地基處理排水固結(jié)法培訓講義[全面]

1、排水固結(jié)技術(shù),Drain Consolidation,地 基 處 理,Soil Improvement,1 概 述,排水固結(jié)法解決的問題 （1）沉降問題。使地基的沉降在加載預壓期間大部分或基本完成，使建筑物在使用期間不致產(chǎn)生不利的沉降和沉降差。 （2）穩(wěn)定問題。加速地基土的抗剪強度的增長，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性,排水固結(jié)法是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分共同組合而成的。,排水固結(jié)法（Consolidation）是處理軟粘土地基的有效方法之一。該法是對天然地基，或先在地基中設(shè)置砂井、塑料排水帶等豎向排水體，然后利用建筑物本身重量分級逐漸加載，或是在建筑物建造以前，在場地先行加載預壓，使土體中的

2、孔隙水排出，逐漸固結(jié)，地基發(fā)生沉降，同時強度逐步提高的方法。,排水系統(tǒng),加壓系統(tǒng),根據(jù)排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)的不同，排水固結(jié)法可分為堆載預壓法、砂井(包括袋裝砂井、塑料排水板等)堆載預壓法、真空預壓法、降低地下水位法和電滲法。,排水固結(jié)法的種類,堆載預壓法和砂井堆載預壓法唯一的區(qū)別在于：前者的排水系統(tǒng)以天然地基土層本身為主；而后者在天然地基中還人為地增設(shè)了諸如砂井等排水系統(tǒng)。,主要用于處理淤泥質(zhì)土、淤泥和沖填土等飽和粘性土地基。砂井法特別適用于存在連續(xù)薄砂層地基； 真空預壓法適用于能在加固區(qū)形成穩(wěn)定負壓邊界條件的軟土地基； 降低地下水位法、真空預壓法和電滲法都適用于加固很軟弱的軟土地基。,適用范圍

3、,1.1 排水固結(jié)法的原理,加 固 軟 土 層,豎 向 排 水 體,排水墊層,水平排水盲溝,堆載預壓法就是用填土等外加荷載來增加總應力并使超靜孔隙水壓力u消散從而增加有效應力的方法。降低地下水位和電滲排水法是總應力不變,減少孔隙水壓力來增加有效應力的方法。,排水固結(jié)法的原理,真空預壓法通過砂墊層內(nèi)埋設(shè)的吸水管道，用真空裝置抽氣，使其形成真空，增加地基的有效應力。主要反映在以下方面： 1.薄膜上壓差荷載 2.地下水位降低引起附加應力增加； 3.封閉起泡排除，增強滲透性。,排水固結(jié)法的原理,堆載預壓與真空預壓法加固原理對比,1.3 排水固結(jié)法的應用范圍,用于處理軟粘土地基，是十分有效的方法。,按照

4、使用目的可以解決兩個問題,沉降問題,穩(wěn)定問題,沉降問題 (settlement problems),采用豎向排水固結(jié)與不采用豎向排水固結(jié)的實測沉降-時間曲線對比,采用豎向排水固結(jié)與不采用豎向排水固結(jié)的實測沉降-時間曲線對比,不排水-等載預壓排水-超載預壓排水的沉降曲線,穩(wěn)定問題 (stabilization problems),地基間歇式加荷的應力路徑,豎向排水提高邊坡穩(wěn)定性,系統(tǒng)組成排水系統(tǒng),系統(tǒng)組成排水系統(tǒng),材料,Wick Drains,sand,gravel,系統(tǒng)組成排水系統(tǒng),Vertical Wick Drains,Vertical Wick Drains,Horizontal Dra

5、ins,水平排水體,Horizontal Drains,水平排水體,系統(tǒng)組成加壓系統(tǒng),堆載,橋頭高填土堆載預壓,場地高填土堆載預壓,臨時填土堆載預壓,Vacuum Consolidation,系統(tǒng)組成加壓系統(tǒng),真空預壓,FLASH,（二）、排水固結(jié)法的設(shè)計與計算,在設(shè)計以前，應該進行詳細的巖土工程勘察和土工試驗，以取得必要的設(shè)計資料。對以下各項資料應特別加以重視： （一）土層條件。通過適量的鉆孔繪制出土層剖面圖；采取足夠數(shù)目的試樣以確定土的種類和厚度；土的成層程度；透水層的位置；地下水位深度。 （二）固結(jié)試驗。固結(jié)壓力與孔隙比的關(guān)系曲線；固結(jié)系數(shù)。 （三）軟粘土層的抗剪強度及沿深度的變化情況。

