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1、岩土工程 地基处理 排水固结 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 加固原理加固原理8.3 8.3 设计计算设计计算8.4 8.4 施工方法施工方法8.5 8.5 现场观测及堆载速率控制现场观测及堆载速率控制排水固结法排水固结法8.1 8.1 概概 述述 排排水水固固结结法法是是对对地地下下水水位位以以下下的的天天然然地地基基，或或先先在在地地基基中中设设置置砂砂井井(袋袋装装砂砂井井或或塑塑料料排排水水带带)等等竖
2、竖向向排排水水体体地地基基，然然后后利利用用建建筑筑物物本本身身重重量量分分级级逐逐渐渐加加载载；或或在在建建筑筑物物建建造造前前在在场场地地先先行行加加载载预预压压，通通过过加加载载系系统统在在地地基基中中产产生生水水头头差差，使使土土体体中中的的孔孔隙隙水水排排出出，逐逐渐渐固固结结，地地基基发发生生沉沉降降，同时强度逐步提高的方法。同时强度逐步提高的方法。排排水水固固结结法法能能解解决决软软粘粘土土地地基基的的沉沉降降和和稳稳定定问问题题。可可使使地地基基的的沉沉降降在在预预压压期期间间基基本本完完成成或或大大部部分分完完成成，保保证证建建筑筑物物在在使使用用期期间间不不致致产产生生过过
3、大大的的沉沉降降和和沉沉降降差差。同同时时可可增增加地基土的抗剪强度，提高地基的承载力和稳定性。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。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。根根据据排排水水系系统统和和加加压压系系统统的的不不同同，排排水水固固结结法法可可分分为为：堆堆载载预预压压法法、砂砂井井(包包括括袋袋装装砂砂井井、塑塑料料排排水水板板等等)堆堆载载预预压法、真空预压法、降低地下水位法和电渗法。压法、真空预压法、降低地下水位法和电渗法。排水固结法的种类排水固结法的种类 堆堆载载预预压压法法和和砂砂井井堆堆载载预预
4、压压法法唯唯一一的的区区别别在在于于：前前者者的的排排水水系系统统以以天天然然地地基基土土层层本本身身为为主主；而而后后者者在在天天然然地地基基中还人为地增设了诸如砂井等排水系统。中还人为地增设了诸如砂井等排水系统。排水系统排水系统加压系统加压系统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分共同组合而成的。两部分共同组合而成的。排水系统是一种手段排水系统是一种手段，如没有加压系统，如没有加压系统，孔隙中的水没有压力差就不孔隙中的水没有压力差就不会自然排出会自然排出，地基也就得不到加固。如果只增加固结压力，不缩短土层的，地基也就得不到加固。如果只增加固结压力，不缩短土层
5、的排水距离，则不能在排水距离，则不能在预压期间预压期间尽快地完成设计所要求的沉降量，强度不能尽快地完成设计所要求的沉降量，强度不能及时提高，加载也不能顺利进行。所以上述两个系统，在设计时总是联系及时提高，加载也不能顺利进行。所以上述两个系统，在设计时总是联系起来考虑的。起来考虑的。排水固结法的主要目的：排水固结法的主要目的：减少地基沉降，使地基的沉降在加载预压期间大部分或减少地基沉降，使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成；基本完成；通过排水固结，加速地基土抗剪强度的增长，提高地基通过排水固结，加速地基土抗剪强度的增长，提高地基强度及稳定性；强度及稳定性；消除欠固结软土地基中桩的消除欠固结
6、软土地基中桩的负摩阻力负摩阻力，并可消除竣工后，并可消除竣工后地基的不均匀沉降等。地基的不均匀沉降等。适用于饱和软粘土适用于饱和软粘土：淤泥及淤泥质土、冲填土、：淤泥及淤泥质土、冲填土、填海填海（湖）造田含水量、压缩性高，强度、渗透性低。（湖）造田含水量、压缩性高，强度、渗透性低。砂井法砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。但砂井只能特别适用于存在连续薄砂层的地基。但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，不宜只采用砂井法。克服次固结可利用结土，不宜只采用砂井法。克服次固结可利用超载超载的方法。的方法。真空预压法真空预压
