1、第4章 排水固結(jié)法 Chapter 4 Consolidation 4.1 概 述 排水固結(jié)法（Consolidation）是處理軟粘土地基的有效方法之一。該法是對天然地基，或先在地基中設(shè)置砂井等豎向排水體，然后利用建筑物本身重量分級逐漸加載，或是在建筑物建造以前，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(shí)強(qiáng)度逐步提高的方法。深圳河真空預(yù)壓全貌四航研究院深圳媽灣潮間帶真空預(yù)壓一角（退潮時(shí)） 排水固結(jié)法可解決以下兩個(gè)問題： （1）沉降問題。使地基的沉降在加載預(yù)壓期間大部分或基本完成，使建筑物在使用期間不致產(chǎn)生不利的沉降和沉降差。 （2）穩(wěn)定問題。加速地基土的抗剪強(qiáng)度的

2、增長，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。 排水固結(jié)法適用于處理淤泥質(zhì)土、淤泥和沖填土等飽和粘性土地基。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。（1）排水系統(tǒng) 由水平排水墊層和豎向排水體構(gòu)成。豎向排水體可選用普通砂井、袋裝砂井或塑料排水板。（2）加壓系統(tǒng) 即是起固結(jié)作用的荷載，它使地基土的固結(jié)壓力增加而產(chǎn)生固結(jié)。 工程上廣泛使用且行之有效的增加固結(jié)壓力的方法是堆載法，此外，還有真空法、降低地下水位法、電滲法和聯(lián)合法。 排水固結(jié)法的設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載的大小、地基土的性質(zhì)以及工期要求、確定豎向排水體的直徑、間距、深度和排列方式；確定預(yù)壓荷載的大小和預(yù)壓時(shí)間，使通過預(yù)壓，地基能滿足建

3、筑物對變形和穩(wěn)定性的要求。適用范圍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。克服次固結(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(huì)產(chǎn)生剪切破壞，所以它適用于很軟弱的粘土地基。排水固結(jié)法分類根據(jù)加壓和排水兩個(gè)系統(tǒng)的不同，派生出多種固結(jié)加固地基的方法：美國跨越金山灣南端的Dumbarton橋東側(cè)引道路堤場地，路堤下淤泥的抗剪強(qiáng)度小于5kpa，其固結(jié)時(shí)間將

4、需要3040年，為了支撐路堤和加速所預(yù)計(jì)的2m沉降量,采用如下方案：1、采用土工聚合物以分布路堤荷載和減小不均勻沉降；2、使用輕質(zhì)填料以減輕荷載；3、采用豎向排水體使固結(jié)時(shí)縮短到一年以內(nèi)；4、設(shè)置土工聚合物濾網(wǎng)以防排水層發(fā)生污染等。 時(shí)，時(shí)， 時(shí)， 土在某一荷載作用下，孔隙水逐漸排出，土體隨之壓縮，土體的密實(shí)度和強(qiáng)度隨時(shí)間逐步增長，這一過程稱之為土的固結(jié)過程。亦即孔隙水壓力消散、有效應(yīng)力增長的過程。4.2 排水固結(jié)法的加固機(jī)理 (1)堆載預(yù)壓加固機(jī)理 堆載預(yù)壓是指先在地基中設(shè)置砂井、塑料排水帶等豎向排水體，后利用建筑物本身重量分級逐漸加載，或建筑物建造前，在場地先行加載預(yù)壓，使土體中的孔隙水緩

