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1、4.1 4.1 概概 述述 排水固结法（Consolidation）是处理软黏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，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，同时强度逐步提高的方法。排水固结法适用于处理淤泥质土、淤泥、泥炭土和冲 填土等饱和粘性土地基。第1页/共68页排水固结法通常由排水系统和加压系统两部分组成。第2页/共68页第3页/共68页 塑料排水板插板机第4页/共68页第5页/共68页塑料排水板地基处理第6页/共68页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
2、排水板施工现场塑料排水板施工现场第7页/共68页真空预压地基处理真空预压管网铺设第8页/共68页真空管网铺设第9页/共68页 真空系统第一层土工布铺设土工布铺设土工布缝接第10页/共68页真空系统双层密封土工膜的铺设 第11页/共68页真空系统土工膜的密封 第12页/共68页 出膜连接与真空系统安装出膜连接出膜管与真空泵连接第13页/共68页 试抽真空第14页/共68页 排水固结法可解决以下两个问题：（1）沉降问题。使地基的沉降在加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降差。（2）稳定问题。加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。第15页/共68
3、页4.2 排水固结法的原理第16页/共68页补充：地基固结度的计算第17页/共68页补充：地基固结度的计算第18页/共68页补充：地基固结度的计算第19页/共68页补充：地基固结度的计算第20页/共68页补充：地基固结度的计算第21页/共68页补充：地基固结度的计算第22页/共68页一级或多级等速加载条件下，当固结时间为t时，对应总荷载的地基平均固结度可按下式计算：第23页/共68页补充：地基固结度的计算当排水竖井采用挤土方式施工时，应考虑涂抹对土体固结的影响。当竖井的纵向通水量与天然土层水平向渗透系数的比值较小，且长度又较长时，尚应考虑井组影响。第24页/共68页补充：地基固结度的计算瞬时加
4、载条件下，考虑涂抹和井组影响时，竖井地基径向排水平均固结度可按下式计算：第25页/共68页补充：地基固结度的计算第26页/共68页补充：地基固结度的计算反映井阻作用影响的参数 的表达式为：第27页/共68页补充：地基固结度的计算一级或多级等速加载条件下，考虑涂抹和井阻影响时竖井穿透受压土层地基的平均固结度可按下式计算：第28页/共68页4.3 4.3 堆载预压设计计算堆载预压设计计算1 12 2 对深厚软粘土地基，应设置塑料排水带或砂井等排水竖井。当软土层厚度不大或软土层含较多薄粉砂夹层，且固结速率能满足工期要求时，可不设排水竖井。预压荷载顶面的范围应等于或大于建筑物基础外缘所包围的范围。加载
5、速率应根据地基土的强度确定。当天然地基土的强度满足预压荷载下地基的稳定性要求时，可一次性加载，否则应分级逐渐加载，待前期预压荷载下地基土的强度增长满足下一级荷载下地基的稳定性要求时方可加载。堆载过快易失稳第29页/共68页一、堆载预压的计算步骤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地基的稳定性和沉降，其步骤如下：第30页/共68页 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荷载p1，对饱和软黏土可采用下列公式估算：2 计算第一级荷载下地基强度增长值。在p1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cu1：3 计算p1 作用下达到所确定固结
6、度所需要的时间。目的在于确定第一级荷载停歇的时间，亦即第二级荷载开始施加的时间。第31页/共68页 4 根据第二步所得到的地基强度cu1计算第二级所能施加的荷载p2。p2可近似地按下式估算：同样，求出在 p2 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。第32页/共68页5 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。如稳定性不满足要求，则调整加荷计划。6 计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。这一项计算的目的在于确定预压荷载卸除的时间。第33页/共68页第34页/共68页二、超载预压 对沉降有严
7、格限制的建筑，应采用超载预压法处理地基。超载量的大小应根据预压时间内要求完成的变形量通过计算确定，并宜使预压荷载下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，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，而且将减小次固结变形，并推迟次固结变形的发生。第35页/共68页4.3 砂井排水固结设计计算砂井排水固结设计计算Design Procedure of Sand Drain 1925年，丹尼尔.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固，1926年获得专利。砂井法问世以后，因缺乏理论根据而按经验设计。19401942年，巴隆（Barron）根据太沙基的
8、固结理论，提出砂井法的设计计算方法。我国从20世纪50年代起，开始应用砂井法。第36页/共68页 砂井法主要适用于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、仓库、铁路路堤、贮矿场以及港口的水工建筑物等工程。一、砂井设计 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。第37页/共68页（1）砂井直径和间距 排水竖井的间距可根据地基土的固结特性和预定时间内所要求达到的固结度确定。设计时，竖井的间距可按井径比n选用（）第38页/共68页根据固结理论，砂井直径越大，间距越密，固结速率越快。如果比较砂井的直径和间距对固结度的影响，又可看出，在同一井径的条
