2019岩土工程师基础知识点：排水固结

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排水固结

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)等竖向排水体，然后利用建筑物本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，同时强度逐步提高的方法。该法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，使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，从而提高地基的承载力和稳定性。

实际上，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。

排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。但砂井只能加速主固结而不能减少次固结，对有机质土和泥炭等次固结土，不宜只采用砂井法。克服次固结可利用超载的方法。真空预压法适用于能在加固区形成(包括采取措施后形成)稳定负压边界条件的软土地基。降低地下水位法、真空预压法和电渗法由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，所以它适用于很软弱的粘土地基。

(一)加固机理

1.堆载预压加固机理

预压法是在建筑物建造以前，在建筑场地进行加载预压，使地基的固结沉降基本完成并提高地基土强度的方法。

在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减少，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，地基土强度就逐渐增长。

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长短平方成正比。软粘土层越厚，一维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U>80%，所需的时间要几年至几十年之久，为了加速固结，最为有效的方法是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离，在天然地基中设置垂向排水体。这时土层中的孔隙水主要通过砂井和部分从竖向排出。所以砂井(袋装砂井或塑料排水带)的作用就是增加排水条件。为此，缩短了预压工程的预压期，在短期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成;加速地基土强度的增长，使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载的速率，以保证地基的稳定性。

【例题21】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，下列各项叙述正确的是()。

A. 固结所需的时间与排水距离的长短成正比

B. 固结所需的时间与排水距离的长短平方成正比

C. 固结所需的时间与排水距离的长短三次方成正比

D. 固结所需的时间与排水距离的长短四次方成正比日

答案:B

【例题22】某软土地基厚4m，其下为不透水的泥岩，采用堆载预压法处理，固结度达到90%时所需时间为16天，如果泥岩顶面处存在着0.2m厚的细砂，则达到90%固结度时所需时间为()天。

A. 16

B. 8

C. 4

D. 2

答案:C

2.真空预压加固机理

真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水管道，再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。

当抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水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由排水通道排出，从而使土体固结。

真空预压的原理主要反映在以下几个方面：

1)薄膜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。

3)封闭气泡排出，土的渗透性加大。

真空预压是通过覆盖于地面的密封膜下抽真空，使膜内外形成气压差，使粘土层产生固结压力。即是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。真空预压和降水预压是在负超静水压力下排水固结，称为负压固结。

【例题23】排水固结法能够使软弱地基的承载力提高，基原理为()。

A. 能够形成复合地基，从而使复合地基承载力提高

B. 在总压力不变的前提下，通过降低孔隙水压力，使有效应力增高，从而提高地基的抗剪强度，达到提高地基承载力的目的

C. 通过设置竖向增强体(砂井)提高地基承载力

D. 通过设置垫层增加上部强度，从而使下卧层强度满足要求

答案:B

3.设计与计算

排水固结法的设计，实质上就是进行排水系统和加压系统的设计，使地基在受压过程中排水固结、强度相应增加以满足逐渐加荷条件下地基稳定性的要求，并加速地基的固结沉降，缩短预压的时间。

1.计算理论

(1) 瞬时加荷条件下固结度计算

不同条件下平均固结度计算公式见表17-5-2。

(2)逐渐加荷条件下地基固结度的计算

以上计算固结度的理论公式都是假设荷载是一次瞬间加足的。实际工程中，荷载总是分级逐渐施加的。因此，根据上述理论方法求得固结时间关系或沉降时间关系都必须加以修正。修正的方法有改进的太沙基法和改进的高木俊介法。

1)改进的太沙基法对于分级加荷的情况，太沙基的修正方法是假定：

①每一级荷载增量pi所引起的固结过程是单独进行的，与上一级荷载增量所引起的固结度完全无关;

②总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加;

③每一级荷载增量pi在等速加荷经过时间t的固结度与在t/2时的瞬时加荷的固结度相同，也即计算固结的时间为t/2。

④在加荷停止以后，在恒载作用期间的固结度，即时间t大于Ti(此处Ti为pi的加载期)时的固结度和在Ti/2时瞬时加荷pi后经过时间(t-Ti/2)的固结度相同;

