第四章 排水固结法
地基处理 第四章 排水固结法
排水预压法加固原理
预压排水法原理与计算
一、预压排水法原理 预压排水法加固地基原理可以采用elogp 压缩曲线和pf强度曲线说明。 初始地基自重应力状态对应pa和土体初始 孔隙比ea 预压固结应力pb= pa+p，对应固结完成 时应孔隙比降低到eb 实际结构荷载作用下，土体中相应固结 应力为pd。
Barron(1948)根据等应变条件，其水平向固 结度的计算公式为
8Tr U r 1 exp( ) Fn
其中
Cr t Tr 2 de
n 3n 2 1 Fn 2 ln n n 1 4n 2
Carrillo（1942）根据前述分离变量原理，解得：
1 U (1 U r )(1 U z )
历史
Before 1920’s, the use of preloading was unsystematic; 1930’s,sand and wick vertical drains were made ; In the early 1940’s, preloading began to be used for highway engineering in USA; 1945~1965,PRELOADING WAS USED WIDRLY IN USA; Since 1965, increased even more and encompassed large development site;
排水固结法
（二）固结试验。固结压力与孔隙比的关系曲线；固结 系数。
（三）软粘土层的抗剪强度及沿深度的变化情况。 （四）砂井及砂垫层所用砂料的粒度分布、含泥量等。
1. 排 水 固 结 法 设 计 流 程 图
堆载预压法和砂井堆载预压法唯一的区别在于：前者 的排水系统以天然地基土层本身为主；而后者在天然地基 中还人为地增设了诸如砂井等排水系统。
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适用范围
主要用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。 砂井法特别适用于存在连续薄砂层地基； 真空预压法适用于能在加固区形成稳定负压边界条件的软 土地基； 降低地下水位法、真空预压法和电渗法都适用于加固很软 弱的软土地基。
5. 对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，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，这时地基在预压荷载下 所完成的沉降量已达设计要求，所剩留的沉降为建筑物所允许。
2.2 超载预压
2 堆载预压法设计计算
逐级加载条件下固结度计算 改进太沙基法假定：
2 堆载预压法设计计算
2.1 堆载预压的计算步骤
排水固结法
一般情况是预压荷载与建筑物荷载相等，但有时为了减少再次固结产生的障碍，预压荷载也可大于建筑物荷 载，一般预压荷载的大小约为建筑物荷载的1.3倍，特殊情况则可根据工程具体要求来确定。
为了加速堆载预压地基固结速度，常与砂井法同时使用，称为砂井堆载预压法。
沙井法适用于渗透性较差的软弱粘性土，对于渗透性良好的砂土和粉土，无需用砂井排水固结处理地基；含 水平夹砂或粉砂层的饱和软土，水平向透水性良好，不用砂井处理地基也可获得良好的固结效果。
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组成
排水固结法由排水系统和加压系统两部分共同组成。排水固结系统由竖向排水体和水平排水体构成，主要作 用是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。当软土层靠近地表且较薄、或土的渗透 性好且施工周期较长时，可在地面铺设一定厚度的砂垫层，不设竖向排水通道。土中的孔隙水在外荷载作用下排 至砂垫层，从而产生固结。若软土层较厚时，为加快排水固结，应在地基中设置砂井等竖向排水体，与水平砂垫 层一起构成排水系统。加压系统是指对地基施加的荷载布置。
排水固结法
排水固结法
排水固结法即指给地基预先施加荷载,为加速地基中水分的排出速率,同时在地基中设置竖向和横向的排水通道,使得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。该法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时，可增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力和稳定性。实际上，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。排水系统是一种手段，如没有加压系统，孔隙中的水没有压力差就不会自然排出，地基也就得不到加固。如果只增加固结压力，不缩短土层的排水距离，则不能在预压期间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。通过计算确定回填的堆载计划、地基处理分区和施工要求，既经济合理，又满足了施工工期的要求。
