排水固結(jié)法設計及計算

§1概述排水固結(jié)法§2排水固結(jié)法加固原理§3堆載預壓法設計§4工程實例計算一、排水固結(jié)系統(tǒng)組成二、排水固結(jié)系統(tǒng)作用及試用范圍一、排水固結(jié)加固機理二、加壓系統(tǒng)一、加壓系統(tǒng)設計二、排水系統(tǒng)設計三、堆載預壓施工工藝排水固結(jié)法是在建筑物建造前，對天然地基或已設置豎向排水體的地基加載預壓，使土體固結(jié)沉降根本結(jié)束或完成大局部，從而提高地基土強度的一種地基加固方法。利用此種方法處理軟弱地基，可以使相對于預壓荷載的地基沉降，在處理期間局部消除或根本消除，使建筑物在使用期間不會產(chǎn)生過大的沉降或沉降差。同時通過排水固結(jié)，加速地基土的抗剪強度的增長，提高建筑地基強度及穩(wěn)定性?！?概述一、排水固結(jié)系統(tǒng)的組成排水固結(jié)組成系統(tǒng)加壓系統(tǒng)排水系統(tǒng)排水固結(jié)排水系統(tǒng)加壓系統(tǒng)豎向排水體水平向排水體堆載法真空法降水法電滲法聯(lián)合法普通砂井袋裝砂井塑料排水帶砂墊層堆水預壓排水系統(tǒng)主要用于改變地基原有的排水邊界條件，增加孔隙水排出的途徑，縮短排水距離。當軟土層較薄或土的滲透性較好并且施工期允許較長時間的話，可僅在地面鋪設一定厚度的砂墊層；假設是滲透性很差的深厚軟土層，則須在地基中設置砂井等豎向排水體，地面連以排水砂墊層構(gòu)成排水系統(tǒng)，加快土體的固結(jié)。砂井法特別適用于含水平夾砂或粉砂層的飽和軟土地基。對于泥炭及透水性極小的流塑狀態(tài)飽和軟土，在很小的荷載作用下，地基土就出現(xiàn)較大的剪切蠕變，排水固結(jié)效果效果差，不宜只用砂井法。二、排水固結(jié)系統(tǒng)作用及適用范圍

加壓系統(tǒng)目的在于對地基施行預壓荷載，使地基土孔隙中的水產(chǎn)生壓力差，促使水從飽和地基土自然排出，使地基土固結(jié)產(chǎn)生壓縮。

堆載預壓用填土等外加荷載對地基進行預壓，它通過增加地基總應力σ，并使孔隙水壓力u消散來增加有效應力，而真空預壓、降低地下水位法和電滲排水是在總應力不變的情況下，通過減小地基內(nèi)孔隙水壓力來增加有效應力的方法，后者由于不會增加剪應力，地基不會產(chǎn)生剪切破壞，因而適用于很軟弱的粘土地基的排水固結(jié)處理。排水固結(jié)法適用范圍：適用于處理各類淤泥、淤泥質(zhì)土及沖填土等飽和粘性土地基?！?排水固結(jié)法加固原理一、排水系統(tǒng)加固機理根據(jù)太沙基固結(jié)理論

固結(jié)時間與排水距離的平方成正比，縮短排水距離可大大縮短固結(jié)時間。在地基中設置砂墊層及砂井等的目的就是為了增加排水途徑，縮短排水距離，從而加快軟弱土層的排水固結(jié)。

對于在土層內(nèi)設置了砂井等豎向排水體的地基，它在荷載作用下，地基的固結(jié)屬于三維固結(jié)中的軸對稱問題。求解地基的固結(jié)度時，先分別求解在指定時間內(nèi)地基垂直向固結(jié)度和水平向固結(jié)度，然后加以綜合得出地基的總固結(jié)度。