⑤所算得的固结度仅是对本级荷载而言，对总荷载还要按荷载的比例进行修正。

2)改进的高木俊介法 该法是根据巴伦理论，考虑变速加荷使砂井地基在辐射向和垂直向排水条件下推导出砂井地基平均固结度的，其特点是不需要求得瞬时加荷条件下地基固结度，而是可直接求得修正后的平均固结度。

(3)地基土抗剪强度增长的预估

在预压荷载作用下，随着排水固结的进程，地基土的抗剪强度就随着时间而增长;另一方面，剪应力随着荷载的增加而加大，而且剪应力在某种条件(剪切蠕动)下，还能导致强度的衰减。

2.堆载预压法设计

堆载预压法设计包括加压系统和排水系统的设计。加压系统主要指堆载预压计划以及堆载材料的选用;排水系统包括竖向排水体的材料选用、排水体长度、断面、平面布置的确定。

(1)加压系统设计

堆载预压，根据土质情况分为单级加荷和多级加荷;根据堆载材料分为自重预压、加荷预压和加水预压。

堆载一般用填土、砂石等散粒材料;油罐通常利用罐体充水对地基进行预压。对堤坝等以稳定为控制的工程，则以其本身的重量有控制地分级逐渐加载，直至设计标高。

由于软粘土地基抗剪强度低，无论直接建造建筑物还是进行堆载预压往往都不可能快速加载，而必须分级逐渐加荷，待前期荷载下地基强度增加到足已加下一级荷载时方可加下一级荷载。其计算步骤是，首先用简便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校核这一加荷计划下的地基的稳定性和沉降，具体计算步骤如下：

1)利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1。

2)计算第一级荷载下地基强度增长值。

3)计算p1作用下达到所确定固结度与所需要的时间。

4)根据第二步所得到的地基强度cu1，计算第二级所施加的荷载p2。

5)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。如稳定性不满足要求，则调整加荷计划。

6)计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。

(2)排水系统设计

1)竖向排水体材料选择

2)竖向排水体深度设计

3)竖向排水体平面布置设计

4)砂料设计

5)地表排水砂垫层设计

(3)现场监测设计

堆载预压法现场监测项目一般包括地面沉降观测、水平位移观测和孔隙水压力观测，如有条件可进行地基中深层沉降和水平位移观测。

3.超载预压法设计

当预压荷载超过工作荷载时称为超载预压。对沉降有严格限制的建筑应采用超载预压法处理地基。超载预压法排水系统设计方法、堆载预压计划设计方法、现场监测设计方法基本上与堆载预压法相同。不同的是如何确定超载预压荷载。

对有机质粘土、泥炭土等，其次固结沉降是重要的，采用超载预压法对减少永久荷载下的次固结沉降有一定效果。计算原则是把pf作用下的总沉降看成为主固结沉降和次固结沉降之和。

4.真空预压法设计

真空预压的设计内容主要包括：密封膜内的真空度、加固土层要求达到的平均固结度、竖向排水体的尺寸、加固后的沉降和工艺设计等。

(二)施工方法

1.堆载预压施工方法

从施工角度分析，要保证排水固结法的加固效果，主要做好以下三个环节：铺设水平排水垫层;设置竖向排水体和施加固结压力。

(1)水平排水垫层的施工

(2)竖向排水体施工

(3)预压荷载的施工

2.真空预压施工方法

(1)真空预压

1)加固区划分

2)工艺设备

3)密封系统

4)抽气阶段施工要求与质量要求

(2)真空联合堆载预压

(3)降水预压

(三)质量检验

对以稳定性控制的重要工程，应在预压区内选择有代表性地点预留孔位，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，以验算地基的抗滑稳定性，并检验地基的处理效果。

在预压期间应及时整理变形与时间、孔隙水压力与时间等关系曲线，推算地基的最终固结变形量、不同时间的固结度和相应的变形量，以分析处理效果，并为确定卸载时间提供依据。

真空预压处理地基除应进行地基变形和孑L隙水压力观测外，尚应量测膜下真空度和砂井不同深度的真空度。真空度应满足设计要求。

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