5 排水固结法
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0
q3 q2 q1 T0 T1 T2 T3 T4 T5
时间t
i q t Ti Ut [(Ti Ti1 ) e (e e Ti 1 )] i 1 p
n
式中
U t —— t 时间地基的平均固结度； i ——第 i 级荷载的加载速率（kPa/d） i pi (Ti Ti1 ) ； ，q q ； p ——与一级或多级等速加载历时 t 相对应的累加荷载（kPa） Ti 1 、 Ti ——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 加载过程中某实际 t 的平均固结度时， T i 改为 t ；
三. 排水固结法适用范围
排水固结法适用于处理淤泥、淤泥质土和冲填土等饱和粘 性土地基。 软土层厚度小于4m，用天然地基堆载预压法处理，否则， 采用塑料排水带、砂井等竖井排水预压法处理地基。 真空预压法适用于能在加固区形成（包括采取措施后形成） 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由于不增加剪应力， 地基不会产生剪切破坏，适用于很软弱粘土地基。 排水固结法用于道路、仓库、罐体、飞机跑道、港口等大 面积软土地基加固工程。
忽略土体蠕变及其他因素的影响，则地基土某点某一时间的抗剪强度：
ft f 0 zU t tancu
式中 ； ft —— t 时刻，该点土的抗剪强度（ kPa） ； f 0 ———地基土的天然抗剪强度（kPa） ； z ——预压荷载引起的该点的附加竖向应力（kPa）
s——涂抹区直径 d s 与竖井直径 d w 的比值，可取 s=2.0～3.0，
对中等灵敏粘性土取低值，对高灵敏粘性土取高值；
Fr ——考虑井阻影响的参数；
L——竖井深度（cm） ；
q w ——竖井纵向通水量，为单位水力梯度下单位时间的排水量（cm3/s） 。
四. 土体固结抗剪强度增减计算
地基中某一时刻土的抗剪强度：
U t ———该点土的固结度；
cu ——三轴固结不排水压缩试验求得的土的内摩擦角（0） 。
5.3 堆载预压法设计计算
一. 计算规定
1）设计前应取得的资料 ①进行岩土工程勘察，查明场地的工程地质和水文地质条件。 ②室内土工试验，确定土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、 三轴试验强度等。 ③进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗剪强度。 2）设计内容 堆载预压法设计包括加压系统和排水系统的设计。 ①确定预压荷载的大小、范围、速率和预压时间。 ②选择竖向排水体，确定其尺寸、间距、排列方式和深度。 ③计算地基的固结度、强度增长。 ④进行稳定性和变形计算。
二. 加压系统设计
1. 堆载预压基本要求
1）堆载预压分类 单级加荷和多级加荷；自重预压、加荷预压和加水预压；正常加载预压 和超载预压。 2）荷载大小与加载范围规定 对于沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理。 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）加载速率控制 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。软粘土地基抗剪强度低，必须分级逐渐加荷。 4）堆载材料 房屋建筑、道路与机场跑道等工程，用填土、砂石等散粒材料进行堆载 预压。油罐利用灌体充水对地基进行预压。堤坝工程，本身重量分级加载。
5.1概述
一. 排水固结法概念与应用 排水固结法排水固结法（预压法）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）竖向排水 体，然后利用建筑物自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，同时强度逐渐提高的方法。
二、排水固结法体系的组成 排水固结法系统由两个部分组成：排水系统和加压系统。
tancu f c
——土体剪切前的有效固结压力， c cU ， U 为固结度， c 为总应力； c cu ——固结不排水剪切试验测定的土体内摩擦角，也可根据天然地基十字板剪切试
验值与测点土自重应力的比值确定。
因固结而增长的强度：
tancu z U t tancu fc c
（3）径向固结度计算
Ur 1 e
8Th Fn
式中
T h ——径向排水固结时间因子， Th ch t / d e2 ；
k h (1 e) ， ch ； ch ——土的固结系数（cm /s） wa
2
k h ——土层径向渗透系数（cm/s），各向同性土层， k h = kv ；
n2 3n 2 1 l nn () ； Fn ——与 n 有关的系数， Fn 2 · 2 n 1 4n
袋装砂井法是从加砂井法基础上发展起来的 一种方法,该法使用7cm的袋装砂井取代了2060cm的砂井,施工设备轻便、效率高,砂袋采用聚 乙烯编织袋,砂则选用纯净的中粗砂。袋装砂井功 能上可以与塑料排水板法等效,由于其施工质量较 易控制,近年来有取代塑料排水板的趋势。 在我国,真正意义上的排水固结法试验是交 通部一航院1982年在天津塘沽新港四港池码头进 行的,这次试验取得了良好的效果,加快了该法在 全国的推广.
