下载文档原格式
地基处理——排水固结法1.概述排水固结法是在建筑物建造前，对天然地基或已设置竖向排水体的地基加载预压，通过加压和排水的共同作用,使饱和软土排水固结,消除大部分沉降,提高土体密实度和强度一种加固方法。
它由排水系统和加压系统组成。
常用的排水系统、加压系统见下图：堆载预压是传统的排水固结加固软土地基的方法,是依靠大量的堆载料的荷载达到排水的作用。
真空预压法广泛采用塑料排水板作为竖向排水通道,以砂垫层、砂沟和排水滤管作为横向排水通道,铺膜,采用真空泵将土体中的水、气混合物抽出,达到软土加固的效果。
真空联合堆载预压法是在真空预压的基础上,在密封膜上加铺堆载料,以增加外荷的方法,加快软土的固结,增加地基的承载力。
真空预压与堆载预压相比,它不需要堆载料,施工简便且快,可降低工程造价三分之一、节约能源三之一、缩短加固时间三分之一。
在港口工程中,从20 世纪80 年代后期开始,主要采用的加压系统是真空预压、真空联合堆载预压，其次是堆载预压。
2.加固机理排水固结法加固软土地基的机理是设排水系统,改善排水边界条件,缩短排水路径,加速排水,在加压系统作用下，孔隙水排出,孔隙水压力降低并转化为有效应力的增加,土体固结,消除大部分沉降而提高密实度和强度,而且卸除预压荷载后,虽会产生些微回弹,但大部分压缩变形为不可逆的塑性变形,土体相对加固前处于超密实状态,从而可有效提高地基的承载能力和减少沉降量。
土体的排水固结是一个复杂的过程。
其固结度和固结速度与固结压力大小、作用时间长短、排水距离、土的渗透系数等因素有关,其中土的工程性质取决于土的颗粒组成和土同水相互作用的性质。
软粘土的工程性质主要与次生矿物中粘土矿物(它粒径一般小于0.005mm,俗称粘粒)有关。
而由粘土矿物不同的晶体构造和排列形式形成的土颗粒与水的相互作用将引起土颗粒周围结合水的复杂变化,并对土的塑性、压缩性、膨胀性、渗透性和强度等产生重要影响。
颗粒很细的粘粒使土的比表面积增大、粒间隙小、渗透性差。
第四章排水固结法第一节概述我国沿海地区和内陆湖泊和河流谷地分布着大量软弱粘性土。
这种土的特点含水量大、压缩性高、强度低、透水性差、很多情况埋藏较深。
在软土地基上直接建造建筑物或进行填土时，地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和沉降差异，而且沉降的延续时间长，因此有可能影响建筑物的正常使用。
另外，由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求而产生地基土破坏。
所以这类软土地通常需要采取加固处理，排水固结法就是处理软粘土地基的有效方法之一。
排水固结法是对天然地基，或先在地基设置沙井（袋装沙井或塑料排水带）等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或在建筑物建造前在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降时，同时强度逐渐提高的方法。
该法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压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，从而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个主要部分组成。
加压系统，是为地基提供必要的固压力而设置的，它是地基土层因产生附加压力而发生排水固结。
设置排水系统则是为了改善地基原有的天然排水系统的边界条件，增加孔隙水排出路径，缩短排水距离，从而加速地基土的排水固结进程。
如果没有加压系统，排水固结就没有动力，既不能形成超静水压力，即使有良好的排水系统，孔隙水仍然难以排出，也就谈不上土层的固结。
反之，若没有排水系统，土层排水途径少，排水距离长，即使有加压系统，孔隙水排出速度仍然慢，预压期间难以完成设计要求的固结沉降量，地基强度也就难以及时提高，进一步的加载也就无法顺利进行。
因此，加压和排水系统是相互配合、相互影响的。
当软土层较薄，或土的渗透性较好而施工期允许较长时，可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层，然后加载，土层中水沿竖向流入砂垫层而排出。
当工程遇到透水性很差的深厚软土层时，可在地基中设置砂井等竖向排水体，地面连以排水砂垫层，构成排水系统。
根据加压和排水两个系统的不同，派生出多种固结加固地基的方法，如图4.1.1所示。
