2019巖土工程師基礎知識點：排水固結

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排水固結

排水固結法是對天然地基，或先在地基中設置砂井(袋裝砂井或塑料排水帶)等豎向排水體，然后利用建筑物本身重量分級逐漸加載;或在建筑物建造前在場地先行加載預壓，使土體中的孔隙水排出，逐漸固結，地基發(fā)生沉降，同時強度逐步提高的方法。該法常用于解決軟粘土地基的沉降和穩(wěn)定問題，可使地基的沉降在加載預壓期間基本完成或大部分完成，使建筑物在使用期間不致產生過大的沉降和沉降差。同時，可增加地基土的抗剪強度，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。

實際上，排水固結法是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分共同組合而成的。

排水固結法適用于處理各類淤泥、淤泥質土及沖填土等飽和粘性土地基。砂井法特別適用于存在連續(xù)薄砂層的地基。但砂井只能加速主固結而不能減少次固結，對有機質土和泥炭等次固結土，不宜只采用砂井法?？朔喂探Y可利用超載的方法。真空預壓法適用于能在加固區(qū)形成(包括采取措施后形成)穩(wěn)定負壓邊界條件的軟土地基。降低地下水位法、真空預壓法和電滲法由于不增加剪應力，地基不會產生剪切破壞，所以它適用于很軟弱的粘土地基。

(一)加固機理

1.堆載預壓加固機理

預壓法是在建筑物建造以前，在建筑場地進行加載預壓，使地基的固結沉降基本完成并提高地基土強度的方法。

在飽和軟土地基上施加荷載后，孔隙水被緩慢排出，孔隙體積隨之逐漸減少，地基發(fā)生固結變形。同時隨著超靜水壓力逐漸消散，有效應力逐漸提高，地基土強度就逐漸增長。

地基土層的排水固結效果與它的排水邊界有關。根據(jù)固結理論，在達到同一固結度時，固結所需的時間與排水距離的長短平方成正比。軟粘土層越厚，一維固結所需的時間越長。如果淤泥質土層厚度大于10～20m，要達到較大固結度U>80%，所需的時間要幾年至幾十年之久，為了加速固結，最為有效的方法是在天然土層中增加排水途徑，縮短排水距離，在天然地基中設置垂向排水體。這時土層中的孔隙水主要通過砂井和部分從豎向排出。所以砂井(袋裝砂井或塑料排水帶)的作用就是增加排水條件。為此，縮短了預壓工程的預壓期，在短期內達到較好的固結效果，使沉降提前完成;加速地基土強度的增長，使地基承載力提高的速率始終大于施工荷載的速率，以保證地基的穩(wěn)定性。

【例題21】地基土層的排水固結效果與它的排水邊界有關，根據(jù)固結理論，在達到同一固結度時，下列各項敘述正確的是()。

A. 固結所需的時間與排水距離的長短成正比

B. 固結所需的時間與排水距離的長短平方成正比

C. 固結所需的時間與排水距離的長短三次方成正比

D. 固結所需的時間與排水距離的長短四次方成正比日

答案:B

【例題22】某軟土地基厚4m，其下為不透水的泥巖，采用堆載預壓法處理，固結度達到90%時所需時間為16天，如果泥巖頂面處存在著0.2m厚的細砂，則達到90%固結度時所需時間為()天。

A. 16

B. 8

C. 4

D. 2

答案:C

2.真空預壓加固機理

真空預壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設砂墊層，然后埋設垂直排水管道，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過砂墊層內埋設的吸水管道，用真空裝置進行抽氣，使其形成真空，增加地基的有效應力。

當抽真空時，先后在地表砂墊層及豎向排水通道內逐步形成負壓，使土體內部與排水通道、墊層之間形成壓差。在此壓差作用下，土體中的孔隙水不斷由排水通道排出，從而使土體固結。

真空預壓的原理主要反映在以下幾個方面：

1)薄膜上面承受等于薄膜內外壓差的荷載。

2)地下水位降低，相應增加附加應力。

3)封閉氣泡排出，土的滲透性加大。

真空預壓是通過覆蓋于地面的密封膜下抽真空，使膜內外形成氣壓差，使粘土層產生固結壓力。即是在總應力不變的情況下，通過減小孔隙水壓力來增加有效應力的方法。真空預壓和降水預壓是在負超靜水壓力下排水固結，稱為負壓固結。

【例題23】排水固結法能夠使軟弱地基的承載力提高，基原理為()。

A. 能夠形成復合地基，從而使復合地基承載力提高

B. 在總壓力不變的前提下，通過降低孔隙水壓力，使有效應力增高，從而提高地基的抗剪強度，達到提高地基承載力的目的

C. 通過設置豎向增強體(砂井)提高地基承載力

D. 通過設置墊層增加上部強度，從而使下臥層強度滿足要求

答案:B

3.設計與計算

排水固結法的設計，實質上就是進行排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)的設計，使地基在受壓過程中排水固結、強度相應增加以滿足逐漸加荷條件下地基穩(wěn)定性的要求，并加速地基的固結沉降，縮短預壓的時間。

1.計算理論

(1) 瞬時加荷條件下固結度計算

不同條件下平均固結度計算公式見表17-5-2。

(2)逐漸加荷條件下地基固結度的計算

以上計算固結度的理論公式都是假設荷載是一次瞬間加足的。實際工程中，荷載總是分級逐漸施加的。因此，根據(jù)上述理論方法求得固結時間關系或沉降時間關系都必須加以修正。修正的方法有改進的太沙基法和改進的高木俊介法。

