第五节排水固结法

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第五节排水固结法

%
≤2
%
≤2
设计要求
% ±10
mm ±100
mm ±200
mm ≤500
mm ≥200
%
≤5
检验方法
水准仪根椐设计采用不同方法按规定方法水准仪用钢尺插入时用经纬仪捡查用钢尺用钢尺目测
真空膜
水气收集管道系统
真空预压模型试验
排水预压法的其他一些现场施工照片
项目
荷载２固结度与设计要求比
３承载力或其他性能指标１沉降速率与控制值比２砂井或塑料排水带位置３砂井或塑料排水带插入深度４插入塑料排水带时的回带长度５塑料排水带或砂井高出砂垫层距离６插入塑料排水带时的回带根数
充许偏差或充许值
单位数值
6 ）开始抽水，使地基排水固结。施工中真空度保持在60mmHg以上。
真空预压法
• 三、质量检验
• ⅰ、对于以抗滑稳定性为控制的重要工程，在预压不同阶段、不同深度进行十字板抗剪强度试验和取土进行室内土工试验，以验算地基的抗滑稳定性，并检验地基的处理效果。
• ⅱ、预压期间应观测记录地表沉降、孔隙水压力变化和加载时间。及时绘制变形与时间、孔隙水压力与时间的关系曲线，并推算出地基最终沉降量、某一时刻的沉降量及相应的固结度，借以分折处理效果，并确定卸载时间提供依据。
1 、排水固结法的原理
排水垫层
水平排水盲沟
竖向排水体
加固软土层
排水固结法的应用范围用于处理软粘土地基，是十分有效的方法。
按照使用目的可以解决两个问题
沉降问题
稳定问题
2、系统组成——排水系统
主要用于改变地基原有的排水条件，增加孔隙水排出。系统是由水平排水的砂垫层和竖向排水体构成（普通砂井、袋装砂井和塑料排水板）

5 排水固结法

0
q3 q2 q1 T0 T1 T2 T3 T4 T5
时间t
i q t Ti Ut [(Ti Ti1 ) e (e e Ti 1 )] i 1 p
n
式中
U t —— t 时间地基的平均固结度； i ——第 i 级荷载的加载速率（kPa/d） i pi (Ti Ti1 ) ；，q q ； p ——与一级或多级等速加载历时 t 相对应的累加荷载（kPa） Ti 1 、 Ti ——第 i 级荷载加载的起始和终止时间（从零点起算）（d），当计算第 i 级荷载加载过程中某实际 t 的平均固结度时， T i 改为 t ；

三. 排水固结法适用范围
排水固结法适用于处理淤泥、淤泥质土和冲填土等饱和粘性土地基。软土层厚度小于4m，用天然地基堆载预压法处理，否则，采用塑料排水带、砂井等竖井排水预压法处理地基。真空预压法适用于能在加固区形成（包括采取措施后形成）稳定负压边界条件的软土地基。降低地下水位法、真空预压法和电渗法由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，适用于很软弱粘土地基。排水固结法用于道路、仓库、罐体、飞机跑道、港口等大面积软土地基加固工程。
忽略土体蠕变及其他因素的影响，则地基土某点某一时间的抗剪强度：
ft f 0 zU t tancu
式中； ft —— t 时刻，该点土的抗剪强度（ kPa）； f 0 ———地基土的天然抗剪强度（kPa）； z ——预压荷载引起的该点的附加竖向应力（kPa）
s——涂抹区直径 d s 与竖井直径 d w 的比值，可取 s=2.0～3.0，
对中等灵敏粘性土取低值，对高灵敏粘性土取高值；
Fr ——考虑井阻影响的参数；
L——竖井深度（cm）；