排水固结法是从简单的堆载预压这一传统处理方法发展起来的。
由于细粒粘性土透水差，土层厚时，排水固结需耗费很长时间。
20世纪30年代初，美国发明了砂井预载预压法，从而大大加快了粘性土排水固结速度。
该法在全世界得到广泛应用。
20世纪40年代初，瑞典的齐鲁曼等人发明了纸板排水法。
这种方法可用于极软弱地基中设置竖向排水体。
不仅排水体质量稳定，而且施工速度快、费用低。
弥补了砂井排水的一些不足。
1952年，瑞典皇家地质学院的研究人员提出了真空预压法加固软弱地基技术。
该法无需堆载，利用对载预压法加载法超载预压法建筑自重分级加载法加压系统真空预压降水预压电渗法排水固法联合法普通砂井竖向排水体袋装砂井排水系统塑料排水板其它（如柔性排水管等）水平排水体——砂垫层图4·1·1大气压力和空隙中负压加速排水固结，有一定的优越性。
20世纪60年代末，日本的研究者改进了普通砂井，开发出质量更容易保证、直径大大缩小，施工更加方便、快捷的袋装砂井排水。
20世纪70年代初期，日本有开发出渗透性良好、便于施工、质量更加稳定的塑料排水带，进一步完善和提高了竖向排水体施工技术。
由此，可以清楚地看出，排水固结的各种方法都是在改进加压和排水两个系统基础上发展起来的。
排水固结法可和其他地基处理方法结合起来使用，作为综合处理地基的手段。
如天津新港曾进行了真空预压（使地基土强度提高）在设置碎石桩使形成复合地基的试验，取得良好效果。
又如美国跨越金山湾南端的Dumbarton桥东侧引道路堤场地，路堤下淤泥的抗剪强度小于5kpa，其固时间将需要30—40年，为了支撑路堤和加速所预计的2m沉降量,采用如下方案：1、采用土工聚合物以分布路堤荷载和减小不均匀沉降；2、使用轻质填料以减轻荷载；3、采用竖向排水体使固结时缩短到一年以内；4、设置土工聚合物滤网以防排水层发生污染等。
第二节排水固结法原理在饱和软土地基中施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减小，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，地基土强度就逐渐增长，(a)竖向排水情况 (b)砂井地基排水情况几年至十几年之久。
为了加速固结，最有效的方法是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离，在天然地基中设置排水体，如图4·2·2(b)所示。
这是土层中的孔隙水主要从平向通过砂井和部分丛竖向排出。
所以砂井（袋装砂井或塑料排水带）的作用就是增加排水条件，缩短排水距离，加速地基土的固结、抗剪强度的增长和沉降的发展。
为此，缩短了预压工程的预压期，在短期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成；加速地基土的强度增长，使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载增长的速率，以保证地基的稳定性，这一点无论从理论和实践上都得到了证实。
排水固结法的应用条件，除了要有砂井（袋装砂井或塑料排水带）的施工机械和材料外，还必须有：1.预压荷载；2.预压时间；3.使用的土类条件。
预压荷载是个关键问题，因为施加预压荷载后才能引起地基土的排水固结。
然而施加一个与建筑物相等的荷载，这并非轻而易举的事，少则几千吨，大则数十万吨，许多工程因无条件施加预压荷载而不宜采用砂井处理地基，这时就必须采用真空预压法、降水预压法或电渗排水等等。
堆载预压是在地基中形成超静水压力的条件下排水固结，称为正压固结；真空预压和降水预压是在负超静压力下排水固结，称为负压固结，其加固原理是类似的。
排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。
砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。
砂井只能加速主固结而不能减少次固结，对有机质土和泥炭等次固结土，不宜采用砂井法。
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，所以它是用于很软弱的粘土地基。
（1）每个砂井的有效影响范围为一圆柱体；（2）砂井地基表面受连续均不荷载作用下，地基中的附加应力分布不随深度而变化，故地基土仅产生竖向的压密变形；（3）荷载是一次施加上去的，加荷开始时，外荷载全部由孔隙水压力负担；（4）在整个压密过程中，地基土的渗透系数保持不变；（5）井壁土面受砂井施工所引起的涂抹作用（可使渗透性发生变化）的影响不计。
井阻作用。
