦即大部分压缩变形()在预压阶段已经消除(再压缩曲线fgc’)。ee③c点卸压△σՙ(卸荷曲线cef)，孔隙比增大值,土体抗剪强度下降。由于,'ee)(ee预压力学变化过程土体经预压之后，压缩变形量得以提前完成①假定土体天然固结压力σ0′对应的孔隙比为eo(对应a点)。②压力增加△σՙ，孔隙比减小△e，固结终止于c点(压缩曲线abc)，对应抗剪强度增加△τ。地基处理湖南科技大学根据固结理论，固结所需时间和排水距离的平方成正比，土层越厚，固结延续的时间越长。a竖向双面排水b砂井地基排水图4-2-2排水法的原理排水系统(竖向、水平排水体)作用:改善地基排水边界条件，增强土层的排水固结效果。固结所需时间为加快土层的固结速度，最有效的方法是增加土层的排水途径，缩短排水距离。具体排水手段：设置竖向排水体(砂井、塑料排水板(袋))+水平排水体(砂垫层)2vvTtHC地基处理湖南科技大学如果对地基施加的荷载大于建(构)筑荷载，如图4-2-1中的d点所对应的压力，则会进一步增大地层的固结程度，大大减少地基的沉降量，该方法称为超载预压排水固结法。图4-2-1排水固结法增大地基土密度的原理地基处理湖南科技大学真空预压指在软土地基中打设竖向排水体后，在地面铺设排水用砂垫层和抽气管线，然后在砂垫层上铺设不透气的封闭膜使其与大气隔绝，再用真空泵抽气，使排水系统维持较高的真空度，利用大气压力作为预压荷载，增加地基的有效应力，以利于土体排水固结。3.2.2真空预压加固机理地基处理湖南科技大学•适用性：•真空预压适用于均质粘性土及含薄粉砂夹层粘性土等，尤其适用于新吹填土地基的加固。对于在加固范围内有足够补给水源的透水层，而又没有采取隔断措施时，不宜采用该法。地基处理湖南科技大学•工作机理：抽气后，薄膜内外形成一个压差，通过垂直排水通道逐渐向下延伸，同时真空度又由垂直排水通道向其四周的土体传递与扩展，引起土中孔隙水压力降低，形成负的超静孔隙水压力。从而使土体孔隙中的气和水由土体向垂直排水通道渗流，最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被泵抽出。32增加的有效应力真空泵封闭膜砂垫层粘土真空度应力1z砂井1—总应力线2—原来水压线3—降低后的水压线o地基处理湖南科技大学真空预压和堆载预压法的对比真空预压堆载预压土中应力总应力不变，随着相对超静孔隙水压力的消散而使有效应力增加总应力增加，随着超静孔隙水压力的消散而使有效应力增加。剪切破坏抽真空的过程中，剪应力不增加，不会引起土体剪切破坏加载过程中，剪应力增加，可能引起土体剪切破坏加载速率不必控制加载速率需要控制加载速率固结速度与土的渗透系数、竖向排水体以及边界排水条件有关与土的渗透系数、竖向排水体以及边界排水条件有关地下水位降低地下水位，地下水位的降低将使相关土层产生排水固结地下水位不变地基处理湖南科技大学优点：具有不需大量堆载材料，不需分级加压，可以在很软的地基上使用以及工期较短等优点；缺点：工序复杂，工程费用较高，预压效果受到一定局限，预压区周边效果相对较差，同时由于真空抽水最大高度为10m，淤泥层厚度＜8m时预压效果较好，但厚度＞8m时则有所减弱，厚度越大则越明显，当淤泥中存在砂层时四周需增设密封墙。地基处理湖南科技大学降水预压法是借助于井点抽水降低地下水位，以增加土的有效自重应力，从而达到预压的目的。抽水前水位线抽水后水位降落线滤水管抽水井管图3-5降水预压原理3.2.3降水预压加固机理适用范围：降水预压法与真空预压一样，不会使土体发生破坏，因而不需控制加荷速率，可一次性降水至预定深度。降水预压法最适用于地下水位较高的砂或砂质土，或在软土中存在砂或砂质土的情况。对于深厚的软粘土层，为加速固结，往往设置砂井并采用井点法降低地下水位。地基处理湖南科技大学饱和土体中孔隙水压力和附加应力的计算AH1H2hsat地下水下降21HHA点)(21hHhH)(21hHhH下h)(下地基处理湖南科技大学电渗预压是在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水分从阳极流向阴极，将水在阴极排除且无补充水源的情况下，引起土层的压缩固结。3.2.4电渗预压加固机理AB水力坡降线地基处理湖南科技大学3.3预压法的设计与计算预压法的设计，实质上是根据上部结构荷载的大小、地基土的性质及工期要求合理安排加压系统与排水系统堆载预压法设计计算其设计内容主要包括：a.