砂井排水固結(jié)法處理軟基

1、砂井排水固結(jié)法處理軟土地基一、前言 云南省地處高原，地形多為山嶺重丘，溝谷切割深，地質(zhì)變化復(fù)雜。不多的平地多為山谷盆地及山間洼地，這些地區(qū)是地表水常年匯積的地方，因排水差、沖積物多年淤積及耕種等因素影響而形成軟土地基。軟土地基因內(nèi)聚力小、抗剪強(qiáng)度低、天然含水量高、可壓縮性大等特點(diǎn)而成為公路修建中令人頭疼的問(wèn)題，處理不好，將會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)的路面基層和面層的施工，產(chǎn)生路面沉陷、裂縫等病害，嚴(yán)重影響和降低公路的使用性能，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 近年來(lái)，高速公路的建設(shè)在云南省得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。因受地形的限制及高速公路本身高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，它將不可避免地通過(guò)軟土地區(qū)。從而使軟土處治成為每條高速公路修建中都

2、會(huì)遇到的問(wèn)題，引起了廣大建設(shè)者的高度重視。軟土處治方法很多，概括地講，有置換法、強(qiáng)夯法、排水固結(jié)法（袋裝砂井、塑料排水板）、木樁擠密法、振沖碎石樁、爆擴(kuò)碎石樁、深層攪拌法等。具體采用哪一種方法，要根據(jù)工程實(shí)際，結(jié)合軟土深度、面積大小、當(dāng)?shù)乜捎貌牧?、?jīng)濟(jì)適用性等多方面綜合比較后，再確定選用方案，以取得最佳使用效果。本文介紹排水固結(jié)法處理地基的原理、設(shè)計(jì)計(jì)算、施工工藝，對(duì)砂井抗滑穩(wěn)定性、一般砂井的施工工藝提出改進(jìn)措施。二、排水固結(jié)法概述1、排水固結(jié)法的原理飽和軟粘土地基在荷載作用下，孔隙中的水被慢慢地排出，孔隙體積慢慢地減小，地基發(fā)生固結(jié)變形。同時(shí)，隨著超靜水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基土

3、的強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)?，F(xiàn)以圖1為例作一說(shuō)明。當(dāng)土樣的天然固結(jié)壓力為時(shí)，其孔隙比為，在-坐標(biāo)上其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為A點(diǎn)，當(dāng)壓力增加，固結(jié)終了時(shí)變?yōu)镃點(diǎn)，孔隙比減小，曲線ABC稱為壓縮曲線。與此同時(shí)，抗剪強(qiáng)度與固結(jié)壓力成為比例地由A點(diǎn)提高到C點(diǎn)。所以，土體在受壓固結(jié)時(shí)，一方面孔隙比減小產(chǎn)生壓縮，一方面抗剪強(qiáng)度也得到提高。如從C點(diǎn)卸除壓力，則土樣發(fā)生膨脹，圖中CEF為卸荷膨脹曲線，如從F點(diǎn)再加壓，土樣發(fā)生再壓縮，沿虛線變化到C，其相應(yīng)的強(qiáng)度包絡(luò)線如圖下部所示。從再壓縮曲線FGC可清楚地看出，固結(jié)壓力同樣從增加，而孔隙比減小值為，比小得多。如果在建筑場(chǎng)地先加上一個(gè)和上部建筑物相同的壓力進(jìn)行預(yù)壓，使土層固結(jié)，然后卸除

4、荷載，再建造建筑物，建筑物所引起的沉降即可大大減小。如果預(yù)壓的荷載比建筑物荷載大，即超載預(yù)壓，那效果更好。因經(jīng)過(guò)超載預(yù)壓，當(dāng)土層的固結(jié)壓力大于使用荷載下的固結(jié)壓力時(shí)，原來(lái)正常固結(jié)粘土層將處于超固結(jié)狀態(tài)，而使土層在使用荷載下的變形大為減小。土層的排水固結(jié)效果和它的排水邊界條件有關(guān)。根據(jù)固結(jié)理論，粘性土固結(jié)所需的時(shí)間和排水距離的平方成正比，土層越厚，固結(jié)延續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)。為了加速土層的固結(jié)，最有效的方法是增加土層的排水途徑，縮短排水距離。砂井、塑料排水板等豎向排水體就是為此目的而設(shè)置的，如圖2所示，這時(shí)土層中的孔隙水主要從水平向通過(guò)砂井和部分從豎向排出。砂井縮短了排水距離，因而大大加速了地基的固結(jié)速

