固结法处理地基

4）砂井的布臵范围：由于在基础以外一定的范围内 仍然存在压应力和剪应力，所以砂井的布臵范围应比 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%，渗透系数应大于10-3cm/s。
2.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-1.0 m。
u 0 z
2u u Cv 2 z t
Cv
k (1 e1 ) a w
式中 Cv ——固结系数, coefficient of consolidation
应用傅立叶级数，可求得满足初始条件和边界条件的解答如下：
u z ,t
4p 1 mz sin e m 2H
一维固结微分方程
根据渗流的连续条件和达西定律一维固结微分方程如下:
初始条件和边界条件如下: t = 0和 0 ≤ z ≤ H 时, u =u0=p 0 < t < ∞和 z = 0 时, u = 0 0 < t < ∞和 z = H 时, t = ∞ 和 0 ≤ z ≤ H 时, u=0 a —— 土的压缩系数 k —— 土的渗透系数
一、砂井堆载预压法 二、袋装砂井和塑料排水板预压法 三、天然地基堆载预压法 四、真空预压法和降水位预压法
五、真空和堆载联合预压法 六、质量检测与监测
一、砂井堆载预压法
软粘土渗透系数很低，为了缩短加载预压后排水固结的 历时，对较厚的软土层，常在地基中设臵排水通道，使土中 孔隙较快排出水。可在软粘土中设臵一系列的竖向排水通道 (砂井、袋装砂井或塑料排水板)，在软土顶层设臵横向排水 砂垫层如下图所示，借此缩短排水途程，增加排水通道，改 善地基渗透性能。
U z ,t
u 0 u z ,t u0
1
u z ,t u0
平均固结度(average degree of consolidation)
Ut 1
1 pH u dz
0 H
H
udz
0
H
0
udz
0
2 2 st ( ) T 9 ( )Tv 8 1 v 4 4 Ut U 1 2 (e e ) s t 9
袋装砂井的设计理论、计算方法基本与普通砂 井相同，它的施工已有相应的定型埋设机械，与普 通砂井相比，优点是：施工工艺和机具简单、用砂 量少；它间距较小，排水固结效率高，井径小，成 孔时对软土扰动也小，有利于地基土的稳定，有利 于保持其连续性。
袋装砂井
(二)塑料排水板预压法 塑料排水板预压法是将塑料排水板用插板机插 入加固的软土中，然后在地面加载预压，使土中水 沿塑料板的通道逸出，经砂垫层排除，从而使地基 加速固结。 塑料板排水与砂井比较具有如下优点： 1，塑料板由工厂生产，材料质地均匀可靠， 排水效果稳定； 2．塑料板重量轻，便于施工操作； 3．施工机械轻便，能在超软弱地基上施工； 施工速度快，工程费用便宜。
m 1
m2 (
2 )Tv 4
时间因素（time factor） ：
Tv
Cv t H2
H土层最远的排水距离，当土层为单面(上面或下面)排水时，H取土层厚度；双面排 水时，水由土层中心分别向上下两方向排出，此时H应取土层厚度之半。
固结度(Degree of consolidation)
在某一固结应力作用下，经某一时间 t 后，土体发生固结或孔隙水应力消散的程度 。对于土层任一深度 z 处经时间 t 后的固结度：
预压荷载下地基的最终竖向变形量可按下式计算：规范5.2.12
e0i e1i sf hi i 1 1 e0i
n
二、袋装砂井和塑料排水板预压法 用砂井法处理软土地基如地基土变形较大或 施工质量稍差常会出现砂井被挤压截断，不能保 持砂井在软土中排水通道的畅通，影响加固效果。 近年来普通在砂井的基础上，出现了以袋装砂井 和塑料排水板代替普通砂井的方法，避免了砂井 不连续缺点，而且施工简便、加快了地基的固结， 节约用砂，在工程中得到日益广泛的应用。
U t ~ Tv
8 ( 4 )Tv 1 9( 4 )Tv U t 1 2 (e e ) 9
2
2
砂井地基的固结度计算。 一级或多级等速加载条件下，当固结时间为t时，对应总 荷载的地基平均固结度可按下式计算：(规范5.2.7）
q t Ti Ti1 Ut (Ti Ti 1 ) e (e e ) i 1 p
3.地基固结度 在双面排水或者固结土层中应力均匀分布的 单面排水条件下，土层竖向平均固结度可按 下式计算：
Uz

2 Cvt 8 U z 1 2 exp( ) 2 4H
如果考虑逐级加荷，则时间t 从加荷历时的 一半起算；如为双面排水，H 取土层厚度 的一半。
一维固结理论
太沙基固结理论假设: 1. 土是均质的、各向同性且完全饱和的. 2. 土中的压缩完全由孔隙体积的减小引起，土粒和水都是不可压缩的. 3. 土中附加应力沿水平面无限均匀分布，土的压缩和渗流仅在竖直方向 发生。 4. 孔隙水的渗流符合达西定律. 5. 在整个渗流估计过程中，土的渗透系数、压缩系数均视为常数. 6. 地面上作用着无限连续均布荷载并且是一次施加的.
3）砂井排列：
砂井的平面布臵可采取 正方形或等边三角形，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： 等边三角形布臵 d e 2 3 l 1.05l 正方形布臵
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砂井的平面布臵及固结渗透途径