5、慢排出，土層逐漸固結(jié)，地基發(fā)生沉降，同時(shí)強(qiáng)度逐步提高的過程。4.2 排水固結(jié)法的加固機(jī)理 砂井堆載預(yù)壓法 基本方法：砂井堆載預(yù)壓法系在軟弱地基中通過采用鋼管打孔、灌砂，設(shè)置砂井作為豎向排水通道，并在砂井頂部設(shè)置砂墊層作為水平排水通道，形成排水系統(tǒng)；在砂墊層上部堆載，以增加軟弱土中附加應(yīng)力，使土體中孔隙水在較短的時(shí)間內(nèi)通過豎向砂井和水平砂墊層排出，達(dá)到加速土體固結(jié)、提高軟弱地基土承載力之目的 。主要用于道路路堤、土壩、機(jī)場跑道、工業(yè)建筑油罐、碼頭、岸坡等工程的地基處理，對于泥炭等有機(jī)沉積地基則不適用。 (2)真空預(yù)壓加固機(jī)理 真空預(yù)壓指在軟土地基中打設(shè)豎向排水體后，在地面鋪設(shè)排水用砂墊層和抽氣管

6、線，然后在砂墊層上鋪設(shè)不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，再用真空泵抽氣，使排水系統(tǒng)維持較高的真空度，利用大氣壓力作為預(yù)壓荷載，增加地基的有效應(yīng)力，以利于土體排水固結(jié)。 真空預(yù)壓適用于均質(zhì)粘性土及含薄粉砂夾層粘性土等，尤其適用于新吹填土地基的加固。對于在加固范圍內(nèi)有足夠補(bǔ)給水源的透水層，而又沒有采取隔斷措施時(shí)，不宜采用該法。真空預(yù)壓法示意圖真空預(yù)壓法 (3) 降水預(yù)壓加固機(jī)理 降水預(yù)壓法是借助于井點(diǎn)抽水降低地下水位，以增加土的有效自重應(yīng)力，從而達(dá)到預(yù)壓的目的。抽水前水位線抽水后水位降落線濾水管抽水井管降水預(yù)壓原理 (4) 電滲預(yù)壓加固機(jī)理 電滲預(yù)壓是在土中插入金屬電極并通以直流電，由于直流電場作用，

7、土中的水分從陽極流向陰極，將水在陰極排除且無補(bǔ)充水源的情況下，引起土層的壓縮固結(jié)。電滲預(yù)壓與降水預(yù)壓一樣，是在總應(yīng)力不變的情況下，通過減小孔隙水壓力來增加土的有效應(yīng)力作為固結(jié)壓力的，所以不需要用堆載作為預(yù)壓荷載，也不會(huì)使土體發(fā)生破壞。AB水力坡降線 預(yù)壓法的設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上是根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載的大小、地基土的性質(zhì)及工期要求合理安排加壓系統(tǒng)與排水系統(tǒng)，使地基在預(yù)壓過程中快速排水固結(jié)，縮短預(yù)壓時(shí)間，從而減小建筑物在使用期間的沉降量和不均勻沉降，同時(shí)增加一部分強(qiáng)度，以滿足逐級加荷條件下地基的穩(wěn)定性。4.3 堆載預(yù)壓法設(shè)計(jì)計(jì)算4.3 Design Procedure of Preloading 一、堆載預(yù)壓

8、的計(jì)算步驟 因軟粘土地基抗剪強(qiáng)度較低，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)度增加到足以加下一級荷載時(shí)才可加下一級荷載。具體計(jì)算步驟是，首先用簡便的方法確定一個(gè)初步的加荷計(jì)劃，然后校核這一加荷計(jì)劃下地基的穩(wěn)定性和沉降，其步驟如下： 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，對飽和軟粘土可采用下列公式估算： 2 計(jì)算第一級荷載下地基強(qiáng)度增長值。在p1荷載作用下，經(jīng)過一段時(shí)間預(yù)壓地基強(qiáng)度會(huì)提高，提高以后的地基強(qiáng)度為cu1： 3 計(jì)算p1 作用下達(dá)到所確定固結(jié)度所需要的時(shí)間。目的在于確定第一級荷載停歇的時(shí)間，亦即第二級荷載開