如果考慮逐級加荷，則時間t從加荷歷時的一半起算。1.豎向平均固結(jié)度Uz可按太沙基固結(jié)理論計算?！惨弧乘查g加荷條件下固結(jié)度計算

2.根據(jù)Barron的解法計算徑向平均固結(jié)度Ur

式中TH——水平向固結(jié)時間因數(shù)，CH——水平固結(jié)系數(shù)，KH——水平滲透系數(shù)(cm/s)，F(xiàn)——與n有關的系數(shù)，n——井徑比，n=de/dw，一般取為4～12。dwdedwll～～～～～～～～～～～～～～～～～～等效圓柱體的直徑de與砂井間距l(xiāng)的關系：l砂井影響范圍

3.砂井的平均固結(jié)度為

4.影響砂井固結(jié)度的因素〔1〕假設軟粘土層較厚，砂井未能打穿軟土層，應考慮其對固結(jié)度的影響；〔2〕砂井中的砂料對滲流有阻力，會產(chǎn)生水頭損失，應考慮井阻作用?！?〕采用機械施工方式，會對周圍土產(chǎn)生擾動，對井壁產(chǎn)生涂抹作用而降低徑向滲透性。序號條件平均固結(jié)度計算公式αβ備注1豎向排水固結(jié)（Uz>30%)Terzaghi解2內(nèi)徑向排水固結(jié)1Barron解3豎向和內(nèi)徑向排水固結(jié)不同條件的固結(jié)度計算公式序號條件平均固結(jié)度計算公式αβ備注4砂井未貫穿受壓土層L—砂井長度H—砂井以下壓縮土層厚度5外徑向排水固結(jié)（Uz>60％）0.692R—土樁體半徑6普遍表達式——續(xù)表〔二〕逐漸加荷條件下地基固結(jié)度的計算式中——

第i級荷載的加荷速率；∑△p——各級荷載的累加值；

Ti-1、Ti——分別為第i級荷載加載的起始和終止時間（從零點起算），當計算第i級荷載等速加荷過程中時間t的固結(jié)度時，則Ti改用t。

二、加壓系統(tǒng)〔一〕堆載預壓加固機理堆載預壓法是在建筑物施工前，在地基外表分級堆土或加其它荷重，使地基土壓密、沉降、固結(jié)，待到達預定的強度變形標準后再卸載，建造建〔構(gòu)〕筑物。從而提高地基強度和減少建筑物建成后的沉降量?！鱡固結(jié)壓力σc′孔隙比eσ0′σ1′△e′abcdf

加固機理1——減小地基工后沉降：

初次加載曲線，在外加荷載△σ′＝σ1′－σ0′作用下，土樣孔隙比減小了△e；卸荷再壓縮之后，孔隙比減小量為△e′，遠小于△e，說明大局部壓縮變形〔△e－△e′〕都在預先施壓過程中消除了。abcdf固結(jié)壓力σc′o抗剪強度τf

預壓后，土體處于超固結(jié)狀態(tài)，其抗剪強度要比處于正常固結(jié)狀態(tài)時的強度高。加固機理2——提高土體強度：式中st——預壓期所產(chǎn)生的沉降或被消除的沉降；

