真空排水預(yù)壓法加固軟土地基公路施工與管理課程設(shè)計(jì)

1、交通運(yùn)輸學(xué)院公路施工與管理課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院 交通運(yùn)輸學(xué)院 班 級(jí) 交工1002 姓 名 孫亞囡 學(xué) 號(hào) 201000506 成 績(jī) 指導(dǎo)老師 賈劍青 2013年 5 月 26 日指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 成績(jī) 導(dǎo)師簽字： 年 月 日 蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書所在系： 交通工程系 課程名稱： 路基路面工程 指導(dǎo)教師（簽名）： 專業(yè)班級(jí)： 交通工程1002 學(xué)生姓名： 孫亞囡 學(xué)號(hào)： 201000506 一、課程設(shè)計(jì)題目邊坡防護(hù)與加固原理及技術(shù)分析二、課程設(shè)計(jì)的目的 將課程中所學(xué)的幾種用于邊坡防護(hù)與加固的原理及技術(shù)措施進(jìn)行具體闡述，并與實(shí)際結(jié)合起來(lái)，提高理論與實(shí)踐相結(jié)合，將所學(xué)

2、知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐的綜合能力，同時(shí)加強(qiáng)和鞏固土、石質(zhì)邊坡防護(hù)與加固部分的知識(shí)點(diǎn)。三、課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)要求、工作量要求等） 主要內(nèi)容： 1.簡(jiǎn)要說(shuō)明分析與研究該課題的目的、意義等2.邊坡穩(wěn)定性概述2.1 路基邊坡?lián)p壞形式及特點(diǎn)2.2路基邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素3.邊坡加固研究3.1邊坡防護(hù)與加固的基本要求3.2邊坡防護(hù)與加固的技術(shù)方法4.案例分析5.得出分析與研究結(jié)論要求：1.設(shè)計(jì)中所要分析與研究的各種加固技術(shù)應(yīng)盡可能詳細(xì)。2.對(duì)各種技術(shù)措施的分析過程需以文字、圖表等形式詳細(xì)闡述，圖表盡可能自己繪畫，形成思路清晰、可讀性強(qiáng)的設(shè)計(jì)報(bào)告。3.嚴(yán)格按照課程要求格式進(jìn)行

3、排版，形成的設(shè)計(jì)報(bào)告總頁(yè)數(shù)不小于20.四、工作進(jìn)度安排 1第8第10周，準(zhǔn)備資料；2第11第12周，闡述清楚路基邊坡?lián)p壞形式及特點(diǎn)以及影響路基邊坡穩(wěn)定性的主要因素后，對(duì)邊坡防護(hù)與加固的基本要求和各種技術(shù)措施進(jìn)行舉例分析，并比較幾種邊坡加固措施的特點(diǎn)及適用條件；3第13周，整理并撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。五、主要參考文獻(xiàn) 1廖正環(huán)，公路施工與管理，北京：人民交通出版社，1998. 2陸鼎中，路基路面工程，上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1998. 3各種施工規(guī)范. 4相關(guān)期刊論文.審核批準(zhǔn)意見系主任（簽字） 年月日真空排水預(yù)壓法加固軟土地基摘要隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，廠房、碼頭、港口等建筑物不斷增加，尤其是沿海開發(fā)區(qū)

4、建筑物如雨后春筍般崛起。然而，不經(jīng)處理而直接利用的天然優(yōu)良地基越來(lái)越少，不少建筑物不得不建在軟土地基上，因而，軟土地基的加固方法越來(lái)越多，常用的有六種：排水固結(jié)法、水泥土攪拌法、強(qiáng)夯法、振沖碎石樁法、石灰樁法、鋼渣樁法。真空排水預(yù)壓法是排水固結(jié)法的一種，真空排水預(yù)壓法利用物理方法使地基產(chǎn)生有效固結(jié)。真空排水預(yù)壓法具有加荷速度快、無(wú)需堆載材料、加荷中不會(huì)出現(xiàn)地基失穩(wěn)現(xiàn)象、施工工期短、費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。 本文從其加固機(jī)理、加固設(shè)計(jì)與計(jì)算詳細(xì)介紹了真空排水預(yù)壓法加固軟土地基的技術(shù)。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意沉降、固結(jié)度與強(qiáng)度的變化。以天津新港四港后方軟土的地基加固實(shí)例，對(duì)真空排水預(yù)壓法做了系統(tǒng)介紹，并從日本東北地區(qū)

5、新干線某段超軟土的地基加固實(shí)例中得出真空排水預(yù)壓法的特點(diǎn)及注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞軟土地基加固、真空排水預(yù)壓法、加固機(jī)理、加固設(shè)計(jì)目錄 1、軟土地基及其常用的加固方法11.1軟土地基概念11.2軟土地基常用的加固方法12、真空排水預(yù)壓法概述53.真空排水預(yù)壓法的加固機(jī)理與特征63.1真空排水預(yù)壓法加固機(jī)理63.2真空排水預(yù)壓法加固特征84、 加固設(shè)計(jì)與計(jì)算104.1沉降計(jì)算104.1.1固結(jié)沉降的計(jì)算104.1.2最終沉降量的計(jì)算114.2固結(jié)度的計(jì)算144.3強(qiáng)度增長(zhǎng)估計(jì)174.3.1真空排水預(yù)壓法強(qiáng)度增長(zhǎng)特征174.3.2真空排水預(yù)壓法強(qiáng)度增長(zhǎng)計(jì)算185、工程實(shí)例185.1天津新港四港后方軟土地基

