地基处理(排水)

，
T1 t t 2 T2
T1 T1 t2 2 2
p1
进入首次等压期，计算采用时间
一、设计计算理论
堆载预压，根据土质情况分单级加载和 多级加载；根据堆载材料分为自重预压、 加荷预压和加水预压。
（一）砂井固结理论
砂井（或塑料排水板）地基的固结度计算属于三 维问题。 在轴对称条件下，单元井固结课题，Redulic－ Terzaghi固结理论
u 2u 2 u 1 u CV 2 C r ( 2 ) t r r z r
（一）砂井固结理论
采用分离变量原理，则上式可分解成
u z u CV 2 t z
2
u r 2 u 1 u Cr ( 2 ) t r r r
（一）砂井固结理论
竖向固结的求解，可以采用Terzaghi 解答，其固结度的计算公式为
exp( Ai2 Cv t /(2 L) 2 ) U z 1 8 2 A i 0 i
长。
堆载预压法就是用填上等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。
(一)堆载预压加固机理
(一)堆载预压加固机理
堆载预压法一般根据预压目的选择加压方法：如果预 压是为了减小建筑物的沉降，则应采用预先堆载加压，使 地基沉降产生在建造建筑物之前；若预压的目的主要是增 加地基强度，则可用自重重加压，即放慢施工速度或增加 土的排水速率，使地基强度增长与建筑物自重的增加相适 应。 预压的荷裁一般应等于设计的荷载，为了缩短工期，也 可大于设计荷载，此时称为超载领压，必需注意，任何时 候预压都不得使地基上发生破坏。
式中 －砂井打入深度H1与整个固结土层厚度比值，即；
U1、U2－分别为砂井范围内土层（H1）固结度和砂井以下部 分土层（H2）固结度。
H1 H1 H 2
砂井未穿透软弱土层平均固结度计算
附加应力分布 H1 H 孔隙水压力分布
H2
砂井未打穿软弱粘性土层
（二）逐级加荷条件下的固结度计算
改进的Terzaghi法 改进太沙基法基于如下基本假定 （1）分级荷载增量Pi所引起固结过程是单独进行，与上 一级荷载增量无关 （2）总的固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加 （3）等速加荷周期内，经过t的固结度与t/2时刻施加相 应瞬时荷载固结度相同，即计算采用固结时间为 t=t/2 （4）等压期间，某一时刻t（t > Ti）固结度，计算采用 t为等压时间（t- Ti）加上等速加载Ti /2，即
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
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。
真空预压法
真空膜
水气收集管道系统
水气收集管道系统
工作原理
处理效果数据
真空预压模型试验
真空预压处理现场鸟瞰
(3) 长期侧向变形


第三节 设计与计算
排水固结法主要要求: (1)加固期限尽量短; (2)固结沉降要快; (3)充分增加强度; (4)注意安全
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
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
以二级等速加荷为例，说明Terzaghi改进法分级 加荷固结计算的方法
当时，进入首次等速加载过程，对于本级荷载 p1， 有
U t1 U t1
2
p p1
当按总荷载计算固结度时，上式改写成
U t1 U t
2
p
p
i
（二）逐级加荷条件下的固结度计算
改进的Terzaghi法
当时
Ti Ti t 2 2 （5）计算的固结度尚应对总荷载的比例进行修正 t (t Ti )
荷载p
T3 T2 T1 p' t1 t2 p1 t3 t4 二次分级加载 瞬时一次加载 时间t p'' p2
固结度U
t
分级等速加荷固结计算
（二）逐级加荷条件下的固结度计算
改进的Terzaghi法
(1)预压荷载 (2)预压时间
(3)适用的土类
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
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)
注意：
排水固结法能否获得满足工程要求的实际效果，则取 决于地基土层的固结特性、土层的厚度、预压荷载的大、 小和顶压时间长短等因素。
如果软土层不太厚(＜5m)或固结系数比较大(cv＞l x10－
2cm2/s)时，不需要很长时间就可获得较好的预压效果；反之，
饱和软土层比较深厚(＞lom)，而且固结系数又比较小(cv＜ 1xI 0-3cm2/s。)，则排水固结所需随时间很长。堆预压的地基 处理方法就受到了限制。
真空项压的加固机理主要反映在以下几方面：
2、地下水位降低，相应于增加一个附加应力 抽气前，地下水位离地面H1，在此范围内的土体便从浮重度 变为湿重度，此时土骨架增加了大约水高H1-H2的固结压力。
3、封闭气泡排水，土的渗透性加大。 如饱和土体中含有少量的封闭气泡，在正压作用下，该气泡堵 塞孔隙，使土的渗透性降低，固结过程减慢。但在真空吸力下， 封闭气泡被吸出孔隙，从而使土的渗透性提高，固结过程加速。
强度逐渐提高的方法。
概 述
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。
系统由两个部分组成：排水系统和加压系统。
普通砂井 竖向排水体 排水系统
水平排水体
袋装砂井 塑料排水带 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
排水固结法体系的组成
加压系统
s
d
排水系统
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