6、 （四）砂井及砂墊層所用砂料的粒度分布、含泥量等。,1.排水固結(jié)法設(shè)計流程圖,預壓法是以事先完成的沉降和由于固結(jié)使地基強度增長的兩個要素為目標的，這種加固方法成立的背景，是以具有飽和粘性土地基由于固結(jié)而增加強度，以及所謂一旦地基固結(jié)沉降，即使卸掉荷載實際上也不恢復原來狀態(tài)這兩種條件而構(gòu)成的。 設(shè)計內(nèi)容： 加壓系統(tǒng)：堆載預壓計劃及材料選用 排水系統(tǒng)：豎向排水體材料選用、排水體長度、斷面、平面布置,2 堆載預壓法設(shè)計計算,總沉降量的計算：,2 堆載預壓法設(shè)計計算,其中分別為瞬時沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降，若忽略次固結(jié)沉降則：,其中經(jīng)驗系數(shù)，堆載預壓時正常固結(jié)飽和黏性土取1.1-1.4，荷載大地基

7、土較軟弱時取大值，否則取小值；真空預壓法取1.0-1.3，真空堆載聯(lián)合預壓法時取1.0-1.3。,預壓期間沉降量的計算：,2 堆載預壓法設(shè)計計算,其中為地基平均固結(jié)度在豎向排水情況下，采用太沙基固結(jié)理論計算；對于布置豎向排水體的地基，采用沙井固結(jié)理論。,2 堆載預壓法設(shè)計計算,逐級加載條件下固結(jié)度計算 改進太沙基法假定： （1）每一級荷載所引起的固結(jié)過程是獨立的，與上一級荷載引起的固結(jié)度無關(guān)； (2)總固結(jié)度等于各級荷載增量作用下固結(jié)度的疊加； (3)每一級荷載增量pi在等速加荷經(jīng)過時間t的固結(jié)度與在t2時的瞬時加荷的固結(jié)度相同，也即計算固結(jié)的時間為t2；,2 堆載預壓法設(shè)計計算,逐級加載條件

8、下固結(jié)度計算 改進太沙基法假定： (4)在加荷停止以后, 在恒載作用期間的固結(jié)度，即時間t大于Ti，(此處Ti為pi的加載期)時的固結(jié)度和在Ti/2時瞬時加荷pi后經(jīng)過時(t-Ti/2)時的固結(jié)度相同； (5)所算得的固結(jié)度僅是對本級荷載而言，對總荷載還要按荷載的比例進行修正。,2 堆載預壓法設(shè)計計算,逐級加載條件下固結(jié)度計算 改進太沙基法假定：,2 堆載預壓法設(shè)計計算,2.1 堆載預壓的計算步驟,1. 利用地基的天然抗剪強度計算第一級容許施加的荷載p1。 一般可按斯開普頓極限荷載的半經(jīng)驗公式作初步估算：,對飽和的軟黏土，可按下式估算，即：,對長條梯形填土，可根據(jù)Fellenius公式估算，即

9、：,2 堆載預壓法設(shè)計計算,2.1 堆載預壓的計算步驟,2. 計算第一級荷載下地基強度增長值。,其中為p1作用下地基固結(jié)強度增長，然后計算出強度增長量。,3. 計算p1作用下達到所定固結(jié)度所需要的時間。,達到某一固結(jié)度所需時間可根據(jù)固結(jié)度與時間的關(guān)系求得。這一步計算的目的是確定第一級荷載停歇的時間，亦即第二級荷載開始施加的時間。,4. 根據(jù)第2步所得到的地基強度f1計算第二級所能施加的荷載p2，即,同樣求出在p2作用下地基固結(jié)度達一定的強度時所需時間，然后計算第三級所能施加的荷載。依次可計算出以后各級荷載和停歇時間，初步的加荷計劃也就確定下來。,5. 對按以上步驟確定的加荷計劃進行每一級荷載下

10、地基的穩(wěn)定性驗算。如穩(wěn)定性不滿足，則調(diào)整加荷計劃。,6. 計算預壓荷載下地基的最終沉降量和預壓期間的沉降量。這一項計算的目的在于確定預壓荷載卸除的時間，這時地基在預壓荷載下所完成的沉降量已達設(shè)計要求，所剩留的沉降為建筑物所允許。,2.2 超載預壓,實際工程中還往往采用超載預壓方法來消除主固結(jié)沉降，以縮短預壓時間。預壓期間任一時刻地基沉降量可表示為：,上式可用于：(1)確定所需的超載壓力值ps以保證在使用荷載pf作用下預期的總沉降量在給定的時間內(nèi)完成； (2)確定在給定超載下達到預定沉降量所需要的時間。,為了消除永久性荷載下的固結(jié)沉降，只要將超載保持到時間tsR時刻，以使超載作用下，地基的固結(jié)沉

