2019巖土工程師基礎(chǔ)知識點(diǎn):排水固結(jié)
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排水固結(jié)
排水固結(jié)法是對天然地基,或先在地基中設(shè)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(yù)壓,使土體中的孔隙水排出,逐漸固結(jié),地基發(fā)生沉降,同時強(qiáng)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(yù)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(chǎn)生過大的沉降和沉降差。同時,可增加地基土的抗剪強(qiáng)度,從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。
實(shí)際上,排水固結(jié)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(jié)法適用于處理各類淤泥、淤泥質(zhì)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(jié)而不能減少次固結(jié),對有機(jī)質(zhì)土和泥炭等次固結(jié)土,不宜只采用砂井法??朔喂探Y(jié)可利用超載的方法。真空預(yù)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(fù)壓邊界條件的軟土地基。降低地下水位法、真空預(yù)壓法和電滲法由于不增加剪應(yīng)力,地基不會產(chǎn)生剪切破壞,所以它適用于很軟弱的粘土地基。
(一)加固機(jī)理
1.堆載預(yù)壓加固機(jī)理
預(yù)壓法是在建筑物建造以前,在建筑場地進(jìn)行加載預(yù)壓,使地基的固結(jié)沉降基本完成并提高地基土強(qiáng)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(jié)變形。同時隨著超靜水壓力逐漸消散,有效應(yīng)力逐漸提高,地基土強(qiáng)度就逐漸增長。
地基土層的排水固結(jié)效果與它的排水邊界有關(guān)。根據(jù)固結(jié)理論,在達(dá)到同一固結(jié)度時,固結(jié)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(jié)所需的時間越長。如果淤泥質(zhì)土層厚度大于10~20m,要達(dá)到較大固結(jié)度U>80%,所需的時間要幾年至幾十年之久,為了加速固結(jié),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(shè)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(yù)壓工程的預(yù)壓期,在短期內(nèi)達(dá)到較好的固結(jié)效果,使沉降提前完成;加速地基土強(qiáng)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(jié)效果與它的排水邊界有關(guān),根據(jù)固結(jié)理論,在達(dá)到同一固結(jié)度時,下列各項(xiàng)敘述正確的是()。
A. 固結(jié)所需的時間與排水距離的長短成正比
B. 固結(jié)所需的時間與排水距離的長短平方成正比
C. 固結(jié)所需的時間與排水距離的長短三次方成正比
D. 固結(jié)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(yù)壓法處理,固結(jié)度達(dá)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(xì)砂,則達(dá)到90%固結(jié)度時所需時間為()天。
A. 16
B. 8
C. 4
D. 2
答案:C
2.真空預(yù)壓加固機(jī)理
真空預(yù)壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設(shè)砂墊層,然后埋設(shè)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(nèi)埋設(shè)的吸水管道,用真空裝置進(jìn)行抽氣,使其形成真空,增加地基的有效應(yīng)力。
當(dāng)抽真空時,先后在地表砂墊層及豎向排水通道內(nèi)逐步形成負(fù)壓,使土體內(nèi)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(jié)。
真空預(yù)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(nèi)外壓差的荷載。
2)地下水位降低,相應(yīng)增加附加應(yīng)力。
3)封閉氣泡排出,土的滲透性加大。
真空預(yù)壓是通過覆蓋于地面的密封膜下抽真空,使膜內(nèi)外形成氣壓差,使粘土層產(chǎn)生固結(jié)壓力。即是在總應(yīng)力不變的情況下,通過減小孔隙水壓力來增加有效應(yīng)力的方法。真空預(yù)壓和降水預(yù)壓是在負(fù)超靜水壓力下排水固結(jié),稱為負(fù)壓固結(jié)。
【例題23】排水固結(jié)法能夠使軟弱地基的承載力提高,基原理為()。
A. 能夠形成復(fù)合地基,從而使復(fù)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(yīng)力增高,從而提高地基的抗剪強(qiáng)度,達(dá)到提高地基承載力的目的
C. 通過設(shè)置豎向增強(qiáng)體(砂井)提高地基承載力
D. 通過設(shè)置墊層增加上部強(qiáng)度,從而使下臥層強(qiáng)度滿足要求
答案:B
3.設(shè)計(jì)與計(jì)算
排水固結(jié)法的設(shè)計(jì),實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)行排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì),使地基在受壓過程中排水固結(jié)、強(qiáng)度相應(yīng)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(jié)沉降,縮短預(yù)壓的時間。
1.計(jì)算理論
(1) 瞬時加荷條件下固結(jié)度計(jì)算
不同條件下平均固結(jié)度計(jì)算公式見表17-5-2。
(2)逐漸加荷條件下地基固結(jié)度的計(jì)算
以上計(jì)算固結(jié)度的理論公式都是假設(shè)荷載是一次瞬間加足的。實(shí)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(jié)時間關(guān)系或沉降時間關(guān)系都必須加以修正。修正的方法有改進(jìn)的太沙基法和改進(jìn)的高木俊介法。
1)改進(jìn)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(jié)過程是單獨(dú)進(jìn)行的,與上一級荷載增量所引起的固結(jié)度完全無關(guān);
