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1、第五章第五章 排水固结法排水固结法第一节第一节 概述概述1.排水固结法排水固结法 排水固结法是在建筑物建造前，对天然地基或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，使土体固结沉已设置竖向排水体的地基加载预压，使土体固结沉降基本结束或完成大部分，从而提高地基土强度的降基本结束或完成大部分，从而提高地基土强度的一种地基加固方法。一种地基加固方法。2.加载方法加载方法 主要包括：主要包括：直接堆载法、真空预压法、降低地下水直接堆载法、真空预压法、降低地下水法以及电渗法法以及电渗法。真空预压法真空预压法 在粘土层上铺设砂垫层，然后用不透气薄膜密封砂在粘土层上铺设砂垫层，然
2、后用不透气薄膜密封砂垫层，用真空泵对砂垫层和砂井抽气，使土体和砂垫层垫层，用真空泵对砂垫层和砂井抽气，使土体和砂垫层以及砂井之间形成压力差，发生渗流，使土中孔隙水压以及砂井之间形成压力差，发生渗流，使土中孔隙水压力不断降低，有效应力不断增强，促使土体固结沉降。力不断降低，有效应力不断增强，促使土体固结沉降。降低地下水位法降低地下水位法电渗法电渗法 在土中插入金属电极并通以直流电，由于电场作用，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。中孔隙水就会减少，
3、有效应力增大导致沉降固结。3.排水系统的作用排水系统的作用 改变地基的排水边界条件，缩短排水距离和增加改变地基的排水边界条件，缩短排水距离和增加孔隙水排出的途径；孔隙水排出的途径；4.加压系统的作用加压系统的作用 起固结作用，使地基土的固结压力增加而产生固起固结作用，使地基土的固结压力增加而产生固结；结；5.排水系统和加压系统是联合使用的。排水系统和加压系统是联合使用的。6.适用范围：饱和软粘土地基，应用于路堤、仓库。适用范围：饱和软粘土地基，应用于路堤、仓库。罐体、飞机跑道等罐体、飞机跑道等 第二节第二节 排水固结的原理排水固结的原理 1.固结机理固结机理 饱和软粘土地基在荷饱和软粘土地基在
4、荷载作用下，孔隙中的水被载作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙体积慢慢慢慢排出，孔隙体积慢慢减小，地基发生固结变形，减小，地基发生固结变形，同时，随着超静水压力逐同时，随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增高，地基土的强度逐渐增长。长。abc为压缩曲线、为压缩曲线、cef为为卸荷曲线、卸荷曲线、fgc为再压为再压缩曲线缩曲线固结理论公式固结理论公式 固结时间与排水距离的平方成正比，缩短排水距固结时间与排水距离的平方成正比，缩短排水距离可大大缩短固结时间。离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增在地基中设置砂垫层及砂井等的目的就是
5、为了增加排水途径，缩短排水距离，从而加快软弱土层的排加排水途径，缩短排水距离，从而加快软弱土层的排水固结。水固结。第三节第三节 排水固结法设计计算排水固结法设计计算一、设计前应取得的资料一、设计前应取得的资料 进行岩土工程勘察，查明场地的工程地质和水文进行岩土工程勘察，查明场地的工程地质和水文地质条件；地质条件；室内土工试验，确定土的固结系数、孔隙比和固室内土工试验，确定土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、三轴试验强度等；结压力关系、三轴试验强度等；进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗剪强度。剪强度。二、加载预压法设计二、加载预压法设计 其设计内
