排水預壓法分析

1、排水預壓法Drainage Consolidation Method河海大學巖土工程科學研究所陳永輝陳永輝 副教授2009年 所謂預壓法就是在建筑物建造之前，或竣工之前，在建筑場地進行預壓，使地基土體產(chǎn)生一定程度的固結和壓縮，地基產(chǎn)生預先的沉降，土體強度得到提高，使得建筑物的工后沉降減少，同時使建筑物在施工過程中更加穩(wěn)定和安全。 軟土軟土含水率高含水率高強度低強度低壓縮性高壓縮性高壓縮變形大壓縮變形大排水預壓法排水預壓法含水率降低含水率降低強度提高強度提高壓縮性降低壓縮性降低壓縮變形減小壓縮變形減小排水預壓法處理軟土的效果排水預壓法處理軟土的效果土土壓壓縮縮性性減減小小e abc承載力被加強加

2、固地基1、排水預壓法作用原理土體再壓縮曲線圖土體再壓縮曲線圖軟粘土軟粘土排水系統(tǒng)排水系統(tǒng)加壓系統(tǒng)加壓系統(tǒng)超孔隙水應力消散超孔隙水應力消散強度提高強度提高排水預壓法作用流程圖排水預壓法作用流程圖 從預壓法的過程和原理來看，排水預壓法的過程始終伴隨著土體的固結、壓縮、土體強度變化的過程，要達到這個目的，使土體發(fā)生固結，必須有一個排水通道，有了排水通道，要使土體中的孔隙水往外排，還需要提供一個外部因素：即加壓系統(tǒng)使得孔隙水具有壓力差，才能往外排水。 （1）排水通道 排水通道一個可以利用天然地基的排水通道，利用土層本身的滲透性排水，如地基中天然的夾砂層。但有時候，土體本身的滲透性小，排水慢，或者說固結

3、慢，達到預壓的目的需要很長時間，因此為了加快排水，加速土體的固結，人為的縮短排水距離，即采用人工改進排水。 常用的人工改進排水是由豎向排水體或水平排水墊層組成的，或者兩者同時使用。水平排水層砂墊層砂墊層透水層透水層根據(jù)太沙基一維固結理論有：根據(jù)太沙基一維固結理論有：122000exp122111/1mvHHTMMMdzuudzU2HtCTvv 一般采用砂、一般采用砂、碎石等透水性好的碎石等透水性好的材料，滲透系數(shù)要材料，滲透系數(shù)要到到 量級為佳。有的也量級為佳。有的也采用水平塑料排水采用水平塑料排水褥墊等。褥墊等。 scm/102豎向排水體 粘性土滲透系數(shù)一般在 滲透很慢；為了更好的加速排水，

4、進一步縮短排水距離，還可以設置豎向排水體的方式作為排水系統(tǒng)。豎向排水體的滲透系數(shù)一般在 量級附近，是良好的排水通道。scm/101097scm/102水平排水層水平排水層常用：常用：普通砂井、普通砂井、袋裝砂井、袋裝砂井、塑料排水板等塑料排水板等透水層透水層豎向排水體豎向排水體（2）加壓系統(tǒng) 根據(jù)加壓系統(tǒng)的不同，排水預壓法可分為堆載排水預壓法、真空排水預壓法、真空堆載聯(lián)合排水預壓法以及降水預壓法等。 附加應力分布附加應力分布線線水平砂墊水平砂墊層層砂井砂井荷載荷載附加應力分布情況附加應力分布情況（砂井未打穿透水層）（砂井未打穿透水層）堆載預壓法 堆載預壓法是外面施加荷載， 即施加附加應力通過增

