地基處理技術(shù)第五章

1、2022-3-5地基處理技術(shù)1一、概述一、概述 排水固結(jié)法又稱(chēng)預(yù)壓法，是通過(guò)預(yù)壓使軟粘土地基中的孔隙水排出，在預(yù)壓荷載下土體發(fā)生固結(jié)，土中孔隙體積減少，土體強(qiáng)度提高，達(dá)到減少地基工后沉降和提高地基承載力的目的。 排水固結(jié)法通常由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分組成，見(jiàn)圖5-1。 表中未列水平向排水系統(tǒng)。除電滲法和降低地下水位法外，其它方法均需在堆載體與地基之間鋪設(shè)水平向排水系統(tǒng)砂墊層。.加壓系統(tǒng)排水系統(tǒng)圖5-1 排水固結(jié)法示意圖2022-3-5地基處理技術(shù)2表5-1 排水固結(jié)法分類(lèi)方法加壓系統(tǒng)排水系統(tǒng)備注堆載法堆載無(wú)一般用于土體滲透系數(shù)較大的地基砂井法堆載普通砂井袋裝砂井法堆載袋裝砂井塑料排水板法堆載

2、塑料排水板真空預(yù)壓法真空預(yù)壓普通砂井，或袋裝砂井，或塑料排水板真空預(yù)壓堆載聯(lián)合預(yù)壓法法真空預(yù)壓加堆載同上降低地下水位法降低地下水位增加自重應(yīng)力一般無(wú)排水系統(tǒng)也可輔以各種形式排水通道電滲法無(wú)在地基中設(shè)置正負(fù)極，形成電場(chǎng)，土中水會(huì)流向陰極超載預(yù)壓法堆載荷載超過(guò)設(shè)計(jì)荷載普通砂井，或袋裝砂井，或塑料排水板2022-3-5地基處理技術(shù)3 在地基中設(shè)置豎向排水系統(tǒng)可有效縮短最大排水距離，大大縮短地基土固結(jié)所需的時(shí)間。 只有加固土層較薄，滲透系數(shù)較大的情況，才適宜采用堆載法。 一般情況下，都需要在地基中設(shè)置豎向排水系統(tǒng)。采用普通砂井、袋裝砂井、塑料排水板形成的排水系統(tǒng)的效用基本是一致的。在工程中采用何種方法

3、較好，主要取決于經(jīng)濟(jì)效益的比較。 真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的效果一樣。在堆載材料比較困難的條件下，真空預(yù)壓較優(yōu)越。但真空預(yù)壓只能達(dá)到相當(dāng)于85%的堆載效果。當(dāng)?shù)鼗写嬖谒较蛲杆畬訒r(shí)，如無(wú)其它措施，難以形成負(fù)壓區(qū)，則不宜采用真空預(yù)壓法。 排水固結(jié)法適用于飽和軟粘土和沖填土等地基，但不宜用于有機(jī)質(zhì)含量較多的地層。 2022-3-5地基處理技術(shù)4二、加固原理和計(jì)算理論 排水固結(jié)法加固地基原理是利用飽和黏土在荷載作用下產(chǎn)生固結(jié)，土體孔隙比減少，強(qiáng)度提高，可有效減少工后沉降和提高地基穩(wěn)定性?，F(xiàn)以圖5-2來(lái)說(shuō)明。 AEBCBA.ee0eceB0p0p0+ plnp/0f（a）e lnp/曲線(xiàn)（b）p f曲線(xiàn).