7、法适用于能在加固区形成适用于能在加固区形成(包括采取措施后形成包括采取措施后形成)稳定负压边界条件的软土地基。稳定负压边界条件的软土地基。降低地下水位法、真空预降低地下水位法、真空预压法和电渗法压法和电渗法由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，所以它适用于很软弱的粘土地基。所以它适用于很软弱的粘土地基。排水固结法一般根据排水固结法一般根据预压目的选择加压方法预压目的选择加压方法。解决两个。解决两个问题问题：沉降问题、稳定问题：沉降问题、稳定问题8.2 8.2 加固机理加固机理 加 固 软 土 层竖 向 排 水 体排水垫层水平排水盲沟一、排水固结法原理无
8、论采用何种加压方式，排水固结无论采用何种加压方式，排水固结法的法的最终目的最终目的是：使地基土中孔隙水是：使地基土中孔隙水排出，随着超静水压力逐渐消散，有排出，随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，孔隙比减小，地基效应力逐渐提高，孔隙比减小，地基发生固结变形。达到减小沉降、增加发生固结变形。达到减小沉降、增加地基土强度的目的。地基土强度的目的。超载预压超载预压排水固结法是通过堆载预压，使原排水固结法是通过堆载预压，使原来正常固结黏土层变为处于超固结土，来正常固结黏土层变为处于超固结土，而超固结土与正常固结土相比具有压而超固结土与正常固结土相比具有压缩性小和强度高的特点，从而达到减缩性小和强
9、度高的特点，从而达到减小沉降和提高承载力的目的。小沉降和提高承载力的目的。预压法预压法超载预压法超载预压法 地基土层的排水固结效果地基土层的排水固结效果与它的排水边界有关与它的排水边界有关。根据固结理论，在达到同一。根据固结理论，在达到同一固结度时，固结度时，固结所需的时间与排水距离的长短平方成正比固结所需的时间与排水距离的长短平方成正比。软粘土层越厚，一维。软粘土层越厚，一维固结所需的时间越长。如果淤泥质土层厚度大于固结所需的时间越长。如果淤泥质土层厚度大于101020m20m，要达到较大固结度，要达到较大固结度80%80%，所需的时间要几年至几十年之久。为了加速固结，所需的时间要几年至几十
10、年之久。为了加速固结，最为有效的方法是在天最为有效的方法是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离，在天然地基中设置垂向排水体。然土层中增加排水途径，缩短排水距离，在天然地基中设置垂向排水体。这时土这时土层中的孔隙水主要通过砂井和部分从竖向排出。所以层中的孔隙水主要通过砂井和部分从竖向排出。所以砂井砂井(袋装砂井或塑料排水袋装砂井或塑料排水带带)的作用就是增加排水条件的作用就是增加排水条件。为此，缩短了预压工程的预压期，在短期内达到。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；加速地基土强度的增长，较好的固结效果，使沉降提前完成；加速地基土强度的增长，使地基承载力提
11、高使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载的速率的速率始终大于施工荷载的速率，以保证地基的稳定性，这一点无论从理论和实，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。践上都得到了证实。竖向排水情况竖向排水情况砂井地基排水情况砂井地基排水情况 预压法是在建筑物建造以前，在建筑预压法是在建筑物建造以前，在建筑场地进行加载预压，使地基的固结沉降场地进行加载预压，使地基的固结沉降基本完成并提高地基土强度的方法。基本完成并提高地基土强度的方法。在饱和软土地基上施加荷载后，在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙孔隙水被缓慢排出水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减少，孔隙体积随之逐渐减少，地基发生固结变形。
12、同时随着超静水压地基发生固结变形。同时随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度就逐渐增长。土强度就逐渐增长。在荷载作用下，在荷载作用下，土层的固结过程土层的固结过程就是就是超静孔隙水压力超静孔隙水压力(简称孔隙水压力简称孔隙水压力)消散消散和有效应力增加的过程。和有效应力增加的过程。堆载预压是在地基中形成超静水压力堆载预压是在地基中形成超静水压力的条件下排水固结，称为的条件下排水固结，称为正压固结正压固结。二、堆载预压加固机理二、堆载预压加固机理堆载预压堆载预压1 12 2 分级堆载分级堆载 竖向排水砂井、塑料排水板竖向排水砂井、塑料排水板 水平排