9、件下，砂井间距缩小一半，固结时间约缩短三倍，而在同一间距条件下，井径增大一倍，固结时间只减小约三分之一。因此，缩短间距比增大井径对加速固结的效果更好。所以，采用“细而密”的方案是合理的。第39页/共68页按施工条件，砂井的间距一般不小于1.5m。为了保证排水畅通，在砂井预压地表铺一层砂，厚一般为0.51.0m，水下为12m。第40页/共68页 （2）砂井深度 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。一般为1025m。（3）砂井排列 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。在实际进行固结计算时，由于多边形作为边界条件求解很困难，
10、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。第41页/共68页第42页/共68页 正方形排列时 de1.13l 正三角形排列时 de1.05l de为砂井的有效直径，l为砂井间距。（4）砂井布置范围 砂井的布置范围一般可由基础的轮廓线向外增大约24m。（5）砂料 宜选用中粗砂，其含泥量不能超过3。（6）砂垫层 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。第43页/共68页 二、沉降计算 地基土的总沉降一般包括瞬时沉降、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.固结沉降是由于孔隙水的排出而引
11、起土体积减小所造成的，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，在恒值有效应力作用下土骨架的徐变所致。对对于一般粘性土，数值不大，但如果是塑性指于一般粘性土，数值不大，但如果是塑性指数较大时，正常固结的软粘土，尤其是有机数较大时，正常固结的软粘土，尤其是有机土，次固结沉降就不能忽略。土，次固结沉降就不能忽略。第44页/共68页沉降计算第45页/共68页沉降计算第46页/共68页沉降计算第47页/共68页沉降计算第48页/共68页第49页/共68页例题1 有一饱和软粘土，厚度为6m，压缩模量为1.5MPa，地下水位与饱和软粘土层顶面相齐。现准备分层铺设80cm砂垫层（重度为18），
12、打设塑料排水板至饱和软粘土层底面。然后采用80kPa大面积真空预压3个月，固结度达到85%。请问此时的残留沉降是多少？（沉降修正系数取1.0，附加应力不随深度变化）第50页/共68页4.4真空预压法 真空预压法是1952年由瑞典皇家地质学院提出的，施工时先在地面铺设一层透水的砂及砾石，其上覆盖不透气的薄膜材料，然后用射流泵抽气使透水材料中保持高度的真空度，使土体排水固结。真空预压法处理地基必须设置排水竖井。设计内容包括：竖井断面尺寸、间距、排列方式和深度的选择；预压区面积和分块大小；真空预压工艺；要求达到的真空度和土层的固结度；真空预压和建筑物荷载下地基的变形计算；真空预压后地基土的强度增长计
13、算等。具体内容见教材第51页/共68页真空预压和堆载预压比较具有如下优点：不需堆载材料，节省运输与造价；场地清洁，噪音小；不需分期加荷，工期短；可在很软的地基上采用。第52页/共68页1.井点降水预压法井点降水预压是借井点抽水降低地下水位以增加土的自重应力，达到预压目的。当降水56m时，降水预压荷载可达5060KPa。相当于3m左右厚的砂石的压力，由于降水后使孔隙水压力降低，不会使土体发生破坏，故可不需控制加荷速率，可一次降水至所需深度，加快固结时间。此法缺点是要一套专用设备，施工过程需专人管理和维修。其它的预压法第53页/共68页其它的预压法第54页/共68页4.5 施工方法施工方法要保证排
14、水固结法的加固效果，从施工角度考虑，主要应重视以下三个环节：铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加固结压力。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。灌入砂袋中的砂宜用干砂，并应灌致密实。第55页/共68页施工第56页/共68页施工第57页/共68页施工第58页/共68页施工第59页/共68页施工第60页/共68页施工第61页/共68页施工第62页/共68页施工第63页/共68页4.6 质量检验质量检验排水固结法加固地基施工中经常进行的检测项目有孔隙水压力观测、沉降观测、侧向位移观测、地基土物理力学指标检测等。第64页/共68页4.6 质量检验质量检验预压法竣工验收检验应符合下列规
15、定：（1）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均固结度应满足设计要求。第65页/共68页（2）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，尚应进行现场载荷试验，试验数量不应少于3点。（3）在加载过程中，应根据监测数据控制加载速率。对竖井地基，最大竖向变形量不应超过15mm,对天然地基，最大竖向变形量不应超过10mm,边桩水平位移每天不应超过5mm。根据上述观测资料综合分析，判断地基稳定性。第66页/共68页思考题思考题(Problems)（1）排水固结法适用于处理何种地基土？（2）排水固结法是如何提高地基土的强度和减小地基的沉降的？（3）了解堆载预压设计计算的步骤。（4）了解砂井排水固结的设计计算步骤。（5）了解真空预压设计计算的步骤。（6）了解堆载预压、真空预压及真空堆载预压法的施工方法。（7）排水固结法的现场监测与质量检验项目有哪些？第67页/共68页感谢您的观看。第68页/共68页