6、加固195.2日本東北地區(qū)新干線某段超軟土地基加固215.2.1地質(zhì)概況215.2.2施工情況215.2.3現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果236、結(jié)論25參考文獻(xiàn)261、軟土地基及其常用的加固方法1.1軟土地基概念針對(duì)各種地基土具有不同的工程性質(zhì)而言，通常認(rèn)為在一定荷載作用下，就地基土的總體而言，具有承載能力低、壓縮變形大、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的土，被稱為軟土。軟土是一種可塑性很強(qiáng)的土。天然軟土主要分布在沿海灘地帶、河口三角洲以及內(nèi)陸河、湖、港口及其附近地區(qū)，而各地區(qū)的軟土特征一個(gè)不相同。軟土地基指以軟土為主，與粉砂、泥煤等一些其它土層相間組成的地基，當(dāng)然也存在厚度幾十米、上百米而土質(zhì)較均勻的軟土地基。為保

7、證軟土地基穩(wěn)定并控制沉降在允許范圍內(nèi)，作為設(shè)計(jì)者應(yīng)從減輕（或調(diào)整）荷載和提高地基承載能力兩方面著手。對(duì)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，充分利用硬殼土層作持力層，簡(jiǎn)化建筑物平面形狀，減少層高差異，設(shè)計(jì)沉降縫，控制建筑物的長(zhǎng)高比，采用輕質(zhì)材料，考慮相鄰建筑物的影響，適當(dāng)加強(qiáng)基礎(chǔ)的剛度和強(qiáng)度以及設(shè)計(jì)圈梁等都是有利地基穩(wěn)定，減少沉降和不均勻沉降的措施。對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，首先要確定天然地基的承載能力和由于施加荷載可能產(chǎn)生的最大沉降、沉降差，才能據(jù)以確定地基是否需要加固。1.2軟土地基常用的加固方法1、 根據(jù)不同分類原則，可將地基處理方法分為若干類，參照土木工程指南中“各種地基處理方法匯總”以加固原理為基礎(chǔ)，將常用的軟

8、土地基處理方法歸類劃分如表1-1。表1-1分類方法原理說(shuō)明排水固結(jié)法加（超）載預(yù)壓在建造建筑物之前進(jìn)行預(yù)壓，以消除大部分沉降。當(dāng)預(yù)壓荷載超過建筑物永久壓力時(shí)，可以消除部分次固結(jié)沉降為超載預(yù)壓有成熟理論，效果顯著，處理結(jié)果土質(zhì)較均勻，需要時(shí)間長(zhǎng)，如加設(shè)垂直向排水途徑，則可大大縮短預(yù)壓時(shí)間砂井及各種塑料排水帶增加土層排水通道，縮短固結(jié)沉降時(shí)間，同時(shí)提高強(qiáng)度有成熟計(jì)算理論和設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，效果顯著，有加載預(yù)壓效果更好真空預(yù)壓通過埋設(shè)于地面的砂墊層中的吸水管不斷抽氣造成負(fù)壓而使軟土層排水固結(jié)，砂墊層下如設(shè)砂井或塑料排水帶，效果更佳可避免土石方搬運(yùn)，但預(yù)壓壓力有限（一般可80kpa），所以處理深度有限，需

9、不斷抽氣，故需要一定設(shè)備和用電條件電滲排水在土中插入金屬電極并通以直流電，在電場(chǎng)作用下，土中水從陽(yáng)極流向陰極，在陰極抽水排除在飽和粘性土中效果顯著，需要一定設(shè)備和用電條件降低地下水位通過與透水層聯(lián)系的排水井（管）中直接抽水降低地下水位，使土層固結(jié)易在地下水位較高條件下進(jìn)行開挖工程或軟土層中存在透水層時(shí)采用砂墊法換土和橫向排水用于局部地基處理振密法強(qiáng)夯法利用高錘基功能使地基受沖擊力和振動(dòng)力使土體密實(shí)對(duì)于ip17或粒徑小于0.005占30%以下的表土或淺層粘土層可采用，適用于大面積處理，較簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)，配合砂井效果更佳。由于強(qiáng)烈振動(dòng)對(duì)環(huán)境有較大影響，必要時(shí)通過實(shí)驗(yàn)確定采用續(xù)表1-1置換拌入法開挖置換挖

10、出除一定深度的軟土地層，回填工程性質(zhì)好的砂礫石，石碴、粉煤灰等分層夯實(shí)，提高持力層承載力，減小下臥層附加力如遇地下水，對(duì)于重要工程去附加降低地下水位設(shè)施；對(duì)于要求不高的建筑物可采用水下拋填石碴或碎石。簡(jiǎn)易可靠振沖置換或干振碎石樁利用振沖器在高壓水流作用下邊振邊沖（或干振）使地基成孔，在孔內(nèi)填碎石、卵石振密成樁，樁與樁間土組成復(fù)合地基用不排水抗剪強(qiáng)度大于等于20kpa的軟土地基，施工時(shí)排出泥漿需預(yù)先安排出路，效果顯著高壓噴射注漿將注漿管通過鉆孔置入預(yù)定深度，然后高壓噴射漿液（常用水泥漿）沖切土體，同時(shí)旋轉(zhuǎn)提升注漿管，生成水泥土樁亦稱旋噴樁或p、p、c法，可用以處理既有建筑物地基，還可以防滲帷幕、