13、水垫层水平排水垫层堆载过快易失稳堆载过快易失稳 真空预压不会失稳真空预压不会失稳 预压固结的加载速率预压固结的加载速率快加载快加载不排水不排水破坏破坏分级慢分级慢排水排水达到密实固结达到密实固结K0Kf降水降水qp p总应力路径总应力路径不排水不排水pt工作原理工作原理真空预压法是在需要加固的软土地基表面真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层先铺设砂垫层，然后埋设，然后埋设垂直排水管道，再用垂直排水管道，再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，
14、用真空装置进行抽气，使其形成成真空真空，增加地基的有效应力。，增加地基的有效应力。三、真空预压加固机理真空预压真空预压-u 真空预压是通过覆盖于地面的密封膜下真空预压是通过覆盖于地面的密封膜下抽真空抽真空，使膜内外，使膜内外形成形成气压差气压差，使粘土层产生固结压力。即是在，使粘土层产生固结压力。即是在总应力不变总应力不变的的情况下，通过情况下，通过减小孔隙水压力减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。真空来增加有效应力的方法。真空预压是在负超静水压力下排水固结，称为预压是在负超静水压力下排水固结，称为负压固结负压固结。真空预压模型试验真空预压模型试验真空预压法的原理主要反映在以下几个方面：真空预
15、压法的原理主要反映在以下几个方面：1)1)薄膜上面承受等于薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载薄膜内外压差的荷载；2)2)地下水位降低，相应增加附加应力；地下水位降低，相应增加附加应力；3)3)封闭气泡排出封闭气泡排出，土的渗透性加大。，土的渗透性加大。Vacuum Consolidation系统组成系统组成加压系统加压系统 真空-堆载联合预压加固FLASH堆载预压法与真空预压法加固原理对比堆载预压法与真空预压法加固原理对比 堆载预压法堆载预压法真空预压法真空预压法加载方式加载方式堆重堆重稳定负压稳定负压地基土中总应力地基土中总应力总应力增加，正压固结总应力增加，正压固结总应力不变，负压固结总应
16、力不变，负压固结排水系统中水压力排水系统中水压力 水压力接近静水压力水压力接近静水压力水压力小于静水压力水压力小于静水压力地基土中水压力地基土中水压力由超孔压逐渐消散至静水由超孔压逐渐消散至静水压力压力由静水压力逐渐消散至一由静水压力逐渐消散至一稳定负压稳定负压地基土水流特征地基土水流特征加固区流向四周，加固区流向四周，“挤水挤水”过程过程四周流向加固区，四周流向加固区，“吸水吸水”过程过程加载速率加载速率严格控制加载速率严格控制加载速率不控制不控制(二二)降水预固结降水预固结 基坑基坑设计坑底设计坑底坑底降水深度坑底降水深度D坑底降水线坑底降水线板桩板桩四、降低地下水位法原理四、降低地下水位
17、法原理有压地下水有压地下水天然面地下水天然面地下水降水方法的选用与土层的渗透性关系很大。降水方法的选用与土层的渗透性关系很大。五、电渗法原理五、电渗法原理堆堆载载预预压压法法就就是是用用填填上上等等外外加加荷荷载载来来增增加加总总应应力力并并使超静孔隙水压力使超静孔隙水压力u u消散从而增加有效应力消散从而增加有效应力的方法。的方法。降降低低地地下下水水位位和和电电渗渗排排水水法法是是总总应应力力不不变变,减减少少孔孔隙隙水水压力来增加有效应力压力来增加有效应力的方法。的方法。有效应力增加有效应力增加土层压缩量土层压缩量8.3 8.3 设计与计算设计与计算 土的固结就是土的固结就是孔隙水压消散
18、和有效应力不断增加孔隙水压消散和有效应力不断增加的过程的过程，这一过程遵循有效应力原理：，这一过程遵循有效应力原理：计算理论计算理论 8.3.1 8.3.1 沉降计算沉降计算以稳定控制的工程以稳定控制的工程以沉降控制的建筑物以沉降控制的建筑物一、建筑物使用期间的沉降计算一、建筑物使用期间的沉降计算建筑物使用期间的沉建筑物使用期间的沉降计算方法根据预压降计算方法根据预压工程的不同特性而有工程的不同特性而有所差别。所差别。对于预压荷载与建筑对于预压荷载与建筑物自身荷载分离的工物自身荷载分离的工程程对于预压荷载即建筑对于预压荷载即建筑物自重物自重tSF初始瞬时沉降初始瞬时沉降 S Sd d，取决于，
