第5章 排水固結

第5章排水固結法目錄5.1概述5.2加固原理和計算理論5.3堆載預壓法5.4真空預壓法5.5真空聯(lián)合預壓法5.6降低地下水位法5.7電滲法5.1 概述45.1 概述1排水固結法又稱預壓法。排水固結法加固地基是通過對地基施加預壓荷載，使軟粘土地基土體中的孔隙水排出，土體產(chǎn)生排水固結，土體孔隙體積減小、抗剪強度提高，達到減少地基工后沉降和提高地基承載力的目的。55.1 概述1排水固結法又稱預壓法。排水固結法加固地基是通過對地基施加預壓荷載，使軟粘土地基土體中的孔隙水排出，土體產(chǎn)生排水固結，土體孔隙體積減小、抗剪強度提高，達到減少地基工后沉降和提高地基承載力的目的。排水固結法豎向通常由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分組成，排水系統(tǒng)一般由水平向排水墊層和豎向排水通道組成。水平向排水墊層一般為砂墊層，也有由砂墊層加土工合成材料墊層復合形成。豎向排水通道常采用在地基中設置普通砂井、袋裝砂井、塑料排水帶等形成。若地基土體滲透系數(shù)較大，或在地基中有較多的水平砂層，也可不設人工豎向排水通道，只在地基表面鋪設水平排水墊層。加壓系通常采用下述方法：堆載法，真空預壓法，真空預壓聯(lián)合堆載法，降低地下水位法和電滲法等。5.2加固原理和計算理論5.2加固原理和計算理論15.2.1加固原理采用排水固結法加固地基的原理是利用飽和粘性土地基在荷載作用下產(chǎn)生排水固結，土體孔隙比減小，壓縮性減小，抗剪強度提高。因此，采用排水固結法加固地基可有效減少地基工后沉降和提高地基承載力?，F(xiàn)以圖5-2（a）和(b)所示的e-lnp'曲線和p-τf曲線來說明采用排水固結法加固地基的原理。（a）e-lnp'曲線（b）p-τf曲線圖5-2排水固結法加固地基原理5.2加固原理和計算理論15.2.2地基固結度計算圖5-2所示為一維固結情況。對一維固結可采用Terzaghi固結理論計算。Terzaghi一維固結方程為根據(jù)Terzaghi一維固結理論，對最大排水距離為H的土層，當平均固結度≥30%時，地基平均固結度可采用下式計算：（5-1）