5、率，這一點(diǎn)無(wú)論從理論上還是工程實(shí)踐上都得到了證實(shí)。在荷載作用下，土層的固結(jié)過(guò)程就是孔隙水壓力消散和有效應(yīng)力增加的過(guò)程。如地基內(nèi)某點(diǎn)的總應(yīng)力為，有效應(yīng)力為，孔隙水壓力為，則三者有以下關(guān)系：=- (31)用填土等外加荷載對(duì)地基進(jìn)行預(yù)壓，是通過(guò)增加總應(yīng)力并使孔隙水壓力消散來(lái)增加有效應(yīng)力的方法。2、 排水固結(jié)法的應(yīng)用自從我國(guó)在50年代起使用普通砂井法處理地基，排水固結(jié)法在我國(guó)得到了飛速發(fā)展。在70年代發(fā)展成袋裝砂井法，1980年開始應(yīng)用真空預(yù)壓法，1981年應(yīng)用塑料排水帶法處理軟土地基。由于砂井排水法對(duì)軟土地基的處理具有質(zhì)量可靠、施工方便、工效高、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，從而在我國(guó)東南沿海和內(nèi)陸地區(qū)廣泛應(yīng)用

6、。3、 排水固結(jié)法的適用條件排水固結(jié)法適用于處理厚度較大的飽和軟土和沖填土地基，該法是對(duì)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(jí)逐漸加載，或是在建筑物建造以前，在場(chǎng)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。所以排水固結(jié)法需要有較長(zhǎng)的預(yù)壓時(shí)間和荷載條件及土石方搬運(yùn)機(jī)械。三、設(shè)計(jì)所需的土工資料在進(jìn)行排水固結(jié)法設(shè)計(jì)前，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的勘探和土工試驗(yàn)，以取得必要的設(shè)計(jì)資料，以下項(xiàng)目的資料應(yīng)特別加以重視。1、 土層條件。通過(guò)適量的鉆孔繪制出土層剖面圖，采取足夠數(shù)量的試樣以確定土的種類和厚度、土的成層厚度，透水層的位置，地下水位的深度。2

7、、 固結(jié)試驗(yàn)。固結(jié)壓力與孔隙比的關(guān)系、固結(jié)系數(shù)。3、 軟粘土層的抗剪強(qiáng)度及沿深度的變化。4、 砂井及砂墊層所用砂料的粒度分布、含泥量。對(duì)軟粘土，常規(guī)的土工試驗(yàn)項(xiàng)目如表1：表1 軟粘土的常規(guī)土工試驗(yàn)項(xiàng)目土 的 性 質(zhì)試 驗(yàn) 內(nèi) 容試 驗(yàn) 方 法土的物理性質(zhì)稠 度液限(L)塑限(p)塑性指數(shù)(Ip)液限試驗(yàn)塑限試驗(yàn)含水量含水量()飽和度(Sr)含水量試驗(yàn)密度容 重(r)孔隙比()容重試驗(yàn)滲透性滲透系數(shù)(k)滲透試驗(yàn)土的力學(xué)性質(zhì)壓縮固結(jié)系數(shù)(CV,Ch)壓縮指數(shù)(CC)-C或曲線固結(jié)試驗(yàn)強(qiáng)度粘聚力 (C)內(nèi)磨擦角()不排水抗剪強(qiáng)度(Cu)有效抗剪強(qiáng)度()直剪試驗(yàn)三軸試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)十字板剪切試

8、驗(yàn)三軸試驗(yàn)四、設(shè)計(jì)計(jì)算1、 砂井布置 砂井直徑和間距砂井的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。從原則上講為達(dá)到同樣的固結(jié)度，縮短砂井間距比增加砂井直徑效果要好，即“細(xì)而密”比“粗而稀”為佳。砂井直徑一般為300400mm；袋裝砂井直徑70120mm。工程上常用的井距，一般為砂井直徑的68倍，袋裝砂井一般為1530倍。設(shè)計(jì)時(shí)，可先假定井距，再計(jì)算地基固結(jié)度，若不能滿足要求，則可縮小井距或延長(zhǎng)施工期。 砂井深度砂井深度主要根據(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。當(dāng)軟土層不厚、底部有透水層時(shí)，砂井應(yīng)盡可能穿透軟土層。當(dāng)深厚的壓縮土層間有砂層或砂透鏡體時(shí)

