排水固結(jié)法二

第4章排水固結(jié)法

Chapter4Consolidation

4.1概述

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。深圳河真空預壓全貌深圳美視媽灣油庫海上拋石圍堤、海上鋪設(shè)土工布、回填砂和插板并堆載預壓竣工后使用現(xiàn)場

堆水預壓四航研究院進行的交通部綜合地基加固現(xiàn)場試驗（在潮間帶插鋪土工布、回填砂墊層、插排水板，并用真空氣體、水荷載流體和堆砂固體進行三相體聯(lián)合預壓）四航研究院珠海前山水荷載預壓加固示意圖四航研究院深圳媽灣潮間帶真空預壓一角（退潮時）

塑料排水板插板機塑料排水板板地基處理理真空預壓地地基處理真空預壓管管網(wǎng)鋪設(shè)排水板真空空預壓處理理剖面示意意圖排水固結(jié)法法可解決以以下兩個問問題：（1）沉降問題。使地基的的沉降在加加載預壓期期間大部分分或基本完完成，使建建筑物在使使用期間不不致產(chǎn)生不不利的沉降降和沉降差差。（2）穩(wěn)定問題。加速地基基土的抗剪剪強度的增增長，從而而提高地基基的承載力力和穩(wěn)定性性。排水固結(jié)法法適用于處理淤泥質(zhì)質(zhì)土、淤泥泥和沖填土土等飽和粘粘性土地基基。排水固結(jié)法法是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分共同同組合而成成。（1）排水系統(tǒng)由水平排水水墊層和豎豎向排水體體構(gòu)成。豎豎向排水體體可選用普普通砂井、、袋裝砂井井或塑料排排水板。（2）加壓系統(tǒng)即是起固結(jié)結(jié)作用的荷荷載，它使使地基土的的固結(jié)壓力力增加而產(chǎn)產(chǎn)生固結(jié)。。工程上廣泛泛使用且行行之有效的的增加固結(jié)結(jié)壓力的方方法是堆載法，此外，還還有真空法、降低地下水水位法、電滲法和聯(lián)合法。排水固結(jié)法法的設(shè)計，，主要是根根據(jù)上部結(jié)結(jié)構(gòu)荷載的的大小、地地基土的性性質(zhì)以及工工期要求、、確定豎向向排水體的的直徑、間間距、深度度和排列方方式；確定定預壓荷載載的大小和和預壓時間間，使通過過預壓，地地基能滿足足建筑物對對變形和穩(wěn)穩(wěn)定性的要要求。適用范圍適用于處理理各類淤泥泥、淤泥質(zhì)質(zhì)土及沖填填土等飽和和粘性土地地基。砂井法特別別適用于存存在連續(xù)薄薄砂層的地地基。但砂砂井只能加加速主固結(jié)結(jié)而不能減減少次固結(jié)結(jié)，對有機機質(zhì)土和泥泥炭等次固固結(jié)土，不不宜只采用用砂井法。?？朔喂坦探Y(jié)可利用用超載的方方法。真空預壓法法適用于能能在加固區(qū)區(qū)形成(包括采取措措施后形成成)穩(wěn)定負壓邊邊界條件的的軟土地基基。降低地地下水位法法、真空預預壓法和電電滲法由于于不增加剪剪應力，地地基不會產(chǎn)產(chǎn)生剪切破破壞，所以以它適用于于很軟弱的的粘土地基基。排水固結(jié)法法分類根據(jù)加壓和排水水兩個系統(tǒng)的不不同，派生出多多種固結(jié)加固地地基的方法：美國跨越金山灣灣南端的Dumbarton橋東側(cè)引道路堤堤場地，路堤下下淤泥的抗剪強強度小于5kpa，其固結(jié)時間將將需要30—40年，為了支撐路路堤和加速所預預計的2m沉降量,采用如下方案：：1、采用土工聚合合物以分布路堤堤荷載和減小不不均勻沉降；2、使用輕質(zhì)填料料以減輕荷載；；3、采用豎向排水水體使固結(jié)時縮縮短到一年以內(nèi)內(nèi)；4、設(shè)置土工聚合合物濾網(wǎng)以防排排水層發(fā)生污染染等。時，時，