排水固结法作为处理软粘土地基的有效方法，在工程上得到广泛的应用。采用排水固结法可同时解决沉降和稳定问题。使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差，且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。
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。设置排水系统主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的通路，缩短排水途径，它由竖向的排水井和水平向的排水垫层构成。由塑料芯板和滤膜外套组成的塑料排水板作为竖向排水通道在工程上的应用日益增加，塑料排水板可在工厂制作，运输方便，尤其适合象三门这样的缺乏砂源的地区使用，可同时节省投资。加压系统，即是施加起固结作用的荷载，土中的孔隙水因产生压差而渗流使土固结。
排水固结法
第四章 排水固结法
排水固结法：是利用天然在地基土层本身的透水性或设置在地基中的竖向排水体，通过预先在地表进行加载预压或利用建筑物自重使土体中孔隙水逐渐排出、土体逐渐固结，地基土逐渐压密，强度逐步提高的方法，或者利用井点降水，利用插入土中的通电电极使土中水发生渗流以达到区域土体自重应力的增加，从而使土体逐渐压密的方法。
排水固结法由排水系统和加压系统两部分组成。
⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩
⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧--⎪⎩⎪⎨⎧联合法电渗法降低地下水位法真空法
堆载法加压系统砂垫层水平排水体塑料排水带袋装砂井普通砂井竖向排水体排水系统排水固结 排水系统：主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离。该系统是由水平排水层和竖向排水体构成。
可以由在土中打设的砂井、袋装砂井、或塑料排水带等竖向排水体同地面铺设的砂石垫层构成；
也可以利用天然地基中夹粉砂薄层的“千层糕”状土；
当软土层较薄，或土的渗透性较好时，而施工工期允许时，可仅在地表铺设一定厚度的砂垫层作为排水系统。
加压系统：起固结作用的荷载，使地基土的固结压力增加而产生固结。 根据排水系统和加压系统的不同，排水固结法可分为：
堆载预压法；
砂井（袋装砂井、塑料排水带）堆载预压法；
真空（砂井、袋装砂井、塑料排水带）预压法；
堆载——真空预压法、降水预压法和电渗法。
降水预压法和电渗法费用较高，在我国工程应用极少。
堆载预压法和砂井预压法的区别：
堆载预压法是利用天然地基作为排水系统，其固结排水过程是一维排水过程；而砂井预压法则是在地基中设置了竖向排水体，其固结排水过程为三维排水过程。
排水固结法
排水固结法
排水固结法是对天然地基，或先在地基中设置砂井(袋装砂井或塑料排水带)等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载;或在建筑物建造前在场地上先行加载预压，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。
基本信息
•中文名称
排水结固法
•用于
解决地基的沉降和稳定问题
•途径
荷载作用下
•特点
空隙比减小
排水固结的原理是地基在荷载作用下，通过布置竖向排水井(砂井或塑料排水袋等)，使土中的孔隙水被慢慢排出，孔隙比减小，地基发生固结变形，地基土的强度逐渐增长。
排水固结法主要用于解决地基的沉降和稳定问题。为了加速固结，最有效的办法就是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离，设置竖向排水井(砂井或塑料排水袋)，以加速地基的固结，缩短预压工程的预压期，使其在短时期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成;并加速地基土抗剪强度的增长，使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载增长的速率，以保证地基的稳定性。
排水固结法适用于处理饱和和软弱土层，但对渗透性极低的泥炭土要慎重对待。按照采用的各种排水技术措施的不同，排水固结法可分为以下几种方法。
堆载预压法
在建筑场地临时堆填土石等，对地基进行加载预压，使地基沉降能够提前完成，并通过地基土固结提高地基承载力，然后卸去预压荷载建造建筑物，以消除建筑物基础的部分均匀沉降，这种方法就成为堆载预压法。