19、取决于剪切变形剪切变形F主固结沉降主固结沉降 Sc，取决于渗，取决于渗透固结过程，通常是地基透固结过程，通常是地基变形的主要部分变形的主要部分F次固结沉降次固结沉降 Ss，取决于土，取决于土骨架的蠕变变形骨架的蠕变变形总变形：总变形：S Sd d：初始瞬时沉降：初始瞬时沉降Ss:次固结沉降次固结沉降S Sc c：主固结沉降：主固结沉降二、总沉降计算二、总沉降计算三、预压期间沉降量计算三、预压期间沉降量计算8.3.2 8.3.2 承载力计算承载力计算处理后地基承载力可根据斯开普顿极限荷载的半经验公式初步估算：处理后地基承载力可根据斯开普顿极限荷载的半经验公式初步估算：根据土的抗剪强度理论，即根据
20、土的抗剪强度理论，即摩尔库仑理论摩尔库仑理论，强，强度增长与有效应力的增长呈正比关系，排水预压处度增长与有效应力的增长呈正比关系，排水预压处理后地基土的不排水抗剪强度可采用下式估算：理后地基土的不排水抗剪强度可采用下式估算：1 1、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算 2 2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算 3 3、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算（考虑、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算（考虑涂抹和井阻影响）涂抹和井阻影响）4 4、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算（考虑涂抹和井阻
21、影响）（考虑涂抹和井阻影响）8.3.3 8.3.3 砂井地基固结度计算砂井地基固结度计算一、瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算一、瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算排水面排水面排水面排水面砂井地基属于三维固结轴对称问题，砂井地基属于三维固结轴对称问题，以圆柱坐标表示：以圆柱坐标表示：竖向竖向径向径向任意一点的孔隙水压力有如下关系：任意一点的孔隙水压力有如下关系：整个砂井影响范围内土柱体孔隙水压力有如下关系：整个砂井影响范围内土柱体孔隙水压力有如下关系：固结度表达则为：固结度表达则为：1.1.竖向排水的平均固结度竖向排水的平均固结度某一时间竖向固结度的计算公式为：某一时间竖向固结度的计算公式为：
22、式中式中m为正奇数为正奇数竖向固结的竖向固结的时间因数时间因数2.2.径向排水的平均固结度径向排水的平均固结度径向固结的径向固结的时间因数时间因数F为与为与n有关的系数：有关的系数：lldede正三角形排列正三角形排列 正方形排列正方形排列 3.3.总固结度总固结度4.4.考虑井阻和涂抹作用影响考虑井阻和涂抹作用影响F为与为与n有关的系数：有关的系数：竖井纵向竖井纵向通水量通水量5.5.砂井未贯穿受压土层的平均固结度计算砂井未贯穿受压土层的平均固结度计算 不同条件下平均固结度计算公式不同条件下平均固结度计算公式 二、逐级加荷条件下地基固结度的计算二、逐级加荷条件下地基固结度的计算1.1.改进的
23、太沙基法改进的太沙基法 对于分级加荷的情况，太沙基的修正方对于分级加荷的情况，太沙基的修正方法是假定：法是假定：(a)(a)每一级荷载增量所引起的固结过程是每一级荷载增量所引起的固结过程是单独进行的单独进行的，与上一级荷载增量所引起的固，与上一级荷载增量所引起的固结度完全无关；结度完全无关；(b)(b)总固结度等于各级荷载增量作用下固总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的结度的叠加叠加；(c)(c)每一级荷载增量在每一级荷载增量在等速加荷经过时间等速加荷经过时间t t的固结度的固结度与在与在t/2t/2时的瞬时加荷的固结度时的瞬时加荷的固结度相相同，也即计算固结的时间为同，也即计算固结的时间为
24、t/2t/2。(d)(d)在加荷停止以后，在恒载作用期间的在加荷停止以后，在恒载作用期间的固结度，即固结度，即时间时间t t大于大于TiTi（此处（此处TiTi为为pipi的加的加载期）时的固结度和在载期）时的固结度和在Ti/2时时瞬时加荷瞬时加荷pi后后经过时间经过时间(t-(t-Ti/2)的固结度相同；的固结度相同；(e)(e)所算得的固结度仅是对所算得的固结度仅是对本级荷载本级荷载而言，而言，对总荷载还要按荷载的比例进行修正。对总荷载还要按荷载的比例进行修正。多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算2.2.改进的高木俊法改进的高木俊法 该法是根据巴伦理论，