排水固结法

21:18
26
1、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算三维渗流固结问题
u t

cv

u r
1 r

2u r 2

2u z 2

可以分解成两个方向的固结问题叠加（ Carrillo ）
u t

cvz
2u z 2
u t
Hale Waihona Puke cvr u r
1 r

至少应超过最危险滑动面2m。
21:18
18
5.3排水固结法的设计与计算－堆载预压
一、选择砂井或塑料排水带，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度；二、确定排水砂垫层材料和厚度；三、确定预压区范围、预压荷载大小、荷载分级、加载速率和预压时间；四、计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形
原位自重应力 s 加压建筑物附加应力 z
预加压力 t=(1.2~1.5) z （超载预压法）
e
e1
e2 s
21:18
z t
p
11
5.2 加固原理（堆载预压法）
排水
普通砂井袋装砂井塑料排水板砂垫层
UZ

1

8
2
exp( 2Tv
/ 4)
Tv

cv H2
t
cv

k (1 e1)
)

6 100
(10

0)

0.081 e (e 0.0251120 0.025110 0.0251

e0 )

4 100
(40

30)

0.081 e (e 0.0251120 0.025140 0.0251

第5章__排水固结

v
竖向固结时间因素：
竖向固结系数：
Cv
Tv
Cvt H2
k (1 e) wa
排水固结法包括：
① 排水系统：水平向排水体（砂垫层或砂垫层加
土工合成材料复合而成），竖向排水体（普通砂井、袋装砂井、塑料排水带等)
抽真空装置(潜水泵等) 堤密封沟砂垫层滤管密封膜小堤排水管
塑料排水板
6）现场监测设计（p90）一般包括地面沉降、地表水平位移观测和地基土中孔隙水压力观测。一般情况下，沉降速率应控制在 10~20mm/d。水平位移应控制在4mm/d。
四、真空预压法
• 竖井的断面尺寸、间距、深度；预压区面积；真空预压工艺；要求达到的真空度和固结度；预压后地基强度的增长计算等。 • 砂井的设计基本同堆载预压法，渗透系数应大于 1x10-2cm/s ； • 膜下的真空度应保持在650mmHg以上。 • 竖井范围内土层的平均固结度应大于90%。
② 加压系统：
真空预压法（vacuum preloading)、堆载预压法（preloading）、降低地下水位法、电渗法、联合法（真空堆载联合预压法、真空预压联合电渗法）。通常，当软土地基厚度小于4.0m时，可采用天然地基堆载预压法处理; 当软土地基厚度超过4.0m时，为加速预压过程，应采用塑料排水带、砂井等竖向排水预压法处理。
射流真空泵
工程实例（武钢工业港软基处理工程）：
工艺流程：
1.清淤整平场地
抽水场地中的粗大石块等影响插板作业的障碍应予以清除；该工序是第一道，但可以分块与其他工序交叉作业。作业前要测绘大比例尺地形图，以利工程计量的准确。造地平台要达到设计高程，才能保证效果。
Dp 2(b )

排水固结法

e0.025130
)
0.93
01:45
40
7、地基土的沉降计算
s sd sc ss
01:45
41
A、瞬时沉降计算
p B
Skempton（1955）弹性理论公式 Sd
0
E
1- 2
沉降系数ω值
受荷面形状
圆形正方形矩形
L/B
—— 1.00 1.5 3.0 6.0 10.0 30.0 100.0
般用Ca表示，称为土的
次固结指数。
次固结沉降量为
ss
n i 1
(hCa
lg
t2 t1
)i
01:45
44
•规范规定预压固结法地基最终沉降采用经验公式：
s f
e0i e1i 1 e0i
hi
取值为1.1～1.4
01:45
45
5.4 施工工艺
一、竖向排水体施工
1、普通砂井
•沉管法：静压法、锤击法、振动法
第五章排水固结法
5.1 概述 5.2 加固原理 5.3 排水固结法的设计与计算 5.4 施工工艺 5.5 加固效果检验 5.6 工程实例
01:45
1
5.1 概述排水加固法
排水系统加压系统
竖向
横向
堆载预压降水预压真空预压联合预压
适用于饱和软粘土：淤泥及淤泥质土、冲填土、填海（湖）造田。－－含水量、压缩性高，强度、渗透性低。
29
2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算
01:45
30
2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算
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2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算

