1、4.1 概述 4.2 排水固结的原理 4.3 堆载预压设计计算 4.4 砂井排水固结设计计算 4.5 真空预压设计计算 4.6 施工方法 4.7 真空-堆载联合预压法 4.8 质量检验,第4章 排水固结法 Consolidation,采用预压、降低地下水位、电渗等方法促使土层排水固结，以减少地基的沉降和不均匀沉降，提高承载力。,排水固结法(Consolidation )定义:,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。,作用,适用,适用于淤泥质
2、土、淤泥、泥炭土和冲 填土等饱和粘性土地基。,4.1 概述（Introduction）,排水固结法加固软土地基可以解决以下两个方面问题：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较大的沉降。,原理：在建筑场地上先加一个和上部结构相同的压力进行加载预压使土层固结，然后卸除荷载，再施工建筑物，可以使地基沉降减少，如进行超载预压(预压荷载大于建筑物荷载)效果将更好，但预压荷载不应大于地基土的容许承载力。,2稳定问题：加速地基土抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。,原理：饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水慢慢排出，孔隙体积慢慢地减小，地基发生固结变
3、形。同时，随着超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。,排水固结法通常由排水系统和加压系统两部分组成。,排水固结,排水固结组成系统,加压系统,排水系统,堆载预压法,堆载,排水 砂垫层,排水砂井,软土层,砂井堆载预压排水固结示意图,堆载产生超静水压力,系统组成排水系统,堆 水 预 压,塑料排水板插板机,塑料排水板地基处理,真空预压地基处理,真空预压管网铺设,排水板真空预压处理剖面示意图,Vertical Wick Drains,截面：芯板为并联十字型而组成口琴状。 滤膜 ：长纤热扎无纺布，渗水性能极为优良,芯板：聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)混合掺配制,袋装砂井,排水固结
4、法的设计，主要是根据上部结构荷载的大小、地基土的性质以及工期要求，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，使通过预压，地基能满足建筑物对变形和稳定性的要求。,一、排水系统加固机理,4.2 排水固结法的原理 （Principle of drainage consolidation method ）,根据太沙基固结理论,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。在地基中设置砂垫层及砂井等的目的就是为了增加排水途径，缩短排水距离，从而加快软弱土层的排水固结。,e,固结压力c,孔隙比e,0,1,e,a,b,c,d,f,加固机理1减小地基工后沉降：
5、初次加载曲线，在外加荷载10作用下，土样孔隙比减小了e；卸荷再压缩之后，孔隙比减小量为,e，远小于e，表明大部分压缩变形（ e e）都在预先施压过程中消除了。,二、加压系统,a,b,c,d,f,固结压力c,o,抗剪强度f,预压后，土体处于超固结状态，其抗剪强度要比处于正常固结状态时的强度高。,加固机理2提高土体强度：,4.3 堆载预压法设计计算 (Design Procedure of Preloading),一、堆载预压的计算步骤,加荷计划的确定,主要内容：分级加载速率和每级荷载的大小、总荷载水平、预压时间、预压加载范围等。,1,2,堆载过快易失稳,具体步骤如下：,（1）根据天然地基的抗剪强
6、度确定第一级加载p1,一般的浅基础可采用斯开普顿极限荷载的半经验公式初步估算：,式中 cu 天然地基不排水抗剪强度；Nc 承载力因数；矩形基础取5.52，圆形基础取6;K 安全系数，K=1.31.5；l、b 基础的长边和短边；d 基础的埋置深度；0 地基土的重度。,（Fellenius公式）,饱和软粘土,长条形填土,（2）计算第一级荷载作用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，,一般可先假定一固结度，工程上常要求Ut7080（即让地基在荷载p1作用下达到相应固结度后再施加下一级荷载），计算出强度增量后再求出cu1。,式中 cup1作用下