6、容包括：其设计内容包括：选择竖向排水体，确定其尺寸、选择竖向排水体，确定其尺寸、间距、排列方式和深度；间距、排列方式和深度；确定预压荷载的大小、范围、速率和预压时间；确定预压荷载的大小、范围、速率和预压时间；计算地基的固结度、强度增长；计算地基的固结度、强度增长；进行稳定性和变形计算。进行稳定性和变形计算。(一一)预压荷载计算预压荷载计算 通常预压荷载大小取建筑物的基底压力值；采通常预压荷载大小取建筑物的基底压力值；采用超载预压法时，其预压荷载大于基底压力值。用超载预压法时，其预压荷载大于基底压力值。1.加载预压的计算步骤加载预压的计算步骤 利用天然地基土的抗剪强度，计算第一级容利用天然地基土
7、的抗剪强度，计算第一级容许施加荷载许施加荷载p1。斯开普顿极限荷载半经验公式斯开普顿极限荷载半经验公式对于饱和软粘土对于饱和软粘土对于长条形填土对于长条形填土计算计算p1作用下地基强度增长值作用下地基强度增长值计算计算p1作用下达到设计要求的固结度所需时间，作用下达到设计要求的固结度所需时间，并确定并确定p2加载时间加载时间根据根据p1作用下的地基强度，计算作用下的地基强度，计算p2值值并求出并求出p2下地基固结度达下地基固结度达70时的强度即所需时间，时的强度即所需时间，然后依次计算各级荷载。然后依次计算各级荷载。对每一级荷载进行稳定性验算对每一级荷载进行稳定性验算地基最终沉降量和预压沉降量
8、计算，并满足容许地基最终沉降量和预压沉降量计算，并满足容许沉降量要求沉降量要求2.超载预压超载预压优点：优点：可以缩短预压时间；可以缩短预压时间；在建筑物荷载作用下地基不会产生主固结变形；在建筑物荷载作用下地基不会产生主固结变形；而且可减少次固结变形。而且可减少次固结变形。超载值的确定超载值的确定 一般情况下一般情况下粘土层粘土层有机质粘土、泥炭土有机质粘土、泥炭土(二二)砂井排水固结的设计计算砂井排水固结的设计计算1.砂井设计砂井设计 其设计内容包括：砂井的直径、间距、深度、排列其设计内容包括：砂井的直径、间距、深度、排列方式和砂料的选择。方式和砂料的选择。砂井的直径和间距砂井的直径和间距
9、可由井径比来确定可由井径比来确定 普通砂井井径比一般取普通砂井井径比一般取68，袋装砂井或塑料排水，袋装砂井或塑料排水带井径比一般取带井径比一般取1520。砂井深度的一般原则砂井深度的一般原则 压缩层不厚时，砂井应贯穿压缩土层；压缩层不厚时，砂井应贯穿压缩土层；压缩土层较厚但有砂层或砂透镜体时，应达到砂压缩土层较厚但有砂层或砂透镜体时，应达到砂 层或透镜体；层或透镜体；无砂层或透镜体的深厚压缩层，根据地基稳定性无砂层或透镜体的深厚压缩层，根据地基稳定性及建筑物在地基中的附加应力与自重应力之比确定；及建筑物在地基中的附加应力与自重应力之比确定；砂井排列砂井排列 对以地基抗滑稳定性控制对以地基抗滑
10、稳定性控制 的工程，砂井深度应超的工程，砂井深度应超过最危险滑动面过最危险滑动面2m。等效圆柱体的直径等效圆柱体的直径de与砂井间距与砂井间距S的关系：的关系：砂井布置范围及砂垫层砂井布置范围及砂垫层 一般应比建筑物外缘扩大一般应比建筑物外缘扩大24m或更大，砂垫层水或更大，砂垫层水上施工可取，水下施工可取上施工可取，水下施工可取0.81.0m.2.砂井地基固结度计算砂井地基固结度计算 瞬时加载条件下砂井地基固结度计算瞬时加载条件下砂井地基固结度计算 固结微分方程：固结微分方程：KvKh时时在五个假设条件下可分解为：在五个假设条件下可分解为：一维固结2.砂井地基固结度计算砂井地基固结度计算 瞬
