1、一、概述一、概述 排水固结法又称预压法，是通过预压使软粘土地基中的孔隙水排出，在预压荷载下土体发生固结，土中孔隙体积减少，土体强度提高，达到减少地基工后沉降和提高地基承载力的目的。排水固结法通常由排水系统和加压系统两部分组成，见图5-1。表中未列水平向排水系统。除电渗法和降低地下水位法外，其它方法均需在堆载体与地基之间铺设水平向排水系统砂垫层。.加压系统排水系统图5-1 排水固结法示意图11/10/20221表5-1 排水固结法分类方法加压系统排水系统备注堆载法堆载无一般用于土体渗透系数较大的地基砂井法堆载普通砂井袋装砂井法堆载袋装砂井塑料排水板法堆载塑料排水板真空预压法真空预压普通砂井，或袋
2、装砂井，或塑料排水板真空预压堆载联合预压法法真空预压加堆载同上降低地下水位法降低地下水位增加自重应力一般无排水系统也可辅以各种形式排水通道电渗法无在地基中设置正负极，形成电场，土中水会流向阴极超载预压法堆载荷载超过设计荷载普通砂井，或袋装砂井，或塑料排水板11/10/20222 在地基中设置竖向排水系统可有效缩短最大排水距离，大大缩短地基土固结所需的时间。只有加固土层较薄，渗透系数较大的情况，才适宜采用堆载法。一般情况下，都需要在地基中设置竖向排水系统。采用普通砂井、袋装砂井、塑料排水板形成的排水系统的效用基本是一致的。在工程中采用何种方法较好，主要取决于经济效益的比较。真空预压和堆载预压的效
3、果一样。在堆载材料比较困难的条件下，真空预压较优越。但真空预压只能达到相当于85%的堆载效果。当地基中存在水平向透水层时，如无其它措施，难以形成负压区，则不宜采用真空预压法。排水固结法适用于饱和软粘土和冲填土等地基，但不宜用于有机质含量较多的地层。11/10/20223二、加固原理和计算理论 排水固结法加固地基原理是利用饱和黏土在荷载作用下产生固结，土体孔隙比减少，强度提高，可有效减少工后沉降和提高地基稳定性。现以图5-2来说明。AEBCBA.ee0eceB0p0p0+plnp/0f（a）e lnp/曲线（b）p f曲线.Cp图5-2 排水固结法加固地基原理示意图11/10/20224 初始应
4、力p0对应土体初始孔隙比e0，当固结应力增加至p0+p时，从A点沿正常固结线压缩至B点，土体孔隙比减少了e（e=e0eB）。若加荷后卸荷至p0，土体回弹，沿回弹曲线由B点至C点土体孔隙比为ec。若再加荷至p0+p时，由C点再回到B点，土体孔隙比也再次减少至eB。可以看出，从A点到B点与从C点到B点的孔隙比改变量相差悬殊。所以预压减少工后沉降是非常有效的。若预压荷载作用下地基中土体固结应力增加至pB（pB=p0+p），工作荷载作用下相应土体中固结应力为pD，当pDpB，称为超载预压，当 pDpB时，称为一般预压。经过超载预压地基土体，在工作荷载作用下，常处于超固结状态。由图5-2（b）所示pf曲
5、线可知，土体固结应力增大，强度f提高。土体经加荷固结，再卸荷至初始应力状态，如图中从A点到B点，再回到C点，土体强度的提高是明显的。11/10/2022522221vhuuuuCCtrrrr式中 Cv、Ch分别为竖向和水平向固结系数；u超孔隙水压力；t固结时间。22zzvuuCtz221rrrhuuuCtrrr(瞬时加荷条件下瞬时加荷条件下)(一)瞬时加荷固结度计算11/10/20226 1.竖向排水固结度 对于土层为双面排水条件或土层中的附加压力为均匀分布时，某一时间竖向固结度的计算公式为：42281VTzeU2HtCTvv式中 地基竖向排水平均固结度；固结时间因子；H土层的竖向排水距离。z
6、UvT11/10/202272.径向排水固结度等应变的条件下，地基径向平均固结度的计算式为 nFTrheU81 22222413ln1nnnnnnFdtCTehh式中 Th径向排水固结时间因子；F（n）参数；n井径比，n=re/rw；de、re砂井影响范围的直径和半径；rw砂井直径。11/10/202283.总固结度总固结度是由竖向排水和径向排水所引起，按下式计算 rzrzUUU111 可根据各种情况的固结度Ut=f（Tv）的关系式制成图表（设计曲线）来简化设计过程。也可将沉降与时间的计算公式归纳如下：SSUtt vtTfU 2HtCTvvaekCwv111/10/20229式中 St某一时刻