4、Cp圖5-2 排水固結(jié)法加固地基原理示意圖2022-3-5地基處理技術(shù)5 初始應(yīng)力p0對(duì)應(yīng)土體初始孔隙比e0，當(dāng)固結(jié)應(yīng)力增加至p0+p時(shí)，從A點(diǎn)沿正常固結(jié)線(xiàn)壓縮至B點(diǎn)，土體孔隙比減少了e（e=e0eB）。若加荷后卸荷至p0，土體回彈，沿回彈曲線(xiàn)由B點(diǎn)至C點(diǎn)土體孔隙比為ec。若再加荷至p0+p時(shí)，由C點(diǎn)再回到B點(diǎn)，土體孔隙比也再次減少至eB。可以看出，從A點(diǎn)到B點(diǎn)與從C點(diǎn)到B點(diǎn)的孔隙比改變量相差懸殊。所以預(yù)壓減少工后沉降是非常有效的。若預(yù)壓荷載作用下地基中土體固結(jié)應(yīng)力增加至pB （pB=p0+p），工作荷載作用下相應(yīng)土體中固結(jié)應(yīng)力為pD，當(dāng)pDpB，稱(chēng)為超載預(yù)壓，當(dāng) pDpB時(shí)，稱(chēng)為一般預(yù)壓。經(jīng)

5、過(guò)超載預(yù)壓地基土體，在工作荷載作用下，常處于超固結(jié)狀態(tài)。 由圖5-2（b）所示pf曲線(xiàn)可知，土體固結(jié)應(yīng)力增大，強(qiáng)度f(wàn)提高。土體經(jīng)加荷固結(jié)，再卸荷至初始應(yīng)力狀態(tài)，如圖中從A點(diǎn)到B點(diǎn)，再回到C點(diǎn)，土體強(qiáng)度的提高是明顯的。 2022-3-5地基處理技術(shù)622221vhuuuuCCtrrrr式中 Cv、Ch分別為豎向和水平向固結(jié)系數(shù)； u超孔隙水壓力； t固結(jié)時(shí)間。22zzvuuCtz221rrrhuuuCtrrr(瞬時(shí)加荷條件下瞬時(shí)加荷條件下)(一)瞬時(shí)加荷固結(jié)度計(jì)算2022-3-5地基處理技術(shù)7 1.豎向排水固結(jié)度 對(duì)于土層為雙面排水條件或土層中的附加壓力為均勻分布時(shí)，某一時(shí)間豎向固結(jié)度的計(jì)算公式

6、為：42281VTzeU2HtCTvv式中 地基豎向排水平均固結(jié)度； 固結(jié)時(shí)間因子； H土層的豎向排水距離。zUvT2022-3-5地基處理技術(shù)82.徑向排水固結(jié)度等應(yīng)變的條件下，地基徑向平均固結(jié)度的計(jì)算式為 nFTrheU81 22222413ln1nnnnnnFdtCTehh式中 Th徑向排水固結(jié)時(shí)間因子； F（n）參數(shù)； n井徑比，n=re/rw； de、re砂井影響范圍的直徑和半徑； rw砂井直徑。2022-3-5地基處理技術(shù)93.總固結(jié)度總固結(jié)度是由豎向排水和徑向排水所引起，按下式計(jì)算 rzrzUUU111 可根據(jù)各種情況的固結(jié)度Ut=f（Tv）的關(guān)系式制成圖表（設(shè)計(jì)曲線(xiàn)）來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

7、過(guò)程。也可將沉降與時(shí)間的計(jì)算公式歸納如下： SSUtt vtTfU 2HtCTvvaekCwv12022-3-5地基處理技術(shù)10式中 St某一時(shí)刻t的固結(jié)沉降量； S固結(jié)穩(wěn)定的最終沉降量； k土的滲透系數(shù)； e土層在固結(jié)過(guò)程中的平均孔隙比； a土的壓縮系數(shù)； w水的容重。實(shí)際工作中的地基沉降與時(shí)間關(guān)系的計(jì)算常以下列兩種方式提出：1.求某一時(shí)間t的沉降量St根據(jù)固結(jié)土層的已知資料k、a、e、H和時(shí)間t求出Cv、Tv；由Ut和Tv曲線(xiàn)得出Ut；由Ut用（6）式求出St。2022-3-5地基處理技術(shù)112.求某一沉降量St所需時(shí)間t 由St求出Ut； 由Ut和Tv曲線(xiàn)得出Tv； 由Tv和Cv求出t。

