软地基课程设计讲解

路基设计原理课设

专业：交通工程

姓名：付海兵

学号： 20120110020229

这学期我们学习了路基路面这门课程，此次主要针对软地基处理加固问题是工程建设中的技术关键之一，并在很大程度上控制着工程投资总额和工期的长短。它的任务在于减小地基变形和减少建筑物的沉降量，提高地基承载力，保证上部结构的安全和正常使用。但是，软土由于其多相性、高压缩性以及时空变异性而表现出十分复杂的力学性能，国内各地区的地形、地质条件较大差别，这也给地基处理增加了很大难度。

软地基处理是岩土工程领域最新发展迅速的一门学科，它是以土力学为基本原理，以工程勘测、设计、施工、监测及检测为基本内容的综合性技术学科，是土木工程的一个组成部分。到目前为止，我们掌握了一些处理方法，改进了处理技艺，但目前软地基处理的理论与工程实践之间还有相当大的差距，仍然是有待进一步发展和试验的学科。本次课程设计主要介绍排水固结处理技术，有不足的地方望大家积极指正。

排水固结处理

一.排水固结处理概念

经由各类水域沉积而成的饱和软粘土和充填土等软弱土层广泛分布在我国许多地区。由于这类土含水量高、压缩性大、强度低、透水性差，将其作为天然地基使用，不仅承载力很低，而且在建筑荷载作用下会产生相当大的沉降和差异沉降，且沉降变形持续时间很长，不能满足建筑物对地基的各项要求。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黏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等竖向排水井，然后利用建筑物本身所承受的重力分级逐渐加载，或是在建筑建造以前，在场地先行加载预压，是土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同事强度逐步提高的方法。

根据排水固结原理发展起来的一类处理方法可有效解决这类地层的沉降和稳定问题，它由加压系统和排水系统两个主要部分组成，常用的排水和加压方法如图1-1所示,。加压系统是为地基提供必要的固结压力而设置的，它使地基土层因产生附加压力而发生排水固结。

设置排水系统则是为了改善地基原有的天然排水系统的边界条件，增加孔隙水排出路径，缩短排水距离，从而加速地基土的固结进程。如果没有加压系统，排水固结就没有动力，即不能形成超静水压力，即使有良好的排水系统，土层排水路径少，排水距离长，即使有加压系统，孔隙水排出速度仍很慢，预压期间难以完成设计要求的固结沉降量，地基强度也就难以及时提高，进一步的加载也就无法顺利进行。因此加压和排水系统是相辅相成的。除了少数天然排水系统能满足要求的情况，排水固结加固地基一般均应设置这两个系统。

二.排水固结法的作用与试用范围

排水固结处理的主要作用表现在两方面。

1)降低压缩性。通过排水固结处理，可使地基沉降在加载期间大部分或基本完

成，从而大大减小建筑物建成后的沉降和差异沉降。

2)提高强度。排水固结加速了地基抗剪强度的增长，从而提高了地基的承载力

和稳定性。

排水固结处理适用于淤泥质土、淤泥和填充土等饱和黏性土地基。

目前在地基处理工程中广泛应用、行之有效的方法是堆载预压，特别是砂井堆载预压法。对沉降要求严格的建筑物、冷藏仓库、机场跑道等，常用该法。待预压期间的沉降达到设计要求后，移去预压荷载再开始建筑施工。对于以加速地基土排水固结、缩短工期为目的的工程，如大坝、路堤、海港码头等填方工程，则不需要额外的预压材料，直接利用填方本身的所承受的重力分级加载压密，工程费用低。对于油罐地基，则可利用油罐冲水预压这一特殊方式分级加载处理。

此外真空预压、降水预压、电渗法等也因各自不同特点，在各类工程中获得应用。应当指出的是，排水固结法还可以与其他类地基处理方法联合使用，不同的排水固结方法亦可联合使用。如天津新港在建设过程中就曾使用真空预压提高地基的强度，然后在设置碎石桩形成复合地基。