7、t的固结沉降量；S固结稳定的最终沉降量；k土的渗透系数；e土层在固结过程中的平均孔隙比；a土的压缩系数；w水的容重。实际工作中的地基沉降与时间关系的计算常以下列两种方式提出：1.求某一时间t的沉降量St根据固结土层的已知资料k、a、e、H和时间t求出Cv、Tv；由Ut和Tv曲线得出Ut；由Ut用（6）式求出St。11/10/2022102.求某一沉降量St所需时间t 由St求出Ut；由Ut和Tv曲线得出Tv；由Tv和Cv求出t。在地基中设置的竖向排水系统的透水性虽然大，但对渗流总有一定的阻力，这种现象称之为井阻作用；设置竖向排水系统的过程中对地基土的扰动会降低砂井周围土体的渗透性，这种现象称之
8、为涂抹作用。上述式子是没有考虑井阻和涂抹作用得到的。近年来横断面积较小的袋装砂井和塑料排水板应用日益广泛，则考虑井阻和涂抹作用的非理想井固结理论得到重视。Hansbo（1981年）提出了饱和软黏土地基在深度z处径向排水固结度表达式。11/10/202211 FTrheU81 式中 F综合参数，其表达式为 F=Fn+Fs+Fr 式中下标n、s、r分别表示井径比、涂抹作用、井阻作用的影响。Fn计算式同（4）式，当井径比20时Fn=ln（n）3/4 反映涂抹作用 1 lnhsskFsk式中 kh、ks分别表示原状土和扰动土水平向渗透系数；s扰动区半径rs与砂井半径rw 之比，s=rs/rw。11/1
9、0/202212反映井阻作用whrqkzHzF2式中 H砂井贯穿土层最大排水距离；z竖向坐标值；qw竖向排水体（砂井）通水量，其表达式为 42wwwwwdkAkqkw竖向排水体渗透系数。11/10/202213(二)分级加荷作用下的固结度 实际工程中，荷载往往是分级施加的，推荐改进的高木俊介法进行分级加荷作用下固结度的计算法，其固结度的计算式为：11/10/20221411/10/202215 在荷载作用下地基土体发生固结，固结过程中，超孔隙水压力消散，有效应力增大，地基土强度提高。同时在荷载作用下地基土体产生蠕变，还有可能导致强度衰减。因此在荷载作用下，地基中某点某时刻的抗剪强度f可以表示为
10、01ffK U式中 考虑土体蠕变及其它因素对土体抗剪强度的折减系数，并建议在工程设计中取=0.750.90；K土体有效内摩擦角的函数，土体有效内摩擦角；U地基中某点的固结度，为简便计，常用平均固结度代替；1荷载引起地基中某点超孔隙水压力增量，可按弹性理论计算。sin1cossinK11/10/202216 三、堆载预压法设计三、堆载预压法设计 堆载预压法设计包括排水系统和加压系统的设计。设计的依据为工程地质资料，对工后沉降、处理后地基承载力以及预压时间的要求。（一）排水系统的设计 1.竖向排水体材料的选择 可根据材料资源、施工条件和经济分析比较确定。若竖向排水体的长度超过20m，建议采用普通砂
11、井。袋装砂井通常在现场制备，袋子材料普遍采用聚丙烯编织布，直径多用70mm，砂料宜用风干砂，含泥量应小于3%。塑料排水板在工厂生产，品种型号很多，但根据结构形式可以分为两大类：单一微孔带式结构（国外生产）和滤膜芯带复合结构（国内生产）。11/10/202217 2.竖向排水体深度设计 根据需要处理的软土层厚度，或根据对工后沉降的要求和保证地基整体稳定需要对深厚软粘土地基处理深度的要求，初步确定竖向排水体深度。若软土层较薄，竖向排水体应贯穿软土层；若软土层中有砂层，应尽量打至砂层，但砂层中有承压水时，不宜贯穿砂层。3.竖向排水体平面布置设计 普通砂井直径：300500mm，井径比n=68。袋装砂