9、始施加的時(shí)間。 4 根據(jù)第二步所得到的地基強(qiáng)度cu1計(jì)算第二級所能施加的荷載p2。 p2可近似地按下式估算： 同樣，求出在 p2 作用下地基固結(jié)度達(dá)70時(shí)的強(qiáng)度以及所需要的時(shí)間，然后計(jì)算第三級所能施加的荷載，依次可計(jì)算出以后的各級荷載和停歇時(shí)間。 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。這一項(xiàng)計(jì)算的目的在于確定預(yù)壓荷載卸除的時(shí)間。 二、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。經(jīng)超載預(yù)壓后，如受壓土層各點(diǎn)的有效豎向應(yīng)力大于建筑物荷載引起的相應(yīng)點(diǎn)的附加總應(yīng)力時(shí)，則今

10、后在建筑物荷載作用下地基土將不會(huì)再發(fā)生主固結(jié)變形，而且將減小次固結(jié)變形，并推遲次固結(jié)變形的發(fā)生。4.4 砂井排水固結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算4.4 Design Procedure of Sand Drain 1925年，丹尼爾 . 莫蘭將垂直砂井用于費(fèi)城奧克蘭海灣大橋公路軟土地基的加固，1926年獲得專利。 砂井法問世以后，因缺乏理論根據(jù)而按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。19401942年，巴隆（Barron）根據(jù)太沙基的固結(jié)理論，提出砂井法的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。我國從20世紀(jì)50年代起，開始應(yīng)用砂井法。 砂井法主要適用于沒有較大集中荷載的大面積荷重或堆土荷重工程，例如水庫土壩、油罐、倉庫、鐵路路堤、貯礦場以及港口的水工建筑物等工程

11、。 一、砂井設(shè)計(jì) 砂井設(shè)計(jì)包括砂井直徑、間距、深度、排列方式、范圍、砂料選擇和砂墊層厚度等。 （1）砂井直徑和間距 主要取決于土的固結(jié)特性和施工期限的要求。“細(xì)而密”比“粗而稀”效果好。砂井直徑一般為300400mm；袋裝砂井直徑為70120mm。（2）砂井深度 主要根據(jù)土層的分布、地基中附加應(yīng)力大小、施工期限和條件及地基穩(wěn)定性等因素確定。一般為1025m。（3）砂井排列 砂井在平面上可布置成正三角形（梅花形），以正三角形排列較為緊湊和有效。在實(shí)際進(jìn)行固結(jié)計(jì)算時(shí)，由于多邊形作為邊界條件求解很困難，巴隆建議每個(gè)砂井的影響范圍由多邊形改為由面積與多邊形面積相等的圓來求解。 正方形排列時(shí) de1.1

12、3l 正三角形排列時(shí) de1.05l de為砂井的有效直徑，l 為砂井間距。（4）砂井布置范圍 砂井的布置范圍一般可由基礎(chǔ)的輪廓線向外增大約24m。（5）砂料 宜選用中粗砂，其含泥量不能超過3。（6）砂墊層 砂井頂部鋪設(shè)砂墊層，可使砂井排水有良好的通道，將水排到工程場地以外。 二、沉降計(jì)算 地基土的總沉降一般包括瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分。瞬時(shí)沉降是在荷載作用下由于土的畸變所引起，并在荷載作用下立即發(fā)生的。固結(jié)沉降是由于孔隙水的排出而引起土體積減小所造成的，占總沉降的主要部分。次固結(jié)沉降則是由于超靜水壓力消散后，在恒值有效應(yīng)力作用下土骨架的徐變所致。 設(shè)計(jì)內(nèi)容除排水系統(tǒng)外，主要包括：

13、密封內(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。 4.5 真空預(yù)壓設(shè)計(jì)計(jì)算A. 膜內(nèi)真空度 真空預(yù)壓效果和封閉膜內(nèi)所達(dá)到的真空度大小關(guān)系極大。根據(jù)國內(nèi)一些工程的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)采用合理的工藝和設(shè)備，膜內(nèi)真空度一般可維持600mmHg左右，相當(dāng)于80kpa的真空壓力，此值可作為最大膜內(nèi)設(shè)計(jì)真空度。 4.5 真空預(yù)壓設(shè)計(jì)計(jì)算B.加固區(qū)內(nèi)要求達(dá)到平均固結(jié)度一般可采用80%的固結(jié)度。如工期許可，也可采用更大一些的固結(jié)度作為設(shè)計(jì)要求達(dá)到的固結(jié)度。 4.5 真空預(yù)壓設(shè)計(jì)計(jì)算C.豎向排水體一般采用袋裝砂井或塑料排水帶。真空預(yù)壓處理地基時(shí)，必須設(shè)置豎向排水體，由于砂井（袋裝砂