11、基坑維護(hù)。水泥漿有時(shí)冒出流失，應(yīng)預(yù)先采用措施，需要一定設(shè)備水泥土攪拌法用水泥或石灰通過深層攪拌機(jī)與土攪拌成樁、樁可布置成連續(xù)墻或格柵構(gòu)造，可分為噴漿攪拌和粉體噴射攪拌兩種效果顯著，不僅用于提高地基承載力及減少沉降管，目前應(yīng)用到深度小于10m的基坑支護(hù)工程中石灰樁機(jī)械成孔，填入生石灰碎塊或在石灰中再摻入水硬性材料壓實(shí)成樁，利用石灰的吸水膨脹及與土間的離子交換作用改善樁周土的性質(zhì)，樁土組成復(fù)合地基施工較簡(jiǎn)易，處理有一定效果，承載力提高有限，僅適用與要求不高的建筑物。運(yùn)輸、施工中應(yīng)加強(qiáng)勞保工作鋼渣樁利用管內(nèi)或管外投料的方式在地基中制成鋼渣樁，由于鋼渣樁成分很接近水泥，與土中水作用后能自凝成樁，與樁周

12、土組成復(fù)合地基利用廢料，施工中減少污染，節(jié)約投資，可提高承載力0.51.5倍注漿法電化學(xué)注漿加固用的化學(xué)溶液在電滲作用下滲入土中或膠體在電泳作用下滲入土空隙中用于不適于高壓注漿的建筑物地基，不適用于高導(dǎo)電性土，造價(jià)高，處理后地基土質(zhì)改善不均勻劈裂注漿漿液在高壓作用下，是原有的孔隙或裂隙擴(kuò)張，使低透水性土的可灌性和漿液擴(kuò)散距離增大處理后地基土質(zhì)改善不均勻續(xù)表1-1加強(qiáng)加筋在土層中埋入土工聚合物或抗拉板條以增加土的抗拉能力，根據(jù)不同目的的采用材料可以反濾、滲透、防滲、隔離等土工聚合物近年來(lái)已廣泛采用，其本身性質(zhì)及土的相互作用尚須進(jìn)一步研究。短期投資大錨固將錨桿一端錨固于土坡或地基中穩(wěn)定的土層中，另

13、一端與結(jié)構(gòu)物聯(lián)結(jié)以抵抗結(jié)構(gòu)物所承受的側(cè)向作用或浮力有效維持承受側(cè)向荷載或浮力的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定物穩(wěn)定樹根樁一群小直徑（75250）的就地灌注樁，可以是豎向的或斜向的用于穩(wěn)定土坡、支檔結(jié)構(gòu)物或提高地基承載力，也用于處理已有建筑物地基2、真空排水預(yù)壓法概述真空排水預(yù)壓法是排水固結(jié)法的一種，運(yùn)用該方法加固軟土地基時(shí)，一般說(shuō)來(lái)都是現(xiàn)在預(yù)加固的軟土地基上按一定間距打設(shè)塑料排水板或袋裝砂井（統(tǒng)稱為垂直排水通道），然后在地面上鋪設(shè)一定厚度的砂墊層，再將不透氣的薄膜鋪設(shè)在砂墊層上，借助于埋設(shè)在砂墊層中的管道，通過抽真空裝置將膜下土體中的空氣和水抽出（見圖1），是土體得以排水固結(jié)，土體的強(qiáng)度同時(shí)也得到增長(zhǎng)，達(dá)到加固的目

14、的。按照工程使用的目的，真空排水預(yù)壓法一方面使地基的沉降在抽氣加載預(yù)壓期間大部分被消除（一般是80%）或基本消除，建筑物在使用期間不致有過大的沉降和沉降差，即可以解決沉降問題；另一方面能加速地基土的抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性即可以解決穩(wěn)定問題。圖1 真空預(yù)壓法加固軟土地基的基本原理真空排水預(yù)壓法由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分（見圖2）組成二者缺一不可。排水系統(tǒng)主要用于改變地基原有的排水邊界條件和傳遞真空壓力，增加孔隙水排出的途徑，縮短排水距離，減少加固時(shí)間。加壓系統(tǒng)就是起固結(jié)作用的荷載，使地基土的有效固結(jié)壓力增加而產(chǎn)生固結(jié)。 垂直排水體砂井、袋裝砂井、塑料排水板、鋼絲濾管 排水系

15、統(tǒng) 水平排水體砂墊層、土工合成材料 真空排水固結(jié) 加壓系統(tǒng)抽真空裝置圖2 真空排水預(yù)壓法的兩個(gè)系統(tǒng)真空排水預(yù)壓法與堆載排水預(yù)壓法相比，具有加荷速度快、無(wú)需堆載材料、加荷中不會(huì)出現(xiàn)地基失穩(wěn)現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，因此它相對(duì)來(lái)說(shuō)施工工期短、費(fèi)用少但它能施加的最大壓力只有95kpa左右。3.真空排水預(yù)壓法的加固機(jī)理與特征3.1真空排水預(yù)壓法加固機(jī)理太沙基的有效應(yīng)力原理告訴我們，土體強(qiáng)度的增長(zhǎng)、壓縮量的發(fā)生，都是以有效應(yīng)力為前提的。只有土體的有效應(yīng)力發(fā)生了變化，土體變形才會(huì)發(fā)生，強(qiáng)度才會(huì)發(fā)生變化。排水固結(jié)的原理就在于此。用真空排水預(yù)壓法加固軟土地基時(shí)，在地上施加的不是實(shí)際重物，而是把大氣作為荷載。在抽氣前，薄膜內(nèi)