12、井直径：70100mm，井径比n=1530。塑料排水板常用当量直径表示，塑料排水板宽度为b，厚度为，其当量直径Dp计算式为 bDp211/10/202218塑料排水板井径比一般采用n=1530。砂井平面布置采用等边三角形、正方形。采用等面积圆表示一个砂井的影响范围竖向排水体影响圆直径de与排水体间距l关系如下：llde05.132等边三角形排列 正方形排列 llde13.144.地表排水砂垫层设计地表排水砂垫层是排水系统的一部分。砂垫层采用中粗砂，含泥量应小于5%，其厚度一般大于400mm。11/10/202219（二）堆载预压计划设计 根据初步确定的排水系统，对地基处理的要求，以及容许的堆载
13、预压工期，拟订一堆载预压计划。例如拟订的堆载预压计划如图，预压荷载分二次等速堆载。对这一堆载预压计划，需作下述几项验算：1.堆载预压过程中地基稳定验算 主要验算加载阶段地基稳定性。稳定分析一般可采用圆弧滑动法分析。首先应计算此时刻地基的平均固结度。根据地基固结情况以及蠕变对强度的影响计算地基土体抗剪强度，然后进行地基稳定性计算。pp2p10tt1t2t3t4图5-3 堆载预压计划 11/10/202220 利用地基的天然抗剪强度计算第一级容许施加的荷载。一般可利用skempton极限荷载半经验公式初步估算11155ucC NBDpDKLL式中 p1天然地基允许施加的荷载；Cu基底以下0.707
14、B深度范围内的地基土不排水抗剪强度；Nc承载力系数，当p=0时，Nc=5.14；K安全系数，取1。1-1.5 B基础宽度；L基础长度;D基础埋深。11/10/202221 另外可以根据预压荷载作用下地基固结度，计算在预压阶段地基固结沉降，并可进一步计算工作荷载作用下的沉降。CBCESUSSS式中 S建筑物工后沉降；SC在工作荷载pA作用下原天然地基固结沉降，可采用分层总和法计算；SE预压荷载卸荷时地基回弹量，数量较小；SCB在预压荷载pB作用下天然地基固结沉降，可采用分层总和法计算；预压卸荷时对荷载pA地基达到的平均固结度。U11/10/202222 若工后沉降不能满足要求，可通过延长堆载时间
15、和减少井径比以增加平均固结度，或增大预压荷载，均可达到减少工后沉降的目的。第一级荷载：采用天然地基承载力。第二级荷载：第一级荷载U达80%时施加，由新的地基承载力确定。依次类推，拟订堆载预压计划。（三）现场监测设计 堆载预压法现场监测项目一般包括地面沉降、水平位移观测和地基中孔隙水压力观测，如有条件也可进行地基中深层沉降和水平位移的观测。11/10/202223 （四）超载预压设计 预压荷载超过工作荷载时称为超载预压。采用超载预压法一般是为了缩短堆载预压时间，或进一步减少工作荷载作用下地基沉降量。地基中土体在预压、卸载、工作荷载作用下有效应力变化有三种情况，如图5-3所示。在堆载预压阶段从初始
16、状态A沿AD方向到状态B，然后卸荷回弹沿BC方向到状态C，在工作荷载作用下，固结完成时，应力状态可能有三种情况：1.沿CB，通过B点，再沿BD方向最终状态在BD线上。2.沿CB，最终状态落在B点。3.沿CB，最终状态落在CB线上。elnp/0ACBD图5-4 elnp/曲线11/10/202224U 在情况2中，工作荷载作用下最终状态落在B点，即工作荷载作用下地基沉降量S与堆载预压卸荷回弹量SE两者相等，可得：USSCCB 若 =0.80，则SCB=1.25 SC。由上式可以计算相应的超载预压荷载（临界值），记为pE。若预压荷载pBpE，则应力状态属情况1；若预压荷载pBpE，则应力状态属情况
17、3。超载预压荷载为pE时，通过超载预压减少工后沉降的效益最好。11/10/202225（五）真空预压法设计 真空预压法是通过在砂垫层和竖向排水体中形成负压区，在土体内部和排水体间形成压差，迫使土中水排出，土体固结。真空预压法与堆载预压法不同的是加压系统，两者排水系统基本是相同的。1.排水系统 采用袋装砂井或塑料排水板作为竖向排水体，设计计算同堆载预压法。2.抽气抽水系统和密封膜设计 抽气抽水系统由水平向分布滤管、真空管路和真空泵组成。3.真空预压计划设计 一般能取得相当于7892kPa的等效荷载堆载预压法的效果。11/10/202226四、四、施工施工（一）排水系统施工 排水砂垫层施工 1.砂