7、地基因固结而增长的强度，,（3）计算p1作用下达到所确定固结度（7080）所需时间。目的：确定第一级荷载停歇时间，亦即第二级荷载开始施加的时间。（4）根据第（2）步所得到的增长后的地基强度值计算第二级所能施加的荷载p2。再同样求出在p2作用下地基达到设定固结度时（7080）的抗剪强度cu2以及所需时间。依次类推，可计算以后各级荷载及其间隔时间，从而制定出初步加载计划。,（5）对初步确定的加荷计划应进行每级荷载下地基的稳定性验算，如稳定性不满足要求，则需调整加荷计划。（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。目的：确定预压荷载卸除的时间，这时地基在预压荷载作用下所完成的沉降量已达到
8、设计要求，所剩余的沉降是建筑物所允许的。,二、超载预压：预压荷载大于永久荷载的情况。,临时超载填土,砂垫层,砂井,对沉降有严格限制的建筑，应采用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，而且将减小次固结变形，并推迟次固结变形的发生。,超载量应根据预压期间要求消除的变形量通过计算确定，一般超载应控制小于设计荷载的30。 预压荷载的分布应与建筑物的设计荷载分布大致相同。加载范围不应小于建筑基础外缘所包括的范围。,可缩短预压时间,4.4 砂井排水固结设计计算 Design Proced
9、ure of Sand Drain,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。,砂井法特别适用于处理存在连续薄砂层的地基。,竖向排水体材料选择竖向排水体可采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水板。普通砂井的特点：优点井径较大、排水性能良好、井阻和涂抹作用的影响不明显。缺点容易出现不连续和缩颈现象，施工速度较慢、工程量大、造价较高。袋装砂井优点：（1）能够保证砂井的连续性；（2）打设设备轻型化；（3）用砂量减少，工效高，造价低
10、。,若需要设置的竖向排水体长度超过20m，建议采用普通砂井。,塑料排水带：排水畅通、质量轻、强度高、耐久性好等特点，是一种较理想的竖向排水体。,插 板 机,塑料排水板,砂井的间距可按井径比（n）选用，n按下式确定：n=de/dw,1）砂井的直径和间距：,主要取决于土的固结特性和施工期的要求。,因为为达到相同的固结度，缩短砂井间距比增加砂井直径效果要好，但要考虑施工的可操作性，过小会对施工扰动比较大。,等效砂井直径,砂井影响直径,普通砂井直径一般为300mm500mm，井径比为68； 袋装砂井直径一般为70mm120mm，井径比1522；,砂井,dw,de,dw,塑料排水带常用当量直径（周长相等
11、）表示，其当量直径可按下式计算：,式中 换算系数，约为0.751.0；b塑料排水带宽度；塑料排水带厚度。塑料排水带尺寸一般为100mm4mm，井径比与袋装砂井类似，一般为1522（30）。,砂井深度主要根据土层的分布、地基中的附加应力大小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。,2）砂井深度：,（1）当软土层不厚（10m）、底部有透水层时，排水体应尽可能穿透软土层；（2）当深厚的高压缩性土层间有砂层或砂透镜体时，排水体应尽可能打至砂层或砂透镜体。而采用真空预压时应尽量避免排水体与砂层相连接，以免影响真空效果；,一般为1025m,（3）对于无砂层的深厚地基则可根据其稳定性及建筑物在地基中造成的附
12、加应力与自重应力之比值确定（一般为0.10.2）；（4）对稳定性控制的工程（路堤、土坝），排水体深度应通过稳定分析确定，打入深度至少应超过最危险滑动面最大深度2m；（5）按沉降控制的工程，排水体打入深度应到达地基沉降计算时有效压缩层的深度。,砂井的平面布置可采取正方形或梅花形，在大面积荷载作用下，认为每个砂井均起独立排水作用。为了简化计算，将每个砂井平面上的排水影响面积以等面积的圆来代替，可得一根砂井的有效排水圆柱体的直径de和砂井间距l的关系按下式考虑：,梅花形布置,正方形布置,3）砂井排列：,由于在基础以外一定的范围内仍然存在压应力和剪应力，所以砂井的布置范围应比基础范围大为好，一般由基础
