排水固结法(白色).ppt

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1、第五章 排水固结技术,Drain Consolidation,地基处理,第一节 概述,我国沿海地区分布着大量的软弱粘性土，这种土的特点:含水量大、压缩性高、强度低、透水性差。在软土地基上直接建造建筑物或进行填土时，地基将由固结和剪切变形会产生很大的沉降和沉降差异，而且沉降的延续时间很长，有可能影响建筑物的正常使用。,排水固结法(预压法)是在建筑物建造前，对天然地基或已设置竖向排水体的地基加载预压，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。从而提高地基土的强度，提高地基的承载力和稳定性的一种地基加固方法。,排水固结法是由排水系统和加压系统两部分

2、组成:,排水系统,加压系统,1.排水系统的作用：改变地基的排水边界条件，缩短排水距离和增加孔隙水排出的途径；该系统是由水平排水垫层和竖向排水体构成的。,当软土层较薄或土的渗透性较好而施工期允许较长时，可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层，然后加载，土层中的水沿竖向流入砂垫层而排出。当遇到深层透水性很差的软土时，可在地基中设置砂井等竖向排水体，地面连以排水砂垫层，构成排水系统(砂井堆载预压法)。,系统组成排水系统,系统组成排水系统,材料,Wick Drains,sand,gravel,系统组成排水系统,Vertical Wick Drains,Vertical Wick Drains,Horizont

3、al Drains,水平排水体,Horizontal Drains,水平排水体,2.加压系统的作用：加压系统的目的是在地基中产生水力梯度从而使地基土中的自由水排出而孔隙比减少。排水系统和加压系统是联合使用的。,排水系统是一种手段，如没有加压系统，孔隙中的水没有压力差就不会自然排出，地基也就得不到固结。如果只增加固结压力，不缩短土层排水距离，则不能在预压期间尽快地完成设计所要求的沉降量，强度不能及时提高。所以上述两个系统在设计时是联系考虑的。,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,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

4、的可以解决两个问题,沉降问题,稳定问题,沉降问题(settlement problems),超载预压法：对沉降有严格要求的建筑物，应采用超载预压法处理地基，即采用大于建筑物设计荷载的超载进行预压，以加速压缩过程。,3.按加压方式分类堆载法 该法于1943年首次在美国用于处理沼泽地段的路基，取得满意的结果，随后在世界各地得到推广。堆载一般用填土、砂石等散粒材料。,真空预压 真空预压法是一种排水固结法，由瑞典皇家地质学院教授于1952年提出的，20世纪80年代起我国开展了真空预压法的研究，1985年通过国家鉴定，在真空度和大面积加固方面处于国际领先地位。“利用大气压力加固粘土”。,真空预压 a.在

5、软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水通道；b.再将不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中；c.通过砂垫层内埋设的吸水管，用真空装置进行抽气，用真空装置进行抽气，使其形成真空时；d.先后在地表砂垫层及竖向排水体通道内逐步形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差，在此压差作用下，土体中的孔隙水不断地由排水通道排出，从而使土体固结。,典型工程真空预压工艺设备平面和剖面图,用真空方法增加的有效应力,1983年开展了真空-堆载联合预压法，开发了一套先进的工艺和优良的设备，取得了良好的效果。该法得到国外专家的好评。,Vacuum Consolidation,系统组成加压系统,真空预压

6、,降低地不水位法 利用井点抽水降低地下水位以增加土的自重应力，达到预压加固的目的。降低地下水位能使:1）土的性质得到改善；2）地基发生附加沉降；3）降低地基中的地下水位，使地基中的软土承受了相当于水位下降高度水柱的重量而固结。适用于:砂土或软粘土层中存在砂或粉土的土层。为加速其固结，往往设置砂井。,（a）天然面地下水；（b）有压地下水,电渗法在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水分从阳极流向阴极，这种现象称为电渗。如将水在阴极排除而在阳极不予补充的情况下土就会固结，引起土层的收缩。适用于:饱和粉土和粉质粘土 正常固结粘性土 孔隙水电解浓度低 在上述三种情况下是经济和有效的。

