崔德山_地基處理-排水固結法

1、主講人： 崔德山2022年7月1日星期五 排水固結法(Consolidation)是處理軟粘土地基的有效方法之一。該法是對天然地基，或先在地基中設置砂井等豎向排水體，然后利用建(構)筑物本身重量分級逐漸加載，或是在建(構)筑物建造以前，在場地先行加載預壓，使土體中的孔隙水排出，逐漸固結，地基發(fā)生沉降，同時強度逐步提高的方法。 吹填土吹填土，又名沖填土，是用挖泥船和泥漿泵把江河湖海中的泥砂通過水力吹填堆筑在一起而形成的沉積土，在吹填過程中，泥沙結構遭到破壞，以細小顆粒的形式在緩慢沉積，因而具有塑性指數(shù)大、天然含水量和孔隙比大、重度小、高壓縮性、滲透性小等特點。由吹填土構成的地基，強度很差，一般不

2、能直接用于工程建設，需要進行地基處理。在時間上，吹填土是欠固結的新沉積土，一般要經(jīng)過1-3年的自然固結，然后才能開始地基處理，處理方法上則主要是排水固結一類。吹填造陸是航道疏浚與陸域形成的一舉兩得之舉。目前國內(nèi)陸域形成大部分地區(qū)都采用吹填方式，北有大連、營口、天津、唐山，東有上海、浙江、江蘇，南有福建、廣東、廣西，吹填規(guī)?？涨熬薮筇旖虼堤钣倌嘣礻懨娣e達30平方公里，唐山曹妃甸吹填造陸幾十平方公里，溫州吹填造陸幾十萬畝，上海金山、臨港、長興島開發(fā)區(qū)吹填面積幾十平方公里.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

3、響排水性能。 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，每臺插板機每日可插板15000m以上，造價比袋砂井底。 對于深厚的軟土地基采用排水固結法進行加固時，從技術上和經(jīng)濟上考慮，采用排水板幾乎是唯一經(jīng)濟、有效、可行的方法。動力排水快速固結法 針對吹填土成份復雜、含水量高、孔隙比大的特征，而且往往建設單位在短期內(nèi)便想使用土地，即需要在短時間內(nèi)快速提高地基的承載力。經(jīng)過多年的研究，動力排水快速固結法已經(jīng)成功地應用于大量的吹填土地基處理，取得了較大的社會效益。 處理淤泥、淤泥質(zhì)等滲透性低土地基時，與真空預壓、堆載預壓相比，它具

4、有時間短、造價低、地基處理承載力高等特點；與復合地基(攪拌樁、粉噴樁、管樁等)相比，它具有明顯的價格優(yōu)勢和工后沉降小等特點。 處理砂土、粉土等滲透性高的地基時，與振沖法相比，它造價低、地基處理承載力高、硬殼層強度高、工后沉降小等優(yōu)點，同時可以消除液化。 該方法不僅適用于吹填土，還適合于其他填土和沉積土，主要取決于土體的滲透性，一般來說只要滲透系數(shù)大于10-7cm/s都可以快速提高其承載力，減小工后沉降。溫州軟土應用(真空預壓法)1.地質(zhì)條件：深34m厚新近吹填淤泥，無強度。2.設計要求：地表承載力達到人機進場要求。3.處理方法：真空預壓法處理34m，主要處理表層，使表層達到一定的強度，作為預處

5、理以后可以人機進場。 4.處理效果：目前該種地基基本無法處理，采用真空預壓法處理20天后，人可以進入，處理效果大大出人意料，節(jié)約工期6個月以上，節(jié)約造價50%以上。 寧波軟土應用寧波軟土應用(覆水真空及沖擊碾覆水真空及沖擊碾)1.地質(zhì)條件：深達30m的淤泥質(zhì)土及淤泥，強度低，壓縮性高。2.設計要求：處理面積4萬平方米，工期3個月，工后沉降30cm；地表承載力90kPa以上；表層密實度達92%以上。 3.處理方法：覆水真空預壓處理深度25m，達到消除深層沉降的目的；表層回填墊層后采用沖擊碾方式進一步提高表層強度和密實度。4.處理效果:達到了設計要求,比原樁基礎方案節(jié)約達600萬元。 青島軟土應用

