第三章 排水固结法,主要内容,序：土的固结相关问题 1 概述 2 ,序：土的固结相关问题,土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性,压缩量的组成 固体颗粒的压缩 土中水的压缩 空气的排出 水的排出,占总压缩量的1/400不到，忽略不计,压缩量主要组成部分,说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果,透水性好，水易于排出,压缩稳定很快完成,透水性差，水不易排出,压缩稳定需要很长一段时间,土的固结：土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程,土的压缩性,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,Vve0,Vs1,Vve,Vs1,土样在压缩前后变形量为s，整个过程中土粒体积和底面积不变,土粒高度在受压前后不变,根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线,e-p曲线,e0,p,e,e-p曲线,压缩性不同的土，曲线形状不同，曲线愈陡，说明在相同压力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高,根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标,1.压缩系数a 2.压缩模量Es 3.变形模量E0,曲线A压缩性曲线B压缩性,压缩性指标,压缩系数a,土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值,p1,p2,e1,e2,M1,M2,e0,e-p曲线,p,e,利用单位压力增量所引起得孔隙比改变表征土的压缩性高低,在压缩曲线中，实际采用割线斜率表示土的压缩性,规范用p1100kPa、 p2200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性,a1-20.1MPa-1低压缩性土 0.1MPa-1a1-20.5MPa-1中压缩性土 a1-20.5MPa-1高压缩性土,a,d,b,1.土的卸荷回弹曲线不与原压缩曲线重合，说明土不是完全弹性体，其中有一部分为不能恢复的塑性变形 2.土的再压缩曲线比原压缩曲线斜率要小得多，说明土经过压缩后，卸荷再压缩时，其压缩性明显降低,粘性土沉降的三个组成部分,1.sd 瞬时沉降 2.sc 固结沉降 3. ss 次固结沉降,土的回弹与再压缩,土的应力历史对土的压缩性的影响,土的应力历史：土体在历史上曾经受到过的应力状态,先期固结压力pc ：土在其生成历史中曾受过的最大有效固结压力,讨论：对试样施加压力p时，压缩曲线形状,ppc,再压曲线，曲线平缓,ppc,正常压缩曲线，斜率陡，土体压缩量大,1.正常固结土,先期固结压力等于现时的土压力pcp0,2.超固结土,先期固结压力大于现时的土压力pcp0,3.超固结土,先期固结压力小于现时的土压力pcp0,饱和土的渗流固结,一、有效应力原理,土的透水性强，压缩性低,沉降很快完成,土的透水性弱，压缩性高,达到沉降稳定所需时间十分漫长,饱和土的压缩主要是由于土的外荷作用下孔隙水被挤出，以致孔隙体积减小所引起的 饱和土孔隙中自由水的挤出速度，主要取决于土的渗透性和土的厚度,饱和土体渗流固结理论,1、物理模型,p,p,附加应力:z=p 超静孔压: u = z=p 有效应力:z=0,附加应力:z=p 超静孔压: u 0,附加应力:z=p 超静孔压: u =0 有效应力:z=p,土体中由孔隙水所传递的压力,有效应力是指由土骨架所传递的压力，即颗粒间接触应力,模型演示得到：饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力向有效力应力转化的过程，在任一时刻，有效应力和孔隙水压力u之和始终等于饱和土体的总应力,饱和土体有效应力原理,孔隙水压力u是指外荷p在土孔隙水中所引起的超静水压力,u0=p,有效应力原理,u0起始孔隙水压力,在可压缩层厚度为H的饱和土层上面施加无限均布荷载p，土中附加应力沿深度均匀分布，土层只在竖直方向发生渗透和变形,1 概述,1 概述,是处理软粘土地基的有效办法之一。 对天然地基，或先在地基中设置砂井等竖向排水体，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，同时强度提高 常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，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。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。,解决两问题,沉降问题 使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差 稳定问题 加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。,排水固结法适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。 对沉降要求较高的建筑物如机场跑到等，常采用超载预压法处理地基。待预压期间的沉降达到设计要求后，移去预压荷载在建造建筑。 对主要应用排水固结法来加速地基土抗剪强度的增长、缩短工期的工程，如路基、土坝等，则可利用本身的重量分级逐渐施加，使地基土的强度提高适应上部荷载的增加，最后达到设计荷载。,排水固结,堆载预压,降低地下水位法,真空预压,适用于饱和软粘土：淤泥及淤泥质土、冲填土、填海（湖）造田。 