(二)真空预压加固机理
真空预压发展历史: 由瑞雪皇家地质学院W.Kjellman教授于1952提出.开始由于密封及抽真 空装置问题,并未被很好应用. 70年代后期,日本采用塑料排水板与真空降水相结合,取得理想效果. 我国防50年代末60年代初引进并进行研究,开始也被能运用到工程实际 中,到80年代初,由交通部一航局、天津大学和南京水利科学研究院等以过合 作研究，对施工工艺和加固机理解释上取得了进展，关成功运用到工程中。 我国在真空预压排水加固软基的技术方面已经处于世界相对领先的水平。 真空预压法（Vacuum Preloading）是在需要加固的软土地基表面先 铺设砂垫层，然后埋深垂直排水管道，再利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。见下图所示。
工艺设备平面和剖面图
真空预压加固机理示意图
真空联合堆载预压加固机理示意图
系统组成——加压系统
真空预压
Vacuum Consolidation
FLASH
VACUUM PRELOADING
目前真空预压研究热点：
（1）真空预压加固地基的影响范围问题，这一问题包括两个方面的内容，一是真空 预压加固地基的有效深度问题，二是真空预压加固地基对周边的影响区问题。 （2）真空预压加固地基中有关地下水位的影响问题，这一问题包括真空预压导致地 下水位下降的机理及意义，地下水位下降的极限深度，地下水位下降计算方法等方 面。 （3）真空预压加固地基的沉降计算问题，这一问题包括真空预压加固地基沉降组成 分析，真空预压加固地基实用沉降计算方法，真空预压消除地基工后沉降的机理及 计算等方面。 （4）真空预压加固地基的稳定计算问题，这一问题包括真空预压加固地基强度增长 问题，真空预压加固地基稳定增长计算模型的建立待方面。 （5）大量真空预压工程式积累了一大批实测资料，需要对这些资料的分析整理，总 结真空预压加固地基各相关参数变化规律。同时改进真空预压加固地基监测技术， 以获得更多更可靠边的监测数据。 （6）改进先有真空预压加固地基设计方法，引入优化设计的思想。 （7）改进真空预压加固地基工艺，提高该技术的实用性、经济性。

其中
Ai (2i 1)
（一）砂井固结理论
Barron(1948)根据等应变条件， 其水平向固结度的计算公式为
8Tr U r 1 exp( ) Fn
Cr t Tr 2 de
其中
n 3n 2 1 Fn 2 ln n n 1 4n 2
（一）砂井固结理论
Carrillo（1942）根据前述分离变量原理，解得：
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。
排水固结法的应用范围
用于处理软粘土地基，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
排水固结法的应用条件
地基处理
Soil Improvement
排水固结技术
Drain Consolidation
1 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）竖向排水体，然后利用建筑物自身重
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
2排水固结法的原理 (一)堆载预压加固机理
排水垫层
水平排水盲沟
竖向排水体 加 固 软 土 层
(一)堆载预压加固机理
堆载预压（Preloading）是指在饱和软土地基上施
加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之缩
小，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，地基土强度逐渐增
1 U (1 U r )(1 U z )
或
卡里罗定律
U 1 (1 U r )(1 U z )
砂井未穿透软弱土层平均固结度计算 砂井深度H1范围内根据上述单元井固结理论计算 砂井以下部分H2范围内土层可简单地假定砂井底面为 一排水面，采用Terzaghi解答计算。因此，整个土层 平均固结度U U U1 (1 )U 2
排水预压法的一些现场施工照片
a 95 feet (29 m) longrwater
E~QUAKE drains are installed for a new hotel in St. Lucia, British West Indies. The drains were tested by a 5.4 magnitude earthquake even before the hotel was finished.jpg
真空项压的加固机理主要反映在以下几方面：
1、薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载 在抽气前，薄膜内外都承受一个大气压Pa。抽气后薄膜内气压 逐渐下降，首先砂垫层，其次砂井中的气压降至Pv，帮使薄膜 紧贴砂垫层。由于土体与砂垫层和砂井间的压差，从而发生渗 流，使土中的孔隙水压力不断降低，有效应力不断增加，从而 促使土体固结。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，最终趋于零，该时渗充停止， 土体固结完成。