6、青島軟土應用(深層真空振擊法深層真空振擊法) 1.地質(zhì)條件：深34m的吹填粉煤灰，已自重1年，但承載力只有60kPa，達不到120kPa。 2.設計要求：總面積60萬平方米；地表承載力120kPa以上。 3.處理方法：深層真空振擊法，通過深層真空法降低原有地基土的含水量，然后通過振擊的方法使其進一步密實，并實施多遍處理，提高表層強度和密實度。 4.處理效果:滿足了設計要求,比強夯置換方案節(jié)約達200萬元。 福州軟土應用福州軟土應用(覆水真空預壓覆水真空預壓)1.地質(zhì)條件：淤泥厚度515m，含水量達70，強度極低，壓縮性高。2.設計要求：處理面積30萬平方米，工期4個月，工后沉降20cm；地表承

7、載力80kPa以上；3m深度左右基坑可以無支護自立開挖。3.處理方法：覆水真空預壓處理深度515m，達到消除深層沉降的目的。 4.處理效果：地表承載力達80kPa以上，可自立開挖4m，比原攪拌樁方案節(jié)約達300萬元。 上海軟土應用上海軟土應用(覆水真空及沖擊碾覆水真空及沖擊碾) 1.地質(zhì)條件：上海典型軟土，深達30m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(第3層)及淤泥質(zhì)粘土(第4層)，強度低，壓縮性高。 2.設計要求：總面積約10萬平方米，工后沉降20cm；地表承載力130kPa以上。 3.處理方法：覆水真空預壓處理深度25m，達到消除深層沉降的目的；表層回填墊層后采用沖擊碾方式進一步提高表層強度和密實度。 4.

8、處理效果：達到了設計要求，比樁基礎方案節(jié)約達400萬元。排水固結法可解決以下兩個問題 （1）沉降問題。使地基的沉降在加載預壓期間大部分或基本完成，使建筑物在使用期間不致產(chǎn)生不利的沉降和沉降差。 （2）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。 排水固結法適用于處理淤泥質(zhì)土、淤泥和沖填土等飽和粘性土地基。對沉降要求較高的建筑物，如冷藏庫、機場跑道等，常采用預壓法處理地基。待預壓期間的沉降達到設計要求后，移去預壓荷載再建造建筑物。對于主要應用排水固結法來加速地基土抗剪強度的增長、縮短工期的工程，如路堤、土壩等，則可利用本身的重量分級逐漸施加，使地基土強度的提高適應上部荷載

9、的增加，最后達到設計荷載。排水固結法是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分共同組合而成排水系統(tǒng)：由水平排水墊層和豎向排水體構成。豎向排水體可選用普通砂井、袋裝砂井或塑料排水板。設置排水系統(tǒng)主要在于改變地基原有的排水邊界條件，增加孔隙水排出的途徑，縮短排水距離。當軟土層較薄、或土的滲透性較好而施工期較長時，可僅在地面鋪設一定厚度的砂墊層，然后加載，土層中的水豎向流入砂墊層而排出。當工程上遇到深厚的透水性很差的軟粘土層時，可在地基中設置砂井等豎向排水體，地面連以排水砂墊層，構成排水系統(tǒng)。加壓系統(tǒng)：即起固結作用的荷載，它使地基土的固結壓力增加而產(chǎn)生固結。 工程上廣泛使用且行之有效的增加固結壓力的方法是堆載法，