5、加總應力 引起超靜孔隙水壓力，通過一定的預壓施加，孔隙水壓力 消散，總應力逐步轉化為有效應力 ，使土體發(fā)生壓縮、強度增加的方法。u等載預壓對工后沉降影響等載預壓對工后沉降影響超載預壓法對工后沉降影響超載預壓法對工后沉降影響排水系統(tǒng)與加壓系統(tǒng)使用效果真空預壓法 真空排水預壓法是利用在地基內設置豎向排水體，并形成一定的真空度，使土體中的水壓力形成壓力差，孔隙水排出，有效應力增加的方法。與堆載排水預壓法相比有著本質的不同，它是總應力不變的情況下的排水固結。真空度真空度原有有效應力原有有效應力總應力總應力原有有孔原有有孔隙水應力隙水應力降低后的孔降低后的孔隙水應力隙水應力增加的有效應力增加的有效應力真

6、空預壓加壓原理真空預壓加壓原理圍堰圍堰大氣壓強大氣壓強砂墊層砂墊層真空區(qū)真空區(qū)薄膜薄膜溝渠溝渠真空泵真空泵真空管真空管砂井或塑料排水板砂井或塑料排水板真空預壓工法示意真空預壓工法示意降水位法 降水預壓法是降低地下水位，使得土層在降水范圍內土的浮容重變?yōu)闈袢葜?，土體的自重應力或附加應力增加，使土層固結，有效應力增加。 有時候幾個方法會聯(lián)合使用，如真空堆載聯(lián)合預壓方法，可以提高預壓效果。排水固結法排水固結法預壓系統(tǒng)預壓系統(tǒng)排水系統(tǒng)排水系統(tǒng)堆載法堆載法真空法真空法降低地下水位法降低地下水位法聯(lián)合法聯(lián)合法豎向排水體豎向排水體水平排水層水平排水層普通砂井普通砂井袋裝砂井袋裝砂井塑料排水板塑料排水板砂墊層

7、砂墊層（碎石墊層）（碎石墊層）（3）排水固結法分類匯總一般預壓（無豎向排水體）一般預壓（無豎向排水體）（4）排水固結法可以解決以下兩個問題： 沉降問題： 使地基的沉降在加載期間大部分基本完成，使建筑物在使用期間不致產(chǎn)生不利的沉降或沉降差，即減少工后沉降。穩(wěn)定問題： 加速地基土的抗剪強度的增長，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。二、排水固結法施工工藝1、堆載排水預壓法堆載堆載砂墊層砂墊層砂井、砂井、 塑料排水板塑料排水板施工主要環(huán)節(jié)： 1）水平向排水砂墊層施工； 2）豎向排水井（塑排板）施工； 3）鋪設土工格柵； 4）均勻穩(wěn)定的施加預壓荷載； 5）沉降監(jiān)測和效果檢驗。 水平系統(tǒng)一般采用砂墊層，砂墊層

8、一般采用透水性好的中粗砂，其滲透系數(shù)大于10-2cm/s，含泥量不大于3%。根據(jù)工程所在地的料源情況，也可以采用碎石或砂礫材料做墊層，即碎石或砂礫墊層。 水平排水層施工 豎向排水體施工 從國內外的技術發(fā)展來看，豎向排水體先后主要應用過：200-500mm的普通砂井；70-120mm的袋裝砂井；塑料排水板。 1）普通砂井 普通砂井經(jīng)常會出現(xiàn)不連續(xù)出現(xiàn)斷樁或者縮頸現(xiàn)象不能避免；大直徑的砂井使用的設備比較笨重，施工麻煩，造價高，而且從排水需要上看，不需要這么大的排水體。地基中的淤泥經(jīng)常在施工時或者排水時會混入砂井中，影響排水效果。因此后來大直徑的砂井用得越來越少，逐步采用小直徑的袋裝砂井。2）袋裝砂

9、井 袋裝砂井的形狀如圖。它是采用土工編織布制成7-12cm（國內一般用7cm左右，日本用的12cm左右）直徑的袋子，在里面填充砂子，先灌好。 打設完的袋裝砂井打設完的袋裝砂井 小直徑袋裝砂井與普通大直徑的砂井相比，主要有以下一些優(yōu)勢： 由于土工布袋的存在可以基本保證排水體的連續(xù)性；由于采用了小直徑，可以采用細而密的分布，那么排水距離大為縮短，加快了排水固結，同時施工設備可以實現(xiàn)輕型化，比較適應軟弱的地基表面施工，施工速度加快、工程造價降低。 3）塑料排水板 目前塑料排水板的樣式如圖，由板芯和濾膜組成。廠家、型號很多，我國實際工程目前采用的最多的是這種芯板截面為并聯(lián)十字型而組成口琴狀。 塑排板截