为不考虑涂抹和井阻影响的参数值。
、 ——两个参数，根据地基土的排水条件确定，见表 4.1。对竖井地基，表中所列
三. 考虑井阻作用的固结度计算
8ch Fd
2 e
Ur 1 e
3 Fn ln( n) 4
t
F Fn Fs Fr
kh Fs k 1 ln s s
5 排水固结法
5.0 发展历程与趋势
固结问题的研究在 Terzaghi 1923年发表他的固结理论 后达到了新的高度。有效应力原理和固结理论的建立标志着现 代土力学的建立。从此,人们才可以借助有效应力的原理和固 结理论,对土体的稳定性和沉降间题进行更符合客观实际的定 量计算,也使在实验中计算固结速率的方法才成可能。
2. 预压荷载计算 1）正常加载预压的计算
（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 ①用斯开普顿极限荷载半经验公式计算
5cu B D p1 (1 0.2 )(1 0.2 ) · D K A B
式中 K——安全系数，建议采用 1.1～1.5； ，由无侧限、三轴不排水试验或原位十 cu ——天然地基土的不排水抗剪强度（kPa） 字板剪切试验测定； D——基础埋置深度（m） ； A、B——分别为基础的长边和短边（m） ；
5.2 加固原理和计算理论
孔隙比e
A B C (C )
△σ
一. 加固地基原理 施加荷载后，孔隙水 被排出，地基发生固结 变形。 随着超静水压力逐 渐消散，有效应力逐渐 提高，地基土强度就逐 渐增长。
△e
F
E
△e
G
D
0
σ
0
σ
1
固结压力σ
抗剪强度τ
E F A G C
(C )
0
固结压力σ
排水固结法加固地基的原理
式中
u ——荷载引起的地基中某点土体中超孔隙水压力增量；
k ——土体有效内摩擦角的函数， k
sin cos ； 1 sin
U ——地基中某点固结度，为简便计算，可用平均固结度代替；
1 ——荷载引起的地基中某点最大主应力增量，可按弹性理论计算。
2）固结压力法
式中
式中
ft f 0 fc fs
f 0 ——地基中某点处初始抗剪强度；
fc ——由于排水固结而增长的抗剪强度增量； fs ——由于土体蠕变引起的抗剪强度减小的数量。
1）有效应力法
ft (ห้องสมุดไป่ตู้ f 0 fc )
=0.75～0.90
对于正常固结饱和土：
普通砂井 竖向排水体 排水系统
水平排水体
袋装砂井 塑料排水带 砂垫层
排水固结
加压系统 堆载预压法 真空预压法 降低地下水位法 电渗法 真空联合预压法
注意： 排水固结法能否获得满足工程要求的实际效果， 则取决于地基土层的固结特性、土层的厚度、预压荷载的 大、小和预压时间长短等因素。 如果软土层不太厚(＜5m)或固结系数比较大(cv＞l x10－ 2cm2/s)时，不需要很长时间就可获得较好的预压效果； 反之，饱和软土层比较深厚(＞l0m)，而且固结系数又比 较小(cv＜1xI 0-3cm2/s。)，则排水固结所需随时间很长。 堆预压的地基处理方法就受到了限制。
8 ch t Fn de 2
3
竖向和向内内径向排 水组合固结
8 2
8 2
0.692
U rz 1
U 1
8
2
2
e
2 cv ( )t 2 Fn d e 4H 2
8 ch
4
砂井未打穿软土层 的总平均固结度 向外径向排水固结
8ch Fn d e2
5.78ch R2
8
fc tg
1 u U 1 1
sin cos fc U 1 kU 1 1 sin
cos2 1 1 sin
ft ( f 0 fc ) ( f 0 kU 1 )
H ——土层竖向排水距离 （cm） ， 单面排水时为土层厚度， 双面排水为土层厚度一半；
， cv cv ——土的固结系数（cm2/s）
k v (1 e) wa
kv ——土层竖向渗透系数（cm/s）；
e ——渗流固结前土的孔隙比；
w ——水的重度（kN/cm3）； a ——土的压缩系数（ kPa-1）。
序号 1 条件 竖向排水固结 （ U z >30%）
表 4.1 不同条件下 、 值及固结度计算式
8 2
1
cv
2
4H 2
8ch Fn d e2 8ch c v + Fn d e2 4 H 2
2
U z 1
8
2
e
2 cv
t 4 H2
2
向内径向排水固结
U r 1 e
n ——井经比， n d e / d w ；
； d e ——每个砂井有效影响范围的直径（cm） ； d w ——砂井直径（cm）
（4）总平均固结度计算
U rz 1 (1 U z )(1 U r )
U 1 e t