8、 在地基中設(shè)置的豎向排水系統(tǒng)的透水性雖然大，但對(duì)滲流總有一定的阻力，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為井阻作用；設(shè)置豎向排水系統(tǒng)的過(guò)程中對(duì)地基土的擾動(dòng)會(huì)降低砂井周?chē)馏w的滲透性，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為涂抹作用。上述式子是沒(méi)有考慮井阻和涂抹作用得到的。近年來(lái)橫斷面積較小的袋裝砂井和塑料排水板應(yīng)用日益廣泛，則考慮井阻和涂抹作用的非理想井固結(jié)理論得到重視。Hansbo（1981年）提出了飽和軟黏土地基在深度z處徑向排水固結(jié)度表達(dá)式。2022-3-5地基處理技術(shù)12 FTrheU81 式中 F綜合參數(shù)，其表達(dá)式為 F=Fn+Fs+Fr 式中下標(biāo)n、s、r分別表示井徑比、涂抹作用、井阻作用的影響。Fn計(jì)算式同（4）式，當(dāng)井徑比20

9、時(shí)Fn=ln（n）3/4 反映涂抹作用 1 lnhsskFsk式中 kh、ks分別表示原狀土和擾動(dòng)土水平向滲透系數(shù)； s擾動(dòng)區(qū)半徑rs與砂井半徑rw 之比，s=rs/rw。 2022-3-5地基處理技術(shù)13反映井阻作用whrqkzHzF2式中 H砂井貫穿土層最大排水距離； z豎向坐標(biāo)值； qw豎向排水體（砂井）通水量，其表達(dá)式為 42wwwwwdkAkqkw豎向排水體滲透系數(shù)。2022-3-5地基處理技術(shù)14(二)分級(jí)加荷作用下的固結(jié)度 實(shí)際工程中，荷載往往是分級(jí)施加的，推薦改進(jìn)的高木俊介法進(jìn)行分級(jí)加荷作用下固結(jié)度的計(jì)算法，其固結(jié)度的計(jì)算式為：2022-3-5地基處理技術(shù)152022-3-5地

10、基處理技術(shù)16 在荷載作用下地基土體發(fā)生固結(jié)，固結(jié)過(guò)程中，超孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力增大，地基土強(qiáng)度提高。同時(shí)在荷載作用下地基土體產(chǎn)生蠕變，還有可能導(dǎo)致強(qiáng)度衰減。因此在荷載作用下，地基中某點(diǎn)某時(shí)刻的抗剪強(qiáng)度f(wàn)可以表示為01ffKU 式中 考慮土體蠕變及其它因素對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的折減系數(shù)，并建議在工程設(shè)計(jì)中取=0.750.90；K土體有效內(nèi)摩擦角的函數(shù)， 土體有效內(nèi)摩擦角； U地基中某點(diǎn)的固結(jié)度，為簡(jiǎn)便計(jì)，常用平均固結(jié)度代替；1荷載引起地基中某點(diǎn)超孔隙水壓力增量，可按彈性理論計(jì)算。 sin1cossinK2022-3-5地基處理技術(shù)17 三、堆載預(yù)壓法設(shè)計(jì)三、堆載預(yù)壓法設(shè)計(jì) 堆載預(yù)壓法設(shè)計(jì)包括排水

11、系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的依據(jù)為工程地質(zhì)資料，對(duì)工后沉降、處理后地基承載力以及預(yù)壓時(shí)間的要求。 （一）排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.豎向排水體材料的選擇 可根據(jù)材料資源、施工條件和經(jīng)濟(jì)分析比較確定。若豎向排水體的長(zhǎng)度超過(guò)20m，建議采用普通砂井。 袋裝砂井通常在現(xiàn)場(chǎng)制備，袋子材料普遍采用聚丙烯編織布，直徑多用70mm，砂料宜用風(fēng)干砂，含泥量應(yīng)小于3%。 塑料排水板在工廠(chǎng)生產(chǎn)，品種型號(hào)很多，但根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可以分為兩大類(lèi)：?jiǎn)我晃⒖讕浇Y(jié)構(gòu)（國(guó)外生產(chǎn)）和濾膜芯帶復(fù)合結(jié)構(gòu)（國(guó)內(nèi)生產(chǎn)）。2022-3-5地基處理技術(shù)18 2. 豎向排水體深度設(shè)計(jì) 根據(jù)需要處理的軟土層厚度，或根據(jù)對(duì)工后沉降的要求和保證地基整體穩(wěn)定