选择塑料排水带或砂井，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度；b.确定预压区范围、预压荷载的大小、荷载分级、加载速率和预压时间；c.计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形。目标：加固期限尽量短；固结沉降快；强度增加充分；施工过程安全地基处理湖南科技大学（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，若竖向排水体深度超过20m，建议采用袋装砂井和塑料排水带。（2）竖向排水体平面布置a.竖向排水体直径和间距主要根据土的固结性质和施工期限的要求确定。排水体的截面尺寸取决于能否及时排水，直径过小，施工困难；直径过大，并不能明显增加固结速率。为达到同样的固结度，缩短排水体间距比增加排水体直径效果要好，即井径和井间距的关系是“细而密”比“粗而稀”好。1、竖向排水体设计地基处理湖南科技大学普通砂井直径为300-500mm，袋装砂井直径为70-120mm。塑料排水带的当量换算直径：)(2pbd竖向排水体的间距l通常按井径比n确定，一般普通砂井的间距可按n=6-8选用，塑料排水带或袋状砂井的间距可按n=15-22选用。b——排水带宽度(mm)；d——排水带厚度(mm)地基处理湖南科技大学b.竖向排水体直径和间距竖向排水体在平面上可布置成正三角形或正方形，其相应的有效排水范围分别为正六边形和正方形。为简化计算将其有效排水范围均简化为等效圆，则竖井的有效排水直径和竖井间距l的关系为：等边三角形排列时:正方形排列时:lld05.132elld13.14e正三角形布置正方形布置地基处理湖南科技大学3.竖向排水体深度和布置范围竖向排水体深度主要根据土层的分布、地基中附加应力的大小、建筑物对地基的稳定性、变形要求及工期来确定，一般为10-25m。1)软土层不厚、底部有透水层时，竖向排水体应尽可能穿透软土层。2)当深厚的高压缩土层间有砂层或砂透镜体时，竖向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竖向排水体与砂层相连，以免影响真空效果。地基处理湖南科技大学•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）对以地基抗滑稳定性控制的工程，竖向排水体深度通过稳定性分析来确定，且至少应超过最危险滑动面2m。•5)对以变形控制的工程，竖向排水体深度应根据在限定的预压时间内需完成的变形量来确定。竖向排水体宜穿透受压土层。竖向排水体的布置范围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2-4m。地基处理湖南科技大学2地表砂垫层设计在竖向排水体顶部应铺设排水砂垫层，以保证地基固结过程排出的水能够顺利地通过砂垫层迅速排出，使受压土层的固结能够正常进行，以利于提高地基处理效果，缩短固结时间。铺设排水用砂垫层地基处理湖南科技大学a.垫层材料垫层材料宜采用透水性良好的中粗砂。砂垫层的干密度应大于1.5g/cm3，其渗透系数宜大于1×10-2cm/s。b.垫层厚度应满足地基对其排水能力的要求；当地基表面承载力很低时，砂垫层还应具备持力层的功能，以承担施工机械荷载。陆上施工时，砂垫层厚度不应小于0.5m；水下施工时，一般为1m。砂垫层的宽度应大于堆载宽度或建筑物底宽。并伸出竖向排水体外边线2倍竖向排水体直径。在砂料贫乏地区，可采用连通竖向排水体的纵、横砂沟代替整片砂垫层。地基处理湖南科技大学3.预压荷载确定在软弱地基上堆载预压，必然在地基中产生剪应力。当该剪应力大于软土地基的抗剪强度时，地基将剪切破坏。堆载预压需进行分级加荷，等到前期荷载作用下地基强度增加到足以满足下一级荷载时，方可施加下一级荷载，直至加到设计荷载。对于地基沉降有严格要求的建筑物，应采取部分超载预压处理地基。首先用简便的方法确定一个初步加荷计划，然后校核该加荷计划下地基稳定性和沉降量地基处理湖南科技大学堆载预压加荷设计与计算流程确定最后加荷计划确定天然地基不排水抗剪强度Cu及砂井等设计参数第i级加荷荷载计算Pi=5.52Cui－1／KPi作用下地基固结后强度值计算Cu=η(Cui-1+ΔCՙui)两级荷载间隔时间计算Ti-Ti-1)每级荷载下地基稳定性验算是否满足强