13、的轮廓线向外增加2-4m。,4）砂井的布置范围,5）砂料,砂料宜用中、粗砂，必须保证良好的透水性，含泥量不应超过3%。,6）砂垫层,为了使砂井有良好的排水通道，砂井顶部应铺设砂垫层，垫层砂料粒度和砂井砂料相同，厚度一般为0.5 m-1 m。,二、沉降计算,瞬时沉降,固结沉降,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。,总沉降,由于孔隙水的排出而引起土体积减小所造成的，占总沉降的主要部分。,次固结沉降,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。,4.5 真空预压设计计算 Design Procedure of Vacuum Preloading,真空预压法是以大
14、气压力作为预压荷载。先在需加固的软土地基表面铺设一层透水砂垫层，再在其上覆盖数层不透气的塑料薄膜或橡胶布，四周密封，与大气隔绝。在砂垫层内埋设排水管道，然后与真空泵连通，进行抽气，使透水材料保持较高的真空度，在土体孔隙水中产生负的孔隙水应力，将土中孔隙水和空气逐渐吸出，从而使土体固结。,真空预压法示意图,砂垫层及滤管,铺 膜,抽 气,高真空井点,射流真空泵,射 流 箱,真空预压法的加固机理主要反映在下面三个方面：（1）土中水排出：真空预压在抽气前，薄膜内外均承受一个大气压pa的作用，抽气后薄膜内形成一个压力差：首先使砂垫层，其次是砂井中的气压降到pv，使薄膜紧贴砂垫层，这个压差称之为“真空度”
15、。砂垫层中形成的真空度，通过垂直排水通道逐渐向下延伸，同时，真空度又由垂直排水通道向其四周的土体传递与扩散，引起土中孔隙水压力降低，形成负的超静孔隙水压力。从而使土体孔隙中的气和水由土体向垂直排水通道发生渗流，最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被泵抽出。,加固机理,（2）有效应力增加：地下水在上升的同时，形成排水体附近的真空负压，使土体内的孔隙水压形成压差，促使土中的孔隙水压力不断下降，地基有效应力不断增加，从而使土体固结；同时抽气后土体中水位降落，也会增加有效应力。（3）封闭气泡排出，土的渗透性加大：当饱和土体中含有少量封闭气泡时，在正压作用下，封闭气泡会堵塞孔隙，使土的渗透性降低，固结过程
16、减慢。但在真空吸力下，封闭气泡被吸出，从而使土体渗透性提高，固结加快。,土体和砂井间的压差，开始时为（papv），随着抽气时间的增长，压差逐渐变小，最终趋向于零，此时渗流停止，土体固结完成。所以真空预压过程，实质是利用大气压差作为预压荷载，使土体逐渐排水固结的过程。,真空预压是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的，这种方法和降水预压一样都是在负超孔隙水压力下排水固结，因而称为负压固结。,真空预压法能取得相当于7892kPa的等效荷载堆载预压法的效果。,堆载预压法，土体中的总应力是增加的，真空预压，总应力保持不变； 堆载预压法中，土体孔隙中形成的孔隙水压力增量是正值，即超静水
17、压力是正值；真空预压法中，土体孔隙中形成的孔隙水压力增量是负值。 堆载预压法中，土体有效应力的增长是通过正的超静孔隙水压力的消散来实现的，而真空预压法中，土体有效应力的增长是靠负的超静孔隙水 压力的形成来实现的。堆载预压法中，土体加固后形成的有效应力与上部施加的荷载大小有关，并且在垂直向和水平向上大小一般是不同的；真空预压法中土体有效应力的增加具有最大值，理论上最大为一个大气压，一般都低于此值，由于有效应力的增加依赖于孔隙水压力的降低来实现。所以，土体加固过程中有效应力增加值在垂直、水平及其他各方向上是相同的。,堆载预压与真空预压在加固机理方面区别,真空预压法的优点及缺点,（1）不需要大量堆载
18、，可省去加载和卸载工序，节省大量材料、能源和运输能力，缩短预压时间；（2）真空法所产生的负压使地基土的孔隙水加速排出，可缩短固结时间；同时由于孔隙水排出，渗流速度增大，地下水位降低，由渗流力和降低水位引起的附加应力也随之增大，提高了加固效果；负压可通过管路传到任何场地，适应性强；（3）孔隙渗流水的流向及渗流力引起的附加应力均指向被加固土体，周围土体向预压区移动使整个加固地基呈收缩的趋势；,（4）适用于超软粘土以及边坡、码头等地基稳定性要求较高的工程地基加固，土愈软，加固效果愈明显；（5）真空预压加固地基影响范围广而深；（6）无噪声、无振动、无污染，可做到文明施工。,缺点：工序复杂，工程费用较高