排水固结法

排水固结法一般适用于饱和软黏土、吹填土、松散粉土、新近沉积土、有机质土及泥炭土地基。
流程
1、砂垫层施工
砂垫层的功能就是在预压施工中，从土体进入垫层的渗透水快速排出，达到土层固结的作用。砂垫层质量将对加固效果与预压时间起到决定性的作用。选用级配相应的中粗砂，作为砂垫层材料，可确保砂垫层具有良好的渗透性。在施工应用中，应确保其含泥量在5%以下，不能混入杂质与有机质。在确定砂垫层厚度时，应及时排出土层内的渗透水，一般控制在30厘米到50厘米之间，可以起到持力层的作用。
一般情况是预压荷载与建筑物荷载相等，但有时为了减少再次固结产生的障碍，预压荷载也可大于建筑物荷载，一般预压荷载的大小约为建筑物荷载的1.3倍，特殊情况则可根据工程具体要求来确定。
为了加速堆载预压地基固结速度，常与砂井法同时使用，称为砂井堆载预压法。
沙井法适用于渗透性较差的软弱粘性土，对于渗透性良好的砂土和粉土，无需用砂井排水固结处理地基；含水平夹砂或粉砂层的饱和软土，水平向透水性良好，不用砂井处理地基也可获得良好的固结效果。
即通过电渗作用可逐渐排出土中水。在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水从阳极流向阴极，然后将水从阴极排除，而不让水在阳极附近补充，借助电渗作用可逐渐排除土中水。在工程上常利用它降低粘性土中的含水量或降低地下水位来提高地基承载力或边坡的稳定性。
降水预压法和电渗排水法目前应用还比较少。
排水固结法适用于处理饱和和软弱土层，但对渗透性极Байду номын сангаас的泥炭土要慎重对待。
按照采用的各种排水技术措施的不同，排水固结法可分为以下几种方法。
方法
堆载预压法真空预压法
降水预压法电渗排水法
在建筑场地临时堆填土石等，对地基进行加载预压，使地基沉降能够提前完成，并通过地基土固结提高地基承载力，然后卸去预压荷载建造建筑物，以消除建筑物基础的部分均匀沉降，这种方法就成为堆载预压法。

5.排水固结

Dr. Han WX
排水固结法原理：在荷载的作用下，土层的固结过程就是空隙水压力消散和有效应力增加的过程。 σ′= σ- u
第五章排水固结
5.2 加固原理和计算理论
5.2.2 地基固结度计算采用排水固结法加固地基的原理是利用饱和黏性土地基在荷载作用下产生排水固结，土体孔隙比减小，压缩性减小，抗剪强度提高。因此，采用排水固结法加固地基可有效减少地基工后沉降和提高地基承载力。
5.2 加固原理和计算理论
5.2.2 地基固结度计算
Dr. Han WX
第五章排水固结
5.2 加固原理和计算理论
Dr. Han WX
第五章排水固结
5.2 加固原理和计算理论
Dr. Han WX
第五章排水固结
5.2 加固原理和计算理论
Dr. Han WX
第五章排水固结
5.2 加固原理和计算理论
de 2 3
Dr. Han WX

4
l 1.05l
l 1.13l
等边三角形排列正方形排列
de

井径比n的取值主要取决于土体的固结特性和预压加固期限的要求。井径比取值小，表示最大排水距离短，地基固结速度快，但地基处理成本提高。
第五章排水固结
5.3 堆载预压法
1．竖向排水体材料选择 (4)水平排水砂垫层设计地表排水砂垫层是预压法处理地基排水系统的一部分。地表排水砂垫层采用中粗砂铺设，含泥量应小于5％，砂垫层的厚度一般应大于400mm。水平排水系统也可采用土工合成材料与砂垫形成的混合垫层。水平排水系统应能保证在预压加固过程中由地基中排出的水能引出预压区。
Dr. Han WX
第五章排水固结

