砂井排水固结法处理软土地基一、前言 云南省地处高原,地形多为山岭重丘,沟谷切割深,地质变化复杂.不多的平地多为山谷盆地及山间洼地,这些地区是地表水常年汇积的地方,因排水差、冲积物多年淤积及耕种等因素影响而形成软土地基.软土地基因内聚力小 、抗剪强度 低、天然含水量高、可压缩性大 等特点而成为公路修建中令人头疼的问题,处理不好,将会严重影响后续的路面基层和面层的施工,产生路面沉陷、裂缝等病害,严重影响和降低公路的使用性能,造成巨大 的经济损失. 近年来,高速公路的建设在云南省得到了 长足的发展.因受地形的限制及高速公路本身高标准的技术要求,它将不可避免地通过软土地区.从而使软土处治成为每条高速公路修建中都会遇到的问题,引起了 广大 建设者的高度 重视.软土处治方法很多,概括地讲,有置换法、强夯法、排水固结法(袋装砂井、塑料排水板)、木桩挤密法、振冲碎石桩、爆扩碎石桩、深层搅拌法等.具体采用哪一种方法,要根据工程实际,结合软土深度 、面积大 小 、当地可用材料、经济适用性等多方面综合比较后,再确定选用方案,以取得最佳使用效果.本文介绍排水固结法处理地基的原理、设计计算、施工工艺,对砂井抗滑稳定性、一般砂井的施工工艺提出改进措施.二、排水固结法概述1、排水固结法的原理饱和软粘土地基在荷载作用下,孔隙中的水被慢慢地排出,孔隙体积慢慢地减小 ,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,地基土的强度 逐渐增长.现以图1为例作一说明.当土样的天然固结压力为时,其孔隙比为,在-坐标上其对应的点为A点,当压力增加,固结终了 时变为C点,孔隙比减小 ,曲线ABC称为压缩曲线.与此同时,抗剪强度 与固结压力成为比例地由A点提高到C点.所以,土体在受压固结时,一方面孔隙比减小 产生压缩,一方面抗剪强度 也得到提高.如从C点卸除压力,则土样发生膨胀,图中CEF为卸荷膨胀曲线,如从F点再加压,土样发生再压缩,沿虚线变化到C,其相应的强度 包络线如图下部所示.从再压缩曲线FGC可清楚地看出,固结压力同样从增加,而孔隙比减小 值为,比小 得多.如果在建筑场地先加上一个和上部建筑物相同的压力进行预压,使土层固结,然后卸除荷载,再建造建筑物,建筑物所引起的沉降即可大 大 减小 .如果预压的荷载比建筑物荷载大 ,即超载预压,那效果更好.因经过超载预压,当土层的固结压力大 于使用荷载下的固结压力时,原来正常固结粘土层将处于超固结状态,而使土层在使用荷载下的变形大 为减小 .土层的排水固结效果和它的排水边界条件有关.根据固结理论,粘性土固结所需的时间和排水距离的平方成正比,土层越厚,固结延续的时间越长.为了 加速土层的固结,最有效的方法是增加土层的排水途径,缩短排水距离.砂井、塑料排水板等竖向排水体就是为此目的而设置的,如图2所示,这时土层中的孔隙水主要从水平向通过砂井和部分从竖向排出.砂井缩短了 排水距离,因而大 大 加速了 地基的固结速率,这一点无论从理论上还是工程实践上都得到了 证实.在荷载作用下,土层的固结过程就是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为,有效应力为,孔隙水压力为,则三者有以下关系:=- (31)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来增加有效应力的方法.2、 排水固结法的应用自从我国在50年代起使用普通砂井法处理地基,排水固结法在我国得到了 飞速发展.在70年代发展成袋装砂井法,1980年开始应用真空预压法,1981年应用塑料排水带法处理软土地基.由于砂井排水法对软土地基的处理具有质量可靠、施工方便、工效高、工程造价低等优点,从而在我国东南沿海和内陆地区广泛应用.3、 排水固结法的适用条件排水固结法适用于处理厚度 较大 的饱和软土和冲填土地基,该法是对天然地基或先在地基中设置砂井等竖向排水体,然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载,或是在建筑物建造以前,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.所以排水固结法需要有较长的预压时间和荷载条件及土石方搬运机械.三、设计所需的土工资料在进行排水固结法设计前,应进行详细的勘探和土工试验,以取得必要的设计资料,以下项目的资料应特别加以重视.1、 土层条件.通过适量的钻孔绘制出土层剖面图,采取足够数量的试样以确定土的种类和厚度 、土的成层厚度 ,透水层的位置,地下水位的深度 .2、 固结试验.固结压力与孔隙比的关系、固结系数.3、 软粘土层的抗剪强度 及沿深度 的变化.4、 砂井及砂垫层所用砂料的粒度 分布、含泥量.