11、降量等于永久荷載下的最終固結(jié)沉降，即ssRsf，為了消除超載卸除以后繼續(xù)發(fā)生的主固結(jié)沉降，超載應維持到使上層中間部位的固結(jié)度Uz（f+s）達到下式要求：,超載預壓的標準,該方法要求將超載保持到pf作用下所有點都完全固結(jié)為止，這時土層的大部分將處于超固結(jié)狀態(tài)。因此，這是一個安全度較大的方法，它預估的ps值或超載時間都大于實際所需的值。,對于有機質(zhì)粘土、泥炭上等，其次固結(jié)沉降是重要的，采用超載預壓法對減小永久荷載下的次固結(jié)沉降有一定效果。,超載預壓排水與動力置換相結(jié)合,3 砂井排水固結(jié)設(shè)計計算,丹尼爾.莫蘭（Daniel.E.Moran）最早（1925年）將垂直砂井用于土的深層加固，1926年獲得

12、專利。,Sand Drains,3.1 砂井設(shè)計,砂井地基的設(shè)計工作即為選擇適當?shù)纳熬L度、直徑、間距、以及形成有效的砂井排水系統(tǒng)所需的材料、砂墊層厚度等，以隨地基在批載預壓過程中，在預期的時間內(nèi)，達到所需要的固結(jié)度(通常定為80)。,1砂井直徑和間距,常采用“細而密”原則。,一般砂井直徑：300500mm；間距：68k倍井徑。,袋裝砂井（塑料排水帶）直徑：70120mm； 間距：1522k倍井徑。,2砂井長度,根據(jù)現(xiàn)場各種因素定。（土層厚、有無透水層、壓縮層厚度、承壓水、穩(wěn)定控制、沉降控制量等）一般1025米。,（1）根據(jù)建筑物對地基的穩(wěn)定性、變形和工期要求定。（2）對以地基抗滑穩(wěn)定性控制的

13、工程，應取至危險滑動面以下2m； （3）對以變形控制的建筑工程，應以限定的預壓時間內(nèi)完成的變形量確定，宜穿透受壓土層。,3砂井排列,正三角形排列,正方形排列,排水路徑,l,l,de,de,4. 砂井的布置范圍:,不小于建筑物基礎(chǔ)外緣的范圍。,5. 砂墊層,在砂井頂面應鋪設(shè)排水砂墊層，以連接砂井，引出從上層排入砂井的滲流水。砂墊層的厚度不小于0.5m(水下砂墊層厚度為1.0m左右)。如砂料缺乏，可采用連通砂井的縱橫砂溝代替整片砂墊層。預壓區(qū)邊緣應設(shè)排水溝，預壓區(qū)內(nèi)應設(shè)與砂墊層相連的排水盲溝，間距不宜大于20m,砂墊層砂料宜用中粗砂，粘粒含量不應大于3%，砂料可含少量粒徑不大于50mm礫石，干密度

14、應大于1.5t/m3,滲透系數(shù)應大于1*10-2cm/s. horizontal drain system is installed to collect water squeezed into the crushed stone blanket.jpg,Horizontal drains are installed in sand blanket to collect water to be discharged from vertical drains.jpg,Heavy clay is placed atop vertical and horizontal drain systems t

15、o squeeze water out of the bog and compact the soft subsoils,3.3 砂井地基固結(jié)度的計算,1瞬時加荷條件下砂井地基固結(jié)度的計算,19401942年，巴倫（Barron）根據(jù)太沙基固結(jié)理論，提出砂井的設(shè)計計算方法。,砂井固結(jié)理論假定： 1.每個砂井有效影響范圍為一直徑為de的圓柱體，圓柱體中的土體中水向砂井滲流，圓柱邊界無滲流； 2.砂井地基表面受均布荷載作用，地基中的附加應力分布不隨深度而變化； 3.荷載是一次施加上去的，即加荷開始時，外荷載全為孔隙水壓力； 4.整個壓密過程中，地基土的滲透系數(shù)不變； 5.井壁上面受砂井施工的涂抹作