18、料选择：砂料的渗透系数要大于10-3cm/s，有一定的倒滤性，最好为中粗砂，含泥量不超过3%，无杂物和有机质混入。2.砂垫层施工 砂料运到现场后分别堆放。地基的地表较硬（承载力较好，能上一般的运输机械）时，可用推土机等机械或人工摊平。如果是超软土地基，先对表面处理，如在地表铺设荆芭、塑料、尼龙编织网和土工织物等，再在其上施工。水源充足或条件许可时，亦可用水力充填法铺设砂垫层。11/10/202227竖向排水体施工 1.普通砂井施工 沉管法：沉管贯入设计深度后，由桩管内灌砂，并适当灌水，以利密实。拔管速度不宜过快，以防砂井脱节。该法形成的砂井质量较好。水冲成孔法：在直径为5070mm的冲管下端接
19、一个圆锥形射水喷头，喷嘴直径35mm（数个），并焊有35个三角形翼片。在0.61.2MPa水压下，水射流冲切、破坏土体，并靠钻具自重不断下沉，形成圆孔。然后在孔内灌砂。该法形成的砂井质量不易控制。普通钻孔法：清水钻进，排浆后灌砂。螺旋钻成孔法：螺旋钻钻孔，提钻后孔内灌砂。灌砂质量较难掌握。11/10/2022282.袋装砂井施工 与普通砂井相比较其优点是：砂柱体（砂袋）可以预制，质量容易控制且能与地基变形相协调，从而避免了普通砂井可能出现的不连续、缩径及错段等弊病；可以使用轻型设备施工；对同样面积的地基，袋装砂井的用砂量比普通砂井少许多；施工速度快，工程造价低（同样情况下比普通砂井低50%左右
20、）。砂袋一般采用抗拉强度高、耐腐蚀、柔韧性好并具有良好透气、透水性能的聚丙烯编织布制成。砂袋直径为70100mm，长度小于20m。砂料多采用洁净风干的中粗砂。打入成孔导管导管到达规定标高放入砂袋拔出导管移孔位重复上述工序完成施工11/10/2022293.塑料板排水体施工 塑料板排水体的施工机械，基本上可与袋装砂井的打设机械共用，只是将圆形导管改为巨型导管。桩尖一般与导管分开，为固定排水板，桩尖上还应设有固定环或楔槽。塑料板在桩尖上的各种固定形式见图所示。塑料排水板打设顺序为：导管垂直对准孔位 排水板通过导管由底端穿出 将排水板牢固连接在桩尖固定环上或楔紧在楔槽内 开机沉管导管到达固定标高 剪
21、掉塑料板（孔口以上预留50cm）拔管移孔。121234536图5-6 塑料板打设时的桩尖固定形式1-桩尖；2-固定架；3-排水板；4-塑料楔；5-加强塑料板；6-钻杆11/10/202230（二）预压荷载的施工 1.利用建筑物自重加压 利用建筑物自重加压分级加荷，使地基在前期荷载下固结。在建筑物使用前，沉降已大部分完成。此法一般应用于以地基的稳定性为控制条件、能适应较大变形的建筑物，如路堤、土坝、油罐等。此法的缺点是，加压时间较长。2.堆载预压法 堆载预压的材料一般以散料为主，如石料、砂、砖等。3.真空预压法 铺设水平分布滤水管 其作用是抽真空时，密封体内的气、水能顺利排出，并在加固区内形成分
22、布均匀的负压，其排列形式如图5-7所示。11/10/202231123123图5-7滤水管水平分布形式1-出口膜；2-集水管；3-真空压力分布管 密封膜施工 在加固区范围内，按工程设计要求建造一个与外界隔绝的严密的封闭层，膜周边的封闭见图5-8所示。抽真空系统 射流抽真空装置结构简单，易于操作、维护和管理，装置费用也比较低，所以在施工中常采用。其装置见图5-9所示。11/10/202232.密封膜.密封膜.密封膜.板桩.密封膜.板桩水.水密封膜a.挖沟铺膜b.长距离平铺膜 c.板桩密封d.板桩加覆水密封e.围埝内全面加水密封图5-8 真空预压法密封膜周边密封示意图123 456789图5-9 射流真空装置示意图1-预压区；2-出膜口；3-逆止阀；4-止回阀；5-射流真空泵；6-混合水管；7-离心泵；8-吸水管；9-水箱11/10/202233