含水量、压缩性高，强度、渗透性低。,排水系统,加压系统,竖向,横向,联合预压,普通砂井,袋装砂井,塑料排水板（带）,电渗法,砂垫层,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。,使用范围,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。,排水固结法应根据预压目的选择加压方法：如果预压是为了减少建筑的沉降，则应采用预先堆载加压，使地基沉降产生在建筑物建造之前；若预压目的主要是增加地基强度，则可用自重加压，即放慢使地基增长与建筑物荷重的增加相适应。 排水固结法应用条件：除要有排水系统的施工机械和材料外（如砂井的施工机械和材料）外，还必须有（1）预压荷载；（2）预压时间；（3）适用的土类等。其中预压荷载是关键问题，因为施加预压荷载后才能引起地基土的排水固结。而施加一个与建筑物自重相当的荷载并非易事，少则几千吨，大则数万吨，许多工程因无条件施荷而不宜采用砂井预压处理，此时可考虑真空预压、降水预压或电渗排水等。,塑料排水板插板机,排水塑料板,2 加固机理,一、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。 在荷载作用下，土层的固结过程就是超静孔隙水压力(简称孔隙水压力)消散和有效应力增加的过程。如地基内某点的总应力增量为，有效应力增量为，孔隙水压力增量为，则三者满足以下关系：,用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力并使孔隙水压力消散而增加 有效应力的方法。堆载预压是在地基中形成超静水压力的条件下排水固结，称为正压固结。 地基土层的排水固结效果与它的排水边界有关。 对沉降有严格限制的建筑物，应采用超载预压法处理地基，超载预压可缩短预压时间。,二、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。,排水板真空预压剖视图,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。,排水固结法的设计，实质上在于根据上部结构载荷的大小，地基土的性质及工期要求，合理安排排水系统和加压系统的关系，使地基在受压过程中快速排水固结，增加一部分强度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； 确定竖向排水体的直径、间距、深度和排列方式； 确定预压载荷的大小和预压时间，要求做到：加固期限尽量短；固结沉降要快；充分增加强度；注意安全。,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。 一、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。,一、堆载预压法设计,1、选择砂井或塑料排水带，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度； 2、确定排水砂垫层材料和厚度； 3、确定预压区范围、预压荷载大小、荷载分级、加载速率和预压时间； 4、计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形,砂井,dw,de,dw,1、选择砂井或塑料排水带，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度； a、dw：（原则上越密越好） 普通砂井 300500mm； 袋装砂井 70120mm。 塑料排水带,b、间距l 可按井径比n选用。 nde/dw 塑料排水带或袋装砂井n1522； 普通砂井n68,c、深度 应根据建筑物对地基的稳定性、变形要求和工期确定。（反复试算） 至少应超过最危险滑动面2m。,2、确定排水砂垫层材料和厚度 a、材料：中粗砂，粘粒含量不宜大于3，砂料中可混有少量粒径小于50mm的砾石，渗透系数大于102 cm/s。 b、厚度：小于500mm。,井阻和涂抹作用,在实际砂井施工中，由于沉管对周围土体的扰动和重塑作用，在砂井周围形成了一个“涂抹区”，使该区内土渗透性降低，压缩性增大。 在土中水向砂井渗流过程中，砂料对渗流产生的阻力也会影响土层的固结速率。 井阻和涂抹作用对固结速率的影响有时十分显著。比如宁波机场袋装砂井场地，在堆载205天后，考虑井阻与涂抹作用影响的地基实际平均固结度仅为按理想砂井地基计算的固结度0.81倍。,4 施工方法,一、堆载预压施工方法 三个缓解：铺设水平排水垫层、设置竖向排水体和施加固结压力。 （一）水平排水垫层的施工 排水垫层的作用是使在预压过程中，从土体进入垫层的渗流水迅速地排除，使土层的固结能正常进行，防止土颗粒堵塞排水系统。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。,（一）水平排水垫层的施工,1、垫层材料 垫层材料应采用透水性好的砂料，其渗透系数一般不低于10-3cm/s，同时能起到一定的反过滤作用。通常采用级配良好的中、粗砂，含泥量不大于3%。一般不宜采用粉、细砂。,2、垫层尺寸 （1）一般情况下，路上排水垫层厚度为0.5m左右，水下垫层为1.0m左右。对新吹填不久的或无硬壳层的软黏土及水下施工的特殊条件，应采用厚的或混合粒排水垫层。 （2）排水砂垫层宽度等于铺设场地宽度，砂料不足时，可用砂沟代替砂垫层。 （3）砂沟的宽度为23倍砂井直径，一般深度为4060cm。,3、垫层施工 不论采用何种施工方法，都应避免对软土表层的过大扰动，以避免造成砂和淤泥混合，影响垫层的排水效果。另外，在铺设砂垫层前，应清楚干净砂井顶面的淤泥或其他杂物，以利砂井排水。,（二）竖向排水体施工,1、砂井施工 砂井施工要求：保持砂井连续和密实，