第5章 排水固結(jié)

第5章排水固結(jié)法目錄5.1概述5.2加固原理和計(jì)算理論5.3堆載預(yù)壓法5.4真空預(yù)壓法5.5真空聯(lián)合預(yù)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(jié)法又稱預(yù)壓法。排水固結(jié)法加固地基是通過(guò)對(duì)地基施加預(yù)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(jié)，土體孔隙體積減小、抗剪強(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。55.1 概述1排水固結(jié)法又稱預(yù)壓法。排水固結(jié)法加固地基是通過(guò)對(duì)地基施加預(yù)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(jié)，土體孔隙體積減小、抗剪強(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(fù)合形成。豎向排水通道常采用在地基中設(shè)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(shè)人工豎向排水通道，只在地基表面鋪設(shè)水平排水墊層。加壓系通常采用下述方法：堆載法，真空預(yù)壓法，真空預(yù)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(jì)算理論5.2加固原理和計(jì)算理論15.2.1加固原理采用排水固結(jié)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(jié)，土體孔隙比減小，壓縮性減小，抗剪強(qiáng)度提高。因此，采用排水固結(jié)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(lái)說(shuō)明采用排水固結(jié)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(jié)法加固地基原理5.2加固原理和計(jì)算理論15.2.2地基固結(jié)度計(jì)算圖5-2所示為一維固結(jié)情況。對(duì)一維固結(jié)可采用Terzaghi固結(jié)理論計(jì)算。Terzaghi一維固結(jié)方程為根據(jù)Terzaghi一維固結(jié)理論，對(duì)最大排水距離為H的土層，當(dāng)平均固結(jié)度≥30%時(shí)，地基平均固結(jié)度可采用下式計(jì)算：（5-1）

（5-2）

5.2加固原理和計(jì)算理論1圖5-3一維固結(jié)Terzaghi固結(jié)理論圖5-4砂井地基固結(jié)理論5.3堆載預(yù)壓法115.3.1設(shè)計(jì)1堆載預(yù)壓法設(shè)計(jì)主要包括排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分的設(shè)計(jì)。排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括豎向排水體的材料選用，排水體長(zhǎng)度、斷面、平面布置的確定等；加壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括堆載預(yù)壓計(jì)劃的確定和堆載材料的選用，以及堆載預(yù)壓過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)等。125.3.1設(shè)計(jì)1堆載預(yù)壓法設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)置深度設(shè)計(jì)（3）豎向排水體平面設(shè)計(jì)（4）水平排水砂墊層設(shè)計(jì)2、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)和對(duì)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(yù)壓工期等要求，初步擬定一個(gè)堆載預(yù)壓計(jì)劃。例如初步擬定的堆載預(yù)壓計(jì)劃如圖5-3-2所示。135.3.1設(shè)計(jì)1（1）堆載預(yù)壓過(guò)程中地基穩(wěn)定性驗(yàn)算主要驗(yàn)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(yù)壓階段地基肯定是穩(wěn)定的。通常通過(guò)穩(wěn)定分析驗(yàn)證加載計(jì)劃，主要驗(yàn)證一級(jí)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(dòng)法分析。圖5-10堆載預(yù)壓計(jì)劃145.3.1設(shè)計(jì)1（2）堆載預(yù)壓結(jié)束時(shí)刻（t4）地基承載力和工后沉降是否滿足設(shè)計(jì)要求通過(guò)計(jì)算預(yù)壓荷載作用下地基固結(jié)度、地基土體抗剪強(qiáng)度的提高，可進(jìn)一步得到經(jīng)堆載預(yù)壓處理后的地基承載力，判斷通過(guò)堆載預(yù)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(yù)壓法施工包括排水系統(tǒng)施工和堆載預(yù)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(shí)應(yīng)注意與豎向排水體的聯(lián)接。以保證排水固結(jié)過(guò)程中，排水流暢。若軟土地基表面很軟，直接進(jìn)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(yàn)1排水固結(jié)法施工過(guò)程中主要通過(guò)沉降觀測(cè)、地基中超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)來(lái)檢驗(yàn)其處理效果，也可在加載不同階段進(jìn)行不同深度的十字板抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)和取土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)檢驗(yàn)地基處理效果，并且通過(guò)上述檢驗(yàn)手段驗(yàn)算預(yù)壓過(guò)程中地基穩(wěn)定性。預(yù)壓完成后，可通過(guò)沉降觀測(cè)成果、超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)成果以及對(duì)預(yù)壓后地基進(jìn)行十字板抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及室內(nèi)土工試驗(yàn)檢驗(yàn)處理效果。175.4真空預(yù)壓法1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(jié)。5.4真空預(yù)壓法5.4.1設(shè)計(jì)5.4.2施工18195.4.1設(shè)計(jì)1真空預(yù)壓法設(shè)計(jì)包括下述幾方面：（1）排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算和施工同堆載預(yù)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(yù)壓計(jì)劃設(shè)計(jì)真空預(yù)壓是否滿足設(shè)計(jì)要求，何時(shí)停止抽氣抽水可通過(guò)地基沉降量的完成量來(lái)評(píng)定。（4）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)計(jì)同堆載預(yù)壓法。205.4.2施工1真空預(yù)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(yù)壓施工過(guò)程較堆載預(yù)壓復(fù)雜，其基本流程如圖5-12所示。圖5-12真空預(yù)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(huì)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(yù)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(shè)密封膜是否能形成封閉系統(tǒng)是真空預(yù)壓法加固地基成敗關(guān)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(guò)熱合與粘結(jié)，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(dá)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(dāng)被加固土的表層粘粒含量較高、滲透性較差時(shí)，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(duì)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(duì)較細(xì)顆粒組成的透水層，如細(xì)砂或粉細(xì)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(duì)深部透水層密封。（iV）對(duì)地表裂縫的處理當(dāng)發(fā)現(xiàn)有漏氣時(shí)，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(jìn)，慢慢充填于裂縫中，堵住裂縫、達(dá)到密封的效果。