時，土在某一荷載作作用下，孔隙水水逐漸排出，土土體隨之壓縮，，土體的密實度度和強度隨時間間逐步增長，這這一過程稱之為為土的固結(jié)過程程。亦即孔隙水水壓力消散、有有效應力增長的的過程。4.2排水固結(jié)法的加加固機理(1)堆載預壓加固機機理堆載預壓是指先先在地基中設(shè)置置砂井、塑料排排水帶等豎向排排水體，后利用用建筑物本身重重量分級逐漸加加載，或建筑物物建造前，在場場地先行加載預預壓，使土體中中的孔隙水緩慢慢排出，土層逐逐漸固結(jié)，地基基發(fā)生沉降，同同時強度逐步提提高的過程。4.2排水固結(jié)法的加加固機理砂井堆載預壓法法基本方法：砂井堆載預壓法法系在軟弱地基基中通過采用鋼鋼管打孔、灌砂砂，設(shè)置砂井作作為豎向排水通通道，并在砂井井頂部設(shè)置砂墊墊層作為水平排排水通道，形成成排水系統(tǒng)；在在砂墊層上部堆堆載，以增加軟軟弱土中附加應應力，使土體中中孔隙水在較短短的時間內(nèi)通過過豎向砂井和水水平砂墊層排出出，達到加速土土體固結(jié)、提高高軟弱地基土承承載力之目的。。主要用于道路路路堤、土壩、機機場跑道、工業(yè)業(yè)建筑油罐、碼碼頭、岸坡等工工程的地基處理理，對于泥炭等等有機沉積地基基則不適用。(2)真空預壓加固機機理真空預壓指在軟軟土地基中打設(shè)設(shè)豎向排水體后后，在地面鋪設(shè)設(shè)排水用砂墊層層和抽氣管線，，然后在砂墊層層上鋪設(shè)不透氣氣的封閉膜使其其與大氣隔絕，，再用真空泵抽抽氣，使排水系系統(tǒng)維持較高的的真空度，利用用大氣壓力作為為預壓荷載，增增加地基的有效效應力，以利于于土體排水固結(jié)結(jié)。真空預壓適用于于均質(zhì)粘性土及及含薄粉砂夾層層粘性土等，尤尤其適用于新吹吹填土地基的加加固。對于在加加固范圍內(nèi)有足足夠補給水源的的透水層，而又又沒有采取隔斷斷措施時，不宜宜采用該法。真空預壓法示意意圖真空預壓法(3)降水預壓加固機機理降水預壓法是借借助于井點抽水水降低地下水位位，以增加土的的有效自重應力力，從而達到預預壓的目的。抽水前水位線抽水后水位降落線濾水管抽水井管降水預壓原理(4)電滲預壓加固機機理電滲預壓是在土土中插入金屬電電極并通以直流流電，由于直流流電場作用，土土中的水分從陽陽極流向陰極，，將水在陰極排排除且無補充水水源的情況下，，引起土層的壓壓縮固結(jié)。電滲預壓與降水水預壓一樣，是是在總應力不變變的情況下，通通過減小孔隙水水壓力來增加土土的有效應力作作為固結(jié)壓力的的，所以不需要要用堆載作為預預壓荷載，也不不會使土體發(fā)生生破壞。AB水力坡降線預壓法的設(shè)計，，實質(zhì)上是根據(jù)據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載載的大小、地基基土的性質(zhì)及工工期要求合理安安排加壓系統(tǒng)與排水水系統(tǒng)，使地基基在預壓過程中中快速排水固結(jié)結(jié)，縮短預壓時時間，從而減小小建筑物在使用用期間的沉降量量和不均勻沉降降，同時增加一一部分強度，以以滿足逐級加荷荷條件下地基的的穩(wěn)定性。4.3堆載預壓法設(shè)計計計算4.3DesignProcedureofPreloading一、堆載預壓的的計算步驟因軟粘土地基抗抗剪強度較低，，無論直接建造造建筑物還是進進行堆載預壓往往往都不可能快快速加載，而必必須分級逐漸加加荷，待前期荷荷載下地基強度度增加到足以加加下一級荷載時時才可加下一級級荷載。