第2章 地基处理(排水固结)

p1
5 B D Cu（ 1 0.2 ）（1 0.2 ） D K A B
K—安全系数，建议采用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）； γ —基底标高以上土的重度（kN/m3）。
②对饱和软粘土也可采用下式计算：
方法作如下假定：
a、每一级荷载增量Δpi所引起的固结过程是单独进行的，与上一级荷载增 量所引起的固结度无关； b、总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加； c、每一级荷载增量Δpi等速加荷经过时间t的固结度与在t/2时的瞬时加荷 的固结度相同，也即计算固结的时间为t/2。
d、在加荷停止以后，在恒载作用期间的固结度，即时间t大于Ti （此处Ti为pi的加载期）时的固结度和在Ti/2时瞬时加荷pi后经过时
正方形排列
排水路径
l
de
de
l
4. 砂井的布置范围:
大出基础轮廓线2~4m。
5. 砂料： 宜选用中粗砂，其含泥量不能超过3%。 6. 砂垫层 在砂井顶面应铺设排水砂垫层，以连接砂井，引出从上层排入砂井的
渗流水。砂垫层的厚度一股为 0.3~0.5m(水下砂垫层厚度为 1.0m左右) 。
如砂料缺乏，可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。
系统组成——排水系统 Vertical Wick Drains
Vertical Wick Drains
水平排水体
Horizontal Drains
水平排水体
Horizontal Drains
系统组成——加压系统
堆载
桥头高填土堆载预压
场地高填土堆载预压
临时填土堆载预压
系统组成——加压系统
法。降低地下水位和电渗排水法是总应力不变 ,减少孔隙 水压力来增加有效应力σ’的方法。
2、排水固结法的应用范围
用于处理淤泥质土、淤泥、泥炭土和冲填土等饱和软粘土地 基，是十分有效的方法。 按照使用目的可以解决两个问题
沉降问题
稳定问题
沉降问题 (settlement problems)
采用竖向排水固结与不采用竖向排水固结的实测沉降-时间曲线对比
的沉降在预压期间基本完成或大部分完成，保证建筑物在使用
期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时可增加地基土的抗剪 强度，提高地基的承载力和稳定性。
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。
普通砂井
竖向排水体
排水系统
袋装砂井 塑料排水带
水平排水体——砂垫层
排水固结
加压系统
堆载法 真空法 降低地下水位法 电渗法 联合法
线（图中虚线）到达c‘点，此时孔隙比变化量
为△e’。 △e＞ △e‘，则建筑物修建过程中地基沉降 量会大大缩小。 同理，从下图中可以看出，f点的抗剪强度 大于 a 点，说明通过排水固结作用，地基土的 抗剪强度也相应得到一定程度的提高。
排水固结法的原理
堆载预压法就是用填上等（超）外加荷载来增加总
应力σ并使超静孔隙水压力u消散从而增加有效应力σ’的方
堆载预压法的设计内容： （ 1 ）选择竖向排水体，确定其尺寸、间距、排列方式和 深度；
（2）确定预压荷载的大小、范围、速率和预压时间；
（3）计算地基的固结度、强度增长； （4）进行稳定性和变形计算。
1.堆载预压的计算步骤
（1） 利用地基的天然抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1。 ①斯开普顿极限荷载半经验公式 《土力学地基基础》 P177
1
f — 地基土天然抗剪强度；
0
Δ τ f c — 该点由于固结而增长的 强度，通常取固结度为 70%时强度增长值； η — 土体由于剪切蠕动而引 起强度衰减的折减系数 ，可取0.75～0.90 。
（3） 计算p1作用下达到所定固结度所需要的时间。 达到某一固结度所需时间可根据固结度与时间的关系求得。这 一步计算的目的是确定第一级荷载停歇的时间，亦即第二级荷载开 始施加的时间。 （4） 根据第2步所得到的地基强度τf1计算第二级所能施加的荷载p2。 即