10、面圖塑排板截面圖外層過濾纖維顯微結構外層過濾纖維顯微結構成卷的塑料排水板成卷的塑料排水板打設完的塑料排水板打設完的塑料排水板塑料排水板加固軟土地基的優(yōu)點： 1） 濾水性好，排水暢通，排水效果有保證。2）材料有良好的強度和延展性，能適合地基變形能力而不影響排水性能（袋裝砂井容易折斷）。 3）排水板斷面尺寸小，施打排水板過程中對地基擾動小。 4）可在超軟弱地基上進行插板施工。 5）施工快、工期短，材料可工廠化生產(chǎn)，造價比袋砂井低。普通砂井和塑料排水板，土擾動范圍對比普通砂井和塑料排水板，土擾動范圍對比將塑料帶通過導管從管靴穿出；將塑料帶與樁尖連接貼緊管靴并對準樁位；靜壓沉入導管達設計深度；拔管，塑

11、料排水板與軟土粘接錨固留在軟基內；在砂墊層中預留30cm以上，剪斷塑料排水板，將塑料排水板板頭埋入到砂墊層中；將塑料排水板與樁尖再連接，移位重新打設。塑排板打設流程：當塑料排水板帶出長度大于當塑料排水板帶出長度大于0.5m時將進行補打。時將進行補打。塑料排水板搭接時，搭接長度在塑料排水板搭接時，搭接長度在20cm以上。以上。塑料排水板的打設塑料排水板的打設預壓荷載的施工（1）填筑實體材料 注意控制加載速率，確保穩(wěn)定。（2）真空預壓荷載的施加。2、真空預壓法 真空預壓荷載施加，是在被加固軟土表面和深度范圍內完全密封抽真空特定條件下，被加固軟基內外形成大氣壓差，并以此作為預壓荷載，當設計荷載超過8

12、090kPa時，可與堆載預壓聯(lián)合使用，稱為“真空聯(lián)合堆載預壓排水固結法”。真空聯(lián)合堆載預壓法真空聯(lián)合堆載預壓法1）真空預壓法施工步驟： 鋪設50cm厚砂礫墊層，并打設塑料排水板； 在砂礫墊層中埋設主、濾管； 填10cm厚細砂墊層； 鋪設復合土工布和密封膜； 在加固區(qū)邊緣挖溝、填溝、安裝并連接抽氣管道和射流泵； 檢驗土工膜密封情況； 土工膜上鋪設20cm厚細砂層和30cm厚的粘土層,以保護密封膜； 開始抽氣，密切注意膜下真空度的變化，發(fā)現(xiàn)漏氣，及時處理，當膜下真空度穩(wěn)定到設計值后，連續(xù)抽氣一周左右，進行上部堆載填筑。2）砂墊層的鋪設墊層材料 ：墊層材料應采用透水性好的砂料，采用50cm厚砂礫墊層

13、，并在其上鋪設10cm細砂。墊層尺寸：墊層厚度為50cm砂礫+10cm細砂共計60cm。平面尺寸為加固區(qū)周圍向外各延伸1m，以保證滲出的水能夠沿砂墊層排出。墊層施工：墊層的施工方法采用機械分堆攤鋪法，即先堆成若干砂堆，然后用機械攤平。施工時避免對軟土表層的過大擾動，以免造成砂和淤泥混合，影響墊層的排水效果。4）真空預壓的施工 抽真空系統(tǒng)包括主、濾管及其布置、密封膜的鋪設及抽真空設備 。主、濾管及其布置 主管、濾管的幾種布置形式如下圖所示：真空預壓（已打設塑料排水板）真空預壓（已打設塑料排水板）a)bcd)主管、濾管的幾種布置形式主管、濾管的幾種布置形式濾管的鋪設濾管的鋪設真空預壓（鋪設真空管）