具體計計算步驟是，首首先用簡便的方方法確定一個初初步的加荷計劃劃，然后校核這這一加荷計劃下下地基的穩(wěn)定性性和沉降，其步步驟如下：1利用地基的天然然地基土抗剪強強度計算第一級級容許施加的荷荷載p1，對飽和軟粘土土可采用下列公公式估算：2計算第一級荷載載下地基強度增增長值。在p1荷載作用下，經(jīng)經(jīng)過一段時間預預壓地基強度會會提高，提高以以后的地基強度度為cu1：3計算p1作用下達到所確確定固結(jié)度所需需要的時間。目目的在于確定第第一級荷載停歇歇的時間，亦即即第二級荷載開開始施加的時間間。4根據(jù)第二步所得得到的地基強度度cu1計算第二級所能能施加的荷載p2。p2可近似地按下式式估算：同樣，求出在p2作用下地基固結(jié)結(jié)度達70％時的強度以及及所需要的時間間，然后計算第第三級所能施加加的荷載，依次次可計算出以后后的各級荷載和和停歇時間。5按以上步驟確定定的加荷計劃進進行每一級荷載載下地基的穩(wěn)定定性驗算。如穩(wěn)穩(wěn)定性不滿足要要求，則調(diào)整加加荷計劃。6計算預壓荷載下下地基的最終沉沉降量和預壓期期間的沉降量。。這一項計算的的目的在于確定定預壓荷載卸除除的時間。二、超載預壓對沉降有嚴格限限制的建筑，應采用超載預預壓法處理地基基。經(jīng)超載預壓壓后，如受壓土土層各點的有效效豎向應力大于于建筑物荷載引引起的相應點的的附加總應力時時，則今后在建建筑物荷載作用用下地基土將不不會再發(fā)生主固固結(jié)變形，而且且將減小次固結(jié)結(jié)變形，并推遲遲次固結(jié)變形的的發(fā)生。4.4砂井排水固結(jié)設(shè)設(shè)計計算4.4DesignProcedureofSandDrain1925年，丹尼爾.莫蘭將垂直砂井井用于費城－－－奧克蘭海灣大大橋公路軟土地地基的加固，1926年獲得專利。砂井法問世以后后，因缺乏理論論根據(jù)而按經(jīng)驗驗設(shè)計。1940～1942年，巴隆（Barron）根據(jù)太沙基的的固結(jié)理論，提提出砂井法的設(shè)設(shè)計計算方法。。我國從20世紀50年代起，開始應應用砂井法。砂井法主要適用于沒有較大集中荷荷載的大面積荷荷重或堆土荷重重工程，例如水水庫土壩、油罐罐、倉庫、鐵路路路堤、貯礦場場以及港口的水水工建筑物等工工程。一、砂井設(shè)計砂井設(shè)計包括砂砂井直徑、間距距、深度、排列列方式、范圍、、砂料選擇和砂砂墊層厚度等。。（1）砂井直徑和間間距主要取決于土的的固結(jié)特性和施施工期限的要求求?！凹毝堋薄北取按侄　薄毙Ч?。砂井井直徑一般為300～400mm；袋裝砂井直徑徑為70～120mm。（2）砂井深度主要根據(jù)土層的的分布、地基中中附加應力大小小、施工期限和和條件及地基穩(wěn)穩(wěn)定性等因素確確定。一般為10～25m。（3）砂井排列砂井在平面上可可布置成正三角角形（梅花形）），以正三角形形排列較為緊湊湊和有效。在實實際進行固結(jié)計計算時，由于多多邊形作為邊界界條件求解很困困難，巴隆建議議每個砂井的影影響范圍由多邊邊形改為由面積積與多邊形面積積相等的圓來求求解。正方形排列時de＝1.13l正三角形排列時時de＝1.05lde為砂井的有效直直徑，l為砂井間距。（4）砂井布置范圍圍砂井的布置范圍圍一般可由基礎(chǔ)礎(chǔ)的輪廓線向外外增大約2～4m。（5）砂料宜選用中粗砂，，其含泥量不能能超過3％。（6）砂墊層砂井頂部鋪設(shè)砂砂墊層，可使砂砂井排水有良好好的通道，將水水排到工程場地地以外。二、沉降計算地基土的總沉降降一般包括瞬時沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分。瞬時沉沉降是在荷載作作用下由于土的的畸變所引起，，并在荷載作用用下立即發(fā)生的的。