地基处理之排水固结法

Ut

i 1
n
qi
t Ti [(Ti Ti 1 ) e (e e Ti1 )] p
• 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。
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• 8.3 排水固结法设计计算
• 一、设计前应取得的资料 • （1）进行场地勘察，查明土层在水平和 竖直方向的分布和变化、透水层的位置及 水源补给条件、地下水深度等。 • （2）进行室内土工实验，确定土的固结 系数、孔隙比和固结压力关系、三轴试验 抗剪强度等。 • （3）进行原位十字板剪切试验，确定各 土层十字板抗剪强度。
• 第八章 排水固结法
• 8.1 概述 • 排水固结法是在建筑物建造前，对天然地基 或对已设置竖向排水体的地基加载预压，使 土体固结沉降基本完成或完成大部分，从而 提高地基土强度的一种地基加固方法。
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排水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,可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层 而不设竖向排水通道,使土中的孔隙水在荷载 作用下向上排至砂垫层而产生固结沉降。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。
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• (2) 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 qw与天然土层水平向渗透系 数 kh的比值较小，且长度又较长时，尚 应考虑井阻影响。 • (3) 对排水竖井未穿透受压土层之地基， 应分别计算竖井范围土层的平均固结度 和竖井底面以下受压土层的平均固结度， 通过预压使该两部分固结度和所完成的 变形量满足设计要求。
• （2）计算第一级荷载作用下地基强度增长值；
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• 式中：τf1——p1作用下，经过一段时间， 地基中某点的抗剪强度；τf0——地基土 的天然抗剪强度，由十字板剪切试验测 定；∆τfc——该点由于固结而增长的强度， 通常取固结度为70%；η——土体由于剪 切蠕动而引起强度衰减的折减系数，可 取0.75~0.9 ,剪切力大取低值，反之取高 值。
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• （5）当建筑物的荷载超过真空预压的压力，且建 筑物对地基变形有严格要求时，可采用真空—堆载 联合预压法，其总压力宜超过建筑物的荷载。 • （6） 对于表层存在良好的透气层或在处理范围内 有充足水源补给的透水层时，应采取有效措施隔断 透气层或透水层。 • （7）真空预压地基最终竖向变形同前，其中ξ 可 取 0.8~ 0.9。真空—堆载联合预压法以真空预压为 主时， ξ 可取 0.9。 • （8） 真空预压所需抽真空设备的数量，可按加固 面积的大小和形状、土层结构特点，以一套设备可 抽真空的面积为 1000~ 1500m2确定。
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• 排水固结法的加荷方式既可采用上述的直接 堆载法，也可采用真空抽吸、预压，降低地 下水位及电渗法。
• 真空预压法是将不透气的薄膜设在需要加固 的软土地基表面的砂垫层上，通过土体中设 置的竖向排水体及埋设于砂垫层中的滤水管 道，将薄膜下土体中的水、气抽出，从而在 土体与砂垫层及砂井等竖向排水体之间形成 压差,发生渗流,使土中孔隙压力不断降低,有效 应力不断增加,促使土体固结沉降。
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• (8) 预压法处理地基必须在地表铺设与排 水竖井相连的砂垫层，砂垫层厚度不应小 于500mm。砂垫层砂料宜用中粗砂，粘粒 含量不宜大于 3%，砂料中可混有少量粒 径小于 50mm的砾石。砂垫层的干密度应 大于 1 5g/cm3，其渗透系数宜大于 1 102cm/s。在预压区边缘应设置排水沟，在预 压区内宜设置与砂垫层相连的排水盲沟。
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• 降低地下水位法是利用井点抽水降低地 下水位以增加土的有效应力，从而达到 加速固结的目的。降水法最适用于砂性 和软粘土层中存在砂或粉土的情况。
• 电渗法是在土中插入金属电极并通过以 直流电，使土中水分由阳极流向阴极。 如将阳极积集的水排除，土体中孔隙水 就会减少，有效应力增大导致沉降固结。
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• （4） 排水竖井的深度应根据建筑物对 地基的稳定性、变形要求和工期确定。 • (A) 对以地基抗滑稳定性控制的工程， 竖井深度至少应超过最危险滑动面 2 .0m。 • (B) 对以变形控制的建筑，竖井深度应 根据在限定的预压时间内需完成的变形 量确定。竖井宜穿透受压土层。
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• （二） 确定预压区范围、预压荷载大小、荷 载分级、加载速率和预压时间；
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• 二、堆载预压法设计 • • 堆载预压法处理地基的设计应包括下列内容： • (一） 选择塑料排水带或砂井，确定其断面尺寸、 间距、排列方式和深度； （二） 确定预压区范围、预压荷载大小、荷载分 级、加载速率和预压时间； • （三） 计算地基土的固结度、强度增长、抗滑 稳定性和变形
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• （一）选择塑料排水带或砂井，确定其断面尺寸、 间距、排列方式和深度； • （1）排水竖井分普通砂井、袋装砂井和塑料排 水带。普通砂井直径可取 300~ 500mm，袋装砂 井直径可取 70~120mm。塑料排水带的当量换算 直径可按下式计算：
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• 三、真空预压法设计
• 真空预压法处理地基必须设置排水竖井。
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• • • •
设计内容包括： （一）竖井断面尺寸、间距、排列方式和 深度的选择； （二）预压区面积和分块大小；真空预压工 艺； （三）要求达到的真空度和土层的固结度； （四）真空预压和建筑物荷载下地基的变形 计算； （五）真空预压后地基土的强度增长计算等。