16、外都受大氣壓力作用，土體孔隙的氣體與地下水面以上都處于大氣壓力狀態(tài)（見圖3）。抽氣后，薄膜內(nèi)砂墊層中的氣體首先被抽出，其壓力逐漸下降至，薄膜內(nèi)外形成，是薄膜緊貼于砂墊層上，這個(gè)壓差稱為“真空度”。砂墊層中形成的真空度，通過垂直排水通道逐漸向下延伸，同時(shí)真空度又由垂直排水通道向四周的土體傳遞與擴(kuò)散，引起土體中孔隙水壓力降低，形成負(fù)的超靜孔隙水壓力。從而使土體孔隙水中的氣和水由土體向垂直排水通道滲流，最后由垂直排水通道匯至地表砂墊層中被泵抽出。3.真空排水預(yù)壓法的加固機(jī)理與特征3.1真空排水預(yù)壓法加固機(jī)理太沙基的有效應(yīng)力原理告訴我們，土體強(qiáng)度的增長(zhǎng)、壓縮量的發(fā)生，都是以有效應(yīng)力為前提的。只有土體的

17、有效應(yīng)力發(fā)生了變化，土體變形才會(huì)發(fā)生，強(qiáng)度才會(huì)發(fā)生變化。排水固結(jié)的原理就在于此。用真空排水預(yù)壓法加固軟土地基時(shí)，在地上施加的不是實(shí)際重物，而是把大氣作為荷載。在抽氣前，薄膜內(nèi)外都受大氣壓力作用，土體孔隙的氣體與地下水面以上都處于大氣壓力狀態(tài)（見圖3）。抽氣后，薄膜內(nèi)砂墊層中的氣體首先被抽出，其壓力逐漸下降至，薄膜內(nèi)外形成，是薄膜緊貼于砂墊層上，這個(gè)壓差稱為“真空度”。砂墊層中形成的真空度，通過垂直排水通道逐漸向下延伸，同時(shí)真空度又由垂直排水通道向四周的土體傳遞與擴(kuò)散，引起土體中孔隙水壓力降低，形成負(fù)的超靜孔隙水壓力。從而使土體孔隙水中的氣和水由土體向垂直排水通道滲流，最后由垂直排水通道匯至地表

18、砂墊層中被泵抽出。圖3 真空排水預(yù)壓法加固軟土地基的應(yīng)力分布從太沙基的有效應(yīng)力原理看，整個(gè)過程中=0，加固中降低的孔隙水壓力就等于增加的有效應(yīng)力，即u （3-1）從上可以得出，垂直排水通道不僅起著垂直排水、減小排水距離、加速土體固結(jié)的作用，而且起著傳遞真空度的作用。從有效應(yīng)力路徑分析看，加固前，平均應(yīng)力為 （3-2）加固中地基土體中增加的有效應(yīng)力為，由于孔隙水壓力是一個(gè)球應(yīng)力，所以各個(gè)方向均增加，因此 （3-3） （3-4）其有效應(yīng)力圓由向右移到見圖4，平均應(yīng)力增加到 （3-5）o圖43.2真空排水預(yù)壓法加固特征1、 真空排水預(yù)壓法是利用大氣來(lái)加固軟土地基，因此不需要大量的預(yù)壓材料及實(shí)物。2、

19、 對(duì)真空排水預(yù)壓法來(lái)說(shuō)，別加固土體中的a、b、c、d各點(diǎn)（見圖3）在加固前處于k0應(yīng)力狀態(tài)，位于k0線上（見圖5）；加固中產(chǎn)生附加有效應(yīng)力1=3，它們的有效應(yīng)力路徑是一組平行于p軸的水平線，都位于k0線的下方，說(shuō)明加固土體都發(fā)生了側(cè)向收縮變形。由于真空排水預(yù)壓法加固軟土地基過程中，作用于土體總應(yīng)力并沒有增加，降低的僅僅是土中孔隙水壓力，而孔隙水壓力是一個(gè)球應(yīng)力。所以不會(huì)產(chǎn)生剪切變形，僅有側(cè)向收縮。圖5其中： 3、 真空排水預(yù)壓法加固軟土地基過程中，在真空吸力的作用下易使土中的密封氣泡排出，從而使土的滲透性提高、固結(jié)過程加快。4、 真空排水預(yù)壓法加固軟土地基時(shí)，地基周圍的土體是向著加固區(qū)內(nèi)移動(dòng)的