排水固结法(地大版)ppt课件

固结实际公式
t Tv ·H 2 Cv
固结时间与排水间隔的平方成正比，缩短排水间隔可大大缩短固结时间。
在地基中设置砂垫层及砂井等的目的就是为了添加排水途径，缩短排水间隔，从而加快脆弱土层的排水固结。
第三节排水固结法设计计算
一、设计前应获得的资料 ⑴进展岩土工程勘察，查明场地的工程地质
和水文地质条件； ⑵室内土工实验，确定土的固结系数、孔隙
六、稳定分析稳定分析可以处理的问题： ①地基在天然形状下的最大堆载； ②在各级预压荷载作用下的稳定性； ③最大答应预压堆载； ④理想的堆载方案。
(一)地基强度沿深度添加时的稳定性分析方法 1.确定强度变化规律来自f 0 zf 0 · z
⑵降低地下水位法
⑶电渗法
在土中插入金属电极并通以直流电，由于电场作用，土中水从阳极流向阴极。如将阴极积聚的水排走，土体中孔隙水就会减少，有效应力增大导致沉降固结。
3.排水系统的作用改动地基的排水边境条件，缩短排水间隔和添加
孔隙水排出的途径； 4.加压系统的作用
起固结作用，使地基土的固结压力添加而产生固结； 5.排水系统和加压系统是结合运用的。
④对以地基抗滑稳定性控制的工程，砂井深度应超越最危险滑动面2m。 ⑶砂井陈列
等效圆柱体的直径de与砂井间距S的关系：正方形排d列 e 1： .13· S 正三角形排 de列 1.： 05· S
⑷砂井布置范围及砂垫层普通应比建筑物外缘扩展2～4m或更大，砂垫层水
上施工可取0.3～0.5m，水下施工可取0.8~1.0m.
(三)预压面积及分块大小真空预压的总面积不得小于根底外缘所包围的面积，
普通边缘应超出建筑物根底外缘2～3m；每块预压的面积应尽能够大，并要求彼此有搭接。 (四)地基变形计算

第四节换土垫层法第五节排水固结预压法

第五节排水固结预压法
4.稳定性分析 4.稳定性分析由于地基土在预压荷载作用下可能失稳破因此，坏，因此，预压加载过程中必须验算每级荷载下地基的稳定性。级荷载下地基的稳定性。进行稳定性分析时，进行稳定性分析时，通常假定地基的滑动面为圆筒面，可采用圆弧法（条分法）面为圆筒面，可采用圆弧法（条分法）进行分析。进行分析。
& qi α Ut = ∑ [(Ti − Ti −1 ) − e β ∆ i =1 ∑ p
n
βt
(e βTi − e βTi −1 )]
考虑井阻和涂抹的影响，瞬时加载条件下，考虑井阻和涂抹的影响，瞬时加载条件下，固结时间t 固结时间t时竖井地基径向排水平均固结 8C 度可按下式计算：度可按下式计算： − t
σ z + σ cz ≤ f az b( pk − pc ) σ =
z
b + 2z tan θ
lb( pk − pc ) σz = (b + 2 z tan θ )(l + 2 z tan θ )
第四节换土垫层法
压力扩散角θ
z/b
换填材料中砂、粗砂、砾砂、圆粉质粘土、粉粉质粘土、中砂、粗砂、砾砂、角砾、石屑、砾、角砾、石屑、煤灰卵石、碎石、卵石、碎石、矿渣 0.25 ≥0.5 20° 20° 30° 30° 6° 23° 23° 灰土
第五节排水固结预压法
3.排水过程中地基强度增长值的推算在预压荷载作用下，地基土在某一时刻t的抗剪强度τft为:
τ ft = τ f 0 + ∆σ zU t tan φcu
τf0——地基中某点在加荷前的天然土抗
剪强度，kPa。其值可由十字板剪切试验测定； Δσz——预压荷载引起的该点附加竖向压力； Ut——该点土的固结度