当U z＞30% 时，可采用下式计算：
U z 1
8

2
exp(
2
4
Tv )
cvt Tv 2 H
（2）径向排水固结度计算
由巴伦（Barron）导得的解为：
8 U r 1 exp( TH ) F
cH t TH 2 de
n2 3n 2 1 F 2 ln n n 1 4n 2
地基处理
Soil Improvement
第5章 排水固结
Drain Consolidation
第一节 概 述
排水固结法是对天然地基，或先在地基中设置砂井（袋装砂井或 塑料排水带 ）等竖向排水体，然后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。 排水固结法能解决软粘土地基的沉降和稳定问题。可使地基
超载预压的标准
为了消除永久性荷载下的固结沉降， 只要将超载保持到时间 tSR 时刻，以使超载 作用下，地基的固结沉降量等于永久荷载 下的最终固结沉降，即stR＝sf，为了消除超 载卸除以后继续发生的主固结沉降，超载
应维持到使上层中间部位的固结度 Uz （ f+s ）
达到下式要求：
U z ( f s)
5.14Cu p1 γD K 5.52Cu p1 K
《土力学》（陈仲颐编） P282
③对长条形填土，可根据Fellenius公式估算，即：
（2）计算第一级荷载下地基强度增长值。
f ( f f )
1 0 c
f — p1作用下，经过一段时间 ，地基中某点的抗剪强 度；
加压系统
排水系统
排水固结法的种类 根据排水系统和加压系统的不同，排水固结法可分为
堆载预压法、砂井(包括袋装砂井、塑料排水板等)堆载预压
法、真空预压法、降低地下水位法和电渗法。 堆载预压法和砂井堆载预压法唯一的区别在于：前者 的排水系统以天然地基土层本身为主；而后者在天然地基 中还人为地增设了诸如砂井等排水系统。
第二节
加固机理
排水垫层
水平排水盲沟
竖向排水体 加 固 软 土 层
1、排水固结法的原理
如上图所示，在建筑物修建前，通过排水 固结方法，施加△σ‘的固结压力，土样压缩曲
线为abc ，从a 点到c 点，孔隙比变化量为△e 。
卸除固结压力△σ‘，土样沿卸荷曲线cef回弹到f 点。再修建建筑物，相当于沿 fgc’ 的再压缩曲
采用竖向排水固结与不采用竖向排水固结的实测沉降-时间曲线对比
不排水-等载预压排水-超载预压排水的沉降曲线
稳定问题 (stabilization problems)
地基间歇式加荷的应力路径
竖向排水提高边坡稳定性
系统组成——排水系统
系统组成——排水系统 Wick Drains
材料
sand
gravel
二、 堆载预压法设计
堆载预压法（Preloading）是在建筑物建造以前，在建 筑场地进行加载预压，使地基的固结沉降基本完成并提高 地基土强度的方法。
堆载预压法是以事先完成的沉降和由于固结使地基强
度增长的两个要素为目标的，这种加固方法成立的背景， 是以具有饱和粘性土地基由于固结而增加强度，以及所谓 一旦地基固结沉降，即使卸掉荷载实际上也不恢复原来状 态这两种条件而构成的。
1．砂井直径和间距 常采用“细而密”原则。 一般砂井直径：300~400mm；间距：6~8倍井径。 袋装砂井直径：70~120mm；间距：15~30倍井径。
2．砂井长度 根据现场各种因素定。（土层厚度、有无透水层、压缩层厚度、承压
水、稳定控制、沉降控制量等）一般10~25米。
3．砂井排列
正三角形排列
de 井径比 n dw
时 间 因 数
Th
（3）总固结度的确定
当总固结度大于30%时：
由：1 - U rz
（ 1 U z）（ 1 - U r） 得
U rz 1
8
2
e t
8c H 2 cv 2 Fde 4 H 2
故
t
1

ln
8
曾国熙（ 1975 ）建议： U 1 - e -t
丹尼尔.莫兰（Daniel.E.Moran）最早（1925年）将垂直砂井用于 土的深层加固，1926年获得专利。
Sand Drains
（一）砂井设计