5.5真空聯(lián)合預(yù)壓法5.5.1設(shè)計(jì)和施工5.5.2工程實(shí)例24若單純采用真空預(yù)壓法不能滿足地基加固設(shè)計(jì)要求，可采用真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓相結(jié)合的處理方法，通常稱為真空與堆載聯(lián)合預(yù)壓法。255.5.1設(shè)計(jì)和施工1堆載時(shí)需考慮是否需要分級(jí)施加；經(jīng)驗(yàn)表明，膜下真空度維持在80kPa時(shí)，總堆載高度在2m以下時(shí)，可不考慮分級(jí)堆載；當(dāng)堆載高度在3m以上時(shí)，需分級(jí)加載，分級(jí)的次數(shù)、每級(jí)荷載和穩(wěn)載時(shí)間，可按堆載預(yù)壓法中的荷載分級(jí)設(shè)計(jì)進(jìn)行。真空聯(lián)合預(yù)壓法中，真空預(yù)壓的和堆載預(yù)壓加固效果可分別計(jì)算，然后將兩者疊加就可得到聯(lián)合預(yù)壓法的加固效果。施工同堆載預(yù)壓法或真空預(yù)壓法。265.5.2工程實(shí)例11985年4月在天津港區(qū)礦石碼頭堆場(chǎng)進(jìn)行了真空聯(lián)合堆載的現(xiàn)場(chǎng)加固試驗(yàn)，也是我國(guó)第一個(gè)真空聯(lián)合預(yù)壓法的工程實(shí)例。試驗(yàn)時(shí)膜下真空度達(dá)到80kPa，堆載為3.05m高的山坡土，相當(dāng)于55kPa的荷載,分兩次施加。加固區(qū)內(nèi)打設(shè)袋裝砂井，直徑7cm，正方形排列，間距1.5m，長(zhǎng)度10m。275.5.2工程實(shí)例1經(jīng)過(guò)聯(lián)合加固，總歷時(shí)176天，總沉降量達(dá)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(jié)度達(dá)到86%；土的物理性質(zhì)與土的強(qiáng)度都發(fā)生了很大的變化，具體見(jiàn)表5-5-1和圖5-5-2所示。大型荷載試驗(yàn)的結(jié)果表明承載力增加二倍（見(jiàn)表5-5-2）。真空聯(lián)合預(yù)壓法加固效果顯著。圖5-14真空聯(lián)合堆載加荷與沉降關(guān)系過(guò)程線圖5-15加固前后十字板強(qiáng)度沿深度的變化285.7電滲法1電滲法是通過(guò)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(jié)從而提高強(qiáng)度的一種地基處理方法。電滲過(guò)程中，電滲滲透系數(shù)是決定土體排水速率的關(guān)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(guān)的特性不同，電滲滲透系數(shù)受土顆粒大小影響較小，如對(duì)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(jī)理5.7.2適用范圍和特點(diǎn)5.7.3設(shè)計(jì)計(jì)算5.7.4工程實(shí)例29305.7.1加固機(jī)理1離子在電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)，并且拖拽周圍的極性水分子一起移動(dòng)，粘土顆粒的負(fù)電性使得離子較多地聚集在雙電層中，且陽(yáng)離子濃度要高于陰離子濃度，這使得陽(yáng)離子轉(zhuǎn)移的水量高于陰離子的轉(zhuǎn)移量，于是在陽(yáng)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(diǎn)1

（1）適用范圍包括有機(jī)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(xiàn)報(bào)道，筆者總結(jié)了電滲工程實(shí)例和試驗(yàn)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(shuō)明的是，表5-7-1中的數(shù)據(jù)僅為已有文獻(xiàn)報(bào)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(jìn)一步判斷和設(shè)計(jì)參數(shù)的確定還有賴室內(nèi)模型試驗(yàn)。325.7.2適用范圍和特點(diǎn)1（2）特點(diǎn)

a.固結(jié)速度快

b.電滲法不會(huì)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(shí)，會(huì)腐蝕生成氧化物或是氫氧化物的膠體，形成電化學(xué)加固，使土體逐漸變得密實(shí)335.7.3設(shè)計(jì)計(jì)算1已有電滲固結(jié)理論大多基于Esrig固結(jié)理論，Esrig一維電滲固結(jié)理論的假設(shè)條件為：（1）土體均一且飽和；（2）土體的物理化學(xué)性質(zhì)均勻，且不隨時(shí)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(shì)梯度成正比；（5）電勢(shì)梯度均勻恒定，且施加的電勢(shì)完全用于電滲；（6）不考慮電極處的電化學(xué)反應(yīng)；（7）電場(chǎng)和水力梯度引起的水流可疊加。345.7.3設(shè)計(jì)計(jì)算1與達(dá)西定律類似，電滲過(guò)程中電滲流與電勢(shì)梯度存在以下關(guān)系：

（5-45）其中，為電滲流，為電勢(shì)，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(xiàn)于土體體積的減少，進(jìn)一步推導(dǎo)得到以下控制方程：

（5-50）355.7.3設(shè)計(jì)計(jì)算1在陽(yáng)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(jié)解為：

（5-51）其中為陰極與陽(yáng)極之間的距離（圖5-18）?；趹?yīng)力的平均固結(jié)度為：

圖5-18Esrig一維電滲固結(jié)模型365.7.4工程實(shí)例1

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