平均固结度计算
土层的平均固结度普遍表达式为：
二. 地基固结度计算
1）瞬时加荷条件下固结度计算 （1）固结度定义式
st u u U 1 s
8
（2）竖向排水平均固结度计算 U z 1
式中
2
· e
2TV
4
Tv ——竖向排水固结时间因子， Tv cv t / H 2 ；
； t ——固结时间（s）
n 15
Fr
2 L2 k h
4 qw
U r ———固结时间 t 时竖井地基径向排水平均固结度；
Fn ——与 n 有关的系数，当井径比 n 15 时；
Fs ——考虑涂抹影响的参数；
； k h ——天然土层水平向渗透系数（cm/s）
k s ——涂抹区土的水平向渗透系数，可取 k s (1 / 5 ~ 1 / 3)k h ；
由于淤泥等软土渗透性差,在附加应力下排水 缓慢,单纯使用排水固结法往往要很长时间才能使软 土基本固结。因此,排水固结法的发展过程也是改善 软土竖向排水能力的砂井、排水板等工艺的发展过 程。竖向排水方法先后发展了两种,即砂井法和排水 纸板法。
1937年瑞典专家首先提出用排水纸板取代砂 井作为竖向排水体,该法施工方便,排水效率高,具 有极大的优越性。但由于最初的排水纸板在稳定 性、耐久性方面所存在间题限制了该法的广泛应 用,直到瑞典的O.wager研究成功用聚氯乙烯槽形 芯板替代纸质芯板,用无纺土工织物代替纸质滤膜, 解决了排水板的稳定间题,才使这一型式迅速被推 广应用。排水板的推广也使排水固结法得到了更 广泛的应用。
e
8 ch 2t Fn de
5
（ U r >60%）
U r 1 0.692e
5.78ch R2
t
H1 H1 H 2
H 1 ——砂井长度； H 2 ——砂井以下压缩土层厚度；
R—上柱体半径。
2）逐渐加荷条件下地基固结度的计算 （改进的高木俊介法）
荷 载 p
p3 p2 p1
q3 q2 q1 T0 T1 T2 T3 T4 T5
时间t
i q t Ti Ut [(Ti Ti1 ) e (e e Ti 1 )] i 1 p
n
式中
U t —— t 时间地基的平均固结度； i ——第 i 级荷载的加载速率（kPa/d） i pi (Ti Ti1 ) ； ，q q ； p ——与一级或多级等速加载历时 t 相对应的累加荷载（kPa） Ti 1 、 Ti ——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 加载过程中某实际 t 的平均固结度时， T i 改为 t ；
三. 排水固结法适用范围
排水固结法适用于处理淤泥、淤泥质土和冲填土等饱和粘 性土地基。 软土层厚度小于4m，用天然地基堆载预压法处理，否则， 采用塑料排水带、砂井等竖井排水预压法处理地基。 真空预压法适用于能在加固区形成（包括采取措施后形成） 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由于不增加剪应力， 地基不会产生剪切破坏，适用于很软弱粘土地基。 排水固结法用于道路、仓库、罐体、飞机跑道、港口等大 面积软土地基加固工程。
忽略土体蠕变及其他因素的影响，则地基土某点某一时间的抗剪强度：
ft f 0 zU t tancu
式中 ； ft —— t 时刻，该点土的抗剪强度（ kPa） ； f 0 ———地基土的天然抗剪强度（kPa） ； z ——预压荷载引起的该点的附加竖向应力（kPa）
s——涂抹区直径 d s 与竖井直径 d w 的比值，可取 s=2.0～3.0，
对中等灵敏粘性土取低值，对高灵敏粘性土取高值；
Fr ——考虑井阻影响的参数；
L——竖井深度（cm） ；
q w ——竖井纵向通水量，为单位水力梯度下单位时间的排水量（cm3/s） 。
四. 土体固结抗剪强度增减计算
地基中某一时刻土的抗剪强度：
U t ———该点土的固结度；
cu ——三轴固结不排水压缩试验求得的土的内摩擦角（0） 。
5.3 堆载预压法设计计算
一. 计算规定
1）设计前应取得的资料 ①进行岩土工程勘察，查明场地的工程地质和水文地质条件。 ②室内土工试验，确定土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、 三轴试验强度等。 ③进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗剪强度。 2）设计内容 堆载预压法设计包括加压系统和排水系统的设计。 ①确定预压荷载的大小、范围、速率和预压时间。 ②选择竖向排水体，确定其尺寸、间距、排列方式和深度。 ③计算地基的固结度、强度增长。 ④进行稳定性和变形计算。