10、此外，還有真空法、降低地下水位法、電滲法和聯(lián)合法。采用真空法、降低地下水位法、電滲法不會象堆載法那樣有可能引起地基土的剪切破壞，所以較為安全，但操作技術比較復雜。 排水固結法的設計，主要是根據(jù)上部結構荷載的大小、地基土的性質(zhì)以及工期要求、確定豎向排水體的直徑、間距、深度和排列方式；確定預壓荷載的大小和預壓時間，使通過預壓后的地基能滿足建(構)筑物對變形和穩(wěn)定性的要求。排水固結法的原理飽和軟粘土地基在荷載作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙體積慢慢地減小，地基發(fā)生固結變形，同時，隨著超靜水壓力消散，有效應力逐漸提高，地基土的強度逐漸增長。土層的排水固結效果和它的排水邊界條件有關根據(jù)固結理論，粘性土

11、固結所需的時間和排水距離的平方成正比，土層越厚，固結延續(xù)的時間越長。堆載預壓法設計計算(Preloading)1、利用地基的天然地基土抗剪強度計算第一級容許施加的荷載 p12、計算第一級荷載下地基強度增長值3、計算P作用下達到所確定固結度所需要的時間4、根據(jù)第二步所得到的地基強度計算第二級所能施加的荷載 p25、按以上步驟確定的加荷計劃進行每一級荷載下地基的穩(wěn)定性驗算6、計算預壓荷載下地基的最終沉降量和預壓期間的沉降量砂井排水固結設計計算1925 年，丹尼爾莫蘭將垂直砂井用于費城奧克蘭海灣大橋公路軟土地基的加固，1926 年獲得專利。 砂井法問世以后，因缺乏理論根據(jù)而按經(jīng)驗設計。1940194

12、2 年，巴隆(Barron)根據(jù)太沙基的固結理論，提出砂井法的設計計算方法。我國從 50年代起，開始應用砂井法。 砂井法主要適用于沒有較大集中荷載的大面積荷重或堆土荷重工程，例如水庫土壩、油罐、倉庫、鐵路路堤、貯礦場以及港口的水工建筑物等工程。砂井設計 砂井設計包括砂井直徑、間距、深度、排列方式、范圍、砂料選擇和砂墊層厚度等。一、砂井直徑和間距主要取決于土的固結特性和施工期限的要求?！凹毝堋北取按侄　毙Ч谩Ｉ熬睆揭话銥?300400mm；袋裝砂井直徑為 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。設計時，可先假定井距，再計算固結度，若不

13、能滿足要求，則可縮小井距或延長工期。二、砂井深度主要根據(jù)土層的分布、地基中附加應力大小、施工期限和條件及地基穩(wěn)定性等因素確定。一般為 1025m。 (1) 當軟土層不厚、底部有透水層時，砂井應盡可能穿過軟土層； (2) 當深厚的壓縮土層間有砂層或砂透鏡體時，砂井應盡可能打至砂層或砂透鏡體； (3) 對于無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力與自重應力之比值確定(一般為 0.10.2)； (4) 若砂層中存在承壓水，由于承壓水長期作用，粘土中就存在著超孔隙水壓力，所以宜將砂井打到砂層，利用砂井加速承壓水的消散； (5) 按穩(wěn)定性控制的工程，如路堤、土壩、岸坡、堆料等，砂井

14、深度應通過穩(wěn)定分析確定，砂井長度應大于最危險滑動面的深度； 3、砂井排列 在實際進行固結計算時，由于多邊形作為邊界條件求解很困難，巴隆建議每個砂井的影響范圍由多邊形改為由面積與多邊形面積相等的圓來求解。 4、砂井布置范圍砂井的布置范圍一般可由基礎的輪廓線向外增大約 24m。 5、砂料 宜選用中粗砂，其含泥量不能超過 36、砂墊層 砂井頂部鋪設砂墊層，可使砂井排水有良好的通道，將水排到工程場地以外。 沉降計算地基土的總沉降一般包括瞬時沉降、固結沉降和次固結沉降三部分。瞬時沉降是在荷載作用下由于土的畸變所引起，并在荷載作用下立即發(fā)生的。固結沉降是由于孔隙水的排出而引起土體積減小所造成的，占總沉降的