1)改進的太沙基法對于分級加荷的情況，太沙基的修正方法是假定：

①每一級荷載增量pi所引起的固結過程是單獨進行的，與上一級荷載增量所引起的固結度完全無關;

②總固結度等于各級荷載增量作用下固結度的疊加;

③每一級荷載增量pi在等速加荷經過時間t的固結度與在t/2時的瞬時加荷的固結度相同，也即計算固結的時間為t/2。

④在加荷停止以后，在恒載作用期間的固結度，即時間t大于Ti(此處Ti為pi的加載期)時的固結度和在Ti/2時瞬時加荷pi后經過時間(t-Ti/2)的固結度相同;

⑤所算得的固結度僅是對本級荷載而言，對總荷載還要按荷載的比例進行修正。

2)改進的高木俊介法 該法是根據(jù)巴倫理論，考慮變速加荷使砂井地基在輻射向和垂直向排水條件下推導出砂井地基平均固結度的，其特點是不需要求得瞬時加荷條件下地基固結度，而是可直接求得修正后的平均固結度。

(3)地基土抗剪強度增長的預估

在預壓荷載作用下，隨著排水固結的進程，地基土的抗剪強度就隨著時間而增長;另一方面，剪應力隨著荷載的增加而加大，而且剪應力在某種條件(剪切蠕動)下，還能導致強度的衰減。

2.堆載預壓法設計

堆載預壓法設計包括加壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的設計。加壓系統(tǒng)主要指堆載預壓計劃以及堆載材料的選用;排水系統(tǒng)包括豎向排水體的材料選用、排水體長度、斷面、平面布置的確定。

(1)加壓系統(tǒng)設計

堆載預壓，根據(jù)土質情況分為單級加荷和多級加荷;根據(jù)堆載材料分為自重預壓、加荷預壓和加水預壓。

堆載一般用填土、砂石等散粒材料;油罐通常利用罐體充水對地基進行預壓。對堤壩等以穩(wěn)定為控制的工程，則以其本身的重量有控制地分級逐漸加載，直至設計標高。

由于軟粘土地基抗剪強度低，無論直接建造建筑物還是進行堆載預壓往往都不可能快速加載，而必須分級逐漸加荷，待前期荷載下地基強度增加到足已加下一級荷載時方可加下一級荷載。其計算步驟是，首先用簡便的方法確定一個初步的加荷計劃，然后校核這一加荷計劃下的地基的穩(wěn)定性和沉降，具體計算步驟如下：

1)利用地基的天然地基土抗剪強度計算第一級容許施加的荷載p1。

2)計算第一級荷載下地基強度增長值。

3)計算p1作用下達到所確定固結度與所需要的時間。

4)根據(jù)第二步所得到的地基強度cu1，計算第二級所施加的荷載p2。

5)按以上步驟確定的加荷計劃進行每一級荷載下地基的穩(wěn)定性驗算。如穩(wěn)定性不滿足要求，則調整加荷計劃。

6)計算預壓荷載下地基的最終沉降量和預壓期間的沉降量。

(2)排水系統(tǒng)設計

1)豎向排水體材料選擇

2)豎向排水體深度設計

3)豎向排水體平面布置設計

4)砂料設計

5)地表排水砂墊層設計

(3)現(xiàn)場監(jiān)測設計

堆載預壓法現(xiàn)場監(jiān)測項目一般包括地面沉降觀測、水平位移觀測和孔隙水壓力觀測，如有條件可進行地基中深層沉降和水平位移觀測。

3.超載預壓法設計

當預壓荷載超過工作荷載時稱為超載預壓。對沉降有嚴格限制的建筑應采用超載預壓法處理地基。超載預壓法排水系統(tǒng)設計方法、堆載預壓計劃設計方法、現(xiàn)場監(jiān)測設計方法基本上與堆載預壓法相同。不同的是如何確定超載預壓荷載。

對有機質粘土、泥炭土等，其次固結沉降是重要的，采用超載預壓法對減少永久荷載下的次固結沉降有一定效果。計算原則是把pf作用下的總沉降看成為主固結沉降和次固結沉降之和。

4.真空預壓法設計

真空預壓的設計內容主要包括：密封膜內的真空度、加固土層要求達到的平均固結度、豎向排水體的尺寸、加固后的沉降和工藝設計等。

(二)施工方法

1.堆載預壓施工方法

從施工角度分析，要保證排水固結法的加固效果，主要做好以下三個環(huán)節(jié)：鋪設水平排水墊層;設置豎向排水體和施加固結壓力。

(1)水平排水墊層的施工

(2)豎向排水體施工

(3)預壓荷載的施工

2.真空預壓施工方法

(1)真空預壓

1)加固區(qū)劃分

2)工藝設備

3)密封系統(tǒng)

4)抽氣階段施工要求與質量要求

(2)真空聯(lián)合堆載預壓

(3)降水預壓

(三)質量檢驗

對以穩(wěn)定性控制的重要工程，應在預壓區(qū)內選擇有代表性地點預留孔位，對堆載預壓法在堆載不同階段;對真空預壓法在抽真空結束后，進行不同深度的十字板抗剪強度試驗和取土進行室內試驗，以驗算地基的抗滑穩(wěn)定性，并檢驗地基的處理效果。

在預壓期間應及時整理變形與時間、孔隙水壓力與時間等關系曲線，推算地基的最終固結變形量、不同時間的固結度和相應的變形量，以分析處理效果，并為確定卸載時間提供依據(jù)。

真空預壓處理地基除應進行地基變形和孑L隙水壓力觀測外，尚應量測膜下真空度和砂井不同深度的真空度。真空度應滿足設計要求。

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