砂井地基的设计工作即为选择适当的砂井长度、直径、间距、以及 形成有效的砂井排水系统所需的材料、砂垫层厚度等，以及地基在批载
预压过程中，在预期的时间内，达到所需要的固结度(通常定为80％)。
pf p f ps
该方法要求将超载保持到pf作用下所有点都完全固结为止，这时土
层的大部分将处于超固结状态。因此，这是一个安全度较大的方法，
它预估的ps值或超载时间都大于实际所需的值。 对于有机质粘土、泥炭上等，其次固结沉降是重要的，采用超载 预压法对减小永久荷载下的次固结沉降有一定效果。
二、砂井排水固结设计计算
u z 2u z Cv t z 2
ur 2ur 1 ur Ch ( 2 ) r r t r
根据卡里罗理论：任意一点的孔隙水压力u有如下关系：
u ur u z u0 u0 u0
用固结度表示为：
1 U rz (1 U r )(1 U z )
（1）竖向固结度由太沙基一维理论计算。
（二） 砂井地基固结度的计算
砂井地基的固结度计算一般先假设荷载是瞬时施加的，然后
根据实际情况进行修正。 1．瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算 1940~1942年，巴伦（Barron）根据太沙基固结理论，提出砂井
的设计计算方法。
固结微分方程： 上式可分解为：
u 2u 2u 1 u cv 2 c H ( 2 ) t z r r r
2 (1 U rz )
2．逐渐加荷条件下地基固结度的计算 以上计算固结度的理论公式都是假设荷载是一次瞬间加足的。实际
工程中，荷载总是分级逐渐施加的。因此，根据上述理论方法求得的固结
时间关系或沉降时间关系都必须加以修正。目前常用的有改进的太沙基法 和曾国熙提出的改进的高木俊介法， （1）改进的太沙基法
所允许的。
2. 超载预压
实际工程中还往往采用超载预压方法来消除主固结沉降，以缩短 预压时间。预压期间任一时刻地基沉降量可表示为：
st sd Ut sc ss
式中 St—时间t时地基的沉降量（mm）； Sd—瞬时沉降量（mm）；
Uຫໍສະໝຸດ Baidut—t时刻地基的平均固结度；
Sc—最终沉降量（mm）；
Ss—次固结沉降量（mm）。 上式可用于：(1)确定所需的超载压力值ps，以保证在使用荷载pf作 用下预期的总沉降量在给定的时间内完成； (2)确定在给定超载下达 到预定沉降量所需要的时间。
真空预压
Vacuum Consolidation
第三节 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. 进行室内土工试验，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。
p2
5.52 f K
1
同样求出在 p2作用下地基固结度达 70 ％时的强度以及所需时间， 然后计算第三级所能施加的荷载。依次可计算出以后各级荷载和停 歇时间，初步的加荷计划也就确定下来。
（5）对按以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载下地基的稳定 性验算。如稳定性不满足，则调整加荷计划。
（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。 这一项计算的目的在于确定预压荷载卸除的时间，这时地基在 预压荷载下所完成的沉降量已达设计要求，所剩留的沉降为建筑物
间(t- Ti/2)的固结度相同；
e、所算得的固结度仅是对本级荷载而言，对总荷载还要按荷载的比 例进行修正。 对多级等速加荷，修正通式为：
U t U
/ 1
n
T T rz ( t n 1 n ) 2
Δ pn Δ p
式中 U t ' —多级等速加荷，t时刻修正后的平均固结度； U rz —瞬时加荷条件的平均固结度； Tn-1、Tn—分别为每级等速加荷的起点和终点时间（从时间0点起 算）。当计算某一级加荷期间t时刻的固结度时，则改为t； Δ pn—第n级荷载增量，如计算加荷过程中某一时刻t的固结度 时，则用该时刻相对应的荷载增量。 ∑Δp—各级荷载的累积值。