（5-2）

5.2加固原理和計算理論1圖5-3一維固結Terzaghi固結理論圖5-4砂井地基固結理論5.3堆載預壓法115.3.1設計1堆載預壓法設計主要包括排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分的設計。排水系統(tǒng)設計包括豎向排水體的材料選用，排水體長度、斷面、平面布置的確定等；加壓系統(tǒng)設計主要包括堆載預壓計劃的確定和堆載材料的選用，以及堆載預壓過程中的現(xiàn)場監(jiān)測設計等。125.3.1設計1堆載預壓法設計計算步驟如下：1、豎向排水體材料選擇（1）豎向排水體材料選擇（2）豎向排水體設置深度設計（3）豎向排水體平面設計（4）水平排水砂墊層設計2、堆載預壓計劃設計根據(jù)初步確定的排水系統(tǒng)和對地基處理的要求，包括提高地基承載力、減小工后沉降、以及容許的堆載預壓工期等要求，初步擬定一個堆載預壓計劃。例如初步擬定的堆載預壓計劃如圖5-3-2所示。135.3.1設計1（1）堆載預壓過程中地基穩(wěn)定性驗算主要驗算加載階段地基的穩(wěn)定性。加載階段地基穩(wěn)定，則恒載預壓階段地基肯定是穩(wěn)定的。通常通過穩(wěn)定分析驗證加載計劃，主要驗證一級加載量和加載速率是否合理。穩(wěn)定分析一般可采用圓弧滑動法分析。圖5-10堆載預壓計劃145.3.1設計1（2）堆載預壓結束時刻（t4）地基承載力和工后沉降是否滿足設計要求通過計算預壓荷載作用下地基固結度、地基土體抗剪強度的提高，可進一步得到經(jīng)堆載預壓處理后的地基承載力，判斷通過堆載預壓處理后的地基是否已滿足提高地基承載力的要求。155.3.2施工1堆載預壓法施工包括排水系統(tǒng)施工和堆載預壓施工。排水系統(tǒng)包括砂墊層和豎向排水體兩部分。在鋪攤砂墊層時應注意與豎向排水體的聯(lián)接。以保證排水固結過程中，排水流暢。若軟土地基表面很軟，直接進行豎向排水系統(tǒng)的施工有困難，可輔以土工聚合物。豎向排水體通常有普通砂井、袋裝砂井和塑料排水帶三類。施工方法各不相同。165.3.3質(zhì)量檢驗1排水固結法施工過程中主要通過沉降觀測、地基中超孔隙水壓力監(jiān)測來檢驗其處理效果，也可在加載不同階段進行不同深度的十字板抗剪強度試驗和取土進行室內(nèi)試驗檢驗地基處理效果，并且通過上述檢驗手段驗算預壓過程中地基穩(wěn)定性。預壓完成后，可通過沉降觀測成果、超孔隙水壓力監(jiān)測成果以及對預壓后地基進行十字板抗剪強度試驗及室內(nèi)土工試驗檢驗處理效果。175.4真空預壓法1真空預壓法是通過在砂墊層和豎向排水體中形成負壓區(qū)，在土體內(nèi)部與排水體間形成壓差，迫使地基土中水排出，地基土體產(chǎn)生固結。5.4真空預壓法5.4.1設計5.4.2施工18195.4.1設計1真空預壓法設計包括下述幾方面：（1）排水系統(tǒng)設計通常采用塑料排水帶、普通砂井、袋裝砂井作為豎向排水體，設計計算和施工同堆載預壓法。（2）抽氣抽水系統(tǒng)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）真空預壓計劃設計真空預壓是否滿足設計要求，何時停止抽氣抽水可通過地基沉降量的完成量來評定。（4）現(xiàn)場測試設計現(xiàn)場測試設計同堆載預壓法。205.4.2施工1真空預壓的施工工藝包括排水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和密封系統(tǒng)三方面，真空預壓施工過程較堆載預壓復雜，其基本流程如圖5-12所示。圖5-12真空預壓法施工流程圖215.4.2施工1（1）抽真空系統(tǒng)（i）真空管、濾管布置真空管、濾管布置的好壞會直接影響抽真空的效率和地基加固的效果，二者主要布置形式如圖5-13所示。（ii）抽真空裝置抽真空裝置一般由離心泵或潛水泵、加射流噴嘴、循環(huán)水箱組成。圖5-13真空預壓法真空管、濾管主要布置形式225.4.2施工1（2）密封系統(tǒng)（i）密封膜鋪設密封膜是否能形成封閉系統(tǒng)是真空預壓法加固地基成敗關鍵之一。材料一般采用密封性聚乙烯薄膜或線性聚乙專用薄膜，通過熱合與粘結，形成500m2—5000m2密封膜。除采用密封膜外，也有采用淤泥密封。將塑料排水帶直接跟水平排水排氣管網(wǎng)連接，然后在管網(wǎng)及地面上覆蓋厚度大于300mm的淤泥層，以達到密封的目的。235.4.2施工1（2）密封系統(tǒng)（ii）密封溝加固區(qū)周邊的密封多采用挖密封溝。密封溝的深度在1.2-1.5m之間。當被加固土的表層粘粒含量較高、滲透性較差時，可以取小值；反之，溝要挖深一些。溝的寬度一般最小為60cm；人工挖掘密封溝最小寬度為70cm。（iii）土層深部密封對透水層的密封處理有鋼板樁法、灌漿法、深層攪拌法、高壓旋噴法等。對較細顆粒組成的透水層，如細砂或粉細砂的透水層要求的含泥量較大，目前主要采取泥漿攪拌墻法對深部透水層密封。（iV）對地表裂縫的處理當發(fā)現(xiàn)有漏氣時，可將拌制一定稠度的粘土漿倒灌到裂縫中，泥漿在重力和真空吸力的作用下向裂縫深處鉆進，慢慢充填于裂縫中，堵住裂縫、達到密封的效果。