15、主要部分。次固結沉降則是由于超靜水壓力消散后，在恒值有效應力作用下土骨架的徐變所致。 次固結大小和土的性質(zhì)有關泥炭土、有機質(zhì)土或高塑性粘土土層，次固結沉降占很可觀的部分，而其它土則所占比例不大。在建筑物使用年限內(nèi)，次固結沉降經(jīng)判斷可以忽略的話，則最終總沉降量可認為瞬時沉降量與固結沉降量之和。真空預壓設計計算 真空預壓法是先在需加固的軟土地基表面鋪設一層透水砂墊層或砂礫層，再在其上覆蓋一層不透氣的塑料薄膜或橡膠布，四周密封好，與大氣隔絕，在砂墊層內(nèi)埋設滲水管道，然后與真空泵連通進行抽氣，使透水材料保持較高的真空度，在土的孔隙水中產(chǎn)生負的孔隙水壓力，使土中孔隙水和空氣逐漸吸出，從而使土體固結。真空

16、預壓法適用于飽和均質(zhì)粘性土及含薄層砂夾層的粘性土，特別適用于新吹填土、超軟地基的加固，但不適用于在加固范圍內(nèi)有足夠的水源補給的透水土層，以及無法堆載的傾斜地面和施工場地狹窄等場合。真空度真空預壓在抽氣后薄膜內(nèi)氣壓逐漸下降，薄膜內(nèi)外形成一個壓力差（稱為真空度） ，由于土體與砂墊層和塑料排水板間的壓差，從而發(fā)生滲流，使孔隙水沿著砂井或塑料排水板上升而流入砂墊層內(nèi)，被排出塑料薄膜外；地下水在上升的同時，形成塑料板附近的真空負壓，使土體內(nèi)的孔隙水壓形成壓差，促使土中的孔隙水壓力不斷下降，地基有效應力不斷增加，從而使土體固結。隨著抽氣時間的增長，壓差逐漸變小，最終趨向于零，此時滲流停止，土體固結完成。真

17、空預壓法加固軟土地基同堆載預壓法一樣，完全符合有效應力原理，只不過是負壓邊界條件的固結過程。 工程經(jīng)驗和室內(nèi)試驗表明，土體除在正、負壓作用下側向變形方向不同外，其他固結特性無明顯差異。真空預壓加固中豎向排水體間距、排列方式、深度的確定、土體固結時間的計算，一般可采用與堆載預壓基本相同的方法進行。 真空預壓的設計內(nèi)容主要包括：密封膜內(nèi)的真空度、加固土層要求達到的平均固結度，豎向排水體的尺寸、加固后的沉降和工藝設計等。膜內(nèi)真空度真空預壓效果和密封膜內(nèi)所能達到的真空度大小關系極大。根據(jù)國內(nèi)一些工程的經(jīng)驗，當采用合理的工藝和設備，膜內(nèi)真空度一般可維持 600mmHg 左右，相當于 80kPa的真空壓力

18、，此值可作為最大膜內(nèi)設計真空度。加固區(qū)內(nèi)要求達到的平均固結度一般可采用 80%的固結度，如工期許可，也可采用更大一些的固結度作為設計要求達到的固結度。豎向排水體一般采用袋裝砂井或塑料排水帶。真空預壓處理地基時，必須設置豎向排水體，由于砂井(袋裝砂井或塑料排水帶)能將真空度從砂墊層中傳至土體，并將土體中的水抽至砂墊層然后排出。若不設置砂井就起不到上述的作用和加固的目的。抽真空的時間與土質(zhì)條件和豎向排水體的間距密切相關。達到相同的固結度，間距越小，則所需的時間越短沉降計算先計算加固前在建筑物荷載下天然地基的沉降量，然后計算真空期間所完成的沉降量，兩者之差即為預壓后在建筑物使用荷載下可能發(fā)生的沉降。