l 1.128l
n
4．预压荷载下地基土体的抗剪强度验算 计算预压荷载下饱和黏性土地基中某点的抗剪强度时， 应考虑土体原来的固结状态，对正常固结饱和黏性土地基， 某点某一时间的抗剪强度可按下式计算：（规范5.2.11）
ft f zU t tan cu
0
5．预压荷载下地基的最终竖向变形量计算
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。
土层的排水固结效果和它的排水边界条件有 关，粘性土固结所需的时间与排水距离的平方成 正比，土层越厚，加固延续的时间越长。为加速 土层的固结，最有效的方法是先增加土层的排水 途径，缩短排水距离。然后分级加载预压(也可 利用建筑物本身重)，使软土中孔隙加快排出水， 地基土固结沉降加快完成，强度也得到相应提高， 当土质条件较好时，也可在天然地基上直接加载 预压。
排水固结法加固软土地基是一种比较成熟、应用 广泛的方法，它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。
(一)袋装砂井预压法 目前国内应用的袋装砂井直径一般为70-120mm， 间距为1.0m-2.0m(井径比n约取15-22)。砂袋可采用 聚丙烯或聚乙烯等长链聚合物编织制成，应具有足够 的抗拉强度、耐腐蚀、对人体无害等特点。装砂后砂 袋的渗透系数不应小于砂的渗透系数。灌入砂袋的砂 应为中、粗砂并振捣密实。砂袋留出孔口长度应保证 伸入砂垫层至少300mm，并不得卧倒。
砂井堆载预压
1.砂井
1）砂井的直径和间距： 砂井的直径和间距主要取决于土的固结特性和施 工期的要求。从原则上讲，为达到相同的固结度，缩 短砂井间距比增加砂井直径效果要好，即以“细而密” 为佳，不过，考虑到施工的可操作性，普通砂井的直 径为300-500mm。砂井的间距可根据地基土的固结特 征和预定时间内所要求达到的固结度确定，间距可按 为直径的6-8倍选用。砂井的间距可按井径比（n）选 用，n按下式确定： n=de/dw
降低水位预压法是借井点抽水降低地下水位， 以增加土的自重应力，达到预压目的。其降低地下 水位原理、方法和需要设备基本与井点法基坑排水 相同。地下水位降低使地基中的软弱土层承受了相 当于水位下降高度水柱的重量而固结，增加了土中 的有效应力。这一方法最适用于渗透性较好的砂土 或粉土或在软粘土层中存在砂土层的情况，使用前 应摸清土层分布及地下水位情况等。
五、真空和堆载联合预压
真空和堆载联合预压：当设计地基预压荷载大 于80kPa,且进行真空预压不能满足设计要求时，采 用。
六 质量检验 对塑料排水板应进行纵向涌水量、复合体抗拉强度、滤膜
抗拉强度、滤膜渗透系数、等效孔径等性能指标的抽样测试。 对砂井和砂垫层的砂料应取样进行颗粒分析和渗透试验。 对抗滑稳定性控制工程，应在预压区预留孔位，在加载的 不同阶段进行原位十字板、取土试验，和加固前指标进行对比。 真空预压、联合预压应对地基变形、空隙水压力进行监测， 对膜下真空度和地下水位进行监测。 原位试验：十字板、静力触探、载荷试验。 检验深度不小于加固深度，检验时间在卸载后一定时间， 数量一般每个处理区内不少于6个。
四、真空预压法和降水位预压法
真空预压法实质上是以大气压作为预压荷重的 一种预压固结法。在需要加固的软土地基表面铺设 砂垫层，然后埋设垂直排水通道(普通砂井、袋装砂 井或塑料排水板)，再用不透气的封闭薄膜覆盖软土 地基，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，用真空泵进行抽气，使 其形成真空，当真空泵抽气时，先后在地表砂垫层 及竖向排水通道内逐渐形成负压，使土体内部与排 水通道、垫层之间形成压力差，在此压力差作用下， 土体中的孔隙水不断排水，从而使土体固结。
地基处理
任课教师：胡庆兴 南京工业大学交通学院
3 排水固结法
排水固结法是使天然地 基在建筑物投入使用之前完 成大部分固结沉降，从而减 少建筑物或构筑物使用期的 沉降，保证建筑物的沉降和
沉降差在允许的范围内,提高
承载力。 主要用于处理软弱粘性土地基。
室内压缩试验说明排水固结法原理 a) e-曲线 b) τ-曲线
2）砂井深度： 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。 当软土不厚（一般为10-20m）时，尽量要穿过软土层 达到砂层；当软土过厚（超过20m）,不必打穿粘土， 可根据建筑物对地基的稳定性和变形的要求确定。对 以地基抗滑稳定性控制的工程，竖井深度应超过最危 险滑动面2.0m以上。
多孔单一结构型塑料排水板
复合结构塑料排水板
塑料排水板
塑料排水板施工
施工后的塑料排水板
三、天然地基堆载预压法 天然地基堆载预压法是在建筑物施工前，用与 设计荷载相等(或略大)的预压荷载(如砂、土、石 等重物)堆压在天然地基上使地基软土得到压缩固 结以提高其强度(也可以利用建筑物本身的重量分 级缓慢施工)，减少施工后的沉降量，待地基承载 力、变形达到设计预期要求后，将预压荷载撤除， 在经预压的地基上修建建筑物。 此方法费用较少，但工期较长。 如软土层不太厚，或软土中夹有多层细、粉砂 夹层渗透性能较好，不需很长时间就可获得较好预 压效果时可考虑采用，否则排水固结时间很长，应 用就受到限制。此法设计计算可用一维固结理论。