地基处理(第2版) 3 预压法
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地基处理 土方堆载预压
加水预压
砂井法堆载预压示意图
加载过快 地基会失稳
分级加载:前一级荷载 作用下地基基本固结后,再 施加下一级荷载,直至达到 设计荷载为止。
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地基处理
袋 装 砂 井 埋 设 完 毕
真空预压是在负超静水压力下排水固结,又 称为负压固结。
真空预压法处理地基必须设置排水竖井。
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地基处理
2 地表砂垫层设计
在竖向排水体顶部应铺设排水砂垫层,以保证地基固结 过程排出的水能够顺利地通过砂垫层迅速排出,使受压土层 的固结能够正常进行,以利于提高地基处理效果,缩短固结 时间。
铺设排水用砂垫层
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地基处理
a. 垫层材料 垫层材料宜采用透水性良好的中粗砂。砂垫层的干密度应大于 1.5g/cm3,其渗透系数宜大于1×10-2cm/s。 b. 垫层厚度 应满足地基对其排水能力的要求; 当地基表面承载力很低时,砂垫层还应具备持力层的功能,以承 担施工机械荷载。 陆上施工时,砂垫层厚度不应小于0.5m; 水下施工时,一般为1m。 砂垫层的宽度应大于堆载宽度或建筑物底宽。并伸出竖向排水体 外边线2倍竖向排水体直径。在砂料贫乏地区,可采用连通竖向排 水体的纵、横砂沟代替整片砂垫层。
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地基处理
软土
压缩变形大
压缩性高
强度低
含水率高
排水预压法
压缩变形减小
压缩性降低
强度提高
排水预压法处理软土的效果
含水率降低
适用: 饱和的、渗透性低的、软土埋藏较深的软弱粘性土地基加固 应用范围: 广泛用于路基填筑工程,工业和民用建筑以及机场跑道工程
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地基处理
排 水 固 结 法
排水系统 加压系统
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地基处理
优点:
具有不需大量堆载材料,不需分级加压,可以在很软的地基 上使用以及工期较短等优点;
缺点:
工序复杂,工程费用较高,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,淤泥层厚 度<8m时预压效果较好,但厚度>8m时则有所减弱,厚度越大 则越明显,当淤泥中存在砂层时四周需增设密封墙。
通过排水固结,加速地基土的抗剪强度的增长,提高建筑地基 强度及稳定性;
消除欠固结软土地基中桩承受的负摩阻力,并可消除竣工后地 基的不均匀沉降等。
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地基处理
3.2 预压法加固机理
饱和土体渗流固结过程
u
饱和土体受荷产生压缩(固结)过程包括: 土体孔隙中自由水逐渐排出; 土体孔隙体积逐渐减小; 由孔隙水承担的压力逐渐转移到土骨架来承受,成为有效应 力。
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地基处理 湖南科技大学
地基处理
预压法由加压系统和排水系统两部分组成。
• 加压系统:通过预先对地基施加荷载,使地基中的孔隙水产生压 力差,从饱和地基中自然排出,进而使土体固结;
• 排水系统:则通过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,使地基在预压期间尽快地完成设计 要求的沉降量,并及时提高地基土强度
堆载预压
总应力增加,随着超静孔隙水 压力的消散而使有效应力增加。
加载过程中,剪应力增加,可 能引起土体剪切破坏
不必控制加载速率
需要控制加载速率
与土的渗透系数、竖向排水体以及 边界排水条件有关
降低地下水位,地下水位的降低将 使相关土层产生排水固结
与土的渗透系数、竖向排水体 以及边界排水条件有关
地下水位不变
饱和土体固结作用是排水、压缩和压力转移同时进行的一 个过程。
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地基处理
渗流固结力学模型
根据土力学,地基内某点总应力σ、有效应力σ′、及孔隙水压力 u 之间的关系为:σ′= σ- u ;
固结度U 可表示
U u 1 u
t 0 uz
0t u
t u0
4
de
l 1.13l
正三角形布置
正方形布置
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地基处理
3. 竖向排水体深度和布置范围 竖向排水体深度主要根据土层的分布、地基中附加应力的
大小、建筑物对地基的稳定性、变形要求及工期来确定,一般 为10-25m。
1) 软土层不厚、底部有透水层时,竖向排水体应尽可能穿 透软土层。
2) 当深厚的高压缩土层间有砂层或砂透镜体时,竖向排水 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 免竖向排水体与砂层相连,以免影响真空效果。
封闭膜 砂垫层
真空泵
真空度
o
应力
粘土 砂井
增加的有效应力
1 2
3 z
1—总应力线
2—原来水压线 湖南科技大学
3—降低后的水压线
地基处理
真空预压和堆载预压法的对比
土中 应力
剪切 破坏
加载 速率
固结 速度
地下 水位
真空预压
总应力不变,随着相对超静孔隙水 压力的消散而使有效应力增加
抽真空的过程中,剪应力不增加, 不会引起土体剪切破坏
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地基处理
1、竖向排水体设计