二. 加压系统设计
1. 堆载预压基本要求
1）堆载预压分类 单级加荷和多级加荷；自重预压、加荷预压和加水预压；正常加载预压 和超载预压。 2）荷载大小与加载范围规定 对于沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理。 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）加载速率控制 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。软粘土地基抗剪强度低，必须分级逐渐加荷。 4）堆载材料 房屋建筑、道路与机场跑道等工程，用填土、砂石等散粒材料进行堆载 预压。油罐利用灌体充水对地基进行预压。堤坝工程，本身重量分级加载。
5.1概述
一. 排水固结法概念与应用 排水固结法排水固结法（预压法）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）竖向排水 体，然后利用建筑物自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，同时强度逐渐提高的方法。
二、排水固结法体系的组成 排水固结法系统由两个部分组成：排水系统和加压系统。
tancu f c
——土体剪切前的有效固结压力， c cU ， U 为固结度， c 为总应力； c cu ——固结不排水剪切试验测定的土体内摩擦角，也可根据天然地基十字板剪切试
验值与测点土自重应力的比值确定。
因固结而增长的强度：
tancu z U t tancu fc c
（3）径向固结度计算
Ur 1 e
8Th Fn
式中
T h ——径向排水固结时间因子， Th ch t / d e2 ；
k h (1 e) ， ch ； ch ——土的固结系数（cm /s） wa
2
k h ——土层径向渗透系数（cm/s），各向同性土层， k h = kv ；
n2 3n 2 1 l nn () ； Fn ——与 n 有关的系数， Fn 2 · 2 n 1 4n
袋装砂井法是从加砂井法基础上发展起来的 一种方法,该法使用7cm的袋装砂井取代了2060cm的砂井,施工设备轻便、效率高,砂袋采用聚 乙烯编织袋,砂则选用纯净的中粗砂。袋装砂井功 能上可以与塑料排水板法等效,由于其施工质量较 易控制,近年来有取代塑料排水板的趋势。 在我国,真正意义上的排水固结法试验是交 通部一航院1982年在天津塘沽新港四港池码头进 行的,这次试验取得了良好的效果,加快了该法在 全国的推广.
为不考虑涂抹和井阻影响的参数值。
、 ——两个参数，根据地基土的排水条件确定，见表 4.1。对竖井地基，表中所列
三. 考虑井阻作用的固结度计算
8ch Fd
2 e
Ur 1 e
3 Fn ln( n) 4
t
F Fn Fs Fr
kh Fs k 1 ln s s
5 排水固结法
5.0 发展历程与趋势
固结问题的研究在 Terzaghi 1923年发表他的固结理论 后达到了新的高度。有效应力原理和固结理论的建立标志着现 代土力学的建立。从此,人们才可以借助有效应力的原理和固 结理论,对土体的稳定性和沉降间题进行更符合客观实际的定 量计算,也使在实验中计算固结速率的方法才成可能。
2. 预压荷载计算 1）正常加载预压的计算
（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 ①用斯开普顿极限荷载半经验公式计算
5cu B D p1 (1 0.2 )(1 0.2 ) · D K A B
式中 K——安全系数，建议采用 1.1～1.5； ，由无侧限、三轴不排水试验或原位十 cu ——天然地基土的不排水抗剪强度（kPa） 字板剪切试验测定； D——基础埋置深度（m） ； A、B——分别为基础的长边和短边（m） ；
5.2 加固原理和计算理论
孔隙比e
A B C (C )
△σ
一. 加固地基原理 施加荷载后，孔隙水 被排出，地基发生固结 变形。 随着超静水压力逐 渐消散，有效应力逐渐 提高，地基土强度就逐 渐增长。
△e
F
E
△e
G
D
0
σ
0
σ
1
固结压力σ
抗剪强度τ
E F A G C
(C )
0
固结压力σ
排水固结法加固地基的原理
式中
u ——荷载引起的地基中某点土体中超孔隙水压力增量；
k ——土体有效内摩擦角的函数， k
sin cos ； 1 sin