25、该法是根据巴伦理论，考虑变速加荷使砂井地基在辐射向和考虑变速加荷使砂井地基在辐射向和垂直向排水条件下垂直向排水条件下推导出砂井地基平均固结度的，推导出砂井地基平均固结度的，其特点是不需其特点是不需要求得瞬时加荷条件下地基固结度要求得瞬时加荷条件下地基固结度，而是可直接求得修正后的平，而是可直接求得修正后的平均固结度。修正后的平均固结度为：均固结度。修正后的平均固结度为：三、影响砂井固结度的几个因素三、影响砂井固结度的几个因素 初始空隙水压力基本没有影响初始空隙水压力基本没有影响 井阻和涂抹作用：井阻和涂抹作用：在实际砂井施工中，由于沉管对周围土体的在实际砂井施工中，由于沉管对周围土体的扰动和重
26、塑扰动和重塑作用作用，在砂井周围形成了一个，在砂井周围形成了一个“涂抹区涂抹区”，使该区内土渗透，使该区内土渗透性降低，压缩性增大。性降低，压缩性增大。井阻和涂抹作用对固结速率的影响有时十分井阻和涂抹作用对固结速率的影响有时十分显著显著。比如比如宁波机场袋装砂井场地，在堆载宁波机场袋装砂井场地，在堆载205205天后，考虑井阻与涂抹作天后，考虑井阻与涂抹作用影响的地基实际平均固结度仅为按理想砂井地基计算的固用影响的地基实际平均固结度仅为按理想砂井地基计算的固结度结度0.810.81倍。倍。关于关于砂料的阻力砂料的阻力;在土中水向砂井渗流过程中，在土中水向砂井渗流过程中，砂料对渗砂料对渗流产生的
27、阻力流产生的阻力也会影响土层的固结速率。也会影响土层的固结速率。8.3.4 8.3.4 堆载预压法设计堆载预压法设计一、加压系统设计一、加压系统设计 堆载预压，根据土质情况分为堆载预压，根据土质情况分为单级加荷和多级加荷单级加荷和多级加荷；根据；根据堆载材料分为堆载材料分为自重预压、加荷预压和加水预压自重预压、加荷预压和加水预压。堆载一般用填土、砂石等散粒材料；油罐通常利用灌体堆载一般用填土、砂石等散粒材料；油罐通常利用灌体充充水水对地基进行预压。对堤坝等以稳定为控制的工程，则以其对地基进行预压。对堤坝等以稳定为控制的工程，则以其本本身的重量身的重量有控制地分级逐渐加载，直至设计标高。有控制地
28、分级逐渐加载，直至设计标高。由于由于软粘土软粘土地基抗剪强度低，无论直接建造建筑物还是进地基抗剪强度低，无论直接建造建筑物还是进行堆载预压往往都不可能快速加载，而必须分级逐渐加荷，待行堆载预压往往都不可能快速加载，而必须分级逐渐加荷，待前期荷载下地基强度增加到足已加下一级荷载时方可加下一级前期荷载下地基强度增加到足已加下一级荷载时方可加下一级荷载。其计算步骤是，首先用简便的方法确定一个初步的加荷荷载。其计算步骤是，首先用简便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校核这一加荷计划下的地基的稳定性和沉降。计划，然后校核这一加荷计划下的地基的稳定性和沉降。利利用用地地基基的的天天然然抗抗剪剪强强度度计计
29、算算第第一一级级容容许许施施加加的的荷荷载载p1。对对长长条条梯形填土，可根据梯形填土，可根据Fellenius公式估算，即：公式估算，即：计算第一级荷载下地基强度增长值。计算第一级荷载下地基强度增长值。通常假设地基的固结度为通常假设地基的固结度为70，然后计算出强度增长量；，然后计算出强度增长量；为考虑为考虑剪切蠕变的强度折减系数。剪切蠕变的强度折减系数。加压系统设计计算步骤加压系统设计计算步骤 计算计算p p1 1作用下达到所定固结度所需要的时间。作用下达到所定固结度所需要的时间。达达到到某某一一固固结结度度所所需需时时间间可可根根据据固固结结度度与与时时间间的的关关系系求求得得。这这一一
30、步步计计算算的的目目的的是是确确定定第第一一级级荷荷载载停停歇歇的的时时间间，亦亦即即第第二二级级荷荷载载开开始施加的时间。始施加的时间。根据第根据第2 2步所得到的地基强度步所得到的地基强度f f1 1计算第二级所能计算第二级所能施加的荷载施加的荷载p p2 2，即，即 同同样样求求出出在在p p2 2作作用用下下地地基基固固结结度度达达7070时时的的强强度度以以及及所所需需时时间间，然然后后计计算算第第三三级级所所能能施施加加的的荷荷载载。依依次次可可计计算算出出以以后后各各级级荷荷载载和和停停歇时间，初步的加荷计划也就确定下来。歇时间，初步的加荷计划也就确定下来。对对按按以以上上步步骤
31、骤确确定定的的加加荷荷计计划划进进行行每每一一级级荷荷载载下下地地基的稳定性验算。基的稳定性验算。如稳定性不满足，则调整加荷计划。如稳定性不满足，则调整加荷计划。计计算算预预压压荷荷载载下下地地基基的的最最终终沉沉降降量量和和预预压压期期间间的的沉沉降降量量。这这一一项项计计算算的的目目的的在在于于确确定定预预压压荷荷载载卸卸除除的的时时间间，这这时时地地基基在在预预压压荷荷载载下下所所完完成成的的沉沉降降量量已已达达设设计计要要求求，所剩留的沉降为建筑物所允许。所剩留的沉降为建筑物所允许。砂砂井井地地基基的的设设计计工工作作即即为为选选择择适适当当的的砂砂井井长长度度、直直径径、间间距距、以
