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砂井排水固结法处理软土地基
一、前言
云南省地处高原，地形多为山岭重丘，沟谷切割深，地质变化复杂。不多的平地多为山谷盆地及山间洼地，这些地区是地表水常年汇积的地方，因排水差、冲积物多年淤积及耕种等因素影响而形成软土地基。软土地基因内聚力小、抗剪强度低、天然含水量高、可压缩性大等特点而成为公路修建中令人头疼的问题，处理不好，将会严重影响后续的路面基层和面层的施工，产生路面沉陷、裂缝等病害，严重影响和降低公路的使用性能，造成巨大的经济损失。
近年来，高速公路的建设在云南省得到了长足的发展。因受地形的限制及高速公路本身高标准的技术要求，它将不可避免地通过软土地区。从而使软土处治成为每条高速公路修建中都会遇到的问题，引起了广大建设者的高度重视。
软土处治方法很多，概括地讲，有置换法、强夯法、排水固结法（袋装砂井、塑料排水板）、木桩挤密法、振冲碎石桩、爆扩碎石桩、深层搅拌法等。具体采用哪一种方法，要根据工程实际，结合软土深度、面积大小、当地可用材料、经济适用性等多方面综合比较后，再确定选用方案，以取得最佳使用效果。
本文介绍排水固结法处理地基的原理、设计计算、施工工艺，对砂井抗滑稳定性、一般砂井的施工工艺提出改进措施。

二、排水固结法概述

1、排水固结法的原理
饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水被慢慢地排出，孔隙体积慢慢地减小，地基发生固结变形。同时，随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。现以图1为例作一说明。当土样的天然固结压力为时，其孔隙比为，在-坐标上其对应的点为A点，当压力增加△，固结终了时变为C点，孔隙比减小△，曲线ABC称为压缩曲线。与此同时，抗剪强度与固结压力成为比例地由A点提高到C点。所以，土体在受压固结时，一方面孔隙比减小产生压缩，一方面抗剪强度也得到提高。如从C点卸除压力△，则土样发生膨胀，图中CEF为卸荷膨胀曲线，如从F点再加压△，土样发生再压缩，沿虚线变化到C，其相应的强度包络线如图下部所示。从再压缩曲线FGCˊ可清楚地看出，固结压力同样从增加△，而孔隙比减小值为△，△比△小得多。如果在建筑场地先加上一个和上部建筑物相同的压力进行预压，使土层固结，然后卸除荷载，再建造建筑物，建筑物所引起的沉降即可大大减小。如果预压的荷载比建筑物荷载大，即超载预压，那效果更好。因经过超载预压，当土层的固结压力大于使用荷载下的固结压力时，原来正常固结粘土层将处于超固结状态，而使土层在使用荷载下的变形大为减小。
土层的排水固结效果和它的排水边界条件有关。根据固结理论，粘性土固结所需的时间和排水距离的平方成正比，土层越厚，固结延续的时间越长。为了加速土层的固结，最有效的方法是增加土层的排水途径，缩短排水距离。砂井、塑料排水板等竖向排水体就是为此目的而设置的，如图2所示，这时土层中的孔隙水主要从水平向通过砂井和部分从竖向排出。砂井缩短了排水距离，因而大大加速了地基的固结速率，这一点无论从理论上还是工程实践上都得到了证实。
在荷载作用下，土层的固结过程就是孔隙水压力消散和有效应力增加的过程。如地基内某点的总应力为，有效应力为，孔隙水压力为，则三者有以下关系：
=- (3—1)
用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力并使孔隙水压力消散来增加有效应力的方法。

2、 排水固结法的应用
自从我国在50年代起使用普通砂井法处理地基，排水固结法在我国得到了飞速发展。在70年代发展成袋装砂井法，1980年开始应用真空预压法，1981年应用塑料排水带法处理软土地基。由于砂井排水法对软土地基的处理具有质量可靠、施工方便、工效高、工程造价低等优点，从而在我国东南沿海和内陆地区广泛应用。
3、 排水固结法的适用条件
排水固结法适用于处理厚度较大的饱和软土和冲填土地基，该法是对天然地基或先在地基中设置砂井等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或是在建筑物建造以前，在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。所以排水固结法需要有较长的预压时间和荷载条件及土石方搬运机械。

三、设计所需的土工资料
在进行排水固结法设计前，应进行详细的勘探和土工试验，以取得必要的设计资料，以下项目的资料应特别加以重视。
1、 土层条件。通过适量的钻孔绘制出土层剖面图，采取足够数量的试样以确定土的种类和厚度、土的成层厚度，透水层的位置，地下水位的深度。
2、 固结试验。固结压力与孔隙比的关系、固结系数。
3、 软粘土层的抗剪强度及沿深度的变化。
4、 砂井及砂垫层所用砂料的粒度分布、含泥量。
对软粘土，常规的土工试验项目如表1：