对软粘土,常规的土工试验项目如表1:表1 软粘土的常规土工试验项目土 的 性 质试 验 内 容试 验 方 法土的物理性质稠 度 液限(L)塑限(p)塑性指数(Ip)液限试验塑限试验含水量含水量()饱和度 (Sr)含水量试验密度 容 重(r)孔隙比()容重试验渗透性渗透系数(k)渗透试验土的力学性质压缩固结系数(CV,Ch)压缩指数(CC)-C或曲线固结试验强度 粘聚力 (C)内磨擦角()不排水抗剪强度 (Cu)有效抗剪强度 ()直剪试验三轴试验无侧限抗压强度 试验十字板剪切试验三轴试验四、设计计算1、 砂井布置 砂井直径和间距砂井的直径和间距主要取决于土的固结特性和施工期限的要求.从原则上讲为达到同样的固结度 ,缩短砂井间距比增加砂井直径效果要好,即“细而密”比“粗而稀”为佳.砂井直径一般为300400米米;袋装砂井直径70120米米.工程上常用的井距,一般为砂井直径的68倍,袋装砂井一般为1530倍.设计时,可先假定井距,再计算地基固结度 ,若不能满足要求,则可缩小 井距或延长施工期. 砂井深度 砂井深度 主要根据土层的分布、地基中附加应力大 小 、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定.当软土层不厚、底部有透水层时,砂井应尽可能穿透软土层.当深厚的压缩土层间有砂层或砂透镜体时,砂井应尽可能打至砂层或砂透镜体,而采用真空预压时应尽量避免砂井相连接,以免影响真空效果.对于无砂层的深厚地基则可根据其稳定性及建筑物在地基中造成的附加应力与自重应力之比值确定(一般为0.10.2).若砂层中存在承压水,由于承压力的长期作用,粘土中就存在超孔隙水压力,这对粘性土固结和强度 增长都是不利的,所以宜将砂井打到砂层,利用砂井加速承压水的消散.按稳定性控制的工程,如路堤、土坝、岸坡、堆料等,砂井深度 应通过稳定分析确定,砂井长度 应大 于最危险滑动面的深度 .按沉降控制的工程,砂进长度 可从压载后的沉降量满足上部建筑物容许的沉降量来确定.砂井长度 一般为1025米. 砂井排列砂井在平面上可布置成正三角形或正方形,以正三角形排列较为紧凑和有效.等效圆的直径de与砂进间距l的关系如下: 等边三角形排列时 (41) 正方形排列时 (42) 砂井布置范围 砂井的布置范围一般比建筑物基础稍大 为好.这是因为在基础以外一定范围内,地基中仍然产生由于建筑物荷载而引起的压应力和剪应力.如能加速基础外地基土的固结,对提高地基的稳定性和减小 侧向变形以及由此引起的沉降均有好处.一般可由基础的轮廓线向外增大 约24米. 砂料制作砂井的砂宜用中粗砂,砂的粘径必须能保证砂井具有良好的透水性.砂井的粒度 不要被粘土颗粒堵塞.砂应是洁静的,不应有草根等杂物,其含泥量不能超过3%. 砂垫层 砂垫层应形成一个连续的、有一定厚度 的排水层,以免地基沉降时被切断而使排水通道堵塞.陆上施工时,砂垫层厚度 一般为0.5米左右;水下施工时,一般为1米左右.如砂料缺乏,可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层. 砂井布置如图32、制定分层预压计划 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.对长条形填土,可根据Fellenius公式估算: (43)式中 安全系数,建议采用1.11.5 天然地基土的不排水抗剪强度 计算第一级荷载下地基强度 增长值,提高以后的地基强度 为: (44) 式中 为P1作用下地基因固结而增长的强度 为考虑剪切蠕动的强度 折减系数与土层的固结度 有关,一般可先假定一固结度 ,通常可假设为70%, (45)式中 荷载所引起的地基中某一点的最大 主应力增量,按弹性理论公式计算有效内磨擦角的函数KK地基中某点的固结度 计算P1作用下达到所确定固结度 所需要的时间,根据假定的固结度 (46) (47) (48) (49)联合求解出所需的时间. 根据第二步所得到的地基强度 计算第二级所能施加荷载.依次可计算出以后各级荷载和停歇时间.确定初步的加荷计划.3、地基固结度 计算 根据改进的太沙基法,对多级等速加荷,地基固结度 如下式: (410) 式中:多级等速加荷,t时刻修正后的平均固结度 瞬间加荷条件的平均固结度 分别为每级等速加荷的起点和终点时间 第n级荷载增量4、地基强度 增长的预计地基中某一点在某一时间的抗剪强度 可表示为 (411)式中:地基中某点在加荷之前的天然抗剪强度 由于固结而增长的抗剪强度 增量 由于剪切蠕动而引起的抗剪强度 衰减量由于剪切蠕动所引起强度 衰减部分,目前尚难提出合适的计算方法,故该式改为: (412)式中为一个综合性的折减系数,与地基土在附加剪应力作用下可能产生的强度 衰减作用有关,根据国内有些地区实测反算的结果,值为0.80.85.对正常固结饱和粘土 (413)式中 k-有效内摩擦角的函数, 荷载所引起的地基中