14、井或塑料排水帶）能將真空度從砂墊層中傳至土體，并將土體中的水抽至砂墊層然后排出。若不設(shè)置砂井等就起不到上述的作用和加固目的。抽真空的時(shí)間與土質(zhì)條件和豎向排水體的間距密切有關(guān)。達(dá)到相同的固結(jié)度，間距越小，則所需的時(shí)間越短. 4.5 真空預(yù)壓設(shè)計(jì)計(jì)算袋裝砂井間距與所需時(shí)間關(guān)系 4.5 真空預(yù)壓設(shè)計(jì)計(jì)算D.沉降計(jì)算先計(jì)算加固前建筑物荷載下天然地基的沉降量，然后計(jì)算真空預(yù)壓期間所完成的沉降量，兩者之差即為預(yù)壓后在建筑物使用荷載下可能發(fā)生的沉降。預(yù)壓期間的沉降可根據(jù)設(shè)計(jì)要求達(dá)到固結(jié)度推算加固區(qū)所增加的平均有效應(yīng)力。 4.5 真空預(yù)壓設(shè)計(jì)計(jì)算真空預(yù)壓的總面積不得小于基礎(chǔ)外邊緣所包圍的面積，一般真空的邊緣應(yīng)

15、比建筑物基礎(chǔ)外緣超出23m，另外，每塊預(yù)壓的面積盡可能大，彼此間可搭接或有一定間距。加固面積越大，加固面積與周邊長度之比也越大。氣密性也越好，真空度也越高。根據(jù)現(xiàn)有的材料和工藝設(shè)備，每塊面積已達(dá)3萬。當(dāng)在加固區(qū)發(fā)現(xiàn)有透氣層和透水層時(shí)，一般可在塑料薄膜周邊采用另加水泥土攪拌樁的壁式密封措施。 真空度與加固面積的關(guān)系 4.6 施工方法4.6 Construction Methods要保證排水固結(jié)法的加固效果，從施工角度考慮，主要應(yīng)重視以下三個(gè)環(huán)節(jié)：一、鋪設(shè)水平墊層、二、設(shè)置豎向排水體三、施加固結(jié)壓力。排水固結(jié)法施工工藝一、鋪設(shè)水平排水砂墊層；墊層材料 ：滲水好的砂料，其滲透系數(shù)一般不低于10-3c

16、m/s，同時(shí)能起到一定的反濾作用。常用級配良好的中粗砂。也可采用連通砂井的砂溝（2-3D，40-60cm深）代替整片砂墊層。不宜采用粉、細(xì)砂。墊層厚度 ：滿足滲流水能及時(shí)排出，應(yīng)起到持力層的作用。一般應(yīng)選用3050cm厚度。對新吹填不久的或無硬殼層的軟粘土及水下施工的特殊條件，應(yīng)采用厚的或混合料排水墊層。 墊層施工 ：機(jī)械分堆攤鋪、堆成若干砂堆，然后用推土機(jī)或人工攤平。排水固結(jié)法施工工藝二、豎向排水體施工 材料：3050cm直徑的普通砂井； 712cm直徑的袋裝砂井； 10cm寬的塑料排水帶。 1、砂井施工 2、袋裝砂井施工 3、塑料排水帶施工 深圳河打設(shè)砂井樁和排水板示意圖袋裝砂井的施工過程