19、，预压效果受到一定局限，预压区周边效果相对较差，同时由于真空抽水最大高度为10m，因而当淤泥层厚度小于8m时预压效果较好，厚度超过8m则有所减弱，厚度越大越明显。,真空预压法适用范围,真空预压法适用于能在加固区形成（包括采取措施后形成）负压边界条件的饱和均质粘性土及含薄层砂夹层的粘性土，特别适于新吹填土、超软粘土地基的加固。但不适用于表层存在良好透气层或在加固范围内有较厚透水层并有充足水源补给的地基。,4.6 施工方法 （Construction Methods）,包括三部分：铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加荷载。,铺设水平垫层的目的：连通水体，将土体中渗出的水迅速排出，同时防止土颗粒堵塞排
20、水通道；对软粘土地基起到持力层的作用。1.垫层材料宜用中粗砂，一般不宜选用粉砂和细砂；砂垫层的干密度1.5t/m3，其渗透系数宜大于10-2cm/s。,一、水平排水垫层的施工,2.水平排水系统的设置,在预压区边缘应设置排水沟，与集水井相连，在预压区内宜设置与砂垫层连通的排水盲沟。,水平排水系统设置,3.垫层厚度和宽度厚度应能保证土从土中渗出的水能及时排出；厚度应满足施工时的承载要求。砂垫层的厚度一般不宜小于500mm。 排水砂垫层宽度等于铺设场地宽度，砂料不足时可用砂沟代替砂垫层，砂沟的宽度为23倍砂井直径，一般深度为4060cm。 4.垫层施工地基土表层可承受一般机械运行时，采用机械分堆摊铺
21、或顺序推进摊铺法；不能时可选用人力车或轻型皮带传输机由里向外或一边向另一边铺设；铺设荆笆、透水性好的编织物或土工聚合物。,5.施工要点厚度和平面尺寸要符合设计要求；误差小于10；与竖向排水体连接好，不允许混入杂物，防止堵塞排水通道；避免对地基土产生扰动；对真空预压垫层，面层4cm厚度范围内不得有带棱角的硬物。,二、竖向排水体的施工,（一）普通砂井施工1.砂井材料砂井的材料应采用中粗砂，不得含有杂物；保证有反滤作用。,2.施工顺序：先中间后周边的原则。,一般先在地基中成孔，再在孔内灌砂形成砂井。,3.施工工艺砂井成孔方法有：套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法。套管法套管法是将带有活瓣桩尖或套有
22、混凝土端靴的套管沉入到土层预定深度后，再灌砂、拔管成砂井。根据沉管工艺不同，分为：静压沉管法、锤击沉管法、锤击静压联合沉管法和振动沉管法。施工要点：沉管到设计深度灌水至充满灌砂至充满拔管。,射水法射水法是利用射水管的高速水流的冲击及环形切刀的机械切削作用。破坏土体，形成具有一定直径和深度的砂井，然后灌砂形成砂井。主要机具设备：高压水泵、冲管、卷扬机。,1）施工工艺a.机具就位，埋设护筒；b.冲管起吊，对准砂井中心；c.成孔至设计深度；d.提起冲管并清孔；e.灌砂。,2）施工要点a.控制好冲孔水压力和时间；b.保证灌砂量和灌砂率；c.做好清孔工作；d.做好泥浆排放工作；e.淤泥或淤泥质土施工要慎
23、重；f.井口要保证高出自然地面。,（3）螺旋钻成孔法以动力螺旋钻钻孔，属于干钻法施工，提钻后孔内灌砂成形。适用于陆上工程，砂井长度在10m以内，土质较好，不会出现缩颈和塌孔现象的土层。,4.质量要求保证砂井连续和密实，不缩颈；减少对周围土体的扰动；砂井长度、直径、间距要满足设计要求；砂井水平位置的允许偏差为该井直径，垂直度的允许偏差为1.5。,（4）爆破成孔法先用螺旋钻钻成一个达到砂井设计深度的孔，在孔中放置药包，爆破后将孔扩大后灌砂形成砂井。适用于深度67m的浅砂井。,(二)袋装砂井施工 1.砂袋材料要求：良好透水性；足够的抗拉强度；一定的抗老化性能；抗腐蚀性能。,2.施工机具袋装砂井成孔方
24、法：锤击打入法、射水法、静力压入法、钻孔法和振动沉管法。目前，国内常用的是振动沉管法。,3.施工工艺 施工顺序：放线测量机具定位设置桩尖沉管成孔投送砂袋拔管成井 施工方法：灌砂：a.先投后灌法；b.先灌后投法；沉管； 吊送砂袋与拔管成桩。,套管直径的选用应根据砂井直径而定，不可太大，也不宜太小。在套管上划出控制标高的刻划线。一般采用活瓣式桩尖固定在套管下端部。 套管打入前将活瓣桩尖与套管口封闭，用振动或静压法将套管压入设计深度。要确保定位正确、套管垂直、深度符合设计要求。 下砂袋时必须将整个砂袋吊起，从端部放入套管口，徐徐下放，要防止砂袋扭结、断裂和砂袋磨损。 拔管时应先启动激振器，后提升套管