14、真空預壓（鋪設真空管）封閉膜的鋪設 加工好的密封膜面積要大于加固場地面積， 一般情況下，密封膜每邊大于加固區(qū)相應邊1m以上。為了保證整個預壓過程中的密封性，塑料膜鋪設了2層，每層膜鋪好后進行檢查和粘補破漏處。封閉膜的鋪設封閉膜的鋪設250回填土50cm砂礫墊層10cm中粗砂墊層無紡土工布一層密封膜兩層無紡土工布一層（填土前鋪設）圍堰塑料排水板密封溝設計示意圖密封溝設計示意圖 密封溝施工密封溝施工抽真空設備的施工 抽真空設備主要包括出膜裝置和真空射流泵。出膜裝置是指膜下的主管與膜外的抽真空裝置相聯(lián)接的一種裝置。真空射流泵包括離心泵、射流噴嘴和循環(huán)水箱，射流噴嘴和循環(huán)水箱由玻璃鋼制成。真空預壓（真

15、空泵工作中）真空預壓（真空泵工作中）、孔隙水壓力觀測1）利用孔隙水壓力觀測資料反算固結系數(shù)。2）利用孔隙水壓力觀測資料控制加荷速度。、沉降觀測、側向位移觀測3、 施工質量和預壓效果?？讐河嫷穆裨O情況孔壓計的埋設情況監(jiān)測點埋設的密封監(jiān)測點埋設的密封三、排水固結法的設計理論1、豎向排水體的設計直徑和間距關于直徑，目前國內使用的是袋裝砂井和塑料排水板。袋裝砂井普遍采用7cm的直徑。塑料排水板來說，設計計算時常把其換算成圓柱體來分析，對界面寬度為b，厚度為的塑料排水帶，其當量換算直徑 可按下式計算： pDbDp2 式中為換算系數(shù)，可通過實驗求得。下表為提供的值。值資料來源備注0.60.9 一般0.75

16、0.7511松尾新一郎卡爾斯坦尼Hansbo等Mitchell and Katti土質加固方法手冊福岡正已：最新軟弱地基處理方法“Consolidation by vertical drains”第十屆國際土力學及基礎工程會議報告表表1 設計時，深度的選擇和土層分布、地基中附加應力大小，建筑物對地基變形和穩(wěn)定性的要求以及工期等因素有關。當軟黏土層不厚時，排水井應貫穿黏土層，黏土層較厚但間有砂層或砂透鏡體時，排水井應盡可能打至砂層或透鏡體。當黏土層很厚又無砂透水層時可按建筑物對地基變形及穩(wěn)定性要求以及排水體的施工和有效排水能力來決定，國內一般的工程控制在25-30m。deAALLdeAALL水流

17、經(jīng)過此界線無水流途徑dederwZH2H(a)(b)(c)A-A剖面圖排水井平面布置及影響范圍土柱體剖面排水井平面布置及影響范圍土柱體剖面的排列 豎井的平面布置方式一般為正三角形和正方形兩種。 在實際固結計算時，常使用等效圓直徑 來簡化計算，與排水間距 L 的關系如下：LLde050. 132edLLde128. 14 等邊三角形排列時： 正方形排列時： 豎井的布置范圍，一般比建筑物基礎范圍稍大。（2）（3）2、固結度的計算單向固結問題單向固結問題 （1）太沙基理論 太沙基研究的是地基中發(fā)生固結的土層只有一層的情況，外荷載p一次瞬時施加且在固結過程中維持不變。因此，式（11）簡化為： 22zu

18、Ctuv（12）此式為太沙基提出的單向固結微分方程。假設土層單面排水，則邊界條件為：0|0zu0|Hzzu（13）初始條件記作：00|uut（14）經(jīng)計算可得到z深度處超靜水壓力的消散程度即固結度 為：zU1200expsin12/111mvzTMHMzMMHzuuuU（15）整個土層的平均固結度U為：122000exp122111/1mvHHTMMMdzuudzU（16）式中， ， 為時間因數(shù)。122mM2HtCTvv（2）砂井固結理論 按照砂井固結理論，當垂直排水通道打穿整個軟土層時，地基在加固歷時t的平均固結度按下式計算：tteU1（17）式中：、為排水固結參數(shù)，其值見表2。排水情況徑向