17、袋裝砂井的施工過程插板機(jī)插板機(jī)插板機(jī)插板機(jī)四航研究院排水板施工現(xiàn)場圖塑料排水板施工工藝流程圖塑料排水板施工現(xiàn)場排水固結(jié)法施工工藝三、施加固結(jié)壓力（一）利用建筑物自重加壓 一般應(yīng)用于以地基的穩(wěn)定性為控制條件，能適應(yīng)較大變形的建筑物，如路堤、土壩、儲(chǔ)礦場、油罐、水池等。 對油罐和水池等建筑物，先進(jìn)行充水加壓，一方面可檢驗(yàn)罐壁本身有無滲透現(xiàn)象，同時(shí)，還利用分級逐漸充水預(yù)壓，使地基土強(qiáng)度得以提高，滿足穩(wěn)定性要求。 對路堤、土壩等建筑物，由于填土高、荷載大，地基的強(qiáng)度不能滿足快速填筑的要求，工程上都采用嚴(yán)格控制加荷速率，逐層填筑的方法以確保地基的穩(wěn)定性。 排水固結(jié)法施工工藝（二）堆載預(yù)壓堆載預(yù)壓的材料：

18、以散料為主，如土、石料、砂、磚等。大面積施工時(shí)通常采用自卸汽車與推土機(jī)聯(lián)合作業(yè)。對超軟地基的堆載預(yù)壓，第一級荷載宜用輕型機(jī)械或人工作業(yè)。堆載預(yù)壓工藝簡單，但處理不當(dāng)，特別是加荷速率控制不好時(shí)，容易導(dǎo)致工程施工的失敗。 排水固結(jié)法施工工藝（二）堆載預(yù)壓注意事項(xiàng)：1、必須嚴(yán)格控制加載速率。保證在各級荷載下地基的穩(wěn)定性。基本控制標(biāo)準(zhǔn)是：豎向變形每天不應(yīng)超過10，邊樁水平位移每天不應(yīng)超過5。 2、堆載面積要足夠。堆載的頂面積不小于建筑物底面積。 3、注意堆載過程中荷載的均勻分布，避免局部堆載過高導(dǎo)致地基局部失穩(wěn)破壞。 排水固結(jié)法施工工藝（三）真空預(yù)壓（1） 真空預(yù)壓系統(tǒng)設(shè)置1.排水通道施工先在軟基表面

19、鋪設(shè)砂墊層和在土體中埋設(shè)袋裝砂井或塑料排水帶；2.埋設(shè)水平向分布濾水管。主要作用：使真空度在整個(gè)加固區(qū)域內(nèi)均勻分布。要求：濾水管在預(yù)壓過程中應(yīng)能適應(yīng)地基的變形，特別是差異變形。材料：鋼管或塑料管，其外側(cè)宜纏繞鉛絲，外包尼龍砂網(wǎng)或土工織物作為濾水層。排水固結(jié)法施工工藝濾水管布置：濾水管在加固區(qū)內(nèi)的分布形式可采用條狀、梳子狀或羽毛狀等，濾水管一半埋設(shè)在排水砂墊層中間，其上應(yīng)有100200砂層覆蓋。真空預(yù)壓水平管路施工排水固結(jié)法施工工藝（三）真空預(yù)壓（1） 真空預(yù)壓系統(tǒng)設(shè)置排水固結(jié)法施工工藝3、鋪設(shè)密封膜密封膜鋪設(shè)質(zhì)量是真空預(yù)壓加固法成販的關(guān)鍵。要求：a、應(yīng)選用抗老化性能好、韌性大、抗穿刺能力強(qiáng)的不透氣材料。普通聚氯乙烯薄膜性能不如線性聚乙烯等專用膜好。 b、密封膜熱合時(shí)宜用雙熱合線平搭接，搭接長度應(yīng)大于15。密封膜宜鋪設(shè)三層，以確保自身密封性能。 c、膜周邊可采用挖溝折鋪、平鋪并用粘土壓邊，圍捻溝內(nèi)覆水以及膜上全面覆水等方法進(jìn)行密封。 d、當(dāng)處理區(qū)內(nèi)有充足水源補(bǔ)給的透水層時(shí)，應(yīng)采