三.排水固结原理

土层的排水固结效果和它的排水边界条件有关。如图所示的排水边界条件，即土层厚度相对荷载宽度（或直径）来说比较小，这时土层中的孔隙水向上、下两透水层面排出而使土层发生固结，称为竖向排水固结。根据固结理论，黏性土固结所需的时间和排水的距离平方成正比，土层越厚，固结延续时间越长。为了加速土层的固结，最有效的方法就是增加土层的排水途径，如图所示设置砂井、塑料排水板等竖向排水体等以缩短排水距离，因而大大加速了地基的固结速率或沉降速率。

图1-2 排水固结法改善排水边界条件原理

在加压荷载作用下，土层的排水固结过程，在实质上就是孔隙水压力消散和有效应力增加的过程。用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力，并使孔隙水消散来增加有效应力的方法。降低地下水位和电渗排水则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方法。真空预压是通过覆盖于地面的密封膜内的空气形成膜内外气压差，使黏性土产生固结压力，降低地下水位、真空预压和电渗法由于不增加地基土中的剪应力，地基一般不会产生剪切破坏。所以，在工期等条件许可的请款下，这些方法适用于很软弱的软土的地基。

四.排水固结处理的设计

一、加压系统设计

目前采用的加压方法包括：堆载法、利用建筑物自重法、降水法、真空法以及联合法等。这些加压方法各具特色，适用范围也各有差别，下面主要介绍真空预压法。

真空预压法，通常是在需要加固的软土层内，设置砂井或塑料排水带等竖向排水系统，然后在地面铺设砂垫层横向排水，再在砂垫层顶部覆盖一层不透气的密封薄膜，使之与大气隔绝，通过埋设于砂垫层中的吸水管道，用

μ-，真空装置进行抽气，将莫内空气排出，因而在膜的内外产生一个气压差s

μ-）的这部分气压差即成为作用于地基上的荷载，软土层随着等向应力（s

增加而固结。由于这一应力的性质，不会产生剪力，故地基不会发生破坏，对加固软土有利。

真空预压与井点降水预压在概念上有所不同，通过理论研究认为，在密闭井管中抽真空和在敞井口管中降水，所得加固的有效应力并不相同。降水预压是靠地下水位降低，使土的表观密度增加，从而使土中的有效应力增加，其值主要是取决于地下水位降低的深度和土有效表观密度值改变的大小。

图1-3 真空预压加固地基示意图

1.真空预压加固原理

1)由于膜内真空度是膜内外形成大气压力差，该压力差成为作用于地基的预压

荷载。若膜内真空度为600mmHg（1mmHg=133.3Pa,600mmHg的真空度是目前技术可以达到的），则可折合预压荷载约为80KPa,相当于堆载土厚度4~5m，可见其效果之显著。

2)抽真空在孔隙水被逐渐吸出，地下水位下降，土的有效应力增强，使土层压

密固结。

真空预压适用于均质黏性土及含薄粉砂夹层黏性土等尤其适用于新吹填土地基的加固。它与堆载预压相比，具有不需要大量堆载材料，不要分期加压，可在很软的地基上使用以及工期较短等优点。

2.真空预压设计

设计内容出排水系统外，主要包括膜下真空度、土层固结度、地基变形计算，地基强度增长计算，预压区分快大小等。在用真空预压法处理地基时必须设置排水竖井。主要涉及内容包括：

1)膜内真空度

2)加固区要求达到的平均固结度，一般可采用80%的固结度。

3)竖井断面尺寸、间距、排列方式及竖井长度等

4)采取有效措施切断透气和透水层

5)沉降计算

6)强度增长

7)预压区面积和分块大小

8)真空预压工艺

9)要求达到的真空度和土层的固结度

10)真空预压联合堆载预压。

二.排水系统设计

排水系统包括水平排水体（砂垫层）和竖向跑排水体（砂井、袋装砂井和塑料排水带）两部分。利用排水固结法处理地基必须在地标铺设砂垫层形成水平排水体。但竖向排水体却并非必不可少。若软土层后不不太大或软土层含较多博粉砂夹层，预计依靠地基中的天然排水通道固结速率能够满足要求的条件下，可以不设置竖向排水体，以简化施工，节省费用。