当采用挤土的方式施工时，尚应考虑土的涂抹和扰动影响后，按上式计算的砂井地基平均固结度应乘以折减系数，其值通常可取0.80～0.95。
砂径长径比越大，井料渗透系数越小，以及施工产生的涂抹和扰动影响越大时，折减系数取值应越小，反之，折减系数取值可适当增大。
目前常用的预压抗剪强度增长的方法有效应力法和有效固结压力法。
1、有效应力法2、有效固结压力法（三）沉降量计算沉降计算的目的有以下两点：（1）对于以稳定控制的工程，如堤坝等，通过沉降计算可预估施工期间由于基底沉降而需要增加的土方量，还可估计工程竣工后尚未完成的沉降量，作为堤坝预留沉降高度及路堤顶面加宽依据。
（2）对于以沉降控制的建筑物，沉降计算的目的在于估算所需预压时间和各时期沉降量的发展情况，以调整排水系统和预压系统间的关系，提出施工阶段的设计。
地基土的总沉降量一般包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。
瞬时沉降时在荷载作用下由于土的畸变（这时土的体积不变，即u=0.5）所引起，并在荷载作用下立即发生的。
这部分变形是不可忽略的，这一点正是逐渐被人们所认识的。
固结沉降是由孔隙水的排出而引起土体积减小造成的，占总沉降量的主要部分。
而次固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至。
次固结的大小与土的性质有关。
泥炭土、有机质土或高塑性粘性土土层，次固结沉降占很可观的部分，而其他土则所占比例不大。
次固结沉降目前还不容易计算，若忽略次固结沉降则最终沉降S 可按下式计算：二、排水固结设计设计前，通过勘察查明土层在水平方向和竖直方向的分布变化，透水层的位置及水源补给条件等。
应通过土工试验确定土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、三轴试验抗剪强度以及原位十字板抗剪强度等。
对重要的工程，应在现场先进行预压试验，测定竖向变形、侧向移位、孔隙水压力等数据。
根据试验所获资料分析地基处理效果。
排水固结法的设计，实质上在于根据上部结构荷载的大小，地基土的性质及工期要求，合理安排排水系统和加压系统的关系，确定竖向排水体的直径、间距、深度和排列方式，确定预压荷载的大小和预压时间，要求做到：○1加固期限尽量短；○2固结沉降要快；○3充分增加强度；○4注意安全。
（一）加压系统设计目前采用的加压方法包括：堆载法、利用建筑物自重法、降水法、真空法以及联合法等。
这些方法各具特色，适用范围亦有差别，下面依次介绍其设计方法。
1、堆载预压法堆载预压是在建筑施工前通过临时堆填土、砂、石、砖等散料对地基加载预压，使地基土的沉降大部分或分基本完成，并因固结而提高地基承载力，然后除去堆载，再行建筑施工的一种处理方法。
该法适用于各种软粘土地基。
（2）超载预压对沉降有严格限制的建筑，应采取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会再发生主固结变形，而且将减小次结变形，并推迟次固结变形的发生。
对有机质粘土、泥炭土等，其次固结沉降是重要的，采用超载预压法对减小永久荷载下的次固结沉降有一定效果。
计算原则是把p f作用下的总沉降看成为主固结沉降和次固结沉降之和。
2、真空预压法真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设竖向排水体，竖向排水体常采用袋装砂井、或塑料排水带。
再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空，使土中水排出，增加地基的有效应力.○1由于膜内真空度使膜内外形成大气压力差，该压差成为作用与地基的预压荷载。
由于土体与砂垫层和砂井间的压差，发生渗流，使土中的孔隙水压力不断降低，有效应力不断增加，从而促使土体固结。
真空预压法加固地基的原理使土体在压差（pa -pv）作用下固结，pa 为大气压力下，pv为砂垫层气压。
○2地下水位降低，相应增加附加应力。
抽气前，地下水位离地面H1，抽气后土体中水位降至H2，亦即下降H1-H2，在此范围内的土体便从浮重度变为湿重度，此时土骨架增加了大约水高H1-H2的固定压力。
○3封闭气泡排出，土的渗透性加大。
如饱和土体中含有少量封闭气泡，在正压作用下，该气泡堵塞孔隙，使土的渗透性降低，固结过程减慢。
但再真空吸力下，封闭气泡被吸出，从而使土体的渗透性提高，固结过程加速。
（2）真空预压的设计设计内容除排水系统外，主要包括：密封内的真空度，加固土层要求达到的平均固结度，竖向排水体的尺寸，加固后的沉降和工艺设计等。