16、用影響不計。,3.3 砂井地基固結(jié)度的計算,1瞬時加荷條件下砂井地基固結(jié)度的計算,19401942年，巴倫（Barron）根據(jù)太沙基固結(jié)理論，提出砂井的設(shè)計計算方法。,固結(jié)微分方程：,根據(jù)卡里羅理論：任意一點的孔隙水壓力u有如下關(guān)系：,用固結(jié)度表示為：,豎向固結(jié)度由太沙基一維理論計算。,徑向固結(jié)度等應變條件下用下式：,井徑比,總固結(jié)度（大于30%時）：,故,考慮井阻和涂抹作用時：,kw、kh、ks砂井砂、地基土和砂井涂抹土層的滲透系數(shù)； s涂抹比，砂井涂抹后的直徑ds與砂井直徑dw之比； L豎井深度； qw豎井縱向通水量。,2逐漸加荷條件下地基固結(jié)度的計算,目前常用的有太沙基修正法和曾國熙提出

17、的改進的高木俊介法，理論上可以證明，能者是近似的，而后者是精確的。改進的高木俊介法通常將實際荷載簡化為多級等速加荷，最常用的公式為；,影響砂井固結(jié)度的幾個因素,1關(guān)于初始孔隙水壓力 上述計算砂井固結(jié)度的公式，都是假設(shè)初始孔隙水應力等于地面荷載強度，且整個砂井地基中應力分布是相同的。只有當荷載面的寬度足夠大時，這些假設(shè)才與實際基本符合。一般認為當荷載面的寬度等于砂井的長度時，采用這樣的假設(shè)其誤差就可忽略不計。 2關(guān)于涂抹作用 當排水豎井采用擠土方式施工時，應考慮涂抹對土體固結(jié)的影響，涂抹區(qū)土的水平向滲透系數(shù)ks，可取(1/5-1/3)kh。涂抹區(qū)直徑ds與豎井直徑dw的比值s可取2.0-3.0，

18、對中等靈敏黏性土取低值，對高靈敏黏性士取高值； 3關(guān)于砂料的阻力 砂井中砂料對滲流也有阻力，產(chǎn)生水頭損失。從巴倫理論解可得到：當井徑比為715，井的有效影響直徑小于砂井深度時其阻力影響很小。 當豎井的縱向通水量q與天然土層水平向滲透系數(shù)kh的比值較小且長度又較長時，尚應考慮井阻影響。,排水系統(tǒng)設(shè)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帶。若需要設(shè)置豎向排水體長度超過20m，建議采用普通砂井。 2豎向排水體深度設(shè)計 豎向排水體深度主要根據(jù)土層的分布、地基中附加應力大小、施工期限和施工條件以及地基穩(wěn)定性等因素確定。 (1)當軟土層不厚、底部有透水層時，排水體應盡可能穿

19、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避免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0.10.2)； (4)按穩(wěn)定性控制的工程，如路堤、土壩、岸坡、堆料等，排水體深度應通過穩(wěn)定分析確定，排水體長度應大于最危險滑動面的深度； (5)按沉降控制的工程，排水體長度可從壓載后的沉降量滿足上部建筑物容許的沉降量來確定。 豎向排水體長度一般為1025m。,排水系統(tǒng)設(shè)計,3.豎向排水體平面布置設(shè)計 普通砂井直徑一般為300500mm。

20、 袋裝砂井直徑一般為70l20mm。 塑料排水帶常用當量直徑表示，塑料排水帶寬度為b，厚度為，則換算直徑可按下式計算：,排水豎井的間距可根據(jù)地基土的固結(jié)特性和預定時間內(nèi)所要求達到的固結(jié)度確定。設(shè)計時，豎井的間距可按井徑比n選用(對塑料排水帶可取dw=dp)。塑料排水帶或袋裝砂井的間距可按n=l522選用，普通砂井的間距可按n=68選用。 豎向排水體的布置范同一般比建筑物基礎(chǔ)范圍稍大為好。擴大的范圍可由基礎(chǔ)的輪廓線向外增大約24m。,排水系統(tǒng)設(shè)計,4砂料設(shè)計 制作砂井的砂宜用中粗砂，砂的粒徑必須能保證砂井具有良好的透水性。砂的粒度要不被黏土顆粒堵塞。砂應是潔凈的，不應有草根等雜物，其黏粒含量不應