（一）水平排水体

水平排水体即砂垫层，其作用是保证地基固结过程中排出的水能够顺利地通过砂垫层迅速排出，使受压的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。因此，水平排水垫层的质量对排水固结处理的效果有着重要的影响。

1.垫层材料

排水垫层材料宜采用透水性好的中粗砂，含泥量应小于5%，砂料中可混有少量粒径小于50mm的石粒。砂垫层的干密度应大于1.5t/m3。砂沟可按纵横交错的网格状布置，使砂井位于砂沟的交叉点上。

2.垫层厚度

排水砂垫层的厚度首先应满足地基对其排水能力的要求；其次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。满足排水要求的砂垫层厚度以大于400mm为宜。为满足一定的承载力要求，可用厚的砂垫层或砂与其他粒料形成混合料持力层。

（二）竖向排水体

软黏土的孔隙非常小，渗透系数大约比砂小5~6个数量级，这就需要在地基中设置竖向排水体，以缩短排水距离，增加排水通道，加速排水固结。目前应用较多的竖向排水体有普通砂井、袋装砂井和塑料排水带三种。

1.普通砂井。如图所示。砂井设计内容主要包括：砂井深度、直径、间距、排

列方式和砂井材料等。这些参数的选择一般满足在不太长的预压时间里，是地基的固结度达到80%以上。

图7-10 典型的砂井地基工程剖面图

2. 袋装砂井。与普通砂井相比，它主要由以下几方面的有点

① 可在更大程度上体现“细而密”的原则，其排水固结效果更好。 ② 砂井师公质量易保证，不会出现缩颈、或沙井不连续等质量问题。 ③ 设备轻便，可以在更软弱的地基上施工出质量稳定的砂井。

④ 节省砂料，施工进度快，工程造价低。

3.塑料排水带

塑料排水带是一种人工排水体，它是在早期的纸板排水法基础上改进而发展起来的。用塑料排水带作为竖向排水体，地基土层中的孔隙水在固结压力作用下渗流通过滤膜层进入芯板沟槽，并通过槽从排水砂垫层中排出。塑料排水带单孔过水断面数天，排水畅通，固结效果好，且质量轻、强度高、耐久性好等优点。

塑料排水带施工设计。塑料排水带的设计计算方法与砂井相同。其当量换算直径Dp 可按下式计算

20~15/0

.1~75.0)(2==----=--+=n d d n b a a b a

D p r P 确定，一般取井径比塑料排水带间距亦可按塑料排水带厚度

塑料排水带的宽度时可取换算系数，无试验资料式中

δπ

δ

五.排水固结法施工

运用排水固结原理的各种地基处理方法，其施工主要内容可归结为三个方面。

1) 铺设水平排水砂垫层。

2) 设置竖向排水体。

3) 施加固结压力。

下面介绍真空预压法的施工。

1) 埋设水平向分布滤水管。滤水管的主要作用是使真空度在整个加固区域内均

匀分布。滤水管在预压过程中应能适应地基的变形，特别是差异变形。滤水管可用钢管或是塑料管，其外侧宜缠绕铅丝，外包尼龙纱网或土工组织作为滤水层。对滤水层埋设质量的基本要求是分布得当，有利于真空度的分布；其滤水层渗透系数应于砂相当，一般要求不小于3×10-3m/s

2) 铺设密封膜。密封膜铺设质量关系到真空预压施工的成败。密封膜应选用抗

老化性能好、韧性大的、抗穿刺能力强的不透气材料。普通聚氯乙烯薄膜虽然可以使用，但是性能不如线性聚乙烯等专用号。密封膜热合时宜用双热合线平搭接，搭接长度应大于20m 。

3) 设置臭气系统。抽气设备宜采用射流式真空泵。真空泵的设置数量应根据预

压面积、真空泵性能指标以及施工经验确定，对真空泵性能要求是，抽真空效率高，能适应连续运转，工作可靠等。