地基处理4排水固结法

超载预压可缩短预压时间，在预压过程中，任一时间地基的沉降量可表示为：
Ut
1
8 2
exp(
2Tv 4
)
Cv
KE(1 v)
w (1 v)(1 2v)
t H 2Tv Cv
路基侧滑塌方
❖ 竖向排水体 ❖ 水平排水体
堆载预压法排水系统设计
竖向排水体水平排水体
砂井深度、直径、间距、排列方式和砂井材料等。这些参数的选择一般要求满足在不太长的预压时间里，使地基的固结度达到80%以上。
荷载p1。一般饱和软粘土可根据斯开普顿极限荷载的半
经验公式作为初步估算，即：
长条梯形填土
p1
5.14 K
Cu
D
p1
5.52 K
Cu
堆载预压计划设计拟定的堆载预压计划如下图所示。
❖ 2 计算第一级荷载下地基强度增长值，在荷载作用下，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为：
❖ 超载预压：
❖ 作用：对沉降有严格限制的建(构)筑物，应采用超载预压法处理地基。今后在建(构)筑物荷载作用下地基土将不会再发生主固结变形，而且将减小次固结变形，并推迟次固结变形的发生。
❖ 小知识：
❖ 建筑地基在长期荷载作用下产生的沉降，其最终沉降量可划分为三个部分：初始沉降（或称瞬时沉降）、主固结沉降（简称固结沉降）及次固结沉降。
❖ 3)封闭气泡排出，土的渗透性加大。
❖ 真空预压即是在总压力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。真空顶压和降水预压是在负超静水压力下排水固结，称为负压固结。
三设计与计算堆载预压法加压系统设计
❖ 堆载预压的计算步骤
❖ 1 利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的