sr——殘留沉降。實踐證明，預壓的效果與預壓時間有關，時間越長，消除的沉降st越大，殘留沉降sr越小。因此，預壓時間取決于永久荷載對殘留沉降的要求而定。堆載預壓處理地基有兩種方法。〔1〕等載預壓：預壓荷載與永久荷載相等。此時，地基的最終沉降量由兩局部組成：1.堆載方式〔2〕超載預壓：預壓荷載大于永久荷載的情況。臨時超載填土砂墊層砂井采用超載預壓處理軟弱地基，其處理效果更好。原因：〔1〕經(jīng)過超載預壓后，當土層所受過的固結(jié)壓力大于使用荷載下的固結(jié)壓力時，原來的正常固結(jié)粘土層將處于超固結(jié)狀態(tài)，其壓縮性將進一步降低；〔2〕采用超載預壓還可以到達消除殘留沉降和次固結(jié)沉降的目的，使sr=0，即在使用期幾乎沒有沉降發(fā)生。堆載預壓時，是通過增加地基中的總應力σ，并使孔隙水壓力u消散來增加有效應力σ′的，地基中孔隙水的排出使由于形成了超孔隙水壓力使得水得以排出，地基產(chǎn)生固結(jié)，因而稱為正固結(jié)。2.地基土抗剪強度增長值的預估當軟弱地基天然強度較低時，必須限制加載速率以利用前期荷載使地基排水固結(jié)，提高強度來適應下一級加載，防止由于荷載過大地基強度缺乏引起地基土失穩(wěn)。因此，在進行設計時，需要預測抗剪強度在加載過程中的增長情況，以便合理確定預壓加載速率。地基中某一點在某時刻的抗剪強度τf可表示為：式中τf0——地基中某點在加荷之前的天然地基抗剪強度。用十字板或無側(cè)限抗壓強度試驗、三軸不排水剪切試驗測定；△τfc——由于排水固結(jié)而增長的抗剪強度；△τfτ——由于剪切蠕動而引起的抗剪強度衰減量。由于剪切蠕動所引起的強度衰減局部目前尚未提出適宜的計算公式，因此實用上地基的抗剪強度可用下式計算：式中η——考慮剪切蠕變及其它因素對強度影響的一個綜合性折減系數(shù)，可取0.9～0.95，假設判斷地基土沒有強度衰減可能時，則η＝1.0。強度增量△τfc的計算方法目前常用有以下兩種：

由于故〔1〕有效應力法〔2〕有效固結(jié)壓力法《建筑地基處理技術標準》推薦采用此方法。其計算式為：式中△σz——預壓荷載引起的該點的豎向附加應力。排水固結(jié)的設計理論著重于：〔1〕逐漸加載條件下固結(jié)度的修正計算；〔2〕地基強度增長的預計和與其相應的穩(wěn)定性分析方法；〔3〕最終沉降量與沉降隨時間開展的推算以及根據(jù)現(xiàn)場觀測資料反算土的力學性質(zhì)指標等?！?堆載預壓法設計堆載預壓設計加壓系統(tǒng)設計排水系統(tǒng)設計加壓系統(tǒng)設計：堆載材料的選用及堆載預壓方案確實定。排水系統(tǒng)設計：豎向排水體材料選用、排水體長度、斷面、平面布置確實定等。一、加壓系統(tǒng)設計

堆載預壓，根據(jù)土質(zhì)情況分為單級加荷和多級加荷；根據(jù)堆載材料分為自重預壓、加荷預壓和加水預壓。

堆載一般用填土、砂石等散粒材料；油罐通常利用罐體充水對地基進行預壓；對堤壩等以穩(wěn)定為控制的工程，則以其本身的重量有控制地分級逐漸加載，直至設計標高。1.加荷方案地確定