7、,电渗法在工程中的应用:降低粘土中的含水量和地下水位来提高土坡和基坑边坡的稳定性；加速堆载预压饱和粘性土地基的固结和提高强度。,排水固结的应用条件：1）砂井的施工机械和材料（必备）2）预压荷载（关键）3）预压时间4）适用的土类等条件,第二节 加固机理,加 固 软 土 层,竖 向 排 水 体,排水垫层,水平排水盲沟,饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙体积慢慢减小，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，地基土的强度逐渐增长。=+u,abc为压缩曲线、cef为卸荷曲线、fgc为再压缩曲线,一、堆载预压加固机理,固结理论公式,固结时间与排水距离的平方成正

8、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。,固结度Ut是时间因数Tv的函数：,式中：TV表示时间因素,m正奇整数1，3，5；H待固结土层最长排水距离(m)，单面排水土层取土层厚度，双面排水土层取土层厚度一半,如在建筑物场地先加一个和上部建筑物相同的压力进行预压，使土层固结，然后卸除荷载再建造建筑物，这样，建筑物所引起的沉降即可大大减小。如果预压荷载大于建筑物荷载，即所谓超载预压，则效果更好。土力学中，将土在某一压力作用下，自由水逐渐排出，土体随之压缩，土体的密实度和强度随时间增长的过程称为土的固结过程。,

9、地基土层的排水固结效果与它的排水边界有关。根据固结理论，在达到同一固结度时，固结所需的时间与排水距离的平方成正比。软粘土越厚，固结所需的时间越长，如果淤泥质土层厚度大于10-20m要达到较大固结度(大于80%)，所需的时间要几年到十几年之久，为加速固结，最有效的方法是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离（设置竖向砂井）。,砂井,真空预压法是在软土地基表面先铺设砂垫层、埋设垂直排水竖井，再用不透气的封闭膜使之与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过埋设的排水竖井，用真空装置进行抽气。抽气使地表砂垫层及排水竖井内形成负压，使土体内部与排水竖井之间形成压力差。压差作用下土体中的孔隙水不断由排水竖井排出，

10、从而使土体固结。,二、真空预压加固机理,真空膜,真空预压和降水预压是在负超静水压力下排水固结，又称为负压固结。,按照竖向排水体的不同，真空预压法又可分为普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。,袋装砂井施工 袋装砂井施工机械 袋装砂井埋设完毕,袋装砂井,袋装砂井埋设完毕,袋装砂井与排水横管连接,插板机在进行塑料排水带施工,塑料排水带埋设完毕,4 真空预压法,真空预压法覆盖封闭膜,真空预压法排气进行时,水气收集管道系统,真空预压法的新发展,低位真空预压法,高真空击密法,覆水真空预压法,覆水真空预压法,高真空击密法通过人为在土层中制造“压差”，利用“压差”来快速消散超孔隙水压力，使软土中的水快速排出。高真

11、空排水，使击密效果大大提高，从而使被处理土体形成一定厚度的超固结“硬壳层”。由于“硬壳层”的存在，使得表层荷载有效扩散，减少了因荷载不均匀产生的不均匀沉降。,真空预压法的新发展低位真空预压法 是采用吹填泥浆取代塑料膜作为真空系统密封层的一种新的真空预压加固软土地基的方法。该方法区别于传统的真空预压法是其水平真空管网布置在吹填淤泥的下部、真空系统将对其上的吹填泥层和其下的软土地基同时作用、所以对于加固后位于其上的吹填土而言、水平真空管网是位于下部的、故称该真空预压法为低位真空预压法。,覆水真空预压法,水气收集管道系统,真空预压模型试验,真空预压处理现场鸟瞰,真空预压的加固原理有以下几点：1.薄膜

12、上面承受等于薄膜内外压差的荷载2.地下水位降低，相应增加附加应力 使土所受的地基附加压力增大。3.封闭气泡排出，土的渗透性加大 如饱和土体中含有少量的封闭气泡，在正压力作用下，该气泡堵塞空隙，使土的渗透性降低，固结过程减慢。但在真空吸力作用下，封闭气泡被吸出，从而使土体的渗透性提高，固结过程加快。,三、降低地下水位法 是指利用井点降水，使地下水位下降，以增加土的自重应力，达到预压加固的目的。由于地基土自重应力的增加，将导致地基发生附加沉降。降低地下水位，使地基中的软土承受了相当于水位下降高度的水柱重量，因而地基产生固结，这种增加有效应力的方法。降低地下水位法最适用于砂性土地基，或在软粘土层中存