表1 软粘土的常规土工试验项目
土 的 性 质
试 验 内 容
试 验 方 法
土的物理性质

稠 度
液限(L)
塑限(p)
塑性指数(Ip)
液限试验
塑限试验
含水量
含水量()
饱和度(Sr)
含水量试验
密度
容 重(r)
孔隙比()
容重试验
渗透性
渗透系数(k)
渗透试验
土的力学性质
压缩
固结系数(CV,Ch)
压缩指数(CC)
-C或曲线
固结试验
强度
粘聚力 (C)
内磨擦角()
不排水抗剪强度(Cu)
有效抗剪强度()
直剪试验
三轴试验
无侧限抗压强度试验
十字板剪切试验
三轴试验

四、设计计算
1、 砂井布置
⑴ 砂井直径和间距
砂井的直径和间距主要取决于土的固结特性和施工期限的要求。从原则上讲为达到同样的固结度，缩短砂井间距比增加砂井直径效果要好，即“细而密”比“粗而稀”为佳。砂井直径一般为300～400mm；袋装砂井直径70～120mm。工程上常用的井距，一般为砂井直径的6～8倍，袋装砂井一般为15～30倍。设计时，可先假定井距，再计算地基固结度，若不能满足要求，则可缩小井距或延长施工期。
⑵ 砂井深度
砂井深度主要根据土层的分布、地基中附加应力大小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。
①当软土层不厚、底部有透水层时，砂井应尽可能穿透软土层。
②当深厚的压缩土层间有砂层或砂透镜体时，砂井应尽可能打至砂层或砂透镜体，而采用真空预压时应尽量避免砂井相连接，以免影响真空效果。
③对于无砂层的深厚地基则可根据其稳定性及建筑物在地基中造成的附加应力与自重应力之比值确定（一般为0.1～0.2）。
④若砂层中存在承压水，由于承压力的长期作用，粘土中就存在超孔隙水压力，这对粘性土固结和强度增长都是不利的，所以宜将砂井打到砂层，利用砂井加速承压水的消散。
⑤按稳定性控制的工程，如路堤、土坝、岸坡、堆料等，砂井深度应通过稳定分析确定，砂井长度应大于最危险滑动面的深度。
⑥按沉降控制的工程，砂进长度可从压载后的沉降量满足上部建筑物容许的沉降量来确定。
砂井长度一般为10～25m。
⑶ 砂井排列
砂井在平面上可布置成正三角形或正方形，以正三角形排列较为紧凑和有效。等效圆的直径de与砂进间距l的关系如下：
等边三角形排列时
（4—1）
正方形排列时
（4—2）
⑷ 砂井布置范围
砂井的布置范围一般比建筑物基础稍大为好。这是因为在基础以外一定范围内，地基中仍然产生由于建筑物荷载而引起的压应力和剪应力。如能加速基础外地基土的固结，对提高地基的稳定性和减小侧向变形以及由此引起的沉降均有好处。一般可由基础的轮廓线向外增大约2～4m。
⑸ 砂料
制作砂井的砂宜用中粗砂，砂的粘径必须能保证砂井具有良好的透水性。砂井的粒度不要被粘土颗粒堵塞。砂应是洁静的，不应有草根等杂物，其含泥量不能超过3%。
⑹ 砂垫层
砂垫层应形成一个连续的、有一定厚度的排水层，以免地基沉降时被切断而使排水通道堵塞。陆上施工时，砂垫层厚度一般为0.5m左右；水下施工时，一般为1m左右。如砂料缺乏，可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。
砂井布置如图3

