第4章排水固结法NXPowerLite.pptx

4.1 4.1 概概 述述 排水固结法（排水固结法（Consolidation）是处）是处理软粘土地基的有效方法之一。该法是理软粘土地基的有效方法之一。该法是对天然地基，或先在地基中设置砂井等对天然地基，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，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，同水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。时强度逐步提高的方法。塑料排水板插板机塑料排水板插板机塑料排水板地基处理塑料排水板地基处理真空预压地基处理真空预压地基处理真空预压管网铺设真空预压管网铺设排水板真空预压处理剖面示意图排水板真空预压处理剖面示意图 l 排水固结法可解决以下两个问题：排水固结法可解决以下两个问题：l （1）沉降问题沉降问题。使地基的沉降在加。使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，使建筑载预压期间大部分或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差。降差。l （2）稳定问题稳定问题。加速地基土的抗剪。加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。稳定性。l 排水固结法排水固结法适用于适用于处理淤泥质土、淤泥处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。和冲填土等饱和粘性土地基。l排水固结法是由排水固结法是由排水系统排水系统和和加压系统加压系统两部两部分共同组合而成。分共同组合而成。l（1）排水系统排水系统水平排水垫层和竖向排水体水平排水垫层和竖向排水体构成。竖向排水体可选用普通砂井、袋装构成。竖向排水体可选用普通砂井、袋装砂井或塑料排水板。砂井或塑料排水板。l（2）加压系统加压系统即是起固结作用的荷载，它即是起固结作用的荷载，它使地基土的固结压力增加而产生固结。使地基土的固结压力增加而产生固结。l 工程上广泛使用且行之有效的增加固结压工程上广泛使用且行之有效的增加固结压力的方法是力的方法是堆载法堆载法，此外，还有，此外，还有真空法真空法、降低地下水位法降低地下水位法、电渗法电渗法和和联合法联合法。l 排水固结法的设计，主要是根据上排水固结法的设计，主要是根据上部结构荷载的大小、地基土的性质以及部结构荷载的大小、地基土的性质以及工期要求、确定竖向排水体的直径、间工期要求、确定竖向排水体的直径、间距、深度和排列方式；确定预压荷载的距、深度和排列方式；确定预压荷载的大小和预压时间，使通过预压，地基能大小和预压时间，使通过预压，地基能满足建筑物对变形和稳定性的要求。满足建筑物对变形和稳定性的要求。4.2 堆载预压法设计计算堆载预压法设计计算4.2 Design Procedure of Preloadingl 一、堆载预压的计算步骤一、堆载预压的计算步骤l 因软粘土地基抗剪强度较低，无论直接建因软粘土地基抗剪强度较低，无论直接建造建筑物还是进行堆载预压往往都不可能快造建筑物还是进行堆载预压往往都不可能快速加载，而必须分级逐渐加荷，待前期荷载速加载，而必须分级逐渐加荷，待前期荷载下地基强度增加到足以加下一级荷载时才可下地基强度增加到足以加下一级荷载时才可加下一级荷载。具体计算步骤是，首先用简加下一级荷载。具体计算步骤是，首先用简便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降，其核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降，其步骤如下：步骤如下：l 1 利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容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许施加的荷载p1，对饱和软粘土可采用下列公式估，对饱和软粘土可采用下列公式估算：算：l 2 计算第一级荷载下地基强度增长值。