19、排水豎向排水豎向和徑向組合三維排水理想井非理想井12/828enhrdFC2)(8enhrdGJFC224HCvzzr表表2 rzhvCC ,nF2222413)ln(1nnnnnFn為軸對稱徑向排水固結參數(shù)； 為豎向排水一維固結參數(shù)； 分別為地基土的豎向和水平向固結系數(shù)； 為井徑比因子，有下式確定：（17）wdedweddn/wswhdLFqqG4/N 為井徑比， ，為塑料排水板的等值砂井直徑或砂井直徑，為排水圓柱的等小直徑; G 為井阻因子，有下面?zhèn)z式確定：hdkqwhh當垂直排水通道未打穿軟土層時，可按下式計算地層的平均固結度： 附加應力附加應力分布線分布線水平砂水平砂墊層墊層砂砂井井荷

20、荷載載ZrztUqqUU)1 ( 式中： 為在t時刻土層的平均固結度； 為垂直排水通道打入深度范圍內的平均固結度，按式（16）和表2來計算； 為垂直排水通道打入深度以下土層的平均固結度，按豎向排水計算； 為打入深度比， 。tUrzUzUHLq/q當線性加載時，平均固結度按下式計算 )()1 (11)()1 (1)(1TteeTbTteTbTtUTtbTbsztbszszszsz)()1 (1)()1 ()(2TteeTbaTteTbaTtUTtbTbzxtbzxzzz21)1 (UqUqU當逐級加載時，平均固結度按下式計算 )()(111mmTTtmmnitteeeTTpqU式中： 時刻多級荷

21、載等速加荷修正后的地基平均固結度；tU第i級荷載的加載速率；iq各級荷載的累計值；p分別為第i級荷載加載的起始時間和終止時間（從零點起算），當計算第i級荷載加載過程中某時間t的固結度時，Ti改為t；mmTT、1參數(shù)，根據(jù)地基土排水固結條件按下表采用。對豎井地基，表中所 列為不考慮涂抹和井阻影響的參數(shù)值。 、不同排水條件下不同排水條件下、的理論值的理論值 排水固結條件參數(shù)豎向排水固結( )向內徑向排水固結豎向和向內徑向排水固結（豎井穿透受壓土層）備注1Ch土的徑向排水固結系數(shù)（cm2/s） Cv土的豎向排水固結系數(shù)（cm2/s） 雙面排水土層或固結應力均不分布的單面排水土層平均固結度H 土層豎向

22、排水距離（cm）。%30U2828224HCv28enhdFC22248HCdFCvenh2222413)ln(1nnnnnFnzU4、強度增長估計（1）真空排水固結法的強度增長特征 真空排水預壓法是在預壓地基內總應力不變的條件下，使土中的孔隙水壓力減小，有效應力增加的方法。 與堆載排水預壓法的不同之處在于：形成有效應力的路徑不同。 真空排水預壓法的強度增長的特征： 1）真空排水預壓法的強度增長是在等向固結過程中實現(xiàn)的； 2）真空排水預壓法加固地基時地基土中不會產(chǎn)生剪切蠕動現(xiàn)象。 圖11說明了具有相同的垂直有效盈利增量時，兩種不排水強度增長的差異。兩種不同加固方式強度的增長兩種不同加固方式強度的增長ABC1030堆真EEFF 用堆載排水預壓法加固時，地基中某一時刻的抗剪強度 ，在考慮了由于剪切而引起的強度衰減后表示為：ctctct0（18）式中： 為天然地基抗剪強度； 為由固結而引起的抗剪強度的增長量； 為考慮剪切變形及其它因素對強度的影響的一個綜合性折減系數(shù)。0ct 其中由固結引起的強度