9、，砂井應(yīng)盡可能打至砂層或砂透鏡體，而采用真空預(yù)壓時(shí)應(yīng)盡量避免砂井相連接，以免影響真空效果。對(duì)于無(wú)砂層的深厚地基則可根據(jù)其穩(wěn)定性及建筑物在地基中造成的附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比值確定（一般為0.10.2）。若砂層中存在承壓水，由于承壓力的長(zhǎng)期作用，粘土中就存在超孔隙水壓力，這對(duì)粘性土固結(jié)和強(qiáng)度增長(zhǎng)都是不利的，所以宜將砂井打到砂層，利用砂井加速承壓水的消散。按穩(wěn)定性控制的工程，如路堤、土壩、岸坡、堆料等，砂井深度應(yīng)通過(guò)穩(wěn)定分析確定，砂井長(zhǎng)度應(yīng)大于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的深度。按沉降控制的工程，砂進(jìn)長(zhǎng)度可從壓載后的沉降量滿足上部建筑物容許的沉降量來(lái)確定。砂井長(zhǎng)度一般為1025m。 砂井排列砂井在平面上可布置成正三

10、角形或正方形，以正三角形排列較為緊湊和有效。等效圓的直徑de與砂進(jìn)間距l(xiāng)的關(guān)系如下： 等邊三角形排列時(shí) （41） 正方形排列時(shí) （42） 砂井布置范圍 砂井的布置范圍一般比建筑物基礎(chǔ)稍大為好。這是因?yàn)樵诨A(chǔ)以外一定范圍內(nèi)，地基中仍然產(chǎn)生由于建筑物荷載而引起的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力。如能加速基礎(chǔ)外地基土的固結(jié)，對(duì)提高地基的穩(wěn)定性和減小側(cè)向變形以及由此引起的沉降均有好處。一般可由基礎(chǔ)的輪廓線向外增大約24m。 砂料制作砂井的砂宜用中粗砂，砂的粘徑必須能保證砂井具有良好的透水性。砂井的粒度不要被粘土顆粒堵塞。砂應(yīng)是潔靜的，不應(yīng)有草根等雜物，其含泥量不能超過(guò)3%。 砂墊層 砂墊層應(yīng)形成一個(gè)連續(xù)的、有一定厚度的

11、排水層，以免地基沉降時(shí)被切斷而使排水通道堵塞。陸上施工時(shí)，砂墊層厚度一般為0.5m左右；水下施工時(shí)，一般為1m左右。如砂料缺乏，可采用連通砂井的縱橫砂溝代替整片砂墊層。 砂井布置如圖32、制定分層預(yù)壓計(jì)劃 利用地基的天然地基土抗剪強(qiáng)度計(jì)算第一級(jí)容許施加的荷載p1。對(duì)長(zhǎng)條形填土，可根據(jù)Fellenius公式估算： (43)式中 安全系數(shù)，建議采用1.11.5 天然地基土的不排水抗剪強(qiáng)度 計(jì)算第一級(jí)荷載下地基強(qiáng)度增長(zhǎng)值，提高以后的地基強(qiáng)度為： （44） 式中 為P1作用下地基因固結(jié)而增長(zhǎng)的強(qiáng)度為考慮剪切蠕動(dòng)的強(qiáng)度折減系數(shù)與土層的固結(jié)度有關(guān)，一般可先假定一固結(jié)度，通?？杉僭O(shè)為70%， (45)式中

12、荷載所引起的地基中某一點(diǎn)的最大主應(yīng)力增量，按彈性理論公式計(jì)算有效內(nèi)磨擦角的函數(shù)KK地基中某點(diǎn)的固結(jié)度 計(jì)算P1作用下達(dá)到所確定固結(jié)度所需要的時(shí)間，根據(jù)假定的固結(jié)度 （46） （47） （48） （49）聯(lián)合求解出所需的時(shí)間。 根據(jù)第二步所得到的地基強(qiáng)度計(jì)算第二級(jí)所能施加荷載。依次可計(jì)算出以后各級(jí)荷載和停歇時(shí)間。確定初步的加荷計(jì)劃。3、地基固結(jié)度計(jì)算 根據(jù)改進(jìn)的太沙基法，對(duì)多級(jí)等速加荷，地基固結(jié)度如下式： （410） 式中：多級(jí)等速加荷，t時(shí)刻修正后的平均固結(jié)度 瞬間加荷條件的平均固結(jié)度 分別為每級(jí)等速加荷的起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)間 第n級(jí)荷載增量4、地基強(qiáng)度增長(zhǎng)的預(yù)計(jì)地基中某一點(diǎn)在某一時(shí)間的抗剪強(qiáng)度可表