20、，與堆載排水法相比真空排水預(yù)壓法加固的土體密實(shí)度要高。且由于真空排水預(yù)壓法是通過垂直排水通道向土體傳遞真空度，而真空度在整個(gè)加固區(qū)內(nèi)均勻分布，因此加固后的土體，其垂直變形在全區(qū)內(nèi)比堆載預(yù)壓加固的要均勻，而且平均沉降量要大。5、 真空排水預(yù)壓法的強(qiáng)度增長(zhǎng)是在等向固結(jié)過程中實(shí)現(xiàn)的，抗剪強(qiáng)度提高的同時(shí)不會(huì)伴隨剪應(yīng)力的增大，從而不會(huì)產(chǎn)生剪切蠕動(dòng)現(xiàn)象，也就不會(huì)導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰減。4、 加固設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)要達(dá)到的目的：第一是經(jīng)加固要先期消除一定的沉降量，使建筑物基礎(chǔ)的剩余沉降量小于允許值，這首先要分別計(jì)算出在使用荷載和加固荷載下地基發(fā)生的沉降量及規(guī)定時(shí)間內(nèi)消除的沉降量；第二個(gè)目的是使加固后地基強(qiáng)度的增長(zhǎng)滿

21、足與建筑物對(duì)地基穩(wěn)定與承載能力的要求；第三，達(dá)到預(yù)期的固結(jié)度所需要的時(shí)間應(yīng)滿足工期要求。4.1沉降計(jì)算4.1.1固結(jié)沉降的計(jì)算固結(jié)沉降量sc的計(jì)算可采用單向壓縮分層總和法或考慮土體應(yīng)力歷史的e-logp曲線法來(lái)進(jìn)行。對(duì)于正常固結(jié)土，通?？捎脝蜗驂嚎s分層總和法來(lái)計(jì)算。當(dāng)土層屬于泥炭土、有機(jī)質(zhì)土或高塑性粘性土?xí)r，還要考慮次固結(jié)沉降問題。1） 單向壓縮分層總和法按e-p曲線計(jì)算，將地基分成若干個(gè)薄層，其中第i層的壓縮量為 （4-1）總壓縮量為 （4-2）式中：第i層的壓縮量；第i層中點(diǎn)的土自重應(yīng)力對(duì)應(yīng)的孔隙比，由室內(nèi)壓縮試驗(yàn)e-p曲線求得；第i層中點(diǎn)的土自重應(yīng)力與附加應(yīng)力和所對(duì)應(yīng)的孔隙比；第i層土層

22、的厚度。2）e-logp曲線法首先根據(jù)土工試驗(yàn)得到的前期固結(jié)壓力來(lái)判斷土層屬于正常固結(jié)土、超固結(jié)土還是欠固結(jié)土，然后再以不同的公式加以計(jì)算。對(duì)正常固結(jié)土：總壓縮量為 （4-3）式中：第i層的壓縮量； 第i層土層的厚度； 第i層中點(diǎn)的土自重應(yīng)力對(duì)應(yīng)的孔隙比； 第i層的原位壓縮指數(shù)； 第i層中心點(diǎn)的有效自重應(yīng)力； 在第i層中心點(diǎn)增加的有效附加應(yīng)力。對(duì)超固結(jié)土：當(dāng)有效附加應(yīng)力（-）的土層，按下式計(jì)算固結(jié)沉降： （4-4）式中：第i層土的回彈指數(shù)； n土層的數(shù)目。當(dāng)有效附加應(yīng)力（-）的土層，按下式計(jì)算固結(jié)沉降： （4-5）式中：第i層土的回彈指數(shù)； n土層的數(shù)目。整個(gè)土層總的單向固結(jié)沉降量為： （4-

23、6）對(duì)于新近沉積的粘性土、新近吹填土及地下水位降低不久的地區(qū)，常會(huì)出現(xiàn)欠固結(jié)的土層，這種土的沉降包括由于土自重應(yīng)力的欠固結(jié)部分引起的沉降和建筑物附加應(yīng)力引起的沉降兩部分，可以按下式計(jì)算： （4-7）4.1.2最終沉降量的計(jì)算1） 用公式來(lái)計(jì)算按堆載法來(lái)計(jì)算最終沉降量 （4-8）式中：初始沉降量； 固結(jié)沉降量； 次固結(jié)沉降量。堆載排水預(yù)壓法中初始沉降量是荷載施加后立即發(fā)生的那部分沉降，對(duì)于真空排水預(yù)壓法中初始沉降的計(jì)算無(wú)具體計(jì)算方法，只能將其包含在修正系數(shù)中。次固結(jié)沉降量可按下式計(jì)算： （4-9） （4-10）式中：第i層土的初始孔隙比； 次固結(jié)引起的孔隙比的減??； 次固結(jié)的起始時(shí)間，可由土樣的

24、壓縮固結(jié)試驗(yàn)來(lái)確定； 建筑物的使用年限。軟土層總的固結(jié)沉降量可用求和的方法求出。嚴(yán)格按照式（4-8）計(jì)算最終沉降量有時(shí)比較困難，主要是計(jì)算參數(shù)難以準(zhǔn)確確定，因此仍然可用式（4-11）來(lái)計(jì)算最終沉降量。 （4-11）對(duì)真空排水預(yù)壓法來(lái)說(shuō)，通常=1.01.25，這當(dāng)中還包括施工中的沉降量。2） 用實(shí)測(cè)沉降曲線值來(lái)推求假設(shè)在最后一級(jí)荷載作用下，沉降隨時(shí)間變化規(guī)律符合某一數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后用曲線擬合方法。常用的數(shù)學(xué)表達(dá)式有雙曲線、冪指數(shù)曲線、二次拋物線等。a) 雙曲線法按雙曲線變化規(guī)律，沉降可按式（4-12）計(jì)算： （4-12）式中：t時(shí)刻的沉降量； 雙曲線起點(diǎn)ta的沉降量； 、待定系數(shù)。將式（4-12