一般情况是预压荷载与建筑物荷载相等，但有时为了减少再次固结产生的障碍，预压荷载也可大于建筑物荷载，一般预压荷载的大小约为建筑物荷载的1.3倍，特殊情况则可根据工程具体要求来确定。
地基处理：排水固结法
一、砂井堆载预压法 二、袋装砂井和塑料排水板预压法 三、天然地基堆载预压法 四、真空预压法和降水位预压法
一、砂井堆载预压法
软粘土渗透系数很低，为了缩短加载预压后排水固结的 历时，对较厚的软土层，常在地基中设置排水通道，使土中 孔隙较快排出水。可在软粘土中设置一系列的竖向排水通道 (砂井、袋装砂井或塑料排水板)，在软土顶层设置横向排水 砂垫层如下图所示，借此缩短排水途程，增加排水通道，改 善地基渗透性能。
多孔单一结构型塑料排水板
复合结构塑料排水板
塑料排水板
塑料排水板施工
施工后的塑料排水板
三、天然地基堆载预压法 天然地基堆载预压法是在建筑物施工前，用与 设计荷载相等(或略大)的预压荷载(如砂、土、石 等重物)堆压在天然地基上使地基软土得到压缩固 结以提高其强度(也可以利用建筑物本身的重量分 级缓慢施工)，减少施工后的沉降量，待地基承载 力、变形达到设计预期要求后，将预压荷载撤除， 在经预压的地基上修建建筑物。 此方法费用较少，但工期较长。 如软土层不太厚，或软土中夹有多层细、粉砂 夹层渗透性能较好，不需很长时间就可获得较好预 压效果时可考虑采用，否则排水固结时间很长，应 用就受到限制。此法设计计算可用一维固结理论。
袋装砂井的设计理论、计算方法基本与普通砂 井相同，它的施工已有相应的定型埋设机械，与普 通砂井相比，优点是：施工工艺和机具简单、用砂 量少；它间距较小，排水固结效率高，井径小，成 孔时对软土扰动也小，有利于地基土的稳定，有利 于保持其连续性。
第四章 排水固结法(全面)
第四章排水固结法
第一节概述
我国沿海地区和内陆湖泊和河流谷地分布着大量软弱粘性土。这种土的特点含水量大、压缩性高、强度低、透水性差、很多情况埋藏较深。在软土地基上直接建造建筑物或进行填土时，地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和沉降差异，而且沉降的延续时间长，因此有可能影响建筑物的正常使用。另外，由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求而产生地基土破坏。所以这类软土地通常需要采取加固处理，排水固结法就是处理软粘土地基的有效方法之一。
排水固结法是对天然地基，或先在地基设置沙井（袋装沙井或塑料排水带）等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或在建筑物建造前在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降时，同时强度逐渐提高的方法。该法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时，可增加地基土的抗剪强度，从而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个主要部分组成。
加压系统，是为地基提供必要的固压力而设置的，它是地基土层因产生附加压力而发生排水固结。设置排水系统则是为了改善地基原有的天然排水系统的边界条件，增加孔隙水排出路径，缩短排水距离，从而加速地基土的排水固结进程。如果没有加压系统，排水固结就没有动力，既不能形成超静水压力，即使有良好的排水系统，孔隙水仍然难以排出，也就谈不上土层的固结。反之，若没有排水系统，土层排水途径少，排水距离长，即使有加压系统，孔隙水排出速度仍然慢，预压期间难以完成设计要求的固结沉降量，地基强度也就难以及时提高，进一步的加载也就无法顺利进行。因此，加压和排水系统是相互配合、相互影响的。当软土层较薄，或土的渗透性较好而施工期允许较长时，可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层，然后加载，土层中水沿竖向流入砂垫层而排出。当工程遇到透水性很差的深厚软土层时，可在地基中设置砂井等竖向排水体，地面连以排水砂垫层，构成排水系统。
第四章--预压法(排水固结法)--第一二三节-概--述、加固机理、设计与计算备课讲稿
6、各种预压法简介
荷载作用下，地基土层的固结过程实质上就是孔隙水压力不断消 散和有效应力不断增长的过程。
排水和加压系统就是改变地基应力场中的总应力σ和孔隙水压 力u来达到增大有效应力σ′、实现压缩土层的目的。其中
1) 堆载预压法。是用填土等外荷对地基预压而增加地基总应力σ， 使孔隙水压力u消散来增加有效应力σ′；
水平排水体——砂垫层。
5、排水系统与加压系统的关系
加压系统是地基实现排水固结的基本保证，排水系统是实 现地基内水体顺利排出的一种有效手段。 二者关系：如没有加压系统，孔隙中的水没有压力差就不 会自然排出，地基也就得不到加固；如果只增加固结压力， 不缩短土层的排水距离，则不能在预压期间尽快地完成设计 所要求的沉降量，强度不能及时提高，加载也不能顺利进行。