13、示為 (411)式中：地基中某點(diǎn)在加荷之前的天然抗剪強(qiáng)度 由于固結(jié)而增長(zhǎng)的抗剪強(qiáng)度增量 由于剪切蠕動(dòng)而引起的抗剪強(qiáng)度衰減量由于剪切蠕動(dòng)所引起強(qiáng)度衰減部分，目前尚難提出合適的計(jì)算方法，故該式改為： (412)式中為一個(gè)綜合性的折減系數(shù)，與地基土在附加剪應(yīng)力作用下可能產(chǎn)生的強(qiáng)度衰減作用有關(guān)，根據(jù)國(guó)內(nèi)有些地區(qū)實(shí)測(cè)反算的結(jié)果，值為0.80.85。對(duì)正常固結(jié)飽和粘土 （413）式中 k-有效內(nèi)摩擦角的函數(shù)， 荷載所引起的地基中某一點(diǎn)的最大主應(yīng)力增量 Ut地基中某點(diǎn)的固結(jié)度5、 穩(wěn)定分析圖4為軟粘土地基上路堤斷面的穩(wěn)定分析示意圖。滑動(dòng)力矩： = (414)式中 分別為土條在地基部分及填土部分的重量 土條底

14、面與水平面交角 (415） 地基部分抗滑力矩： (416)式中 不排水剪求得的強(qiáng)度指標(biāo) 固結(jié)不排水剪求得的內(nèi)磨擦角 平均固結(jié)度壩體部分抗滑力矩： (417)式中壩體抗滑力矩折減速系數(shù)，可采用0.60.8 強(qiáng)度指標(biāo)折減系數(shù)，可采用0.5 壩體土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最終抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算式為：(418)以上抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算都不考慮砂井的因素，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的砂井只考慮排水固結(jié)作用，而不考慮其加筋作用。其實(shí)由于砂井的存在，地基的抗滑穩(wěn)定性將會(huì)提高，尤其是袋裝砂井和塑料排水板，砂袋和排水板的抗拉能力對(duì)地基的抗滑起一定的作用。 (419)砂井的抗滑力矩： (420)式中 S砂袋或排水板產(chǎn)生的拉力 砂井與滑動(dòng)

15、圓弧在砂井處切線的夾角 n滑動(dòng)圓弧穿過(guò)砂井?dāng)?shù)此時(shí)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為： (421)所增加安全系數(shù)為 (422)6、沉降計(jì)算若忽略次固結(jié)沉降，最終沉降KK為： （423）式中 瞬時(shí)沉降量固結(jié)沉降量壓縮固結(jié)沉降KK為： （424）式中 第i層中點(diǎn)之土自重應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的孔隙比 第i層中點(diǎn)之土自重應(yīng)力和附加應(yīng)力之和相對(duì)應(yīng)的孔隙比 第i層的厚度 壓縮土層總數(shù)瞬時(shí)沉降S為： （425）式中 均布荷載 荷載面積寬度 考慮荷載面積形狀和沉降計(jì)算點(diǎn)位置的系數(shù) 土的彈性模量和泊松比最終的計(jì)算計(jì)算Sd時(shí)，由于其中的彈性模量和泊松比不易準(zhǔn)確判定，影響計(jì)算的精確度。根據(jù)國(guó)內(nèi)外建筑物實(shí)測(cè)沉降資料的分析結(jié)果，可將式（4-19）

16、改寫為： （426）式中m為考慮地基剪切變形及其他影響因素的綜合性經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常取m=1.11.4在荷載作用下地基的沉降隨時(shí)間的發(fā)展可用下式計(jì)算 (427)式中 時(shí)間地基的沉降量 時(shí)間地基的平均固結(jié)度對(duì)于一次瞬間加荷或一次等速加荷結(jié)束后任何時(shí)間的地基沉降量，可將上式改寫為： (428)對(duì)于多級(jí)等速加荷的情況 (429)式中 時(shí)間的累計(jì)荷載 總的累計(jì)荷載五、施工方法1、施工準(zhǔn)備施工時(shí)，應(yīng)清除干凈砂井頂面的淤泥和雜物，并對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行整平，以利砂井排水。2、 水平排水墊層施工排水砂墊層目前有四種施工方法（1）、當(dāng)?shù)鼗韺佑幸欢ê竦挠矚?，其承載力較好，能承載通常的運(yùn)輸機(jī)械時(shí)，一般采用機(jī)械分堆攤鋪法，即