(1)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带,若竖向排 水体深度超过20m,建议采用袋装砂井和塑料排水带。 (2)竖向排水体平面布置
a.竖向排水体直径和间距 主要根据土的固结性质和施工期限的要求确定。 排水体的截面尺寸取决于能否及时排水,直径过小,施工困难; 直径过大,并不能明显增加固结速率。 为达到同样的固结度,缩短排水体间距比增加排水体直径效果要 好,即井径和井间距的关系是“细而密”比“粗而稀”好。
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地基处理
b.竖向排水体直径和间距 竖向排水体在平面上可布置成正三角形或正方形,其相 应的有效排水范围分别为正六边形和正方形。 为简化计算将其有效排水范围均简化为等效圆,则竖井 的有效排水直径和竖井间距l的关系为:
等边三角形排列时:
de
2 3 l 1.05l
正方形排列时 :
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地基处理
• 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)对以地基抗滑稳定性控制的工程,竖向排水体深度通过稳定 性分析来确定,且至少应超过最危险滑动面2m。
• 5) 对以变形控制的工程,竖向排水体深度应根据在限定的预压 时间内需完成的变形量来确定。竖向排水体宜穿透受压土层。 竖向排水体的布置范围一般比建筑物基础范围稍大为好。 扩大的范围可由基础的轮廓线向外增大约2-4m。
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地基处理
普通砂井直径为300-500mm, 袋装砂井直径为70-120mm。 塑料排水带的当量换算直径:
2(b ) dp
b——排水带宽度(mm);d ——排水带厚度(mm)
竖向排水体的间距l通常按井径比n确定,一般普通砂井的间 距可按n=6-8选用,塑料排水带或袋状砂井的间距可按n=15-22 选用。
土层越厚,固结延续的时间越长。
Cv
➢为 加 快 土 层 的 固 结 速 度 , 最 有效的方法是增加土层的排水 途径,缩短排水距离。
➢具体排水手段:设置竖向排水 体 ( 砂 井 、 塑 料 排 水 板 ( 袋 ))+ 水 平排水体(砂垫层)
a 竖向双面排水
b 砂井地基排水
图4-2-2 排水法的原理
地基处理 湖南科技大学
地基处理
1
概述
2
预压法加固机理
3
预压法的设计与计算
4
预压法施工
5
施工质量监测与检测
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地基处理
3.1概述
预压法
预压法(排水固结法):指直接在天然地基或在设置有袋装 砂井、塑料排水带等竖向排水体的地基上,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 体中孔隙水排出,提前完成土体固结沉降,逐步增加地基强度 的一种软土地基加固方法。
铺设排水用砂垫层
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地基处理
预压力学变化过程
① 假定土体天然固结压力σ0′对应的孔隙比Biblioteka Baidu为eo (对应a点) 。
② 压力增加△σՙ,孔隙比减小△e ,固结终 止于c点(压缩曲线abc),对应抗剪强度增加△τ。
③c点卸压△σՙ (卸荷曲线cef ),孔隙比增大
值, 土体抗剪强度下降 。e( e) 由于 e' e,
亦即大部分压缩变形( e e)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
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排水固结法增大地基土密度的 原理
地基处理
固结所需时间
➢排水系统(竖向、水平排水体)作用:改善地基排水边界条件,增强土层
的排水固结效果。
➢根据固结理论,固结所需时间和排水距离的平方成正比, t Tv H 2
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地基处理
3.2.3 降水预压加固机理
降水预压法是借助于井点抽水降低地下水位,以增加土的有效
自重应力,从而达到预压的目的。
抽水井管
抽水前水位线
抽水后水位降落线
滤水管
适用范围:
降水预压法与真空预压一样图,3不-5会使降土水体预发压生破原坏理,因而不需控制加荷速
率,可一次性降水至预定深度。 降水预压法最适用于地下水位较高的砂或砂质土,或在软土中存在砂或砂
竖向排水体
水平排水体 堆载预压法 真空预压法 降水预压法 电渗排水法
图1 排水固结系统
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普通砂井 袋装砂井 塑料排水带
砂垫层
地基处理
应用排水固结法的主要目的
应用排水固结法的主要目的包括三个方面: 减少建筑地基沉降,使地基的沉降在加载预压期间大部或基本 完成,使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差;
质土的情况。对于深厚的软粘土层,为加速固结,往往设置砂井并采用井点 法降低地下水位。
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地基处理
H1
h
sat
H2
A 饱和土体中孔隙水压力和附加应力的计算
A点 H1 H2 H1 h (H2 h)
地下水下降 下 H1 h (H2 h)
预压法的设计,实质上是根据上部结构荷载的大小、地基 土的性质及工期要求合理安排加压系统与排水系统
目标:加固期限尽量短;固结沉降快;强度增加充分;施工过程安全
堆载预压法设计计算
其设计内容主要包括: a. 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; b. 确定预压区范围、预压荷载的大小、荷载分级、加载速率和预 压时间; c. 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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地基处理