32、以及及形形成成有有效效的的砂砂井井排排水水系系统统所所需需的的材材料料、砂砂垫垫层层厚厚度度等等，以以随随地地基基在在批批载载预预压压过过程程中中，在在预预期期的的时时间间内内，达到所需要的固结度达到所需要的固结度(通常定为通常定为8080)。材料选择材料选择：砂垫层砂料宜用中粗砂，粘粒含量不宜大于：砂垫层砂料宜用中粗砂，粘粒含量不宜大于3%3%，砂料中可混有少量粒径小于，砂料中可混有少量粒径小于50mm50mm的砾石。的砾石。砂井的砂料应选用中粗砂，其粘粒含量不应大于砂井的砂料应选用中粗砂，其粘粒含量不应大于3%3%。二、排水系统设计二、排水系统设计系统组成系统组成排水系统排水系统 材料 W
33、ick Drainssandgravel（1 1）砂井直径和间距）砂井直径和间距常采用常采用“细而密细而密”原则。原则。一般砂井直径：一般砂井直径：300300400mm400mm；间距：；间距：6 68 8倍井径。倍井径。袋装砂井直径：袋装砂井直径：7070120mm120mm；间距：；间距：15153030倍井径。倍井径。（2 2）砂井长度）砂井长度 根根据据现现场场各各种种因因素素定定。（土土层层厚厚、有有无无透透水水层层、压压缩缩层层厚厚度、承压水、稳定控制、沉降控制量等）一般度、承压水、稳定控制、沉降控制量等）一般10102525米。米。（3 3）砂井排列）砂井排列正三角形排列正三角
34、形排列 正方形排列正方形排列 排水路径排水路径不透水层不透水层d0砂井预压固结砂井预压固结新加坡人工填海新加坡人工填海新加坡人工填海新加坡人工填海Depositing sandDepositing sand 吹砂吹砂砂井预压固结砂井预压固结（4 4）砂井的布置范围）砂井的布置范围:大出基础轮廓线大出基础轮廓线2 24m4m。（5 5）砂垫层砂垫层 在在砂砂井井顶顶面面应应铺铺设设排排水水砂砂垫垫层层，以以连连接接砂砂井井，引引出出从从上上层层排排入入砂砂井井的的渗渗流流水水。砂砂垫垫层层的的厚厚度度一一股股为为0.30.30.5m(0.5m(水水下下砂砂垫垫层层厚厚度度为为1.0m1.0m左左
35、右右)。如如砂砂料料缺缺乏乏，可可采采用用连连通通砂砂井井的的纵横砂沟代替整片砂垫层。纵横砂沟代替整片砂垫层。系统组成排水系统 系统组成排水系统 Vertical Wick Drains垂直排水体垂直排水体Horizontal Drains水平排水体三、应用实测沉降三、应用实测沉降时间曲线推测最终沉降量时间曲线推测最终沉降量对于两级等速加荷的情况对于两级等速加荷的情况8.3.5 8.3.5 真空预压法设计真空预压法设计1.1.膜内真空度膜内真空度2.2.平均固结度平均固结度3.3.竖向排水体竖向排水体4.4.监测项目设计监测项目设计例例 题题 题题 解解题题6 6 地基土为淤泥质黏土层，固结系
36、数地基土为淤泥质黏土层，固结系数Cv=1.110Cv=1.110-3-3cmcm3 3/s/s，Ch=8.510Ch=8.510-3-3cmcm3 3/s/s，渗透系数，渗透系数kv=2.210kv=2.210-7-7cm/scm/s，kh=1.710kh=1.710-7-7cm/scm/s，受压土层厚度，受压土层厚度28m28m，采用塑料排水板（宽，采用塑料排水板（宽度度b=100mmb=100mm，厚度，厚度=4.5mm=4.5mm）竖井，排水板为等边三角形布置，）竖井，排水板为等边三角形布置，间距间距1.1m1.1m，竖井底部为不透水层黏土层，竖井穿过受压土层。，竖井底部为不透水层黏土层
37、，竖井穿过受压土层。采用真空结合堆载预压方案处理。真空预压荷载相当于采用真空结合堆载预压方案处理。真空预压荷载相当于80kPa80kPa，堆载预压总加载为，堆载预压总加载为120kPa120kPa，分两级等速加载。其加载过程，分两级等速加载。其加载过程为：为：真空预压加载真空预压加载80kPa80kPa，预压时间，预压时间60d60d。第一级堆载第一级堆载60kPa60kPa，10d10d内匀速加载，之后预压内匀速加载，之后预压30d30d。第二级堆载第二级堆载60kPa60kPa，10d10d内匀速加载，之后预压内匀速加载，之后预压60d60d。问：问：地基的总预压时间？井径比？在不考虑排水