②總固結(jié)度等于各級荷載增量作用下固結(jié)度的疊加;
③每一級荷載增量pi在等速加荷經(jīng)過時間t的固結(jié)度與在t/2時的瞬時加荷的固結(jié)度相同,也即計(jì)算固結(jié)的時間為t/2。
④在加荷停止以后,在恒載作用期間的固結(jié)度,即時間t大于Ti(此處Ti為pi的加載期)時的固結(jié)度和在Ti/2時瞬時加荷pi后經(jīng)過時間(t-Ti/2)的固結(jié)度相同;
⑤所算得的固結(jié)度僅是對本級荷載而言,對總荷載還要按荷載的比例進(jìn)行修正。
2)改進(jìn)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(dǎo)出砂井地基平均固結(jié)度的,其特點(diǎn)是不需要求得瞬時加荷條件下地基固結(jié)度,而是可直接求得修正后的平均固結(jié)度。
(3)地基土抗剪強(qiáng)度增長的預(yù)估
在預(yù)壓荷載作用下,隨著排水固結(jié)的進(jìn)程,地基土的抗剪強(qiáng)度就隨著時間而增長;另一方面,剪應(yīng)力隨著荷載的增加而加大,而且剪應(yīng)力在某種條件(剪切蠕動)下,還能導(dǎo)致強(qiáng)度的衰減。
2.堆載預(yù)壓法設(shè)計(jì)
堆載預(yù)壓法設(shè)計(jì)包括加壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。加壓系統(tǒng)主要指堆載預(yù)壓計(jì)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(shè)計(jì)
堆載預(yù)壓,根據(jù)土質(zhì)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(yù)壓、加荷預(yù)壓和加水預(yù)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(jìn)行預(yù)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(shè)計(jì)標(biāo)高。
由于軟粘土地基抗剪強(qiáng)度低,無論直接建造建筑物還是進(jìn)行堆載預(yù)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(qiáng)度增加到足已加下一級荷載時方可加下一級荷載。其計(jì)算步驟是,首先用簡便的方法確定一個初步的加荷計(jì)劃,然后校核這一加荷計(jì)劃下的地基的穩(wěn)定性和沉降,具體計(jì)算步驟如下:
1)利用地基的天然地基土抗剪強(qiáng)度計(jì)算第一級容許施加的荷載p1。
2)計(jì)算第一級荷載下地基強(qiáng)度增長值。
3)計(jì)算p1作用下達(dá)到所確定固結(jié)度與所需要的時間。
4)根據(jù)第二步所得到的地基強(qiáng)度cu1,計(jì)算第二級所施加的荷載p2。
5)按以上步驟確定的加荷計(jì)劃進(jìn)行每一級荷載下地基的穩(wěn)定性驗(yàn)算。如穩(wěn)定性不滿足要求,則調(diào)整加荷計(jì)劃。
6)計(jì)算預(yù)壓荷載下地基的最終沉降量和預(yù)壓期間的沉降量。
(2)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1)豎向排水體材料選擇
2)豎向排水體深度設(shè)計(jì)
3)豎向排水體平面布置設(shè)計(jì)
4)砂料設(shè)計(jì)
5)地表排水砂墊層設(shè)計(jì)
(3)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)計(jì)
堆載預(yù)壓法現(xiàn)場監(jiān)測項(xiàng)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(jìn)行地基中深層沉降和水平位移觀測。
3.超載預(yù)壓法設(shè)計(jì)
當(dāng)預(yù)壓荷載超過工作荷載時稱為超載預(yù)壓。對沉降有嚴(yán)格限制的建筑應(yīng)采用超載預(yù)壓法處理地基。超載預(yù)壓法排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、堆載預(yù)壓計(jì)劃設(shè)計(jì)方法、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)計(jì)方法基本上與堆載預(yù)壓法相同。不同的是如何確定超載預(yù)壓荷載。
對有機(jī)質(zhì)粘土、泥炭土等,其次固結(jié)沉降是重要的,采用超載預(yù)壓法對減少永久荷載下的次固結(jié)沉降有一定效果。計(jì)算原則是把pf作用下的總沉降看成為主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降之和。
4.真空預(yù)壓法設(shè)計(jì)
真空預(yù)壓的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括:密封膜內(nèi)的真空度、加固土層要求達(dá)到的平均固結(jié)度、豎向排水體的尺寸、加固后的沉降和工藝設(shè)計(jì)等。
(二)施工方法
1.堆載預(yù)壓施工方法
從施工角度分析,要保證排水固結(jié)法的加固效果,主要做好以下三個環(huán)節(jié):鋪設(shè)水平排水墊層;設(shè)置豎向排水體和施加固結(jié)壓力。
(1)水平排水墊層的施工
(2)豎向排水體施工
(3)預(yù)壓荷載的施工
2.真空預(yù)壓施工方法
(1)真空預(yù)壓
1)加固區(qū)劃分
2)工藝設(shè)備
3)密封系統(tǒng)
4)抽氣階段施工要求與質(zhì)量要求
(2)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓
(3)降水預(yù)壓
(三)質(zhì)量檢驗(yàn)
對以穩(wěn)定性控制的重要工程,應(yīng)在預(yù)壓區(qū)內(nèi)選擇有代表性地點(diǎn)預(yù)留孔位,對堆載預(yù)壓法在堆載不同階段;對真空預(yù)壓法在抽真空結(jié)束后,進(jìn)行不同深度的十字板抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)和取土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),以驗(yàn)算地基的抗滑穩(wěn)定性,并檢驗(yàn)地基的處理效果。
在預(yù)壓期間應(yīng)及時整理變形與時間、孔隙水壓力與時間等關(guān)系曲線,推算地基的最終固結(jié)變形量、不同時間的固結(jié)度和相應(yīng)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(yù)壓處理地基除應(yīng)進(jìn)行地基變形和孑L隙水壓力觀測外,尚應(yīng)量測膜下真空度和砂井不同深度的真空度。真空度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。
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