第八章 排水固结法

第八章排水固结法（consolidation）第一节概述我国东南沿海和内陆广泛分布着海相、湖相以及河相沉积的软弱粘性土层。

这种土的特点是含水量大、压缩性高、强度低、透水性差且不少情况埋藏深厚。

由于其压缩性高、透水性差，在建筑物荷载作用下会产生相当大的沉降和沉降差，而且沉降的延续时间很长，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。

因此，这种地基通常需要采取处理措施，排水固结法就是处理软粘土地基的有效方法之一。

该法是对天然地基，或先在地基中设置砂井、塑料排水带等竖向排水井，然后利用建筑物本身重量分组逐渐加载，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。

按照使用目的，排水固结法可以解决以下两个问题。

⑴沉降问题。

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不利的沉降和沉降差。

⑵稳定问题。

加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。

对沉降要求较高的建筑物，如冷藏库、机场跑道等，常采用超载预压法处理地基。

待预压期间的沉降达到设计要求后，移去预压荷载再建造建筑物。

对于主要应用排水固结法来加速地基土强度的增长、缩短工期的工程，如路堤、土坝等，则可利用其本身的重量分级逐渐施加，使地基土强度的提高适应上部荷载的增加，最后达到设计荷载。

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。

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，缩短排水距离。

该系统是由竖向排水井和水平排水垫层构成的。

当软土层较薄，或土的渗透性较好而施工期较长时，可仅在地面铺设一定厚度的排水垫层，然后加载，土层中的孔隙水竖向流入垫层而排出。

当工程上遇到深厚的、透水性很差的软粘土层时，可在地基中设置砂井或塑料排水带等竖向排水井，地面连以排水砂垫层，构成排水系统。

加压系统，即施加起固结作用的荷载。

它使土中的孔隙水产生压差而渗流使土固结。

其材料有固体(土石料等)、液体(水等)、真空负压力荷载等。

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，水不会自然排出，地基也就得不到加固。

如果只施加固结压力，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，土的强度不能及时提高，各级加载也就不能顺利进行。

所以上述两个系统，在设计时总是联系起来考虑的。

在地基中设置竖向排水井，常用的是砂井，它是先在地基中成孔，然后灌以连续的砂使其密实而成。

普通砂井一般采用套管法施工。

近年来袋装砂井和塑料排水带在我国得到越来越广泛的应用。

工程上广泛使用的，行之有效的增加固结压力的方法有堆载法，真空预压法，此外还有降低地下水位法、电渗法及几种方法兼用的联合法等。

必须指出，排水固结法的应用条件，除了要有砂井〔袋装砂井或塑料排水带〕的施工机械和材料外，还必须要有：⑴预压荷载；⑵预压时间；⑶适用的土类等条件。

预压荷载是个关键问题，因为施加预压荷载后才能引起地基土的排水固结。

然而施加—个与建筑物相等的荷载，这并非轻而易举的事，少则几千吨，大则数万吨，许多工程因无条件施加预压荷载而不宜采用砂井预压处理地基，这时就必须采用真空预压法、降低地下水位法或电渗法。

作为综合处理的手段，排水固结法可和其他地基加固方法结合起来使用。

如美国横跨旧金山湾南端的Dumbarton桥东侧引道路堤场地，该路堤下淤泥的抗剪强度小于5kPa，其固结时间将需要30～40年。

为了支承路堤和加速所预计的2m沉降，采用了如下解决方案：⑴采用土工织物以分布路堤荷载和减小不均匀沉降；⑵使用轻质填料以减小荷载；⑶采用竖向排水井使固结时间缩短到1年以内；⑷设置土工织物滤网以防排水层发生污染等。

排水固结法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。

第二节 排水固结的原理一 饱和土的渗透固结理论土力学中，将土在某一压力作用下，自由水逐渐排出，土体随之压缩，土体的密实度和强度随时间增长的过程称为土的固结过程。

所以，固结过程就是超静水压力消散、有效应力增长和土体逐步压密的过程。

为了清楚地掌握饱和土体的压缩过程，首先需要研究饱和土的渗透固结过程，即土的骨架和孔隙水分担外力的情况和相互转移的过程。

渗透固结：指饱和土体在荷载作用下，土孔隙中的水随着时间延续缓慢渗出，土的体积逐渐减小的过程。

饱和土体受荷产生压缩（固结）过程包括：⑴ 土体孔隙中自由水逐渐排出；⑵ 土体孔隙体积逐渐减小；⑶ 孔隙水压力逐渐转移到土骨架来承受，成为有效应力，土体逐渐被压密。

上述三个方面为饱和土体固结作用：排水、压缩和压力转移，三者同时进行的一个过程。

为了形象地阐明上述饱和土固结过程，借助一个弹簧活塞力学模型说明。

一个注满水的容器，水面上设有一个有小排水孔的活塞，弹簧一端与容器底连接，另一端接活塞。

当给活塞上刚施加压应力p 的瞬间（0t =），由于容器中的水还来不及排出，弹簧未压缩变形（因此不受力），测压管水头突然升高w h p =γ，说明活塞传递的压应力全部由水来承担，即水承担的压力u p =，而弹簧承担的压力口0'σ=，如图 (a)所示。