38、板的井阻比地基的总预压时间？井径比？在不考虑排水板的井阻比和涂抹影响下受压土层的平均固结度？和涂抹影响下受压土层的平均固结度？例例 题题 题题 解解8.4 8.4 施工方法施工方法一、水平排水垫层的施工一、水平排水垫层的施工 排水砂垫层的作用是排水砂垫层的作用是使在预压过程中，从土体进入垫层的渗流使在预压过程中，从土体进入垫层的渗流水迅速排出水迅速排出，使土体固结能正常进行，因而垫层的质量将直接关系到，使土体固结能正常进行，因而垫层的质量将直接关系到加固效果和预压时间的长短。加固效果和预压时间的长短。1 1、垫层材料、垫层材料：应采取渗水好的砂料，同时能起到一定的：应采取渗水好的砂料，同时能起
39、到一定的反滤作用反滤作用。通常采用级配良好的中粗砂，一般不宜采用粉、细砂。也可采用连通通常采用级配良好的中粗砂，一般不宜采用粉、细砂。也可采用连通砂井的砂沟来代替整片砂垫层。砂井的砂沟来代替整片砂垫层。2 2、垫层厚度、垫层厚度：首先要满足从土层渗入垫层的渗流水能及时的排出，：首先要满足从土层渗入垫层的渗流水能及时的排出，另一方面应起到持力层的作用。另一方面应起到持力层的作用。3 3、垫层施工、垫层施工：首先应避免对软土表层的过大扰动，以免造成泥砂混：首先应避免对软土表层的过大扰动，以免造成泥砂混合，影响排水效果；铺设垫层前应清除干净砂井顶面的淤泥和其他杂合，影响排水效果；铺设垫层前应清除干净
40、砂井顶面的淤泥和其他杂物，以利砂井排水物，以利砂井排水。8.4.1 8.4.1 排水系统排水系统 竖向排水体有用竖向排水体有用303050cm50cm直径的普通砂井；直径的普通砂井；7 712cm12cm直径的袋装直径的袋装砂井；砂井；10cm10cm宽的塑料排水带。宽的塑料排水带。1 1、砂井施工：、砂井施工：要求要求：1)1)保证砂井连续和密实，并且不出现颈缩现象；保证砂井连续和密实，并且不出现颈缩现象；2)2)尽量减少尽量减少对周围土的扰动；对周围土的扰动；3)3)砂井的长度、直径和间距应满足设计要求。砂井的长度、直径和间距应满足设计要求。砂井施工一般先在地基中成孔，再在孔内灌砂形成砂井
41、。砂井施工一般先在地基中成孔，再在孔内灌砂形成砂井。砂井成孔的典型方法有套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法。砂井成孔的典型方法有套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法。以上各种成孔方法，必须保证砂井的施工质量以防缩颈、断颈或错位以上各种成孔方法，必须保证砂井的施工质量以防缩颈、断颈或错位现象。现象。二、二、竖向排水体施工竖向排水体施工 为了避免砂井断颈或缩颈现象，可用灌砂的密实度来控制为了避免砂井断颈或缩颈现象，可用灌砂的密实度来控制灌砂量。灌砂时可适当灌水，以利密实。灌砂量。灌砂时可适当灌水，以利密实。砂井位置的允许偏差为该井的直径，垂直度的允许偏差为砂井位置的允许偏差为该井的直径，垂直度的
42、允许偏差为1.5%1.5%。砂井的灌砂量砂井的灌砂量，应按，应按砂在中密状态时的干砂在中密状态时的干重度和井管外径所形重度和井管外径所形成的体积计算，其实成的体积计算，其实际灌砂量按质量控制际灌砂量按质量控制要求，不得小于计算要求，不得小于计算值的值的95%95%。2 2、袋装砂井施工、袋装砂井施工袋装砂井是用具有一定伸缩性和抗拉强度很高的袋装砂井是用具有一定伸缩性和抗拉强度很高的聚丙烯或聚乙烯编制袋装满砂子，他基本上解决了聚丙烯或聚乙烯编制袋装满砂子，他基本上解决了大直径砂井所存在的问题，使砂井的设计和施工更大直径砂井所存在的问题，使砂井的设计和施工更加科学化，保证砂井的连续性；打设设备实现
43、了轻加科学化，保证砂井的连续性；打设设备实现了轻型化，比较适应在软土地基上施工；用砂量大为减型化，比较适应在软土地基上施工；用砂量大为减少；施工速度快、工程造价低，是一种比较理想的少；施工速度快、工程造价低，是一种比较理想的竖向排水体。竖向排水体。袋装砂井是普通砂井的改良和发展。袋装砂井是普通砂井的改良和发展。袋装砂井1)1)施工机具和功效：在国内，袋装砂井成孔的方法有锤施工机具和功效：在国内，袋装砂井成孔的方法有锤击打入法、水冲法、静力压入法、钻孔法和振动灌入法五击打入法、水冲法、静力压入法、钻孔法和振动灌入法五种。种。2)2)砂袋材料的选择：必须具有透水、透气、足够的强度、砂袋材料的选择：