11、时加载条件下砂井地基固结度计算瞬时加载条件下砂井地基固结度计算 固结微分方程：固结微分方程：对于一次性骤然施加外荷载，且孔隙水仅沿竖向渗透的地基，其竖向平均因结度可按下式计算(Uz30时)2、径向平均固结度：三维固结：径向固结方程：考虑在直径为de、高度H的圆柱体的土层中插入直径 dw的砂井，假定砂井地基表面荷载均匀分布且附加应力的分布不随深度变化；不考虑固结过程中固结系数变化和砂井施工中涂抹作用的影响，且只考虑径向排水效果，则有径向平均固结度计算式：3、总固结度计算由径向、竖向共同排水引起的总平均固结度表达式为：砂井地基固结度计算修正砂井地基固结度计算修正砂井未打穿软土层时固结度计算砂井未打
12、穿软土层时固结度计算逐渐加载条件下地基固结度计算逐渐加载条件下地基固结度计算a.改进的太沙基法改进的太沙基法3.影响砂井固结度的因素影响砂井固结度的因素 砂井中的砂料对渗流有阻力，会产生水头损失，砂井中的砂料对渗流有阻力，会产生水头损失，应考虑井阻作用。应考虑井阻作用。采用机械施工方式，会对周围土产生扰动，对井采用机械施工方式，会对周围土产生扰动，对井壁产生涂抹作用而降低径向渗透性。壁产生涂抹作用而降低径向渗透性。三、真空预压法设计三、真空预压法设计(一一)竖向排水体设计竖向排水体设计 一般采用袋装砂井和塑料排水带，竖向排水体将负一般采用袋装砂井和塑料排水带，竖向排水体将负压由砂垫层传到土体，
13、将土体的水抽至砂垫层后排出。压由砂垫层传到土体，将土体的水抽至砂垫层后排出。(二二)真空度及平均固结度真空度及平均固结度 真空预压的膜下真空度应保持在真空预压的膜下真空度应保持在600mmHg(约约80kPa)以上；压缩土层的平均固结度应大于以上；压缩土层的平均固结度应大于80。(三三)预压面积及分块大小预压面积及分块大小 真空预压的总面积不得小于基础外缘所包围的面积，真空预压的总面积不得小于基础外缘所包围的面积，一般边缘应超出建筑物基础外缘一般边缘应超出建筑物基础外缘23m；每块预压的面；每块预压的面积应尽可能大，并要求彼此有搭接。积应尽可能大，并要求彼此有搭接。(四四)地基变形计算地基变形
14、计算 根据土层的固结度计算出有效应力，然后从室内固根据土层的固结度计算出有效应力，然后从室内固结试验得到的结试验得到的ep关系曲线查出相应的孔隙比利用分层关系曲线查出相应的孔隙比利用分层总和法进行计算。总和法进行计算。四、地基土强度增长计算四、地基土强度增长计算地基中某一时刻土的抗剪强度公式地基中某一时刻土的抗剪强度公式(一一)有效应力法有效应力法(二二)有效固结压力法有效固结压力法 由于固结而增长的强度：由于固结而增长的强度：五、沉降计算五、沉降计算3.次固结沉降：次固结沉降：是由土中骨架在持续荷载作用下，发生是由土中骨架在持续荷载作用下，发生蠕变而引起的。蠕变而引起的。一般泥炭土、有机质土
15、或高塑性粘土层次固结沉降一般泥炭土、有机质土或高塑性粘土层次固结沉降较大，其它可以忽略。较大，其它可以忽略。1.瞬时沉降：瞬时沉降：是指荷载施加后立即发生的沉降量，由剪是指荷载施加后立即发生的沉降量，由剪切变形引起。切变形引起。2.固结沉降：固结沉降：是指地基的排水固结引起的沉降，是地基是指地基的排水固结引起的沉降，是地基沉降中最主要的部分。沉降中最主要的部分。4.经验计算法经验计算法多级沉降任一时刻地基沉降量多级沉降任一时刻地基沉降量5.三点推算法三点推算法六、稳定分析六、稳定分析 稳定分析可以解决的问题：稳定分析可以解决的问题：地基在天然状态下的最大堆载；地基在天然状态下的最大堆载；在各级预压荷载作用下的稳定性；在各级预压荷载作用下的稳定性；最大许可预压堆载；最大许可预压堆载；理想的堆载计划。理想的堆载计划。(一一)地基强度沿深度增加时的稳定性分析方法地基强度沿深度增加时的稳定性分析方法1.确定强度变化规律确定强度变化规律