12、需要對(duì)深厚軟粘土地基處理深度的要求，初步確定豎向排水體深度。若軟土層較薄，豎向排水體應(yīng)貫穿軟土層；若軟土層中有砂層，應(yīng)盡量打至砂層，但砂層中有承壓水時(shí)，不宜貫穿砂層。3. 豎向排水體平面布置設(shè)計(jì) 普通砂井直徑：300500mm，井徑比n=68。 袋裝砂井直徑：70100mm，井徑比n=1530。 塑料排水板常用當(dāng)量直徑表示，塑料排水板寬度為b，厚度為，其當(dāng)量直徑Dp計(jì)算式為 bDp22022-3-5地基處理技術(shù)19塑料排水板井徑比一般采用n=1530。 砂井平面布置采用等邊三角形、正方形。采用等面積圓表示一個(gè)砂井的影響范圍豎向排水體影響圓直徑de與排水體間距l(xiāng)關(guān)系如下：llde05.132等邊

13、三角形排列 正方形排列 llde13.144.地表排水砂墊層設(shè)計(jì)地表排水砂墊層是排水系統(tǒng)的一部分。砂墊層采用中粗砂，含泥量應(yīng)小于5%，其厚度一般大于400mm。2022-3-5地基處理技術(shù)20（二）堆載預(yù)壓計(jì)劃設(shè)計(jì) 根據(jù)初步確定的排水系統(tǒng)，對(duì)地基處理的要求，以及容許的堆載預(yù)壓工期，擬訂一堆載預(yù)壓計(jì)劃。例如擬訂的堆載預(yù)壓計(jì)劃如圖，預(yù)壓荷載分二次等速堆載。對(duì)這一堆載預(yù)壓計(jì)劃，需作下述幾項(xiàng)驗(yàn)算： 1.堆載預(yù)壓過(guò)程中地基穩(wěn)定驗(yàn)算 主要驗(yàn)算加載階段地基穩(wěn)定性。穩(wěn)定分析一般可采用圓弧滑動(dòng)法分析。首先應(yīng)計(jì)算此時(shí)刻地基的平均固結(jié)度。根據(jù)地基固結(jié)情況以及蠕變對(duì)強(qiáng)度的影響計(jì)算地基土體抗剪強(qiáng)度，然后進(jìn)行地基穩(wěn)定性計(jì)

14、算。 pp2p10tt1t2t3t4圖5-3 堆載預(yù)壓計(jì)劃 2022-3-5地基處理技術(shù)21 利用地基的天然抗剪強(qiáng)度計(jì)算第一級(jí)容許施加的荷載。一般可利用skempton極限荷載半經(jīng)驗(yàn)公式初步估算11155ucC NBDpDKLL式中 p1天然地基允許施加的荷載； Cu基底以下0.707B深度范圍內(nèi)的地基土不排水抗剪強(qiáng)度； Nc承載力系數(shù)，當(dāng)p=0時(shí)，Nc=5.14； K安全系數(shù)，取1。1-1.5 B基礎(chǔ)寬度； L基礎(chǔ)長(zhǎng)度; D基礎(chǔ)埋深。2022-3-5地基處理技術(shù)22 另外可以根據(jù)預(yù)壓荷載作用下地基固結(jié)度，計(jì)算在預(yù)壓階段地基固結(jié)沉降，并可進(jìn)一步計(jì)算工作荷載作用下的沉降。 CBCESUSSS式中