由于 e ' e ,
亦即大部分压缩变形( ee)在预压阶
段已经消除(再压缩曲线fgc’ )。
土体经预压之后，压缩变形量得以提前 完成
图4-2-1 排水固结法增大地 基土密度的原理
如果对地基施加的荷 载大于建(构)筑荷载，如 图4-2-1中的d点所对应的 压力，则会进一步增大 地层的固结程度，大大 减少地基的沉降量，该 方法称为超载预压排水 固结法。
当抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步 形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在 此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而 使土体固结。
地基处理之排水固结法
• 式中 τft — t 时刻，该点土的抗剪强度 （kPa）； • τf 0 —地基土的天然抗剪强度 （kPa）； • ⊿（σkzP—a）预；压荷载引起的该点的附加竖向应力 • Ut —该点土的固结度；
• （cu0—）三；轴固结不排水压缩试验求得的土的内摩擦角
n
U t
i 1
qi p[T (iT i 1)et(eT i eT i 1)]
• 式中 U — t时间地基的平均固结度；qi———第 i级荷载的加 载速率 （kPa/d）；∑⊿p———各级荷载的累加值 （kPa）； Ti-1，Ti———分别为第 i级荷载加载的起始和终止时间 （从零 点起算） （d），当计算第 i级荷载加载过程中某时间 t的固结 度时， Ti改为 t；α、β———参数，根据地基土排水固结条件 按表 5 2 7采用。对竖井地基，表中所列β为不考虑涂抹和井阻 影响的参数值。
•17
• (4) 预压荷载大小应根据设计要求确定。 对于沉降有严格限制的建筑，应采用超 载预压法处理，超载量大小应根据预压 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 的附加应力。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。
•3
• 8.2 排水固结的原理
•
排水固结法的关键在于排出孔隙水，使孔隙减
排水固结法
排水固结法
排水固结法其基本原理是软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐消散，土的有效应力增加，地基抗剪强度相应增加，并使沉降提前完成或提高沉降速率。
排水固结法主要由排水和加压两个系统组成。排水可以利用天然土层本身的透水性，尤其是上海地区多夹砂薄层的特点，也可设置砂井、袋装砂井和塑料排水板之类的竖向排水体。加压主要是地面堆载法、真空预压法和井点降水法。为加固软弱的粘土，在一定条件下，采用电渗排水井点也是合理而有效的。
排水固结法适用于处理饱和和软弱土层，但对渗透性极低的泥炭土要慎重对待。按照采用的各种排水技术措施的不同，排水固结法可分为以下几种方法。
（1）堆载预压法在建造建筑物以前，通过临时堆填土石等方法对地基加
载预压，达到预先完成部分或大部分地基沉降，并通过地基土固结提高地基承载力，然后撤除荷载，再建造建筑物。临时的预压堆载一般等于建筑物的荷载，但为了减少由于次固结而产生的沉降，预压荷载也可大于建筑物荷载，称为超载预压。为了加速堆载预压地基固结速度，常可与砂井法或塑料排水带法等同时应用。如粘土层较薄，透水性较好，也可单独采用堆载预压法。适用于软粘土地基。 (2)砂井法(包括袋装砂井、塑料排水带等) 在软粘土地基中，设置一系列砂井，在砂井之上铺设砂垫层或砂沟，人为地增加土层固结排水通道，缩短排水距离，从而加速固结，并加速强度增长。砂井法通常辅以堆载预压，称为砂井堆载预压法。沙井法适用于渗透性较差的软弱粘性土，对于渗透性良好的砂土和粉土，无需用砂井排水固结处理地基；含水平夹砂或粉砂层的饱和软土，水平向透水性良好，不用砂井处理地基也可获得良好的固结效果。
地基处理-排水固结法
中交四航院深圳妈湾潮间带真空预压一角（退潮时）
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排水固结
加固机理 设计与计算 施工工艺 质量检验
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排水固结
排水固结法是对天然地基，或先在地 基中设置砂井(袋装砂井或塑料排水带) 等竖向排水体，然后利用建筑物本身 重量分级逐渐加载；或在建筑物建造 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。
适用于某些对沉降要求不严格（能够适应较大 变形），而以地基稳定性为控制条件的建筑物， 如路堤、土坝、油罐等。.