2、制定分层预压计划
⑴ 利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1。对长条形填土，可根据Fellenius公式估算：
(4—3)
式中 —安全系数，建议采用1.1～1.5
—天然地基土的不排水抗剪强度
⑵ 计算第一级荷载下地基强度增长值，提高以后的地基强度为：
（4—4）
式中 为P1作用下地基因固结而增长的强度
为考虑剪切蠕动的强度折减系数
与土层的固结度有关，一般可先假定一固结度，通常可假设为70%，
(4—5)
式中 —荷载所引起的地基中某一点的最大主应力增量，按弹性理论公式计算
—有效内磨擦角的函数KK
—地基中某点的固结度
⑶ 计算P1作用下达到所确定固结度所需要的时间，根据假定的固结度
（4—6）
（4—7）
（4—8）
（4—9）
联合求解出所需的时间。
⑷ 根据第二步所得到的地基强度计算第二级所能施加荷载。依次可计算出以后各级荷载和停歇时间。确定初步的加荷计划。
3、地基固结度计算
根据改进的太沙基法，对多级等速加荷，地基固结度如下式：
（4—10）
式中：—多级等速加荷，t时刻修正后的平均固结度
—瞬间加荷条件的平均固结度
—分别为每级等速加荷的起点和终点时间
—第n级荷载增量
4、地基强度增长的预计
地基中某一点在某一时间的抗剪强度可表示为
(4—11)
式中：—地基中某点在加荷之前的天然抗剪强度
—由于固结而增长的抗剪强度增量
—由于剪切蠕动而引起的抗剪强度衰减量
由于剪切蠕动所引起强度衰减部分，目前尚难提出合适的计算方法，故该式改为：
(4—12)
式中η为一个综合性的折减系数，与地基土在附加剪应力作用下可能产生的强度衰减作用有关，根据国内有些地区实测反算的结果，η值为0.8～0.85。
对正常固结饱和粘土
（4—13）
式中 k---有效内摩擦角的函数，
—荷载所引起的地基中某一点的最大主应力增量
Ut—地基中某点的固结度

5、 稳定分析
图4为软粘土地基上路堤断面的稳定分析示意图。
滑动力矩：

= (4—14)
式中 —分别为土条在地基部分及填土部分的重量
—土条底面与水平面交角
(4—15）

地基部分抗滑力矩：
(4—16)
式中 —不排水剪求得的强度指标
—固结不排水剪求得的内磨擦角
—平均固结度
坝体部分抗滑力矩：
(4—17)
式中—坝体抗滑力矩折减速系数，可采用0.6~0.8
—强度指标折减系数，可采用0.5
—坝体土抗剪强度指标
最终抗滑稳定安全系数计算式为：

(4—18)
以上抗滑稳定安全系数计算都不考虑砂井的因素，这是因为传统的砂井只考虑排水固结作用，而不考虑其加筋作用。其实由于砂井的存在，地基的抗滑稳定性将会提高，尤其是袋装砂井和塑料排水板，砂袋和排水板的抗拉能力对地基的抗滑起一定的作用。
(4—19)
砂井的抗滑力矩：
(4—20)
式中 S—砂袋或排水板产生的拉力
θ—砂井与滑动圆弧在砂井处切线的夹角
n—滑动圆弧穿过砂井数
此时抗滑稳定安全系数为：
(4—21)
所增加安全系数为
(4—22)
6、沉降计算
若忽略次固结沉降，最终沉降KK为：
（4—23）
式中 —瞬时沉降量
—固结沉降量
压缩固结沉降KK为：
（4—24）
式中 —第i层中点之土自重应力所对应的孔隙比
—第i层中点之土自重应力和附加应力之和相对应的孔隙比
—第i层的厚度
—压缩土层总数
瞬时沉降S∞为：
（4—25）
式中 —均布荷载
—荷载面积宽度
—考虑荷载面积形状和沉降计算点位置的系数
—土的弹性模量和泊松比
最终的计算
计算Sd时，由于其中的弹性模量和泊松比不易准确判定，影响计算的精确度。根据国内外建筑物实测沉降资料的分析结果，可将式（4-19）改写为：
（4—26）
式中m为考虑地基剪切变形及其他影响因素的综合性经验系数，通常取m=1.1～1.4
在荷载作用下地基的沉降随时间的发展可用下式计算
(4—27)
式中 —时间地基的沉降量
—时间地基的平均固结度
对于一次瞬间加荷或一次等速加荷结束后任何时间的地基沉降量，可将上式改写为：
(4—28)
对于多级等速加荷的情况
(4—29)
式中 —时间的累计荷载
—总的累计荷载
五、施工方法
1、施工准备
施工时，应清除干净砂井顶面的淤泥和杂物，并对场地进行整平，以利砂井排水。
2、 水平排水垫层施工
排水砂垫层目前有四种施工方法
（1）、当地基表层有一定厚的硬壳层，其承载力较好，能承载通常的运输机械时，一般采用机械分堆摊铺法，即先堆成若干砂堆，然后用机械或人工摊平。
（2）、当硬壳层承载力不足时，一般采用顺序推进摊铺法。
（3）、当软土地基表面很软，如新沉积或新吹填不久的超软地基，首先要改善地基表面的持力条件，使其能承载施工人员或轻型运输工具。
（4）尽管对超软地基础表面采取了加强措施，但持力条件仍然很差，一般对不能承载轻型机械情况下，通常要用人工或轻便机械顺序推进铺设。
不论采用何种施工方法，都应避免对软土表层的过大扰动，以免造成砂和淤泥混合，影响垫层的排水效果。
3、 竖向排水体施工
袋装砂井是普通砂井的改良和发展，基本上解决了大直径砂井中所存在的问题，使砂井的设计和施工更加科学化，是一种比较理想的竖向排水体。
（1）、施工机具
现在国内外均有专用的施工设备，一般为导管式的震动打设机械，各类机械性能如表2