25、，要连续缓慢地进行，中途不得放松吊绳，防止因套管下坠损坏砂袋，若套管起拔时砂袋随套管上吊，可将套管下放至原位，在套管内加放少量水，帮助打开桩尖活瓣。当带出长度大于0.5米时应重新补打。套管拔出后，砂袋应露出孔口不小于30厘米，并将其埋入砂垫层中。,4.注意事项,(三)塑料带排水法施工塑料带排水法是将带状塑料排水带用插带机将其插入软土中作为竖向排水体，通过改善排水条件，促使地基软土再荷载作用下排水固结。1.施工机具要求：具有较低的接地压力和较高的稳定性； 插带速度快，对地基扰动小；移位迅速，对位容易。2.导管靴和桩尖导管靴有：圆形和矩形。桩尖因导管靴不同而选择不同桩尖。桩尖的作用：防止淤泥等进入
26、管内，防止提管时将塑料排水带带出（回带）及锚定塑料带。,混凝土桩靴（桩尖）,3.施工工艺,整平地面,摊铺下层砂垫层,机具就位,塑料排水板穿靴,插入套管,拔出套管,割板,机具移位,摊铺上层砂垫层,堆载预压,卸载回填,可分三类：利用建筑物自重加压；施加外部荷载（堆载预压法）；减小地基土的孔隙水（真空预压法）。 利用建筑物的自重在未经预压的天然软土地基上直接建造建筑物。如：路堤、土坝、贮矿场、油罐、水池等。 堆载预压施工时注意：堆载面积足够大；严格控制加荷速率；避免对土的扰动和破坏。,三、预压荷载的施工,场地调查,制定施工方案,标定位置、平整场地,盲沟施工,砂垫层施工,竖向排水体施工,埋设观测仪器,
27、堆 载,观 测,观测结束,卸 荷,检 验,结 束,(二)堆载预压施工工艺,塑料排水板施工工艺流程图,塑料排水板施工现场,真空管网铺设,真空系统第一层土工布铺设,土工布铺设,土工布缝接,真空系统双层密封土工膜的铺设,真空系统土工膜的密封,出膜连接与真空系统安装,出膜连接,出膜管与真空泵连接,试抽真空,铺设密封膜,膜周边密封处理,(三)真空预压施工工艺,续一,膜周边 密封处理,抽气 试运转,检查分析,正式抽气,测读真空度 和沉降值,抽气结束,效果检验,施工结束,不满足要求,满足要求,续二,1.施工设备包括：真空泵和一套膜内、外管路。真空泵,2.密封系统由密封膜、密封沟和辅助密封措施组成。密封膜：一
28、般铺3层。密封要求：一是膜与软土的接触有足够的长度，以保证有足够长的渗透途径；二是膜周边密封处应有一定的压力，保证膜与软土接触紧密。密封方式主要有：挖沟折膜法和平铺膜法。,4.7 真空-堆载联合预压法,当地基预压荷载大于80kPa时，应在真空预压抽真空的同时再施加定量的堆载。,真空预压：逐渐降低土体的孔隙水压力，不增加总应力。 堆载预压：增加土体的总应力，同时使孔隙水压力增大，然后逐渐消散。,4.8 质量检验 （Quality Verification Test）,一、地基土的物理力学性能指标检验,二、孔隙水压力观测1.观测仪器双管式孔隙压力计和钢弦式孔隙压力计。2.观测点的布置一般布置在场地
29、中央，堆载坡顶及堆载坡角的不同深度处。,观测项目：孔隙水压力、沉降、边桩位移、真空度等。,3.资料应用计算固结度；用u/p值控制加荷速率；用up曲线控制加荷速率（根据该曲线上的转折点判断）。,u,p,1,2,3,4,1,2,3,4,1.观测点的布置沿场地对称轴线、场地中心、坡顶、坡脚和场外10m范围。2.资料应用推算最终变形量；求任意时间固结度；控制加荷速率（竖井地基，最大竖向变形量不应超过15mm/d;天然地基，最大竖向变形量不超过10mm/d）。,三、沉降观测,四、边桩位移观测,边桩水平位移标一般由木桩或混凝土桩制成，布置在预压场地的对称轴线上场地边线以外，是控制堆载预压加荷速率的重要手段
30、之一。控制原则：预压地基场地周边外1.0m左右的土体地面水平位移不超过5mm/d，位移速率加快应停止加荷。,竣工质量检验,预压法竣工验收检验应符合下列规定： （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。 （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。,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？,