25、）變形得 （4-13）令y=1/(-)，x=1/(t-ta)，有y=+x，利用測(cè)得的數(shù)據(jù)求出系數(shù)、。由上式可以看出當(dāng)t趨近于無(wú)窮大時(shí)，其沉降就是最終沉降量 （4-14） b) 指數(shù)法 （4-15）式中各符號(hào)的意義見圖6，（t0，s0）稱為沉降曲線的拐點(diǎn)，其后部分的曲線設(shè)定按指數(shù)曲線規(guī)律性延伸。從式（4-15）可以看出，當(dāng)t 時(shí)，即有 （4-16）要求出，關(guān)鍵是選取合適的（t0，s0）和利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求出。圖6c) n次多項(xiàng)式或二次拋物線n次多項(xiàng)式原則上可以將實(shí)際沉降曲線擬合的很好，但因工作量大，切實(shí)際也沒必要，所以一般取n為2，即二次拋物線形式。以時(shí)間t的對(duì)數(shù)作自變量，其表達(dá)式為 （4-17）參

26、數(shù)a、b、c用優(yōu)化法求得。無(wú)論用什么方法求出最終沉降以后，那么在某一時(shí)刻t的沉降量可用式（4-18）來(lái)計(jì)算 （4-18）式中：ut土體在t時(shí)刻的固結(jié)度。4.2固結(jié)度的計(jì)算一般加固的地基要達(dá)到的固結(jié)度都是事先根據(jù)使用要求確定的，設(shè)計(jì)計(jì)算就是按此要求通過計(jì)算確定垂直排水通道的深度、間距和布置型式的。同時(shí)它對(duì)判斷加固效果、加固時(shí)間長(zhǎng)短、強(qiáng)度增長(zhǎng)。地基在加固過程中的穩(wěn)定程度，都起著十分重要的作用。首先，在真空排水預(yù)壓法加固中，一定要設(shè)計(jì)垂直排水通道，加固時(shí)間的長(zhǎng)短與垂直排水通道的間距有關(guān)。由于有了垂直排水通道，因此地基的固結(jié)就產(chǎn)生了豎直和水平兩方向，而兩個(gè)方向的計(jì)算是分開的。對(duì)于豎向固結(jié)計(jì)算用的是太沙

27、基固結(jié)理論，對(duì)于水平向固結(jié)計(jì)算用的是巴隆固結(jié)理論。其次真空荷載是一次施加完成的，可以當(dāng)成瞬間加荷來(lái)看，所以設(shè)計(jì)中可按砂井固結(jié)理論瞬時(shí)加荷來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，而不必考慮分級(jí)加荷和設(shè)計(jì)加荷速率。垂直排水通道平面布置方式一般有正三角形和正方形兩種，如圖7所示。圖7 垂直排水通道的平面面布置形式c) a-a剖面圖圖7 垂直排水通道的平面面布置形式垂直排水排水通道的等效排水圓柱體直徑de為 （4-19）式中：d垂直排水通道間距，宜在12m范圍內(nèi)選??； 換算系數(shù)，對(duì)于正方形=1.128，對(duì)于三角形=1.05。垂直排水通道的平面布置范圍應(yīng)在基礎(chǔ)或工程要求的加固區(qū)域外增加1至2排。若垂直排水通道采用的是塑料排水板

28、，那么它的等值砂井直徑可按式（4-20）換算。 （4-20）式中：b，分別為塑料排水板的寬度與厚度； 為圓周率，取3.1416。按照砂井固結(jié)理論，當(dāng)垂直排水通道打穿整個(gè)軟土層時(shí)，對(duì)真空排水預(yù)壓法來(lái)說(shuō)，可按堆在排水預(yù)壓法中的瞬時(shí)加荷情況來(lái)考慮，地基在加固歷時(shí)t的平均固結(jié)度按式（4-21）計(jì)算。 （4-21）式中：、排水固結(jié)參數(shù)，各種情況下的、值見表4-1。、值表4-1排水情況徑向排水豎向排水豎向和徑向組合三維排水理想井非理想井a(chǎn)1表4-1中所述的理想井為不考慮井阻和涂抹作用對(duì)固結(jié)影響的情況，非理想井反之。軸對(duì)稱徑向排水固結(jié)參數(shù)；豎向排水一維固結(jié)參數(shù)； 分別為地基土的豎向和水平向固結(jié)系數(shù)（2/s）

29、，由原狀土固結(jié)試驗(yàn)確定；井徑比因子，由式（4-22）進(jìn)行計(jì)算： （4-22）井徑比，為塑料排水板的等值砂井直徑或砂井直徑，為排水圓柱的等效直徑；g井阻因子，由式（4-23）和式（4-24）確定： （4-23） （4-24）式中：垂直排水通道的通水能力（3/s），由實(shí)驗(yàn)室測(cè)定； 單位水力梯度作用下，地基中水流入垂直排水通道的流量（3/s）； 地基土的水平滲透系數(shù)（/s）； l垂直排水通道的打入深度； fs安全系數(shù)，當(dāng)l10m，取4；10m20m，取6。當(dāng)g0.1或垂直排水通道的通水能力滿足式（4-25）時(shí)，地基的固結(jié)度可按無(wú)井阻計(jì)算，即g=0，應(yīng)盡量選取通水能力大的垂直排水通道型式，以減少井阻對(duì)