设计与计算
二、排水系统设计 1）竖向排水体材料选择 2) 砂井或塑料排水带直径 3) 砂井或塑料排水带间距 4) 砂井排列方式 5) 竖向排水体深度设计 6）地表排水砂垫层设计
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设计与计算
加压系统主要指堆载预压计划以及堆 载材料的选用；
排水系统包括竖向排水体的材料选用、 排水体长度、断面、平面布置的确定。
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设计与计算
一、加压系统设计 目前采用的加压方法包括：堆载法、
利用建筑物自重法、降水法、真空法 以及联合法等。
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设计与计算
1、堆载预压法
堆载预压是在建筑施工前通过临时堆 填土、砂、石、砖等散料对地基加载 预压，使地基土的沉降大部分或分基 本完成，并因固结而提高地基承载力， 然后除去堆载，再行建筑施工的一种 处理方法。该法适用于各种软粘土地 基。
第四章 预压法(排水固结法) 第一二三节 概 述、加固机理、设计与计算
加压与排水这两个系统，在设计时总是联系起来考虑的。 加压与排水这两个系统，在设计时总是联系起来考虑的。 这两个系统
6、各种预压法简介 荷载作用下， 荷载作用下，地基土层的固结过程实质上就是孔隙水压力不断消 散和有效应力不断增长的过程。 散和有效应力不断增长的过程。 排水和加压系统就是改变地基应力场中的总应力σ和孔隙水压 实现压缩土层的目的。 力u来达到增大有效应力σ′、实现压缩土层的目的。其中
预压法适用于处理淤泥质土 预压法适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地 法适用于处理淤泥质土、 基 。 砂井法特别适用于处理存在连续薄砂层的地基 。 真空预压 砂井法特别适用于处理存在连续薄砂层的地基。 法适用于能在加固区形成稳定负压边界条件的软土地基。 法适用于能在加固区形成稳定负压边界条件的软土地基。
3) 降水预压法、电渗排水预压法。是在总应力不变的情况下，通过 降水预压法、电渗排水预压法。是在总应力不变的情况下， 减小地基内孔隙水压力来增加有效应力的方法。其中， 减小地基内孔隙水压力来增加有效应力的方法 。其中，降水预压也 是土层在负的超静水压力下排水固结，属于负压固结。 是土层在负的超静水压力下排水固结，属于负压固结。 真空预压、降水预压和电渗排水预压方法由于不增加剪应力 真空预压、降水预压和电渗排水预压方法由于不增加剪应力，地 方法由于不增加剪应力， 基不会产生剪切破坏，适用于很软弱的黏土地基的排水固结处理， 基不会产生剪切破坏， 适用于很软弱的黏土地基的排水固结处理， 而且也不需要控制加载速率。 而且也不需要控制加载速率。
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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。
3）砂井排列：
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
（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（pa－pv），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
等效砂井直径 砂井影响直径
砂井 dw
dw
d e 1.05l d e 1.13l 等边三角形 正方形
de
塑料排水带常用当量直径（周长相等）表示，其当量直径可按 下式计算：
2(b ) dw
式中
α——换算系数，约为0.75～1.0；
b——塑料排水带宽度；
δ——塑料排水带厚度。
塑料排水带尺寸一般为100mm×4mm，井
径比与袋装砂井类似，一般为15～22（30）。
2）砂井深度： 一般为10～25m 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。
（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
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。
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
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。
芯板：聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)混合掺配制 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
袋装砂井
排水固结法的设计，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。
原则： 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， “细而密” 过小会对施工扰动比较大。 普通砂井直径一般为300mm～500mm，井径比为6～8； 袋装砂井直径一般为70mm～120mm，井径比15～22；
砂井的间距可按井径比（n）选用，n按下式确定：
n=de/dw
c u z U t tg cu
一般可先假定一固结度，工程上常要求Ut＝70％～80％ （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。
（3）计算p1作用下达到所确定固结度（70％～80％） 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
真空法
加压系统 降水法 电渗法 联合法
加压系统
排水系统
排水固结组成系统
堆载预压法
堆载
排水 砂垫层
软土层
堆载产生超静水压力
排水砂井
砂井堆载预压排水固结示意图
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
真空预压管网铺设 真空预压地基处理
排水板真空预压处理剖面示意图
Vertical Wick Drains