15、 S建筑物工后沉降； SC在工作荷載pA作用下原天然地基固結(jié)沉降，可采用分層總和法計(jì)算； SE預(yù)壓荷載卸荷時(shí)地基回彈量，數(shù)量較小； SCB在預(yù)壓荷載pB作用下天然地基固結(jié)沉降，可采用分層總和法計(jì)算； 預(yù)壓卸荷時(shí)對(duì)荷載pA地基達(dá)到的平均固結(jié)度。U2022-3-5地基處理技術(shù)23 若工后沉降不能滿(mǎn)足要求，可通過(guò)延長(zhǎng)堆載時(shí)間和減少井徑比以增加平均固結(jié)度，或增大預(yù)壓荷載，均可達(dá)到減少工后沉降的目的。 第一級(jí)荷載：采用天然地基承載力。 第二級(jí)荷載：第一級(jí)荷載U達(dá)80%時(shí)施加，由新的地基承載力確定。 依次類(lèi)推，擬訂堆載預(yù)壓計(jì)劃。（三）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 堆載預(yù)壓法現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一般包括地面沉降、水平位移觀(guān)測(cè)和地基

16、中孔隙水壓力觀(guān)測(cè)，如有條件也可進(jìn)行地基中深層沉降和水平位移的觀(guān)測(cè)。2022-3-5地基處理技術(shù)24 （四）超載預(yù)壓設(shè)計(jì) 預(yù)壓荷載超過(guò)工作荷載時(shí)稱(chēng)為超載預(yù)壓。采用超載預(yù)壓法一般是為了縮短堆載預(yù)壓時(shí)間，或進(jìn)一步減少工作荷載作用下地基沉降量。 地基中土體在預(yù)壓、卸載、工作荷載作用下有效應(yīng)力變化有三種情況，如圖5-3所示。在堆載預(yù)壓階段從初始狀態(tài)A沿AD方向到狀態(tài)B，然后卸荷回彈沿BC方向到狀態(tài)C，在工作荷載作用下，固結(jié)完成時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)可能有三種情況： 1.沿CB，通過(guò)B點(diǎn)，再沿BD方向最終狀態(tài)在BD線(xiàn)上。 2.沿CB，最終狀態(tài)落在B點(diǎn)。 3.沿CB，最終狀態(tài)落在CB線(xiàn)上。 elnp/0ACBD圖5-

17、4 elnp/曲線(xiàn)2022-3-5地基處理技術(shù)25U 在情況2中，工作荷載作用下最終狀態(tài)落在B點(diǎn)，即工作荷載作用下地基沉降量S與堆載預(yù)壓卸荷回彈量SE兩者相等，可得： USSCCB 若 =0.80，則SCB=1.25 SC。由上式可以計(jì)算相應(yīng)的超載預(yù)壓荷載（臨界值），記為pE。若預(yù)壓荷載pBpE，則應(yīng)力狀態(tài)屬情況1；若預(yù)壓荷載pBpE，則應(yīng)力狀態(tài)屬情況3。超載預(yù)壓荷載為pE時(shí)，通過(guò)超載預(yù)壓減少工后沉降的效益最好。2022-3-5地基處理技術(shù)26（五）真空預(yù)壓法設(shè)計(jì) 真空預(yù)壓法是通過(guò)在砂墊層和豎向排水體中形成負(fù)壓區(qū)，在土體內(nèi)部和排水體間形成壓差，迫使土中水排出，土體固結(jié)。 真空預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法