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。
图4-2-1 排水固结法增大地基土密度 的原理
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地基处理
3.2.2 真空预压加固机理
真空预压指在软土地基中打设竖向排水体后,在地面铺设排 水用砂垫层和抽气管线,然后在砂垫层上铺设不透气的封闭膜 使其与大气隔绝,再用真空泵抽气,使排水系统维持较高的真 空度,利用大气压力作为预压荷载,增加地基的有效应力,以 利于土体排水固结。
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0
U 0
z u 0U 1
z
U 1
饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力的逐渐消散和 有效应力相应增长的过程
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地基处理
3.2.1 堆载预压加固机理
堆载预压是指先在地基中设置砂井、塑料排水带等竖向排水 体,后利用建筑物本身重量分级逐渐加载,或建筑物建造前, 在场地先行加载预压,使土体中的孔隙水缓慢排出,土层逐 渐固结,地基发生沉降,同时强度逐步提高的过程。
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地基处理
• 适用性:
• 真空预压适用于均质粘性土及含薄粉砂夹层粘性土等,尤其 适用于新吹填土地基的加固。对于在加固范围内有足够补给水 源的透水层,而又没有采取隔断措施时,不宜采用该法。
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• 工作机理:
抽气后,薄膜内外形成一个压差,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展,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 水通道渗流,最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被泵抽出。
下 ( )h
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3.2.4 电渗预压加固机理
电渗预压是在土中插入金属电极并通以直流电,由于直流电 场作用,土中的水分从阳极流向阴极,将水在阴极排除且无补 充水源的情况下,引起土层的压缩固结。
水力坡降线
A B
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3.3 预压法的设计与计算
地基处理 土方堆载预压
加水预压
砂井法堆载预压示意图
加载过快 地基会失稳
分级加载:前一级荷载 作用下地基基本固结后,再 施加下一级荷载,直至达到 设计荷载为止。
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袋 装 砂 井 埋 设 完 毕
真空预压是在负超静水压力下排水固结,又 称为负压固结。
真空预压法处理地基必须设置排水竖井。
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2 地表砂垫层设计
在竖向排水体顶部应铺设排水砂垫层,以保证地基固结 过程排出的水能够顺利地通过砂垫层迅速排出,使受压土层 的固结能够正常进行,以利于提高地基处理效果,缩短固结 时间。
铺设排水用砂垫层
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a. 垫层材料 垫层材料宜采用透水性良好的中粗砂。砂垫层的干密度应大于 1.5g/cm3,其渗透系数宜大于1×10-2cm/s。 b. 垫层厚度 应满足地基对其排水能力的要求; 当地基表面承载力很低时,砂垫层还应具备持力层的功能,以承 担施工机械荷载。 陆上施工时,砂垫层厚度不应小于0.5m; 水下施工时,一般为1m。 砂垫层的宽度应大于堆载宽度或建筑物底宽。并伸出竖向排水体 外边线2倍竖向排水体直径。在砂料贫乏地区,可采用连通竖向排 水体的纵、横砂沟代替整片砂垫层。
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软土
压缩变形大
压缩性高
强度低
含水率高
排水预压法
压缩变形减小
压缩性降低
强度提高
排水预压法处理软土的效果
含水率降低
适用: 饱和的、渗透性低的、软土埋藏较深的软弱粘性土地基加固 应用范围: 广泛用于路基填筑工程,工业和民用建筑以及机场跑道工程
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排 水 固 结 法
排水系统 加压系统
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优点:
具有不需大量堆载材料,不需分级加压,可以在很软的地基 上使用以及工期较短等优点;
缺点:
工序复杂,工程费用较高,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,淤泥层厚 度<8m时预压效果较好,但厚度>8m时则有所减弱,厚度越大 则越明显,当淤泥中存在砂层时四周需增设密封墙。
通过排水固结,加速地基土的抗剪强度的增长,提高建筑地基 强度及稳定性;
消除欠固结软土地基中桩承受的负摩阻力,并可消除竣工后地 基的不均匀沉降等。
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3.2 预压法加固机理
饱和土体渗流固结过程
u
饱和土体受荷产生压缩(固结)过程包括: 土体孔隙中自由水逐渐排出; 土体孔隙体积逐渐减小; 由孔隙水承担的压力逐渐转移到土骨架来承受,成为有效应 力。