5.5真空聯(lián)合預壓法5.5.1設計和施工5.5.2工程實例24若單純采用真空預壓法不能滿足地基加固設計要求，可采用真空預壓和堆載預壓相結合的處理方法，通常稱為真空與堆載聯(lián)合預壓法。255.5.1設計和施工1堆載時需考慮是否需要分級施加；經(jīng)驗表明，膜下真空度維持在80kPa時，總堆載高度在2m以下時，可不考慮分級堆載；當堆載高度在3m以上時，需分級加載，分級的次數(shù)、每級荷載和穩(wěn)載時間，可按堆載預壓法中的荷載分級設計進行。真空聯(lián)合預壓法中，真空預壓的和堆載預壓加固效果可分別計算，然后將兩者疊加就可得到聯(lián)合預壓法的加固效果。施工同堆載預壓法或真空預壓法。265.5.2工程實例11985年4月在天津港區(qū)礦石碼頭堆場進行了真空聯(lián)合堆載的現(xiàn)場加固試驗，也是我國第一個真空聯(lián)合預壓法的工程實例。試驗時膜下真空度達到80kPa，堆載為3.05m高的山坡土，相當于55kPa的荷載,分兩次施加。加固區(qū)內(nèi)打設袋裝砂井，直徑7cm，正方形排列，間距1.5m，長度10m。275.5.2工程實例1經(jīng)過聯(lián)合加固，總歷時176天，總沉降量達到131.2cm，其中在堆載階段產(chǎn)生的沉降量53.5cm。砂井范圍內(nèi)土體固結度達到86%；土的物理性質(zhì)與土的強度都發(fā)生了很大的變化，具體見表5-5-1和圖5-5-2所示。大型荷載試驗的結果表明承載力增加二倍（見表5-5-2）。真空聯(lián)合預壓法加固效果顯著。圖5-14真空聯(lián)合堆載加荷與沉降關系過程線圖5-15加固前后十字板強度沿深度的變化285.7電滲法1電滲法是通過在插入土體中的電極上施加直流電使得土體加速排水、固結從而提高強度的一種地基處理方法。電滲過程中，電滲滲透系數(shù)是決定土體排水速率的關鍵因素之一，與常用的水力滲透系數(shù)與土壤類型息息相關的特性不同，電滲滲透系數(shù)受土顆粒大小影響較小，如對于不同的土壤類型水力滲透系數(shù)的變化范圍為10-1-10-9(m/s)，而電滲滲透系數(shù)的變化范圍為10-8-10-9(m2/s)。5.7電滲法5.7.1加固機理5.7.2適用范圍和特點5.7.3設計計算5.7.4工程實例29305.7.1加固機理1離子在電場作用下發(fā)生遷移運動，并且拖拽周圍的極性水分子一起移動，粘土顆粒的負電性使得離子較多地聚集在雙電層中，且陽離子濃度要高于陰離子濃度，這使得陽離子轉移的水量高于陰離子的轉移量，于是在陽離子遷移方向產(chǎn)生凈滲流，即電滲（圖5-7-1）。如果將匯聚于陰極的水排水，土中的水減少產(chǎn)生加固。圖5-17電滲原理圖315.7.2適用范圍和特點1

（1）適用范圍包括有機質(zhì)土、泥炭土、含油淤泥、工業(yè)尾礦、疏浚淤泥、吹填淤泥、廢棄泥漿、海洋底泥、污染土、城市污泥等根據(jù)已有文獻報道，筆者總結了電滲工程實例和試驗中的數(shù)據(jù)，得到表5-7-1所示適宜電滲法的土體各參數(shù)大致范圍。需要說明的是，表5-7-1中的數(shù)據(jù)僅為已有文獻報道中各參數(shù)的范圍，只能作為初步定性判斷的參考，適用性的進一步判斷和設計參數(shù)的確定還有賴室內(nèi)模型試驗。325.7.2適用范圍和特點1（2）特點

a.固結速度快

b.電滲法不會引起因軟土承載力不足而發(fā)生的失穩(wěn)現(xiàn)象。

c.安全性高。

d.金屬材料作電極時，會腐蝕生成氧化物或是氫氧化物的膠體，形成電化學加固，使土體逐漸變得密實335.7.3設計計算1已有電滲固結理論大多基于Esrig固結理論，Esrig一維電滲固結理論的假設條件為：（1）土體均一且飽和；（2）土體的物理化學性質(zhì)均勻，且不隨時間變化；（3）不考慮土顆粒的電泳現(xiàn)象，且土顆粒不可壓縮；（4）電滲水流速度和電勢梯度成正比；（5）電勢梯度均勻恒定，且施加的電勢完全用于電滲；（6）不考慮電極處的電化學反應；（7）電場和水力梯度引起的水流可疊加。345.7.3設計計算1與達西定律類似，電滲過程中電滲流與電勢梯度存在以下關系：

（5-45）其中，為電滲流，為電勢，疊加以水力流得到：

（5-46）其中，為總水流，為水力流，為水力滲透系數(shù)，為超孔隙水壓力，為水的重度。由于孔隙水不可壓縮，排出的水完全貢獻于土體體積的減少，進一步推導得到以下控制方程：

（5-50）355.7.3設計計算1在陽極不透水、陰極排水的常規(guī)邊界條件，以及孔壓u(x,0)=0的初始條件下，其一維固結解為：

（5-51）其中為陰極與陽極之間的距離（圖5-18）?；趹Φ钠骄探Y度為：

圖5-18Esrig一維電滲固結模型365.7.4工程實例1

（1）工程概況廣州中船龍穴造船基地某項目是首次大面積采用真空-電滲降水-低能量強夯聯(lián)合的軟弱地基加固技術的案例。該造船基地位于虎門外珠江右岸、