U ——地基中某点固结度，为简便计算，可用平均固结度代替；
1 ——荷载引起的地基中某点最大主应力增量，可按弹性理论计算。
2）固结压力法
式中
式中
ft f 0 fc fs
f 0 ——地基中某点处初始抗剪强度；
fc ——由于排水固结而增长的抗剪强度增量； fs ——由于土体蠕变引起的抗剪强度减小的数量。
1）有效应力法
ft (ห้องสมุดไป่ตู้ f 0 fc )
=0.75～0.90
对于正常固结饱和土：
普通砂井 竖向排水体 排水系统
水平排水体
袋装砂井 塑料排水带 砂垫层
排水固结
加压系统 堆载预压法 真空预压法 降低地下水位法 电渗法 真空联合预压法
注意： 排水固结法能否获得满足工程要求的实际效果， 则取决于地基土层的固结特性、土层的厚度、预压荷载的 大、小和预压时间长短等因素。 如果软土层不太厚(＜5m)或固结系数比较大(cv＞l x10－ 2cm2/s)时，不需要很长时间就可获得较好的预压效果； 反之，饱和软土层比较深厚(＞l0m)，而且固结系数又比 较小(cv＜1xI 0-3cm2/s。)，则排水固结所需随时间很长。 堆预压的地基处理方法就受到了限制。
8 ch t Fn de 2
3
竖向和向内内径向排 水组合固结
8 2
8 2
0.692
U rz 1
U 1
8
2
2
e
2 cv ( )t 2 Fn d e 4H 2
8 ch
4
砂井未打穿软土层 的总平均固结度 向外径向排水固结
8ch Fn d e2
5.78ch R2
8
fc tg
1 u U 1 1
sin cos fc U 1 kU 1 1 sin
cos2 1 1 sin
ft ( f 0 fc ) ( f 0 kU 1 )
H ——土层竖向排水距离 （cm） ， 单面排水时为土层厚度， 双面排水为土层厚度一半；
， cv cv ——土的固结系数（cm2/s）
k v (1 e) wa
kv ——土层竖向渗透系数（cm/s）；
e ——渗流固结前土的孔隙比；
w ——水的重度（kN/cm3）； a ——土的压缩系数（ kPa-1）。
序号 1 条件 竖向排水固结 （ U z >30%）
表 4.1 不同条件下 、 值及固结度计算式
8 2
1
cv
2
4H 2
8ch Fn d e2 8ch c v + Fn d e2 4 H 2
2
U z 1
8
2
e
2 cv
t 4 H2
2
向内径向排水固结
U r 1 e
n ——井经比， n d e / d w ；
； d e ——每个砂井有效影响范围的直径（cm） ； d w ——砂井直径（cm）
（4）总平均固结度计算
U rz 1 (1 U z )(1 U r )
U 1 e t
平均固结度计算
土层的平均固结度普遍表达式为：
二. 地基固结度计算
1）瞬时加荷条件下固结度计算 （1）固结度定义式
st u u U 1 s
8
（2）竖向排水平均固结度计算 U z 1
式中
2
· e
2TV
4
Tv ——竖向排水固结时间因子， Tv cv t / H 2 ；
； t ——固结时间（s）
n 15
Fr
2 L2 k h
4 qw
U r ———固结时间 t 时竖井地基径向排水平均固结度；
Fn ——与 n 有关的系数，当井径比 n 15 时；
Fs ——考虑涂抹影响的参数；
； k h ——天然土层水平向渗透系数（cm/s）
k s ——涂抹区土的水平向渗透系数，可取 k s (1 / 5 ~ 1 / 3)k h ；
由于淤泥等软土渗透性差,在附加应力下排水 缓慢,单纯使用排水固结法往往要很长时间才能使软 土基本固结。因此,排水固结法的发展过程也是改善 软土竖向排水能力的砂井、排水板等工艺的发展过 程。竖向排水方法先后发展了两种,即砂井法和排水 纸板法。
1937年瑞典专家首先提出用排水纸板取代砂 井作为竖向排水体,该法施工方便,排水效率高,具 有极大的优越性。但由于最初的排水纸板在稳定 性、耐久性方面所存在间题限制了该法的广泛应 用,直到瑞典的O.wager研究成功用聚氯乙烯槽形 芯板替代纸质芯板,用无纺土工织物代替纸质滤膜, 解决了排水板的稳定间题,才使这一型式迅速被推 广应用。排水板的推广也使排水固结法得到了更 广泛的应用。
e
8 ch 2t Fn de
5
（ U r >60%）
U r 1 0.692e
5.78ch R2
t
H1 H1 H 2
H 1 ——砂井长度； H 2 ——砂井以下压缩土层厚度；
R—上柱体半径。
2）逐渐加荷条件下地基固结度的计算 （改进的高木俊介法）
荷 载 p
p3 p2 p1