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直径可按下式计算
D
2(b )
Dρ——塑料排水带当量换算直径 α——换算系数，无资料时可取0.75～1.00 b_-----塑料排水带的宽度； δ-----塑料排水带的厚度；
砂井间距s取决于地基的压缩性和预定时间内要求场地达到的固结度。通常按井径比n(n=de/dw),de为砂井的有效排水圆柱体直径，参照式（3-2）de＝1.05s(等边三角形布置）或（3-3） de＝1.13s（正方形布置）确定。对普通砂井，间距可按n=6～8选用；袋装砂井或塑料排水带，可按n=15～20
选用。
（2）．砂井深度
砂井深度是根椐建（构）筑物的变形要求和稳定性要求确定。对以地基抗滑稳定性为设计控制的工程，如土石坝、堆料场等，砂井深度至少应超过最危险滑动面2m。对以地基变形式为设计控制的建（构）筑物，如机场跑道等，若压缩层厚度不大，砂井宜贯穿压缩土层；当压缩层土层较厚，砂井深度应根据现场在限定预压时间内应消除的变形式量确定，若施工设备条件达不到设计深度，则可采用（预压荷载超过建筑物基底压力）等方法来满足工和要求。砂井深度一般取10~20m。
系统组成——排水系统
材料
系统组成——排水系统 Vertical Wick Drains
水平排水体
水平排水体
3、加压系统是指土体固结所需的荷重。方式有堆载预压和真空预压两种。堆载预压是在砂垫层上堆砂、石料等土料预压，设置竖向排水体堆载预压称砂井堆载预压法；无竖向排水体，则称为堆载预压法。
1、排水固结法的原理
利用饱和黏土渗透固结的原理，事先对建筑物场地堆载预压法，土中孔隙水压力消散，从而地基发生固结沉降，承载力逐步提高。根椐土的回弹与再压缩特性，如若预压荷载接近或超过建筑物基底压力，则在已加固场地上建造建筑物后，地基的变形将远小于固结前。减少地基沉降，并提高地基承载力。此法适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和黏性土地基。
际上也不恢复原来状态这两种条件而构成的。
加压系统
排水系统
排水固结法的种类
根据排水系统和加压系统的不同，排水固结法可分为堆载预压法、砂井(包括袋装砂井、塑料排水板等)堆载预压法、真空预压法、降低地下水位法和电渗法。
堆载预压法和砂井堆载预压法唯一的区别在于：前者的排水系统以天然地基土层本身为主；而后者在天然地基中还人为地增设了诸如砂井等排水系统。
• 应注意：钢管直径应略大于砂井直径。拨管上提长度不宜超过500mm。砂袋放入孔内应超出孔口200mm以上，并应扶直埋入砂垫层。灌入袋内的应是干砂。
一、概述
排水固结法目的是解决软粘土地基的沉降和稳定问题。可使地基的沉降在预压期间基本完成或大部分完成，保证建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时可增加地基土的抗剪强度，提高地基
的承载力和稳定性。
排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的。
预压法是以事先完成的沉降和固结使地基强度增长的两个要素为目标的，这种加固方法成立的背景，是以具有饱和粘性土地基由于固结而增加强度，以及所谓一旦地基固结沉降，即使卸掉荷载实
2、竖向排水设计要点
砂井地基的设计工作即为选择适当的砂井长度、直径、间距、以及形成有效的砂井排水系统所需的材料、砂垫层厚度等，以随地基在批载预压过程中，在预期的时间内，达到所需要的固结度(通常定为80％)。
（1）．砂井直径和间距常采用“细而密”原则。
一般砂井直径：300~500mm；间距：6~8倍井径。袋装砂井直径：70~100mm；间距：15~30倍井径。
1 、排水固结法的原理
排水垫层
水平排水盲沟
竖向排水体
加固软土层
排水固结法的应用范围用于处理软粘土地基，是十分有效的方法。
按照使用目的可以解决两个问题
沉降问题稳定问题来自2、系统组成——排水系统
主要用于改变地基原有的排水条件，增加孔隙水排出。系统是由水平排水的砂垫层和竖向排水体构成（普通砂井、袋装砂井和塑料排水板）
• ⑶、螺旋钻孔法。用螺旋钻钻至设计深度，再灌砂形成砂井。适于陆地上工程，长度一般在10m以内。
• ⑷爆破法。先用小直径螺旋钻钻至设计深度，孔内安装炸药，爆破后孔体扩大，再灌砂形成砂井。施工简单，不要复杂的机具，适用于 6~7 m的浅砂井。
• （2）袋装砂井施工
• 先将带活瓣桩尖或混凝土圆桩尖，如右图所示。的钢管，通过振动、锤击或静压等方法沉入土中，达到设计深度后放入砂袋，然后拨管，最后于地面铺设砂垫层。
（3）．砂井排列砂井平面布置可采用等边三角形或正方形排列。在井径比表达式n=de/dw 中，表征砂井有效排水范围的参数de和s的关系可按下式取用。
正三角形排列
正方形排列
排水路径
l
de
(3-2) de
l
(3-3)
（4）. 砂井的布置范围和砂料: 大出基础轮廓线2~4m。
砂井的砂料宜用中粗砂，含泥量应小于3%。
临时填土堆载预压
真空预压是以大气压作为预压荷载。先在砂垫上铺设不透气的塑料薄膜或橡胶布，四周用土料密封，然后用真空泵抽气，使薄膜内成真空，再通过设在砂垫层中吸水管（并设置竖向排水管）吸出孔隙水，达到预压的目的。
真空预压法
二、排水固结法施工
（1）. 砂垫层施工
在砂井顶面应铺设排水砂垫层，以连接砂井，引出从上层排入砂井的渗流水。砂垫层的厚度一股为0.3~0.5m(水下砂垫层厚度为1.0m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。砂垫层施工一般用机械摊铺的方法。若地基土较软，应用人工或轻机械摊铺。必要时可加强地表土。
• 3、竖向排水体施工
• （1）普通砂井施工
• 先在地基中成孔，再灌砂密实形成砂井。砂井的灌砂量应按井孔的设计尺寸和砂在中密度时的干重度计算，应大于计算值的95%以上。
• ⑴、套管法是借助低频率振动锤将钢管沉到设计深度，向管内灌砂，然后振动拨管，形成密实的砂井。质量好被广泛应用。
• ⑵、射水法。成孔机具端部带喷嘴的射水管。施工时，高压水流通过射水管前端的嘴喷出冲击破坏土体成孔的，然后灌砂形成砂井。施工速度快，适用土质较好的黏性土地基。

第五节排水固结法

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