30、真空度傳遞和固結(jié)度的影響， （4-25）j涂抹因子，由式（4-26）確定； （4-26）式中：涂抹比，可取1.54； 分別是地基土和涂抹層的滲透系數(shù)（/s）；當(dāng)j0.4時(shí)，固結(jié)度可按無(wú)涂抹層計(jì)算，即j=0。h固結(jié)土層豎向滲流的最大距離，單面排水時(shí)，h取土層的厚度，雙面排水時(shí)，h取兩排水面間土層厚度的一半。當(dāng)垂直排水通道未打穿軟土層時(shí)，可按下式計(jì)算地層的平均固結(jié)度： （4-27）式中：t時(shí)刻土層的平均固結(jié)度； 垂直排水通道打入深度范圍內(nèi)土層的平均固結(jié)度，按式（4-21）和表4-1中的參數(shù)計(jì)算； 打入深度，。4.3強(qiáng)度增長(zhǎng)估計(jì)4.3.1真空排水預(yù)壓法強(qiáng)度增長(zhǎng)特征1） 真空排水預(yù)壓法的強(qiáng)度增長(zhǎng)是在等

31、向固結(jié)過程中實(shí)現(xiàn)的。真空排水預(yù)壓法中不施加外荷載，土體內(nèi)有效應(yīng)力的增量等于孔隙水壓力的消散，即，由于孔隙水壓力是球應(yīng)力，故各個(gè)方向上的有效應(yīng)力增量相等，因此，真空排水預(yù)壓法加固軟土地基時(shí)，土體是在等向壓力下固結(jié)的。2） 真空排水預(yù)壓法加固軟土地基中不會(huì)產(chǎn)生剪切蠕動(dòng)現(xiàn)象。真空排水預(yù)壓是等向固結(jié)狀態(tài)，在加固過程中土體內(nèi)剪應(yīng)力保持不變，無(wú)剪切蠕動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，不會(huì)引起強(qiáng)度衰減。3） 經(jīng)真空排水預(yù)壓法加固后的軟土地基表層強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯。淺層土體離砂墊層近，孔隙水除了向砂井中匯集外，還流向砂墊層；抽氣過程中土體表層有局部非飽和區(qū)存在，增加了土中有效應(yīng)力；砂墊層中負(fù)壓通過砂井向下傳遞，由于井阻現(xiàn)象，負(fù)壓沿深度逐

32、漸衰減，表層土受到較大的固結(jié)應(yīng)力，使表層強(qiáng)度增長(zhǎng)比深層大。4） 經(jīng)真空排水預(yù)壓法加固后的地基強(qiáng)度增長(zhǎng)率大。4.3.2真空排水預(yù)壓法強(qiáng)度增長(zhǎng)計(jì)算真空排水預(yù)壓法的強(qiáng)度增長(zhǎng)可用有效應(yīng)力法或有效固結(jié)法計(jì)算。地基中某一時(shí)刻的抗剪強(qiáng)度，在考慮了由于剪切而引起的強(qiáng)度衰減后表示為： （4-28）式中：天然地基抗剪強(qiáng)度；由于固結(jié)而增長(zhǎng)的抗剪強(qiáng)度增量； 考慮剪切變形及其他因素對(duì)強(qiáng)度的影響的一個(gè)綜合折減系數(shù)。1） 有效應(yīng)力法 （4-29）式中：地基中某一點(diǎn)產(chǎn)生的總的最大主應(yīng)力增量； 地基中產(chǎn)生有效應(yīng)力增量；將（4-29）代入（4-28）中得： （4-30） 2） 有效固結(jié)應(yīng)壓力法 （4-31）式中：地基中某點(diǎn)的附加

33、應(yīng)力；地基中某點(diǎn)某時(shí)刻的固結(jié)度； 相應(yīng)土層的固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角。將（4-31）代入（4-28）得： （4-32）5、工程實(shí)例5.1天津新港四港后方軟土地基加固天津新港四港后方軟土地基加固是我國(guó)第一個(gè)將真空排水預(yù)壓技術(shù)用于實(shí)際的實(shí)例是一次歷史性的突破。該項(xiàng)目是由天津一航局科研所的科研人員在1982年完成的。當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了11m24m的探索試驗(yàn)和1250及1550的中間試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地的地質(zhì)情況如下：第一層，為表層2m厚的人工吹填土，含沙粒較多，為亞砂土；第二層，16m左右厚的淤泥質(zhì)粘土層，屬軟塑可塑狀態(tài)，中間夾有亞粘土層；第三層，厚度3m左右的亞粘土層，中塑狀態(tài)，夾有粉砂薄層；第四層，厚度2m左右的

34、亞砂土層，密實(shí)。試驗(yàn)場(chǎng)地上打設(shè)了直徑7、長(zhǎng)度10m、間距1.3m的袋裝砂井，與鋪設(shè)厚度為30的砂墊層相接。濾管也鋪在砂墊層中，由主管與其相連，并透過覆蓋于砂墊層上的薄膜伸出膜外，與抽真空裝置相連。所用薄膜為pvc材質(zhì)制成，鋪設(shè)時(shí)將薄膜周邊開挖深度達(dá)0.80.9m的溝槽中，之后用粘土進(jìn)行回填密封。抽氣10天后，膜下真空度即可穩(wěn)定在81.6kpa(即600hg柱)，最高可達(dá)91kpa（即670hg柱），整個(gè)膜下加固范圍內(nèi)真空度分布均勻，都在600hg柱以上。連續(xù)抽氣60天后，加固區(qū)的平均沉降為57；相應(yīng)的固結(jié)度為70%左右，停抽后地面回彈很小，平均值為2?，F(xiàn)場(chǎng)的原型觀測(cè)結(jié)果表明：1. 抽真空的前4