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。 砂井法特别适用于处理存在连续薄砂层的地基。
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。
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。
“真空度”。
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。
（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。
加固机理2——提高土体强度：
预压后，土体
抗剪强度τf
处于超固结状态，
d
f b a c
其抗剪强度要比处
于正常固结状态时
的强度高。
固结压力σc′
o
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
2 1
堆载过快易失稳
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、
γ0—— 地基土的重度。
5.52cu 长条形填土 p1 K （wk.baidu.comellenius公式）
（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，
cu1 (cu c u)
式中 △cu′——p1作用下地基因固结而增长的强度，
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。
普通砂井 竖向排水体 排水系统 水平向排水体 排水固结 堆载法 袋装砂井 塑料排水带 砂垫层
4.5 真空预压设计计算
Design Procedure of Vacuum Preloading
真空预压法是以大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。
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 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
固结沉降 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。
适用
适用于淤泥质土、淤泥、泥炭土和冲 填土等饱和粘 性土地基。
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。
土层的排水固结。
二、加压系统
孔隙比e
加固机理1——
减小地基工后沉降：
△e
a
初次加载曲线， 在外加荷载△σ′＝
b
f △e′ c
σ1′－σ0′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
σ0′ σ1′
d
固结压力σc′
△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。
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 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。
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；
（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加应力与自重应力之比 值确定（一般为0.1～0.2）；
（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
4.2 排水固结法的原理 （Principle of drainage consolidation method ）
一、排水系统加固机理
根据太沙基固结理论
Tv · H2 t Cv
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
预压时间、预压加载范围等。
具体步骤如下：
（1）根据天然地基的抗剪强度确定第一级加载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
1 b d p1 Nccu (1 0.2 )(1 0.2 ) 0d K l b
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; 5.14c u K —— 安全系数，K=1.3~1.5； p1 d K l、b —— 基础的长边和短边； 饱和软粘土 d —— 基础的埋置深度；
考虑： 梅花形布置 正方形布置
de 2 3
4
l 1.05l
de
l 1.128l
4）砂井的布置范围
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，一般由基础的轮廓
线向外增加2-4m。
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%。
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，
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
加固机理 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
并推迟次固结变形的发生。
可缩短预压时间 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。
4.4 砂井排水固结设计计算 Design Procedure of Sand Drain
第4章 排水固结法 Consolidation
4.1 4.2 概述 排水固结的原理
4.3
4.4 4.5 4.6 4.7
堆载预压设计计算
砂井排水固结设计计算 真空预压设计计算 施工方法 真空-堆载联合预压法
4.8
质量检验
4.1 概述（Introduction）
排水固结法(Consolidation )定义:
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（70
％～80％）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