17、先堆成若干砂堆，然后用機(jī)械或人工攤平。（2）、當(dāng)硬殼層承載力不足時(shí)，一般采用順序推進(jìn)攤鋪法。（3）、當(dāng)軟土地基表面很軟，如新沉積或新吹填不久的超軟地基，首先要改善地基表面的持力條件，使其能承載施工人員或輕型運(yùn)輸工具。（4）盡管對(duì)超軟地基礎(chǔ)表面采取了加強(qiáng)措施，但持力條件仍然很差，一般對(duì)不能承載輕型機(jī)械情況下，通常要用人工或輕便機(jī)械順序推進(jìn)鋪設(shè)。不論采用何種施工方法，都應(yīng)避免對(duì)軟土表層的過(guò)大擾動(dòng)，以免造成砂和淤泥混合，影響墊層的排水效果。3、 豎向排水體施工袋裝砂井是普通砂井的改良和發(fā)展，基本上解決了大直徑砂井中所存在的問(wèn)題，使砂井的設(shè)計(jì)和施工更加科學(xué)化，是一種比較理想的豎向排水體。（1）、施工機(jī)

18、具現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外均有專用的施工設(shè)備，一般為導(dǎo)管式的震動(dòng)打設(shè)機(jī)械，各類機(jī)械性能如表2表2 打設(shè)機(jī)械性能打設(shè)機(jī)械型號(hào)行進(jìn)方式打設(shè)動(dòng)力接地壓力KN/m2打設(shè)深度m打設(shè)效率m/臺(tái)班SSD20型寬履帶震動(dòng)錘10201500IJB16步 履震動(dòng)錘5010151000門架軌道震動(dòng)錘2310151000履帶吊機(jī)震動(dòng)錘>100121000（2）、施工程序袋裝砂井的施工程序包括立位、整理樁尖、沉入導(dǎo)管、將砂袋放入導(dǎo)管、往管內(nèi)灌水、拔管等。（3）、施工中注意的問(wèn)題 定位要準(zhǔn)確，砂井垂直度要好。 砂料含泥量要小，一般含泥量要求小于3%。 袋中砂宜用風(fēng)干砂，并應(yīng)灌制密實(shí)。 聚丙烯編織袋在施工時(shí)應(yīng)避免太陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間直接照

19、射。 砂袋入口處的導(dǎo)管口應(yīng)裝設(shè)滾輪，避免砂袋被掛破漏砂。 施工中要經(jīng)常檢查樁尖與導(dǎo)管口的密封情況，避免導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)泥過(guò)多，影響加固深度。 確定袋裝砂井施工長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮袋內(nèi)砂體積減小，袋裝砂井在孔內(nèi)的彎曲、超深以及伸入水平排水墊層內(nèi)的長(zhǎng)度等因素，避免砂井全部深入孔內(nèi)，造成與水平排水墊層不連接。（4）、預(yù)壓荷載的施工利用建筑物本身重量對(duì)地基加壓是一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法。此法一般應(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。對(duì)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、逐層填筑的方法來(lái)確保地基的穩(wěn)定性。六、砂井施工工藝提出改進(jìn)措施加設(shè)素土墊層砂井排水固結(jié)法加固厚度較大的軟土地基具有良好的效果，參照砂井排水固結(jié)的實(shí)例，在預(yù)壓結(jié)束后，地基固結(jié)度一般達(dá)到90%以上，路基沉降量達(dá)到1m，有些甚至達(dá)到2m，由于沉降量大，水平排水墊層比地面低，而且沉降不均勻，路基中心沉降比路基邊緣小，使水平排水墊層成鍋底狀，增加排水的困難，為使水平排水墊層排水墊層排水順利，應(yīng)在鋪設(shè)水平排水墊層前，在原地面上填筑素土墊層，并呈雙向橫坡布置，方便水平排水墊層排水。用土工聚合物代替砂料 某些地區(qū)嚴(yán)重缺乏砂井排水固結(jié)法所需的中粗砂，運(yùn)輸困難，而且價(jià)格昂貴，大量用砂顯然是不經(jīng)濟(jì)的。參考介紹土工聚合物的文章可發(fā)現(xiàn)，許多具有一定厚度的土工纖維具有良好的三維透水