在计算第一级荷载下地基强度增长值。在p1荷载荷载作用下，经过一段时间预压地基强度会提高，提高作用下，经过一段时间预压地基强度会提高，提高以后的地基强度为以后的地基强度为cu1：l l 3 计算计算p1 作用下达到所确定固结度所需要的时间。作用下达到所确定固结度所需要的时间。目的在于确定第一级荷载停歇的时间，亦即第二级目的在于确定第一级荷载停歇的时间，亦即第二级荷载开始施加的时间。荷载开始施加的时间。l 4 根据第二步所得到的地基强度根据第二步所得到的地基强度cu1计计算第二级所能施加的荷载算第二级所能施加的荷载p2。p2可近似可近似地按下式估算：地按下式估算：l l同样，求出在同样，求出在 p2 作用下地基固结度达作用下地基固结度达70时的强度以及所需要的时间，然后计时的强度以及所需要的时间，然后计算第三级所能施加的荷载，依次可计算算第三级所能施加的荷载，依次可计算出以后的各级荷载和停歇时间。出以后的各级荷载和停歇时间。l5 按以上步骤确定的加荷计划进行每一按以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载下地基的稳定性验算。如稳定性级荷载下地基的稳定性验算。如稳定性不满足要求，则调整加荷计划。不满足要求，则调整加荷计划。l 6 计算预压荷载下地基的最终沉降量和计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。这一项计算的目的预压期间的沉降量。这一项计算的目的在于确定预压荷载卸除的时间。在于确定预压荷载卸除的时间。l二、超载预压二、超载预压l 对沉降有严格限制的建筑对沉降有严格限制的建筑，应采用，应采用超载预压法处理地基。经超载预压后，超载预压法处理地基。经超载预压后，如受压土层各点的有效竖向应力大于建如受压土层各点的有效竖向应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加总应力时，筑物荷载引起的相应点的附加总应力时，则今后在建筑物荷载作用下地基土将不则今后在建筑物荷载作用下地基土将不会再发生主固结变形，而且将减小次固会再发生主固结变形，而且将减小次固结变形，并推迟次固结变形的发生。结变形，并推迟次固结变形的发生。4.3 砂井排水固结设计计算砂井排水固结设计计算4.3 Design Procedure of Sand Drainl 1925年，丹尼尔年，丹尼尔.莫兰将垂直砂井用于莫兰将垂直砂井用于费城奥克兰海湾大桥公路软土地基的加费城奥克兰海湾大桥公路软土地基的加固，固，1926年获得专利。年获得专利。l 砂井法问世以后，因缺乏理论根据而按砂井法问世以后，因缺乏理论根据而按经验设计。经验设计。19401942年，巴隆（年，巴隆（Barron）根据太沙基的固结理论，提出砂井法的设计根据太沙基的固结理论，提出砂井法的设计计算方法。我国从计算方法。我国从20世纪世纪50年代起，开始应年代起，开始应用砂井法。用砂井法。l 砂井法主要砂井法主要适用于适用于没有较大集中荷载的大面没有较大集中荷载的大面积荷重或堆土荷重工程，例如水库土坝、油罐、积荷重或堆土荷重工程，例如水库土坝、油罐、仓库、铁路路堤、贮矿场以及港口的水工建筑物仓库、铁路路堤、贮矿场以及港口的水工建筑物等工程。等工程。l 一、砂井设计一、砂井设计l 砂井设计包括砂井直径、间距、深度、排列砂井设计包括砂井直径、间距、深度、排列方式、范围、砂料选择和砂垫层厚度等。方式、范围、砂料选择和砂垫层厚度等。l （1）砂井直径和间距）砂井直径和间距l 主要取决于土的固结特性和施工期限的要求。主要取决于土的固结特性和施工期限的要求。“细而密细而密”比比“粗而稀粗而稀”效果好。砂井直径一般效果好。砂井直径一般为为300400mm；袋装砂井直径为；袋装砂井直径为70120mm。l （2）砂井深度）砂井深度l 主要根据土层的分布、地基中附加应力大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。