排水固结法

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。
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。
（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。
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
t Tv ·H2 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 土层的排水固结。
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
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。
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的关系按下式考
虑：
梅花形布置
de
2 3l 1.05l

正方形布置
de
4l 1.128l
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
等效砂井直径
砂井影响直径
砂井 dw
dw
d e 1 .05 l d e 1 .13 l
等边三角形 正方形
加固机理1——
二、加压系统
孔隙比e
减小地基工后沉降：
a
初次加载曲线， 在外加荷载△σ′＝
△e
b f
c
△e′
σ1′－σ0′作用下，
d
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′
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。
加固机理2——提高土体强度：
真空预压是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力 来增加有效应力的，这种方法和降水预压一样都是在负超孔 隙水压力下排水固结，因而称为负压固结。
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
Ø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 “真空度”。
（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 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。
提高以后的地基强度为cu1，
cu1 (cu cu )
式中 △cu′——p1作用下地基因固结而增长的强度，
cu z Uttgcu
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。
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 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；
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。
K —— 安全系数，K=1.3~1.5；
l、b —— 基础的长边和短边；
p1

5.14cu K
d
饱和软粘土
d —— 基础的埋置深度； γ0—— 地基土的重度。
p1

5.52cu K
长条形填土 （Fellenius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，
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
主要取决于土的固结
1）砂井的直径和间距： 特性和施工期的要求。
原则： 因为为达到相同的固结度，缩短砂井间距比增加 “细而密”砂井直径效果要好，但要考虑施工的可操作性，
4.4 砂井排水固结设计计算 Design Procedure of Sand Drain
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。
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
第4章 排水固结法 Consolidation
4.1 概述 4.2 排水固结的原理 4.3 堆载预压设计计算 4.4 砂井排水固结设计计算 4.5 真空预压设计计算 4.6 施工方法 4.7 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:
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
总
作用下立即发生的。
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。
4.5 真空预压设计计算
Design Procedure of Vacuum Preloading
真空预压地基处理
真空预压管网铺设
排水板真空预压处理剖面示意图
Vertical Wick Drains
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。
（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 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。
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。 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。
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， 并推迟次固结变形的发生。
可缩短预压时间 Ø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％。 Ø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。
（5）对初步确定的加荷计划应进行每级荷载下地基的稳定 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。

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%。
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。
排水系统
百度文库
竖向排水体
袋装砂井 塑料排水带
水平向排水体
砂垫层
排水固结
加压系统
堆载法 真空法 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
抗剪强度τf
预压后，土体
处于超固结状态，
d
其抗剪强度要比处
f
c
b
于正常固结状态时
a
o
固结压力σc′
的强度高。
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、
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：
1
b
d
p1
K
Nccu (1
0.2
l
)(1
0.2
) b

0d
式中
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;