13、在砂或粉土的情况。对于深厚的软粘土层，常设置砂井并采用井点法来降低地下水位，以加速其固结。当应用真空装置降水时，地下水位可降低5m6m。,四、电渗法 在地基土中插入金属电极并通以直流电，在直流电场的作用下，土中的水分从阳极流向阴极，这种现象称电渗。如果将汇聚在阴极的水排除。而在阳极不予补充，那么土层就会固结，引起土层的压缩。,应用于饱和粉土和粉质粘土、正常固结粘土以及孔隙水电解浓度低的情况下是经济和有效的。在实际工程中，可利用电渗法降低粘土中的含水量和地下水位。以提高土坡和基坑边坡的稳定性；利用电渗法也可以加速堆载预压饱和粘性土地基的固结和提高强度等。,第三节 排水固结法设计计算,一、设计前应

14、取得的资料 进行岩土工程勘察，查明场地的工程地质和水文地质条件；室内土工试验，确定土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、三轴试验强度等；进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗剪强度。,二、加载预压法设计 其设计内容包括：选择竖向排水体，确定其尺寸、间距、排列方式和深度；确定预压荷载的大小、范围、速率和预压时间；计算地基的固结度、强度增长；进行稳定性和变形计算。,（一）堆载预压法设计计算,1.堆载预压的计算步骤,利用地基的天然抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1。对长条梯形填土，可根据Fellenius公式估算，即：,计算第一级荷载下地基强度增长值。,通常假设地基的固结度为70，然后计算出强度

15、增长量；为考虑剪切蠕变的强度折减系数。,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。,根据第2步所得到的地基强度f1计算第二级所能施加的荷载p2，即,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。,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。,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

16、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所允许。,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：,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。,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ssRsf，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）

17、达到下式要求：,3.超载预压的标准,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。,超载预压排水与动力置换相结合,（二）砂井排水固结设计计算,丹尼尔.莫兰（）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,1.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

18、在荷载预压过程中，在预期的时间内，达到所需要的固结度(通常定为80)。,砂井直径和间距,常采用“细而密”原则。,一般砂井直径：300400mm；间距：68倍井径。,袋装砂井直径：70120mm；间距：1530倍井径。,砂井长度,根据现场各种因素定。（土层厚、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1025米。,砂井排列,正三角形排列,正方形排列,排水路径,l,l,de,de,砂井的布置范围,大出基础轮廓线24m。,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0.30.5m(水下砂垫层厚度为1.0m左右)。如砂料缺乏，可采用连

19、通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。,horizontal drain system is installed to collect water squeezed into the crushed stone blanket.jpg,Horizontal drains are installed in sand blanket to collect water to be discharged from vertical drains.jpg,Heavy clay is placed atop vertical and horizontal drain systems to squeeze wat

20、er out of the bog and compact the soft subsoils,2.砂井地基固结度的计算,瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算,19401942年，巴伦（Barron）根据太沙基固结理论，提出砂井的设计计算方法。,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规范公式计算：,3.地基抗剪强度增长的预计,曾国熙1975，198l年提出：,式中为考虑剪切蠕变及其他因素对强度影响的折减系数。,地基中某一时刻土的抗剪强度公式，规范：,第四节 施工方法,要保证排水固结的加固效果,主要作好三个环节:铺设水平排水垫层设置竖向排水体施加固结压力,（一）

21、堆载预压施工（一）水平排水垫层的施工,排水垫层的作用:使土体进入垫层的渗流水迅速排出，使土层的固结能正常进行，因而垫 层的质量将直接关系到加固效果和 预压时间的长短。,1.垫层材料 采用透水性好的砂料，一般采用级配良好的中、粗砂，含泥量不大于3%。不宜采用粉、细砂2.垫层尺寸（1）陆上排水垫层厚度为0.5m左右，水下垫层为1.0m左右。（2）排水砂垫层宽度等于铺设场地宽度，砂料不足时可采用连通砂井的砂沟来代替砂垫层。（3）砂沟的宽度为23倍砂井直径，一般深度为4060cm。,3.垫层施工应避免对软土表层的过大扰动，以免造成砂和淤泥混合，影响垫层的排水效果。在铺设砂垫层前应清除干净砂井顶面的淤泥