小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。一般为一般为1025m。l （3）砂井排列）砂井排列l 砂井在平面上可布置成正三角形（梅花形）砂井在平面上可布置成正三角形（梅花形），以正三角形排列较为紧凑和有效。在实际进，以正三角形排列较为紧凑和有效。在实际进行固结计算时，由于多边形作为边界条件求解行固结计算时，由于多边形作为边界条件求解很困难，巴隆建议每个砂井的影响范围由多边很困难，巴隆建议每个砂井的影响范围由多边形改为由面积与多边形面积相等的圆来求解。形改为由面积与多边形面积相等的圆来求解。l 正方形排列时正方形排列时 de1.13ll 正三角形排列时正三角形排列时 de1.05ll de为砂井的有效直径，为砂井的有效直径，l为砂井间距。为砂井间距。l （4）砂井布置范围）砂井布置范围l 砂井的布置范围一般可由基础的轮廓线向外增砂井的布置范围一般可由基础的轮廓线向外增大约大约24m。l （5）砂料）砂料l 宜选用中粗砂，其含泥量不能超过宜选用中粗砂，其含泥量不能超过3。l （6）砂垫层）砂垫层l 砂井顶部铺设砂垫层，可使砂井排水有良好的砂井顶部铺设砂垫层，可使砂井排水有良好的通道，将水排到工程场地以外。通道，将水排到工程场地以外。l 二、沉降计算二、沉降计算l 地基土的总沉降一般包括地基土的总沉降一般包括瞬时沉降瞬时沉降、固结沉降固结沉降和和次固结沉降次固结沉降三部分。瞬时沉三部分。瞬时沉降是在荷载作用下由于土的畸变所引起，降是在荷载作用下由于土的畸变所引起，并在荷载作用下立即发生的。固结沉降并在荷载作用下立即发生的。固结沉降是由于孔隙水的排出而引起土体积减小是由于孔隙水的排出而引起土体积减小所造成的，占总沉降的主要部分。次固所造成的，占总沉降的主要部分。次固结沉降则是由于超静水压力消散后，在结沉降则是由于超静水压力消散后，在恒值有效应力作用下土骨架的徐变所致。恒值有效应力作用下土骨架的徐变所致。4.4 施工方法施工方法4.4 Construction Methodsl要保证排水固结法的加固效果，从施工要保证排水固结法的加固效果，从施工角度考虑，主要应重视以下角度考虑，主要应重视以下三个环节三个环节：铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加固结压力。固结压力。l砂井成孔的典型方法有砂井成孔的典型方法有套管法套管法、射水法射水法、螺旋钻成孔法螺旋钻成孔法和和爆破法爆破法。l 袋装砂井成孔的方法有袋装砂井成孔的方法有锤击打入法锤击打入法、水水冲法冲法、静力压入法静力压入法、钻孔法钻孔法和和振动贯入振动贯入法法五种。五种。塑料排水板施工工艺流程图塑料排水板施工工艺流程图塑料排水板施工现场塑料排水板施工现场l真空管网铺设真空管网铺设 真空系统第一层土工布铺设真空系统第一层土工布铺设土工布铺设土工布铺设土工布缝接土工布缝接真空系统双层密封土工膜的铺设真空系统双层密封土工膜的铺设 真空系统土工膜的密封真空系统土工膜的密封 出膜连接与真空系统安装出膜连接与真空系统安装出膜连接出膜连接出膜管与真空泵连接出膜管与真空泵连接 试抽真空试抽真空4.5 质量检验质量检验4.5 Quality Verification Testl排水固结法加固地基施工中经常进行的质量检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验和检测项目有孔隙水压力观测孔隙水压力观测、沉降观测沉降观测、侧向位移观测侧向位移观测、地基土物理力学指标检测地基土物理力学指标检测等。等。l预压法竣工验收检验应符合下列规定：预压法竣工验收检验应符合下列规定：l （1）排水竖井处理深度范围内和竖井底面）排水竖井处理深度范围内和竖井底面以下受压土层，经预压所完成的竖向变形和平以下受压土层，经预压所完成的竖向变形和平均固结度应满足设计要求。均固结度应满足设计要求。l （2）应对预压的地基土进行原位十字板剪）应对预压的地基土进行原位十字板剪切试验和室内土工试验。必要时，尚应进行现切试验和室内土工试验。必要时，尚应进行现场载荷试验，试验数量不应少于场载荷试验，试验数量不应少于3点。点。