经瞬间之后（0t <<∞），水开始从活塞孔中逐渐排出，活塞下降，于是弹簧受压，测压管水头由h 下降到h '，如图 (b)所示，此时说明容器内水承担的压力在逐渐减小，而弹簧受到的压力逐渐增大，即,0,u p u p ''<σ>+σ=。

随着容器中的水不断排出，弹簧继续压缩变形，即'σ不断增大，u 不断减小。

直到最后（t=∞），活塞下降到某一位置而停止，也不向外排水，测压管水头0h =，如图 (c)所示。

此时，说明压力p 全部由弹簧承担，容器内水承担的压力为零，即,0p u 'σ==，弹簧的压缩过程宣告完成。

容器内的水和弹簧表示饱和土体，容器中的水表示土孔隙中的水，弹簧表示土的颗粒骨架。

土体受压后由孔隙水承担的应力称为孔隙水压力(又称超静水压力)，以u 表示，由土颗粒承担的应力称为有效应力，以'σ表示。

当给一个饱和的粘土体刚一施加压力p 的瞬间（0t =），孔隙水未来得及排出，土骨架未变形，此时压力p 全由孔隙水承担，即u p =，0'σ=；经过瞬间后（0t <<∞），土孔隙中的水开始排出，土骨架受力变形，u 减小，'σ增大。

此时压力p 由孔隙水和土骨架共同承担，即,0,u p u p ''<σ>+σ=；直到最后（t =∞），土中孔隙水不向外排出，土骨架不再压缩，此时,0p u 'σ==，土的渗透固结完成。

综上所述，在一定压力作用下，饱和土的渗透固结就是土体中孔隙水压力与有效应力相互转换的过程，或者说是土中孔隙水压力逐渐消减、有效应力相应增长的过程。

如地基内某点的总应力为σ，有效应力为σ'，孔隙水压力为u ，则三者的关系为u -='σσ此时固结度U 表示为 u U +''=σσ则加荷后土的固结过程表示为：用填土等加荷对地基进行预压，是通过增加总应力σ，并使孔隙水压力u 消散来增加有效应力σ'的方法。

地基土层的排水固结效果和它的排水边界条件有关。

如图（a ）所示的排水边界条件，即土层的厚度相对于荷载的宽度(或直径)来说比较小，这时土层中的孔隙水向上下面透水层排出而使土层发生固结，这称为竖向排水固结。

根据固结理论，粘性土固结所需的时间和排水距离的平方成正比（2V V C T t H =）。

即土层越厚，固结延续的时间越长。

为了加速土层的固结，最有效的方法是增加土层的排水途径，缩短排水距离。

砂井、塑料排水带等竖向排水井就是为此目的而设置的如图（b ）所示。

这时土层中的孔隙水主要从水平向通过砂井和部分从竖向排出。

砂井缩短了排水距离，因而大大加速了地基的固结速率(或沉降速率)，这一点无论从理论上还是工程实践上都得到了 证实。

二 堆载预压加固机理堆载预压法是工程中行之有效、广为采用的方法。

即是在建筑物建造之前，在建筑场地进行加载预压，使地基的固结沉降基本完成和提高地基土强度的方法。

如图是堆载预压法原理说明图。

在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减少，地基发生固结变形。

同时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。

如图，当土样的天然固结压力为0σ'时，孔隙比为0e ，在ce σ'~坐标上其相应的点为a 点，当压力增加σ'∆，固结终了时为c 点，孔隙比减少了e ∆，曲线abc 称为压缩曲线。

与此同时，抗剪强度与固结压力成比例地由a 点提高到c 点。

所以，土体在受压固结时，一方面孔隙比减少产生压缩，另一方面抗剪强度也得到提高。

如从c 点卸除压力σ'∆，则土样发生回弹（膨胀），图中cef 为卸荷膨胀曲线。

如从f 点加压σ'∆， 土样发生再压缩，沿虚线变化到c '，其相应的强度包络线如图中所示。

从再压缩曲线c fg '可清楚地看出，固结压力同样从0σ'增加σ'∆，而孔隙比减少值为e '∆，e '∆比e ∆小得多。

这说明，如在建筑场地先加一个和上部建筑物相同的压力进行预压，使土层固结(相当于压缩曲线上从a 点变化到c 点)，然后卸除荷载(相当于膨胀曲线上由c 点变化到f 点)再建造建筑物(相当于再压缩曲线上从f 点变化到c '点)，这样，建筑物所引起的沉降即可大大减小。

如果预压荷载大于建筑物荷载，即所谓超载预压，则效果更好。

因为经过超载预压，当土层的固结压力大于使用荷载下的固结压力时，原来的正常固结粘土层将处于超固结状态，而使土层在使用荷载下的变形大为减小。

三 真空预压加固机理真空预压法(Vacuum Preloading)不需要进行堆载和卸荷，是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水管道，再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空，增加地基的有效应力，如图所示。

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地由排水通道排出，使土体固结。

真空预压法最早是瑞典皇家地质学院教授于1952年提出的，随后有关国家相继进行了探索和研究，但因密封问题未能很好解决，又未研究出合适的真空装置，故不易获得和保持所需的真空度，未能很好的用于实际工程，同时在加固机理方面也进展甚少。