固結(jié)沉降是是由于孔隙水的的排出而引起土土體積減小所造造成的，占總沉沉降的主要部分分。次固結(jié)沉降降則是由于超靜靜水壓力消散后后，在恒值有效效應力作用下土土骨架的徐變所所致。設(shè)計內(nèi)容除排水水系統(tǒng)外，主要要包括：密封內(nèi)內(nèi)的真空度，加加固土層要求達達到的平均固結(jié)結(jié)度，豎向排水水體的尺寸，加加固后的沉降和和工藝設(shè)計等。。4.5真空預壓設(shè)計計計算A.膜內(nèi)真空度真空預壓效果和和封閉膜內(nèi)所達達到的真空度大大小關(guān)系極大。。根據(jù)國內(nèi)一些些工程的經(jīng)驗，，當采用合理的的工藝和設(shè)備，，膜內(nèi)真空度一一般可維持600mmHg左右，相當于80kpa的真空壓力，此此值可作為最大大膜內(nèi)設(shè)計真空空度。4.5真空預壓設(shè)計計計算B.加固區(qū)內(nèi)要求達達到平均固結(jié)度度一般可采用80%的固結(jié)度。如工工期許可，也可可采用更大一些些的固結(jié)度作為為設(shè)計要求達到到的固結(jié)度。4.5真空預壓設(shè)計計計算C.豎向排水體一般采用袋裝砂砂井或塑料排水水帶。真空預壓處理地地基時，必須設(shè)設(shè)置豎向排水體體，由于砂井（（袋裝砂井或塑塑料排水帶）能能將真空度從砂砂墊層中傳至土土體，并將土體體中的水抽至砂砂墊層然后排出出。若不設(shè)置砂砂井等就起不到到上述的作用和和加固目的。抽真空的時間與與土質(zhì)條件和豎豎向排水體的間間距密切有關(guān)。。達到相同的固固結(jié)度，間距越越小，則所需的的時間越短.4.5真空預壓設(shè)計計計算袋裝砂井間距與與所需時間關(guān)系4.5真空預壓設(shè)計計計算D.沉降計算先計算加固前建建筑物荷載下天天然地基的沉降降量，然后計算算真空預壓期間間所完成的沉降降量，兩者之差差即為預壓后在在建筑物使用荷荷載下可能發(fā)生生的沉降。預壓期間的沉降降可根據(jù)設(shè)計要要求達到固結(jié)度度推算加固區(qū)所所增加的平均有有效應力。4.5真空預壓設(shè)計計計算真空預壓的總面面積不得小于基基礎(chǔ)外邊緣所包包圍的面積，一一般真空的邊緣緣應比建筑物基基礎(chǔ)外緣超出2～3m，另外，每塊預預壓的面積盡可可能大，彼此間間可搭接或有一一定間距。加固固面積越大，加加固面積與周邊邊長度之比也越越大。氣密性也也越好，真空度度也越高。根據(jù)據(jù)現(xiàn)有的材料和和工藝設(shè)備，每每塊面積已達3萬㎡。當在加固區(qū)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有透氣層和透透水層時，一般般可在塑料薄膜膜周邊采用另加加水泥土攪拌樁樁的壁式密封措措施。真空度與加固面面積的關(guān)系4.6施工方法4.6ConstructionMethods要保證排水固結(jié)結(jié)法的加固效果果，從施工角度度考慮，主要應應重視以下三個環(huán)節(jié)：一、鋪設(shè)水平墊墊層、二、設(shè)置豎向排排水體三、施加固結(jié)壓壓力。排水固結(jié)法施工工工藝一、鋪設(shè)水平排排水砂墊層；墊層材料：滲水好的砂砂料，其滲透透系數(shù)一般不不低于10-3cm/s，同時能起到到一定的反濾濾作用。常用用級配良好的的中粗砂。也也可采用連通通砂井的砂溝溝（2-3D，40-60cm深）代替整片片砂墊層。不不宜采用粉、、細砂。墊層厚度：滿足滲流水水能及時排出出，應起到持持力層的作用用。一般應選選用30～50cm厚度。對新吹吹填不久的或或無硬殼層的的軟粘土及水水下施工的特特殊條件，應應采用厚的或或混合料排水水墊層。