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• 1、加载预压的计算步骤 • 由于软粘土地基抗剪强度低，不能快速加 载，必须分级施加，待上一级荷载作用下 地基强度可随下一级荷载时，才能施加下 一级荷载。在进行具体计算时，可先拟定 一个初步加载计划，然后校核这一加荷计 划下地基的稳定性和沉降。 （1）利用天 然地基土的抗剪强度，计算第一级容许施 加的荷载 p1。一般可采用以下几个公式估 算：
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• (3) 加载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。
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• （三） 计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定 性和变形 • (1)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：
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• (5) 加载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。
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• (6) 计算预压荷载下饱和粘性土地基中某点的抗剪 强度时，应考虑土体原来的固结状态。对正常固结 饱和粘性土地基，某点某一时间的抗剪强度可按下 式计算： • τft= τf 0 +⊿σz· ttancu U • 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）； • ⊿σz —预压荷载引起的该点的附加竖向应力 （kPa）； • Ut —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）；
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• 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 少及有效应力增加，从而产生沉降固结。 • 根据固结理论，粘性土固结所需时间为
•
式中t为固结时间，Tv为时间因数，Cv为固结系 数，H为排水距离）。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（见图8.2-2）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。
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• ①斯开普顿极限荷载半经验公式：
• 式中：k — 安全系数，取1.1~1.5；Cu — 天然地基土的不排水抗剪强度(kPa)；d— 基础埋置深度(m)；A、B——分别为基础 的长边和短边(m)；r —基底标高以上土 的重度kN/m3。
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• ② 对饱和软粘土，可采用下式：
• ③ 对长条形填土，可采用Fellenius公式：
• (1) 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。 • (2)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。
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• (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。
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• 设计要点： • （1）排水竖井的间距可按堆载法选用。 （2）砂井的砂料应选用中粗砂，其渗透 系数应大于 1× 10-2cm/s。 • （3）真空预压区边缘应大于建筑物基础 轮廓线，每边增加量不得小于 3 0m。每 块预压面积宜尽可能大且呈方形。 • （4）真空预压的膜下真空度应稳定地保 持在650mmHg以上，且应均匀分布，竖 井深度范围内土层的平均固结度应大于 90%。
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• (7) 预压荷载下地基的最终竖向变形量可按下式计 算：
• 式中 sf———最终竖向变形量 （m）；e0i———第 i层中点土自重应力所对应的孔隙比，由室内固结试 验 e-p曲线查得；e1i———第 i层中点土自重应力与 附加应力之和所对应的孔隙比，由室内固结试验 ep曲线查得；hi———第 i层土层厚度 （m）；ξ — 经验系数数，对正常固结饱和粘性土地基可取ξ =1.1~ 1.4。荷载较大、地基土较软弱时取较大值， 否则取较小值。变形计算时，可取附加应力与土自 重应力的比值为 0 1的深度作为受压层的计算深度。
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• （3）计算p1作用下达到设计要求的固结度 所需时间。达到某一固结度所需要的时间 可根据固结度与时间的关系求得（见本节 有关部分），时间求出来后，就可确定第 二级荷载开始施加的时间。
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（3）计算 p1 作用下达到设计要求的固结度所需时间。达到某一固结度所需要的时间可根 据固结度与时间的关系求得（见本节有关部分） ，时间求出来后，就可确定第二级荷载开始施 加的时间。 （4）根据第一级荷载作用下得到的地基强度，计算第二级所能施加的荷载 p2。
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• 加压系统是指对地基施加的荷载。 • 排水系统与加压系统总是联合使用的。 • 目前,实际工程中应用较多的排水固结 法有砂井(塑料排水板)加载预压和砂井 （塑料排水板）真空预压。 • 排水固结一般适用于饱和软粘土、吹 填土、松散粉土、新近沉积土、有机质土 及泥炭土地基。应用范围包括路堤、仓库、 罐体、飞机跑道及轻型建筑物等。
dp
2(b )

• 式中 dp———塑料排水带当量换算直径 （mm）； b———塑料排水带宽度 （mm）；δ———塑料 排水带厚度 （mm）。
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• （2） 排水竖井的平面布置可采用等边三角 形或正方形排列。竖井的有效排水直径 de与 间距 L的关系为： • 等边三角形排列 de =1 05L • 正方形排列 de =1 13L • （3） 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 （n=de/dw， dw为竖井直径，对塑料排水带可 取dw =dp）。塑料排水带或袋装砂井的间距可 按 n=15~ 22选用，普通砂井的间距可按 n=6~ 8选用。