表2 打设机械性能
打设机械型号
行进方式
打设动力
接地压力KN/m2
打设深度
m
打设效率m/台班
SSD20型
宽履带
震动锤
10
20
1500
IJB－16
步 履
震动锤
50
10~15
1000

门架轨道
震动锤
23
10~15
1000

履带吊机
震动锤
>100
12
1000

（2）、施工程序
袋装砂井的施工程序包括立位、整理桩尖、沉入导管、将砂袋放入导管、往管内灌水、拔管等。
（3）、施工中注意的问题
① 定位要准确，砂井垂直度要好。
② 砂料含泥量要小，一般含泥量要求小于3%。
③ 袋中砂宜用风干砂，并应灌制密实。
④ 聚丙烯编织袋在施工时应避免太阳光长时间直接照射。
⑤ 砂袋入口处的导管口应装设滚轮，避免砂袋被挂破漏砂。
⑥ 施工中要经常检查桩尖与导管口的密封情况，避免导管内进泥过多，影响加固深度。
⑦ 确定袋装砂井施工长度时，应考虑袋内砂体积减小，袋装砂井在孔内的弯曲、超深以及伸入水平排水垫层内的长度等因素，避免砂井全部深入孔内，造成与水平排水垫层不连接。
（4）、预压荷载的施工
利用建筑物本身重量对地基加压是一种经济而有效的方法。此法一般应用于以地基的稳定性为控制条件，能适应较大变形的建筑物。对路堤、土坝等建筑物，由于填土高、荷载大，地基的强度不能满足快速填筑的要求，工程上都采用严格控制加荷速率、逐层填筑的方法来确保地基的稳定性。

六、砂井施工工艺提出改进措施
⒈加设素土垫层
砂井排水固结法加固厚度较大的软土地基具有良好的效果，参照砂井排水固结的实例，在预压结束后，地基固结度一般达到90%以上，路基沉降量达到1m，有些甚至达到2m，由于沉降量大，水平排水垫层比地面低，而且沉降不均匀，路基中心沉降比路基边缘小，使水平排水垫层成锅底状，增加排水的困难，为使水平排水垫层排水垫层排水顺利，应在铺设水平排水垫层前，在原地面上填筑素土垫层，并呈双向横坡布置，方便水平排水垫层排水。
⒉用土工聚合物代替砂料
某些地区严重缺乏砂井排水固结法所需的中粗砂，运输困难，而且价格昂贵，大量用砂显然是不经济的。参考介绍土工聚合物的文章可发现，许多具有一定厚度的土工纤维具有良好的三维透水性能。如法国PHONE－POUT ENC的产品BIDIM的渗透系数达0.3cm/sec，大于砂井排水的最低渗透系数10-3 cm/sec，而且不易断裂，用塑料排水板作为竖向排水通道，排水良好的土工聚合物作为水平排水垫层，只要处理好排水板与土工聚合物的连接，构成排水通道，能达到排水固结的效果。采用土工聚合物代替砂料，可以节省大量工程造价，提高工效。
⒊减小对土的扰动
许多打设机械的打设动力都为震动锤，对桩周围的土体扰动大，成孔直径一般比袋装砂井大，袋装砂井施工后还留有一定的空隙，在预压荷载的作用下空隙才完全消失，对土体恢复强度不利，土的侧向挤出量大。可使机械成孔的直径和砂袋直径一样大，在砂袋底部装入适量的砂料，放入孔底后，边提升套管边灌砂，使砂袋充满整个孔内。利于土体恢复强度，减小土的侧向挤出量。

七、效果检测
排水固结法加固地基施工中经常进行的质量检验和检测项目有孔隙水压力观测、沉降观测、侧向位移观测、地基土的物理力学指标检测等。通过对孔隙水压力观测资料的整理与分析可知土体的固结强度，并可用计算出的孔隙水压力系数来控制加荷速率，防止土体失稳。现场观测资料可以及时防止因设计和施工的不完善而引起的意外工程事故。

八、结束语
用砂井排水法对深软土地基进行处理，不仅切实可行，而且质量可靠、施工方便、工程造价低。但由于砂井的插设深度和间距与软土地基的固结速度有关，因此在确定有关参数时，应充分做好理论计算与实地试验的前期工作。竖向排水通道直接影响软基的加固效果，如何提高其过水能力，改善袋装砂井的施工工艺及机械设备等，应进一步探讨与改进。