44、必须具有透水、透气、足够的强度、韧性和柔性，并且在水中能起耐腐蚀和滤网作用。韧性和柔性，并且在水中能起耐腐蚀和滤网作用。3)3)施工要求：施工要求：袋装砂井的直径一般采用袋装砂井的直径一般采用7070120120，间距，间距1.51.52.0m2.0m，井，井径比为径比为15152525。灌入砂袋的砂宜用干砂，并应灌制密实。砂袋长度应较砂灌入砂袋的砂宜用干砂，并应灌制密实。砂袋长度应较砂井孔长度长井孔长度长5050，使其放入井孔内后能露出地面，以便埋，使其放入井孔内后能露出地面，以便埋入排水砂垫层中。入排水砂垫层中。袋装砂井施工时，所用钢管的内径宜略大于砂井直径，以袋装砂井施工时，所用钢管的内
45、径宜略大于砂井直径，以减小施工过程中对地基土的扰动。另外，拔管后带上砂袋减小施工过程中对地基土的扰动。另外，拔管后带上砂袋的长度不宜超过的长度不宜超过500500。3 3、塑料排水带施工、塑料排水带施工可归纳为两大类：多孔质单一结构型和复合结构型可归纳为两大类：多孔质单一结构型和复合结构型 塑料排水板塑料排水板塑料排水板塑料排水板塑料排水板施工塑料排水板施工Area Installed with Vertical Drains 塑料排水板区塑料排水板区塑料排水板区塑料排水板区施工后的塑料排水板施工后的塑料排水板2)2)塑料排水带性能塑料排水带性能选择塑料排水带时，应使其具有良好的透水性和强度。
46、整选择塑料排水带时，应使其具有良好的透水性和强度。整个排水带应反复对折五次不断裂才认为合格。个排水带应反复对折五次不断裂才认为合格。3 3）塑料排水带施工）塑料排水带施工 (1)(1)插带机械：用于插设塑料带的插带机，种类很多，性插带机械：用于插设塑料带的插带机，种类很多，性能不一。由专门厂商生产，也有自行设计和制造的，或用能不一。由专门厂商生产，也有自行设计和制造的，或用挖掘机、起重机、打桩机改装。从机型分，由轨道式、轮挖掘机、起重机、打桩机改装。从机型分，由轨道式、轮胎式、链条式、履带式和步履式多种。胎式、链条式、履带式和步履式多种。(2)(2)塑料排水带导管靴与桩尖一般打设塑料带的导管靴
47、有塑料排水带导管靴与桩尖一般打设塑料带的导管靴有圆形和矩形两种。由于导管靴断面不同，所以桩尖各异，圆形和矩形两种。由于导管靴断面不同，所以桩尖各异，并且一般都与导管分离。桩尖主要作用是打设塑料带过程并且一般都与导管分离。桩尖主要作用是打设塑料带过程中防止淤泥进入导管，并且对塑料带起锚定作用，防止提中防止淤泥进入导管，并且对塑料带起锚定作用，防止提管时将塑料带拔出。管时将塑料带拔出。a a、圆形桩尖应配圆形管靴，一般为、圆形桩尖应配圆形管靴，一般为混凝土制品；混凝土制品；b b、倒梯形绑孔连接桩尖，此桩尖配、倒梯形绑孔连接桩尖，此桩尖配矩形管靴，一般为塑料制品，薄金矩形管靴，一般为塑料制品，薄金
48、属板也可，；属板也可，；c c、倒梯形楔挤压连接桩尖。该桩尖、倒梯形楔挤压连接桩尖。该桩尖固定塑料带比较简单，一般为塑料固定塑料带比较简单，一般为塑料制品，也可用薄金属板。制品，也可用薄金属板。(3)(3)塑料排水带施工工艺塑料排水带施工工艺塑料排水带打设顺序包括：定位；将塑料带通过导管从管靴穿出；将塑料排水带打设顺序包括：定位；将塑料带通过导管从管靴穿出；将塑料带与桩尖连接贴近管靴并对准桩位；插入塑料带；拔管剪断塑料塑料带与桩尖连接贴近管靴并对准桩位；插入塑料带；拔管剪断塑料带等。带等。在施工中尚应注意以下几点：在施工中尚应注意以下几点：a a、塑料带滤水膜在转盘和打设过程中应避免损坏，防止
49、淤泥进入带、塑料带滤水膜在转盘和打设过程中应避免损坏，防止淤泥进入带芯堵塞输水孔影响塑料带的排水效果；芯堵塞输水孔影响塑料带的排水效果；b b、塑料带与桩尖连接要牢固，避免拔管时脱开，将塑料带拔出；、塑料带与桩尖连接要牢固，避免拔管时脱开，将塑料带拔出；c c、桩尖平端与导管靴配合适当，避免错缝，防止淤泥在打设过程中、桩尖平端与导管靴配合适当，避免错缝，防止淤泥在打设过程中进入导管。增大对塑料带的阻力，甚至将塑料带拔出；进入导管。增大对塑料带的阻力，甚至将塑料带拔出；d d、塑料带需接长时，为减小带与导管阻力，应采用滤水膜内平搭接、塑料带需接长时，为减小带与导管阻力，应采用滤水膜内平搭接的连接
50、方法，为保证输水畅通并有足够的搭接强度，搭接长度需在的连接方法，为保证输水畅通并有足够的搭接强度，搭接长度需在200200以上。以上。8.4.2 预压荷载预压荷载一、利用建筑物自重压重一、利用建筑物自重压重二、堆载预压二、堆载预压系统组成系统组成加压系统加压系统 堆载桥头高填土堆载预压桥头高填土堆载预压场地高填土堆载预压场地高填土堆载预压临时填土堆载预压临时填土堆载预压Application of Surcharge 加载加载加载加载 过快会失稳过快会失稳过快会失稳过快会失稳三、真空预压三、真空预压1 1、加固区划分、加固区划分每块加固区场地的面积宜大不宜小，划分时应考虑以下每块加固区场地的面