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地基处理
预压法由加压系统和排水系统两部分组成。
• 加压系统:通过预先对地基施加荷载,使地基中的孔隙水产生压 力差,从饱和地基中自然排出,进而使土体固结;
• 排水系统:则通过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,使地基在预压期间尽快地完成设计 要求的沉降量,并及时提高地基土强度
堆载预压
总应力增加,随着超静孔隙水 压力的消散而使有效应力增加。
加载过程中,剪应力增加,可 能引起土体剪切破坏
不必控制加载速率
需要控制加载速率
与土的渗透系数、竖向排水体以及 边界排水条件有关
降低地下水位,地下水位的降低将 使相关土层产生排水固结
与土的渗透系数、竖向排水体 以及边界排水条件有关
地下水位不变
饱和土体固结作用是排水、压缩和压力转移同时进行的一 个过程。
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渗流固结力学模型
根据土力学,地基内某点总应力σ、有效应力σ′、及孔隙水压力 u 之间的关系为:σ′= σ- u ;
固结度U 可表示
U u 1 u
t 0 uz
0t u
t u0
4
de
l 1.13l
正三角形布置
正方形布置
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3. 竖向排水体深度和布置范围 竖向排水体深度主要根据土层的分布、地基中附加应力的
大小、建筑物对地基的稳定性、变形要求及工期来确定,一般 为10-25m。
1) 软土层不厚、底部有透水层时,竖向排水体应尽可能穿 透软土层。
2) 当深厚的高压缩土层间有砂层或砂透镜体时,竖向排水 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 免竖向排水体与砂层相连,以免影响真空效果。
封闭膜 砂垫层
真空泵
真空度
o
应力
粘土 砂井
增加的有效应力
1 2
3 z
1—总应力线
2—原来水压线 湖南科技大学
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真空预压和堆载预压法的对比
土中 应力
剪切 破坏
加载 速率
固结 速度
地下 水位
真空预压
总应力不变,随着相对超静孔隙水 压力的消散而使有效应力增加
抽真空的过程中,剪应力不增加, 不会引起土体剪切破坏
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1、竖向排水体设计
(1)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带,若竖向排 水体深度超过20m,建议采用袋装砂井和塑料排水带。 (2)竖向排水体平面布置
a.竖向排水体直径和间距 主要根据土的固结性质和施工期限的要求确定。 排水体的截面尺寸取决于能否及时排水,直径过小,施工困难; 直径过大,并不能明显增加固结速率。 为达到同样的固结度,缩短排水体间距比增加排水体直径效果要 好,即井径和井间距的关系是“细而密”比“粗而稀”好。
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b.竖向排水体直径和间距 竖向排水体在平面上可布置成正三角形或正方形,其相 应的有效排水范围分别为正六边形和正方形。 为简化计算将其有效排水范围均简化为等效圆,则竖井 的有效排水直径和竖井间距l的关系为:
等边三角形排列时:
de
2 3 l 1.05l
正方形排列时 :
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• 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)对以地基抗滑稳定性控制的工程,竖向排水体深度通过稳定 性分析来确定,且至少应超过最危险滑动面2m。
• 5) 对以变形控制的工程,竖向排水体深度应根据在限定的预压 时间内需完成的变形量来确定。竖向排水体宜穿透受压土层。 竖向排水体的布置范围一般比建筑物基础范围稍大为好。 扩大的范围可由基础的轮廓线向外增大约2-4m。
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地基处理
普通砂井直径为300-500mm, 袋装砂井直径为70-120mm。 塑料排水带的当量换算直径:
2(b ) dp
b——排水带宽度(mm);d ——排水带厚度(mm)
竖向排水体的间距l通常按井径比n确定,一般普通砂井的间 距可按n=6-8选用,塑料排水带或袋状砂井的间距可按n=15-22 选用。
土层越厚,固结延续的时间越长。
Cv
➢为 加 快 土 层 的 固 结 速 度 , 最 有效的方法是增加土层的排水 途径,缩短排水距离。
➢具体排水手段:设置竖向排水 体 ( 砂 井 、 塑 料 排 水 板 ( 袋 ))+ 水 平排水体(砂垫层)
a 竖向双面排水
b 砂井地基排水
图4-2-2 排水法的原理
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1
概述
2
预压法加固机理
3
预压法的设计与计算
4
预压法施工
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施工质量监测与检测
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3.1概述
预压法
预压法(排水固结法):指直接在天然地基或在设置有袋装 砂井、塑料排水带等竖向排水体的地基上,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 体中孔隙水排出,提前完成土体固结沉降,逐步增加地基强度 的一种软土地基加固方法。
铺设排水用砂垫层
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预压力学变化过程