22、或其它杂物，以利于砂井排水。采用机械或人工铺摊法。,（二）竖向排水体的施工,竖向排水体有:300-400mm直径的普通砂井 70-120mm直径的袋装砂井 100mm宽的塑料排水带1.砂井施工 砂井施工一般先在地基中成孔，再在孔内灌砂形成砂井。,砂井施工要求：保证砂井连续和密实，并且不出现颈缩现象；尽量减少对周围土的扰动；砂井的长度、直径和间距应满足设计要求。,砂井可能产生的质量事故,施工方法分为:套管法、射水法、螺旋钻成孔法、爆破法套管法 将带有管尖或混凝土桩靴的套管沉到预定深度,然后在管内灌砂、拔出套管形成砂井。可分为:静压锤击联合沉管法、振动沉管法,射水法 是利用高压水通过射水管形成高速

23、水流的冲击和机械的切削,使土体破坏,并形成一定直径和深度的砂井孔,然后灌砂而成砂井。射水成孔工艺,对土质较好的粘性土地基是较好的;但对土质很软的淤泥,因成孔和灌砂过程中容易缩孔,很难保证砂井的直径和连续性.,螺旋钻成孔法 以动力螺旋钻钻进,提钻后孔内灌砂成形。此法适用于:陆上工程、砂井长度在10m以内,土质较好,不会出现缩颈和塌孔现象的软弱地基，但对很软的地基也不适用。,爆破法此法是用直径73mm的螺纹钻成一个砂井所要求设计深度的孔,在孔中放置由传爆线和炸药组成的药包,爆破后将孔扩大,然后往孔内灌砂形成砂井。该法施工简易,不需要复杂的施工机械,适用于深为6-7m的浅砂井。,材料要求 砂井的砂宜

24、用中粗砂,砂井的粒径必须能保证砂井具有良好的透水性.砂的含泥不能超过3%.砂井的灌砂量,应按砂在中密状态的干重度和井管外径所形成的体积计算。实际灌砂量不小于计算量的95%。灌砂时可适当灌水以利密实.,2.袋装砂井的施工袋装砂井是普通砂井的改良和发展.普通砂井的缺点:套管成孔法在打套管时将扰动周围土,使透水性减弱(涂抹作用);射水成孔法对含水量高的软土地基施工质量难以保证,砂井中易混入较多的泥砂;螺旋钻成孔法在含水量高的软土地基中也难做到孔壁直立.,普通砂井即使在施工时能形成完整的砂井,但当地面荷载较大时,软土层便产生侧向变形,也有可能使砂井错位。袋装砂井是用具有一定伸缩性和抗拉强度很高的聚丙烯

25、编织袋装满砂子,它基本上解决了大直径砂井中所存在的问题,使砂井的施工更加科学化,保证了砂井的连续性,用砂量大量减少,施工速度加快,工程造价降低。,（1）施工机具 成孔方法有:锤击打入法、水冲法、钻孔法、静力压入法和振动贯入法。（2）砂袋材料的选择 具有抗拉力强、抗腐蚀和抗紫外线能力强、透水、透气性能好，且有足够的强度、韧性和柔性，并且在水中能耐腐蚀和起滤网作用。聚丙烯编织袋，玻璃丝纤维布，黄麻片等。,（3）施工要求灌入砂袋的砂宜用干砂,并应灌制密实。砂袋长度应较砂井孔长度长50cm,使其放入孔内后能露出地面,以便埋入排水砂垫层中。袋装砂井在施工时,所用钢管内径宜略大于砂井直径,以减小施工过程中