18、不同的是加壓系統(tǒng)，兩者排水系統(tǒng)基本是相同的。 1.排水系統(tǒng) 采用袋裝砂井或塑料排水板作為豎向排水體，設(shè)計(jì)計(jì)算同堆載預(yù)壓法。 2.抽氣抽水系統(tǒng)和密封膜設(shè)計(jì) 抽氣抽水系統(tǒng)由水平向分布濾管、真空管路和真空泵組成。 3.真空預(yù)壓計(jì)劃設(shè)計(jì) 一般能取得相當(dāng)于7892kPa的等效荷載堆載預(yù)壓法的效果。2022-3-5地基處理技術(shù)27四、四、 施工施工 （一）排水系統(tǒng)施工 排水砂墊層施工 1.砂料選擇：砂料的滲透系數(shù)要大于10-3cm/s，有一定的倒濾性，最好為中粗砂，含泥量不超過(guò)3%，無(wú)雜物和有機(jī)質(zhì)混入。 2.砂墊層施工 砂料運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后分別堆放。地基的地表較硬（承載力較好，能上一般的運(yùn)輸機(jī)械）時(shí)，可用推土機(jī)

19、等機(jī)械或人工攤平。 如果是超軟土地基，先對(duì)表面處理，如在地表鋪設(shè)荊芭、塑料、尼龍編織網(wǎng)和土工織物等，再在其上施工。 水源充足或條件許可時(shí)，亦可用水力充填法鋪設(shè)砂墊層。2022-3-5地基處理技術(shù)28豎向排水體施工 1.普通砂井施工 沉管法： 沉管貫入設(shè)計(jì)深度后，由樁管內(nèi)灌砂，并適當(dāng)灌水，以利密實(shí)。拔管速度不宜過(guò)快，以防砂井脫節(jié)。該法形成的砂井質(zhì)量較好。 水沖成孔法： 在直徑為5070mm的沖管下端接一個(gè)圓錐形射水噴頭，噴嘴直徑35mm（數(shù)個(gè)），并焊有35個(gè)三角形翼片。在0.61.2MPa水壓下，水射流沖切、破壞土體，并靠鉆具自重不斷下沉，形成圓孔。然后在孔內(nèi)灌砂。該法形成的砂井質(zhì)量不易控制。

20、普通鉆孔法： 清水鉆進(jìn)，排漿后灌砂。 螺旋鉆成孔法：螺旋鉆鉆孔，提鉆后孔內(nèi)灌砂。灌砂質(zhì)量較難掌握。2022-3-5地基處理技術(shù)292.袋裝砂井施工 與普通砂井相比較其優(yōu)點(diǎn)是：砂柱體（砂袋）可以預(yù)制，質(zhì)量容易控制且能與地基變形相協(xié)調(diào)，從而避免了普通砂井可能出現(xiàn)的不連續(xù)、縮徑及錯(cuò)段等弊??；可以使用輕型設(shè)備施工；對(duì)同樣面積的地基，袋裝砂井的用砂量比普通砂井少許多；施工速度快，工程造價(jià)低（同樣情況下比普通砂井低50%左右）。 砂袋一般采用抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、柔韌性好并具有良好透氣、透水性能的聚丙烯編織布制成。砂袋直徑為70100mm，長(zhǎng)度小于20m。砂料多采用潔凈風(fēng)干的中粗砂。打入成孔導(dǎo)管導(dǎo)管到達(dá)規(guī)定標(biāo)高放入砂袋拔出導(dǎo)管移孔位重復(fù)上述工序完成施工2022-3-5地基處理技術(shù)303.塑料板排水體施工 塑料板排水體的施工機(jī)械，基本上可與袋裝砂井的打設(shè)機(jī)械共用，只是將圓形導(dǎo)管改為巨型導(dǎo)管。樁尖一般與導(dǎo)管分開(kāi)，為固定排水板，樁尖上還應(yīng)設(shè)有固定環(huán)或楔槽。塑料板在樁尖上的各種固定形式見(jiàn)圖所示。塑料排水板打設(shè)順序?yàn)椋簩?dǎo)管垂直對(duì)準(zhǔn)孔位 排水板通過(guò)導(dǎo)管由底端穿出 將排水板牢固連接在樁尖固定環(huán)上或楔緊在楔槽內(nèi) 開(kāi)機(jī)沉管導(dǎo)管