① 假定土体天然固结压力σ0′对应的孔隙比Biblioteka Baidu为eo (对应a点) 。
② 压力增加△σՙ,孔隙比减小△e ,固结终 止于c点(压缩曲线abc),对应抗剪强度增加△τ。
③c点卸压△σՙ (卸荷曲线cef ),孔隙比增大
值, 土体抗剪强度下降 。e( e) 由于 e' e,
亦即大部分压缩变形( e e)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
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排水固结法增大地基土密度的 原理
地基处理
固结所需时间
➢排水系统(竖向、水平排水体)作用:改善地基排水边界条件,增强土层
的排水固结效果。
➢根据固结理论,固结所需时间和排水距离的平方成正比, t Tv H 2
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3.2.3 降水预压加固机理
降水预压法是借助于井点抽水降低地下水位,以增加土的有效
自重应力,从而达到预压的目的。
抽水井管
抽水前水位线
抽水后水位降落线
滤水管
适用范围:
降水预压法与真空预压一样图,3不-5会使降土水体预发压生破原坏理,因而不需控制加荷速
率,可一次性降水至预定深度。 降水预压法最适用于地下水位较高的砂或砂质土,或在软土中存在砂或砂
竖向排水体
水平排水体 堆载预压法 真空预压法 降水预压法 电渗排水法
图1 排水固结系统
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普通砂井 袋装砂井 塑料排水带
砂垫层
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应用排水固结法的主要目的
应用排水固结法的主要目的包括三个方面: 减少建筑地基沉降,使地基的沉降在加载预压期间大部或基本 完成,使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差;
质土的情况。对于深厚的软粘土层,为加速固结,往往设置砂井并采用井点 法降低地下水位。
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H1
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H2
A 饱和土体中孔隙水压力和附加应力的计算
A点 H1 H2 H1 h (H2 h)
地下水下降 下 H1 h (H2 h)
预压法的设计,实质上是根据上部结构荷载的大小、地基 土的性质及工期要求合理安排加压系统与排水系统
目标:加固期限尽量短;固结沉降快;强度增加充分;施工过程安全
堆载预压法设计计算
其设计内容主要包括: a. 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; b. 确定预压区范围、预压荷载的大小、荷载分级、加载速率和预 压时间; c. 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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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。
图4-2-1 排水固结法增大地基土密度 的原理
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3.2.2 真空预压加固机理
真空预压指在软土地基中打设竖向排水体后,在地面铺设排 水用砂垫层和抽气管线,然后在砂垫层上铺设不透气的封闭膜 使其与大气隔绝,再用真空泵抽气,使排水系统维持较高的真 空度,利用大气压力作为预压荷载,增加地基的有效应力,以 利于土体排水固结。
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0
U 0
z u 0U 1
z
U 1
饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力的逐渐消散和 有效应力相应增长的过程
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地基处理
3.2.1 堆载预压加固机理
堆载预压是指先在地基中设置砂井、塑料排水带等竖向排水 体,后利用建筑物本身重量分级逐渐加载,或建筑物建造前, 在场地先行加载预压,使土体中的孔隙水缓慢排出,土层逐 渐固结,地基发生沉降,同时强度逐步提高的过程。
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地基处理
• 适用性:
• 真空预压适用于均质粘性土及含薄粉砂夹层粘性土等,尤其 适用于新吹填土地基的加固。对于在加固范围内有足够补给水 源的透水层,而又没有采取隔断措施时,不宜采用该法。
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• 工作机理:
抽气后,薄膜内外形成一个压差,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展,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 水通道渗流,最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被泵抽出。
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3.2.4 电渗预压加固机理
电渗预压是在土中插入金属电极并通以直流电,由于直流电 场作用,土中的水分从阳极流向阴极,将水在阴极排除且无补 充水源的情况下,引起土层的压缩固结。
水力坡降线
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3.3 预压法的设计与计算