26、对地基土的扰动。,3.塑料排水带施工 塑料带排水法是将带状塑料排水带用插带机将其插入软土中,然后在地基面上加载预压,土中水沿塑料带的通道排出,从而使地基土得到加固的方法。,（1）塑料排水带的材料多孔质单一结构 这种排水材料是用聚氯乙烯经特殊加工而成.耐酸及耐碱性极好,在土中不会产生膨胀及变质.这种材料的孔眼在地基中不会被堵塞,是一种很好的排水材料.这种排水法简称为PVC排水法.,复合结构型 这是一种由塑料芯带外套透水挡泥滤膜所组成的复合型制品.芯带材料采用特殊的硬质聚氯乙烯和聚丙烯,并加工成十字型,使之具有纵向通水能力.透水挡泥的滤膜,由涤纶或丙烯类合成纤维制成,透水性好,其渗透阻力可忽略不计

27、.,系统组成排水系统,Vertical Wick Drains,插带机械 用于插设塑料带的插带机,种类很多。塑料排水带的导管靴与桩尖 一般打设塑料带的导管靴有圆形和矩形两种。,质量检验,在预压区内选择有代表性的地点预留孔位,对堆载预压法在堆载不同阶段,对真空预压法在抽真空结束后,进行不同深度的十字板抗剪强度试验和取土进行室内试验,以检验地基的处理效果。土中水沿塑料带的通道排出,工程实例,工程概况某炼油厂建造在沿海地区,其中有1万立米油罐数个,罐体是钢制焊接,考虑到地基不均匀沉降,采用固定拱顶的结构型式.建筑场地是近年新淤积的土.,该场地含水量高,普遍大于30%,压缩性大,抗剪强度低,天然地基承

28、载力只有60kPa,远不能满足油罐荷载要求.地基方案处理选择1万立米油罐的直径为31.282m,高14.07m,钢板自重约2214.5kN,由于工艺上要求,油罐底板高出地面2.3m,油罐基础底面荷载为191.4kPa.显然若罐基不作任何处理,不能满足上部荷载要求.可选取的方案:桩基,砂垫层预压,砂井预压井点降水预压,振冲碎石桩,桩基在技术上比较可靠,但费用较高;砂垫层预压在经济上比较合理,但对一个1万立米油罐而言,预压期限大于3年;井点降水深度有限,土的渗透系数较小,采用井点降水可能效果不好;若采用振冲碎石桩要起到复合地基的作用,需要耗费大量的碎石.最后决定采用砂井预压法,砂井的直径:40cm

29、砂井间距:2.5m砂井长度:18砂井总数:253基础边外超打两排砂井,以减少地基侧向变形,预压采用向油罐内逐渐充水来实现预压.第一级荷载(充水高度为0):基底压力50.7kPa,持续时间30天第二级荷载(充水高度 5m):基底压力100.7kPa,持续时间50-60天.第三级荷载(充水高度 9m):基底压力140.7kPa,持续时间74-90天.第四级荷载(充水高度 12m):基底压力170.7kPa,持续时间110-124天.第五级荷载(充水高度 14.07m):基底压力191.7kPa,持续时间140-160天.,工程效果根据实测,利用80天充水加荷和30天预压,孔隙水压力基本消散;放水前

30、实测沉降值已接近推算的最终沉降临量.,二、真空预压施工方法（一）真空预压1.加固区划分(1)按建筑物分布情况，应确保每个建筑物位于一块加固区域之内，建筑边线距加固区边线根据地基加固深度可取24m或更大些。（2）应考虑竖向排水体打设能力、加工大面积密封膜的能力、大面积铺膜的能力和经验及射流装置和滤管的数量等方面的综合指数。（3）应以满足建筑工期要求为依据，一般加固面积600010000m2为宜。（4）加固区之间的距离应尽量减少或者公用一条封闭沟。,2、工艺设备 抽真空工艺设备包括真空源和一套膜内、膜外管路。（1）采用射流真空装置（2）膜外管路连接着射流装置的回阀、截水阀、管路组成（3）膜内水平排水滤管，目前常用直径6070的铁管或塑料管（4）滤水管的布置与埋设，滤水管的平面布置一般采用条形或鱼刺形排列，如图,3.封闭系统：由密封膜、密封沟和辅助密封措施组成。一般选用聚乙烯聚氯乙烯薄膜,