35、0天，地表沉降發(fā)生迅速，日均達(dá)8.4mm，至4060天這段時(shí)間里沉降緩慢，曲線平緩，日均僅為1.5mm。2. 沉降觀測(cè)表明，沉降大部分發(fā)生在打設(shè)袋裝砂井的地層上部，地表10m以下的沉降僅占總沉降量的25%。3. 地層的水平變形是向著加固區(qū)的，與堆載預(yù)壓法正好相反。4. 抽氣后，加固區(qū)外地下水位下降1m以上，薄膜外水向加固區(qū)流動(dòng)，形成以加固區(qū)為中心的降水漏斗，影響范圍達(dá)18m。加固后進(jìn)行了加固效果檢測(cè)，做過十字板強(qiáng)度的測(cè)定和荷載試驗(yàn)。十字板強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果表明，強(qiáng)度增長(zhǎng)是明顯的，增幅在8kpa13.8kpa之間，增率達(dá)到31%91%；上部的增幅大，見表5-1，這與上部固結(jié)沉降量是一致的。0.5和4

36、.0兩種規(guī)格的載荷試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)真空排水預(yù)壓加固后，允許承載力提高了2倍，而且大大高于堆在預(yù)壓后的值，見表5-2。加固前后十字板強(qiáng)度值 表5-1深度（m）加固前平均值（kpa）加固后平均值（kpa）強(qiáng)度增量（kpa）強(qiáng)度增率（%）2.03.511.321.510.2916.010.523.437.213.85911.015.025.633.68.031加固前后的允許承載力 表5-2項(xiàng)目0.5荷載板4.0荷載板加固前加固后加固前加固后真空預(yù)壓堆載預(yù)壓真空預(yù)壓堆載預(yù)壓允許承載力rkpap0.02p0.02p0.02p0.02p0.02pcr/2pcr/2pcr/2746322122710433.

37、4119.777本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到以下幾點(diǎn)有益的結(jié)論，為該法推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。1. 加固效果顯著，可產(chǎn)生相當(dāng)于80kpa的堆載壓力，可替代同樣荷載要求的堆載預(yù)壓，能滿足生產(chǎn)的需求；2. 真空預(yù)壓時(shí)，真空度可一次抽到最大值，節(jié)省了加固時(shí)間，荷載無(wú)須分級(jí)施加，縮短了固結(jié)時(shí)間，達(dá)到相同固結(jié)度時(shí)所需的時(shí)間大約為堆載預(yù)壓的2/31/3（天津新港地區(qū)）；3. 該法工藝簡(jiǎn)單，操作方便，可一套設(shè)備加固幾塊較小的地基，也可以幾套設(shè)備加固一塊較大的地基；4. 施工單價(jià)大大低于堆載預(yù)壓法，尤其在缺乏材料的地區(qū)，耗能為堆載預(yù)壓法的62%；5. 該法能施加的荷載小于100kpa，對(duì)飽和軟粘土的倉(cāng)庫(kù)、堆場(chǎng)加固最為合

38、適。5.2日本東北地區(qū)新干線某段超軟土地基加固5.2.1地質(zhì)概況工程地點(diǎn)位于日本東北地區(qū)新干線新臼石到仙臺(tái)之間，距起點(diǎn)東京296.5km附近的“第七號(hào)谷”。其地質(zhì)剖面如圖8所示，從圖中看主要是泥炭土和混有有機(jī)物的淤泥土，深度從地表算起有1213m。地基強(qiáng)度，靜力觸探試驗(yàn)qc=200kpa以下，屬于極軟地基。5.2.2施工情況加固區(qū)的平面尺寸大約是75m26m，面積1950。1. 鋪設(shè)砂墊層加固區(qū)膜下設(shè)置的水平排水層為厚度為70cm的砂墊層，砂料的粒徑組成如表5-3所示，由表可以看出這是種潔凈而透水性好的砂。為防止砂層下沉，在墊砂以前，于地面鋪設(shè)了有30cm孔洞由熟鐵條編制的鐵板網(wǎng)，以保證車輛通行和讓推土機(jī)等施工機(jī)械能在其上完成鋪設(shè)砂等作業(yè)。圖8 七號(hào)谷地質(zhì)剖面圖表5-3粒度特性砂礫含量（%）13.4砂含量（%）85.8粉砂（%）0.8粘粒含量（%）0最大粒徑（mm）4.76不均勻系數(shù)3.39曲率系數(shù)1.07土顆粒比重2.705滲透系數(shù)3.4110-22.打設(shè)排水板加固場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置了垂直排水通道，垂直排水通道是一種類似今天使用的塑料排水板，是具有槽形的紙板。紙板打設(shè)到砂層以下約1m的深度處，不能打穿砂層，以防止地下水涌出，而降低加固效果。紙板為正方形布置，間距80cm，這是很小的一種間距，由日本ppw型打樁機(jī)打設(shè)。3.濾管布置和抽真空設(shè)備安裝濾管布置如圖9所示，埋于砂層內(nèi)