主要內(nèi)容：分級加載速率和每級荷載的大小、總荷載水平、預壓時間、預壓加載范圍等。

具體步驟如下：〔1〕根據(jù)天然地基的抗剪強度確定第一級加載p1一般的淺根底可采用斯開普頓極限荷載的半經(jīng)驗公式初步估算：式中cu——天然地基不排水抗剪強度；Nc——承載力因數(shù)；矩形根底：Nc=5.52，圓形根底：Nc=6;K——平安系數(shù)，K=1.3~1.5；l、b——根底的長邊和短邊；d——根底的埋置深度；γ0——地基土的重度。對于堤壩地基或條形根底可采用下式計算：或〔Fellenius公式〕〔2〕計算第一級荷載作用下地基強度增長值在p1荷載作用下，經(jīng)過一段時間預壓，地基強度會提高，提高以后的地基強度為cu1，一般可先假定一固結(jié)度，工程上常要求Ut＝70％～80％〔即讓地基在荷載p1作用下到達相應固結(jié)度后再施加下一級荷載〕，計算出強度增量后再求出cu1。式中△cu′——p1作用下地基因固結(jié)而增長的強度，〔3〕計算p1作用下到達所確定固結(jié)度〔70％～80％〕所需時間。目的：確定第一級荷載停歇時間，亦即第二級荷載開始施加的時間?！?〕根據(jù)第〔2〕步所得到的增長后的地基強度值計算第二級所能施加的荷載p2。再同樣求出在p2作用下地基到達設定固結(jié)度時〔70％～80％〕的抗剪強度cu2以及所需時間。依次類推，可計算以后各級荷載及其間隔時間，從而制定出初步加載方案?！?〕對初步確定的加荷方案應進行每級荷載下地基的穩(wěn)定性驗算，如穩(wěn)定性不滿足要求，則需調(diào)整加荷方案?！?〕計算預壓荷載下地基的最終沉降量和預壓期間的沉降量。目的：確定預壓荷載卸除的時間，這時地基在預壓荷載作用下所完成的沉降量已到達設計要求，所剩余的沉降是建筑物所允許的。2.預壓總荷載確實定及預壓加載范圍預壓總荷載水平通常是以建筑物的基底壓力大小為依據(jù)，一般兩者相同。但對沉降有嚴格限制的建筑，以及深厚土層中豎向排水系統(tǒng)難以到達設計深度等情況下，為縮短預壓時間，可采用超載預壓。超載量應根據(jù)預壓期間要求消除的變形量通過計算確定，一般超載應控制小于設計荷載的30％。預壓荷載的分布應與建筑物的設計荷載分布大致相同。加載范圍不應小于建筑根底外緣所包括的范圍。二、排水系統(tǒng)設計1.豎向排水體材料選擇豎向排水體可采用普通砂井、袋裝砂井和塑料排水板。普通砂井的特點：優(yōu)點——井徑較大、排水性能良好、井阻和涂抹作用的影響不明顯。缺點——容易出現(xiàn)不連續(xù)和縮頸現(xiàn)象，施工速度較慢、工程量大、造價較高。袋裝砂井優(yōu)點：〔1〕能夠保證砂井的連續(xù)性；〔2〕打設設備輕型化；〔3〕用砂量減少，工效高，造價低。假設需要設置的豎向排水體長度超過20m，建議采用普通砂井。塑料排水帶：排水暢通、質(zhì)量輕、強度高、耐久性好等特點，是一種較理想的豎向排水體。插板機塑料排水板

2.豎向排水體深度設計

豎向排水體深度主要根據(jù)土層的分布、地基中附加應力的大小、施工期限和施工條件以及建筑物對地基穩(wěn)定性和變形的要求等因素確定，具體原則為：〔1〕當軟土層不厚〔<10m〕、底部有透水層時，排水體應盡可能穿透軟土層；〔2〕當深厚的高壓縮性土層間有砂層或砂透鏡體時，排水體應盡可能打至砂層或砂透鏡體。而采用真空預壓時應盡量防止排水體與砂層相連接，以免影響真空效果；〔3〕對于無砂層的深厚地基則可根據(jù)其穩(wěn)定性及建筑物在地基中造成的附加應力與自重應力之比值確定〔一般為0.1～0.2〕；〔4〕對穩(wěn)定性控制的工程〔路堤、土壩〕，排水體深度應通過穩(wěn)定分析確定，打入深度至少應超過最危險滑動面最大深度2m；〔5〕按沉降控制的工程，排水體打入深度應到達地基沉降計算時有效壓縮層的深度。3.豎向排水體平面布置設計內(nèi)容：平面布置型式和井徑、井距選擇。砂井在平面上的布置可采用等邊三角形或正方形排列，以等邊三角形排列較為緊湊和有效。普通砂井直徑一般為300mm～500mm，井徑比為6～8；袋裝砂井直徑一般為70mm～120mm，井徑比15～22；塑料排水帶常用當量直徑〔周長相等〕表示，其當量直徑可按下式計算：式中α——換算系數(shù)，約為0.75～1.0；b——塑料排水帶寬度；δ——塑料排水帶厚度。塑料排水帶尺寸一般為100mm×4mm，井徑比與袋裝砂井類似，一般為15～22〔30〕。豎向排水體的間距可根據(jù)地基土的固結(jié)特性和預定時間內(nèi)所要求到達的固結(jié)度確定，設計時，間距可按井徑比選用。一般砂井間距在1.5m~2.0m。砂井直徑與間距的關系：砂井截面大小只要能保證從周圍軟土中滲流進來的水能及時排出去即可