21、大于3。 5地表排水砂墊層設(shè)計 為了使砂井排水有良好的通道，砂井頂部必須鋪設(shè)砂墊層。以連通各砂井將水排到工程場地以外。砂墊層采用中粗砂，含泥量應小于3。 砂墊層應形成一個連續(xù)的、有一定厚度的排水層，以免地基沉降時被切斷而使排水通道堵塞。陸上施工時，砂墊層厚度不應小于500cm；水下施工時，一般為lm。砂墊層的寬度應大于堆載寬度或建筑物的底寬，并伸出砂井區(qū)外邊線2倍砂井直徑。在砂料貧乏地區(qū)，可采用連通砂井的縱橫砂溝代替整片砂墊層。,工程實例,工程實例,工程實例,4 真空預壓法,4 真空預壓法,真空預壓設(shè)計內(nèi)容,豎井斷面尺寸、間距、排列方式和深度的選擇； 預壓區(qū)面積和分塊大小； 真空預壓工藝； 要

22、求達到的真空度和土層的固結(jié)度； 真空預壓和建筑物荷載下地基的變形計算； 真空預壓后承載力增長計算。,.豎井斷面尺寸、間距、排列方式和深度的選擇,.豎井斷面尺寸、間距、排列方式和深度的選擇,若軟弱土層下有砂卵層時，豎向排水體不能與砂卵層相連。,.預壓區(qū)面積和分塊大小,在真空預壓區(qū)邊緣，由于真空度會向外部擴散，其加固效果不如中部，真空預壓區(qū)邊緣應大于建筑物基礎(chǔ)輪廓線，每邊增加量不得小于3.0m。每塊預壓面積宜盡可能大且呈方形。分區(qū)面積宜為20000-40000m2。,.真空預壓工藝,當建筑物的荷載超過真空預壓的壓力，且建筑物對地基變形有嚴格要求時，可采用真空-堆載聯(lián)合預壓法，其總壓力宜超過建筑物的

23、荷載。 對于表層存在良好的透氣層或在處理范圍內(nèi)有充足水源補給的透水層時，應采取有效措施隔斷透氣層或透水層。 真空預壓所需抽真空設(shè)備的數(shù)量，可按加固面積的大小和形狀、土層結(jié)構(gòu)特點，以一套設(shè)備可抽真空的面積為10001500m2確定。,.要求達到的真空度和土層的固結(jié)度,真空預壓的膜下真空度應穩(wěn)定地保持在650mmHg以上，且應均勻分布，豎井深度范圍內(nèi)土層的平均固結(jié)度應大于90%。 預壓時間不宜低于90d。,.真空預壓和建筑物荷載下地基的變形計算,采用真空預壓可取1.0-1.3，真空-堆載聯(lián)合預壓法時，可取1.0-1.3。,真空膜,水氣收集管道系統(tǒng),水氣收集管道系統(tǒng),工作原理,處理效果數(shù)據(jù),真空預壓

24、模型試驗,真空預壓處理現(xiàn)場鳥瞰,排水預壓法的其他一些現(xiàn)場施工照片,a 95 feet (29 m) long hanging mast installs wick drains underwater,EQUAKE drains are installed for a new hotel in St. Lucia, British West Indies. The drains were tested by a 5.4 magnitude earthquake even before the hotel was finished.jpg,工程實例,工程實例,工程實例,工程實例,工程實例,5、其他

25、一些排水固結(jié)方法,（1）降低地下水位法 降低地下水位法是指利用井點降水，使地下水位下降，以增加土的自重應力，達到預壓加固的目的。由于地基土自重應力的增加，將導致地基發(fā)生附加沉降。降低地下水位，使地基中的軟土承受了相當于水位下降高度的水柱重量，因而地基產(chǎn)生固結(jié)，這種增加有效應力的方法。,降低地下水位法最適用于砂性土地基，或在軟粘土層中存在砂或粉土的情況。 對于深厚的軟粘土層，常設(shè)置砂井并采用井點法來降低地下水位，以加速其固結(jié)。 當應用真空裝置降水時，地下水位可降低5m6m。,（2）電滲法,在地基土中插入金屬電極并通以直流電，在直流電場的作用下，土中的水分從陽極流向陰極，這種現(xiàn)象稱電滲。如果將匯聚在陰極的水排除。而在陽極不予補充，那么土層就會固結(jié)，引起土層的壓縮。,原理,弱透水性土層土粒間的微小孔隙將水保持其中，單靠一般井點制造真空吸力難以達到理想的降水效果；在一定區(qū)域內(nèi)的土