墊層施工：機械分堆攤攤鋪、堆成若若干砂堆，然然后用推土機機或人工攤平平。排水固結(jié)法施施工工藝二、豎向排水水體施工材料：30～50cm直徑的普通砂砂井；7～12cm直徑的袋裝砂砂井；10cm寬的塑料排水水帶。1、砂井施工2、袋裝砂井施施工3、塑料排水帶帶施工深圳河打設(shè)砂砂井樁和排水水板示意圖袋裝砂井的施施工過程袋裝砂井的施施工過程插板機插板機插板機插板機四航研究院排排水板施工現(xiàn)現(xiàn)場圖塑料排水板施施工工藝流程程圖塑料排水板施施工現(xiàn)場排水固結(jié)法施施工工藝三、施加固結(jié)結(jié)壓力（一）利用建筑筑物自重加壓壓一般應用于以以地基的穩(wěn)定定性為控制條條件，能適應應較大變形的的建筑物，如如路堤、土壩壩、儲礦場、、油罐、水池池等。對油罐和水池池等建筑物，，先進行充水水加壓，一方方面可檢驗罐罐壁本身有無無滲透現(xiàn)象，，同時，還利利用分級逐漸漸充水預壓，，使地基土強強度得以提高高，滿足穩(wěn)定定性要求。對路堤、土壩壩等建筑物，，由于填土高高、荷載大，，地基的強度度不能滿足快快速填筑的要要求，工程上上都采用嚴格格控制加荷速速率，逐層填填筑的方法以以確保地基的的穩(wěn)定性。排水固結(jié)法施施工工藝（二）堆載預預壓堆載預壓的材材料：以散料料為主，如土土、石料、砂砂、磚等。大面積施工時時通常采用自自卸汽車與推推土機聯(lián)合作作業(yè)。對超軟軟地基的堆載載預壓，第一一級荷載宜用用輕型機械或或人工作業(yè)。。堆載預壓工藝藝簡單，但處處理不當，特特別是加荷速速率控制不好好時，容易導導致工程施工工的失敗。排水固結(jié)法施施工工藝（二）堆載預預壓注意事項：1、必須嚴格控控制加載速率率。保證在各各級荷載下地地基的穩(wěn)定性性?；究刂浦茦藴适牵贺Q豎向變形每天天不應超過10㎜，邊樁水平位位移每天不應應超過5㎜。2、堆載面積要要足夠。堆載載的頂面積不不小于建筑物物底面積。3、注意堆載過過程中荷載的的均勻分布，，避免局部堆堆載過高導致致地基局部失失穩(wěn)破壞。排水固結(jié)法施施工工藝（三）真空預預壓（1）真空預壓壓系統(tǒng)設(shè)置1.排水通道施工工先在軟基表面面鋪設(shè)砂墊層層和在土體中中埋設(shè)袋裝砂砂井或塑料排排水帶；2.埋設(shè)水平向分分布濾水管。。主要作用：使使真空度在整整個加固區(qū)域域內(nèi)均勻分布布。要求：濾水管管在預壓過程程中應能適應應地基的變形形，特別是差差異變形。材料：鋼管或或塑料管，其其外側(cè)宜纏繞繞鉛絲，外包包尼龍砂網(wǎng)或或土工織物作作為濾水層。。排水固結(jié)法施施工工藝濾水管布置：：濾水管在加加固區(qū)內(nèi)的分分布形式可采采用條狀、梳梳子狀或羽毛毛狀等，濾水水管一半埋設(shè)設(shè)在排水砂墊墊層中間，其其上應有100～200㎜砂層覆蓋。真空預壓水平平管路施工排水固結(jié)法施施工工藝（三）真空預預壓（1）真空預壓壓系統(tǒng)設(shè)置排水固結(jié)法施施工工藝3、鋪設(shè)密封膜膜密封膜鋪設(shè)質(zhì)質(zhì)量是真空預預壓加固法成成販的關(guān)鍵。。要求：a、應選用抗老化化性能好、韌韌性大、抗穿穿刺能力強的的不透氣材料料。普通聚氯氯乙烯薄膜性性能不如線性性聚乙烯等專專用膜好。b、密封膜熱合時時宜用雙熱合合線平搭接，，搭接長度應應大于15㎜。密封膜宜鋪鋪設(shè)三層，以以確保自身密密封性能。c、膜周邊可采用用挖溝折鋪、、平鋪并用粘粘土壓邊，圍圍捻溝內(nèi)覆水水以及膜上全全面覆水等方方法進行密封封。d、當處理區(qū)內(nèi)有有充足水源補補給的透水層層時，應采用用封閉式