19、預壓期間的沉降可根據(jù)設計要求達到的固結度推算加固區(qū)所增加的平均有效應力。 對承載力要求高，沉降限制嚴的建筑，可采用真空堆載聯(lián)合預壓法。通過實踐量測證明兩者是可疊加的。 真空預壓的面積不得小于基礎外緣所包圍的面積，一般真空的邊緣應比建筑基礎外緣超出 23m；另外，每塊預壓的面積應盡可能大，根據(jù)加固要求彼此間可搭接或有一定間距。加固面積越大，加固面積與周邊長度之比也越大，氣密性就越好，真空度就越高。關鍵技術！真空預壓的關健在于要有良好的氣密性，使預壓區(qū)與大氣層隔絕。當在加固區(qū)發(fā)現(xiàn)有透氣層和透水層時，一般可在塑料薄膜周邊采用另加水泥土攪拌樁的壁式密封措施。 施工方法堆載預壓施工方法 要保證排水固結法

20、的加固效果，從施工角度考慮，主要應重視以下三個環(huán)節(jié)：鋪設水平墊層、設置豎向排水體和施加固結壓力。 砂井成孔的典型方法有套管法射水法螺旋鉆成孔法爆破法。普通砂井缺點套管成孔法在打設套管時必將擾動其周圍土，使透水性減弱(即涂抹作用)；射水成孔法對含水量高的軟土地基施工質(zhì)量難以保證，砂井中容易混入較多的泥砂；螺旋成孔法在含水量高的軟土地基中也難做到孔壁直立，施工過程中需要排除廢土，對含水量很高的軟土，應用砂井容易產(chǎn)生縮頸、斷頸和錯位現(xiàn)象。 普通砂井即使在施工時能形成完整的砂井，但當?shù)孛婧奢d較大時，軟土層便產(chǎn)生側向變形，也有可能使砂井錯位。袋裝砂井是用具有一定伸縮性和抗拉強度很高的聚丙烯或聚乙烯編織袋

21、裝滿砂子，它基本上解決了大直徑砂井中所存在的問題，使砂井的設計和施工更加科學化，保證了砂井的連續(xù)性，施工設備實現(xiàn)了輕型化，比較適應在軟弱地基上施工；用砂量大為減少；施工速度加快、工程造價降低，是一種比較理想的豎向排水體。砂袋材料的選擇真空預壓施工方法(1) 加固區(qū)劃分：把場地劃分幾個加固區(qū)域，分期加固(2) 工藝設備：抽真空工藝設備包括真空源和一套膜內(nèi)、膜外管路。真空聯(lián)合堆載預壓當?shù)鼗A壓荷載大于 80kPa 時，應在真空預壓抽真空的同時再施加定量的堆載，這種方法稱為真空預壓聯(lián)合堆載法。真空預壓是逐漸降低土體的孔隙水壓力，不增加總應力，而堆載預壓是增加土體總應力，同時，使孔隙水壓力增大，然后逐

22、漸消散。堆載時間對一般軟粘土，當膜下真空度穩(wěn)定地達到 80kPa后，抽真空 10 天左右可進行上部堆載施工，即邊抽真空，邊連續(xù)施加堆載。對高含水量的淤泥類土，當膜下真空度穩(wěn)定地達到 80kPa后，一般抽真空 2030 天可進行堆載施工，荷載大時可分級施加，分級數(shù)通過穩(wěn)定計算確定。真空預壓聯(lián)合堆載預壓采用真空預壓聯(lián)合堆載預壓法，既能加固軟土地基，又能較高地提高地基承載力，其工藝流程為： 插板機施工流程【1】平整場地 【2】量測地面起始高程 【3】埋設施工沉降觀測板和土中原型觀測儀 【4】鋪設砂墊層厚度的一半 【5】打設垂直排水通道 【6】鋪設砂墊層厚度的另一半 【7】鋪設主管、濾管 【8】鋪設砂

23、墊層中的真空度測頭【9】挖密封溝 【10】安置主管出膜裝置 【11】量測施工沉降量 【12】鋪設密封膜【13】安裝抽真空裝置 【14】回填密封溝 【15】聯(lián)接主管到抽真空裝置 【16】設置膜上沉降標 【17】測沉降初值 【18】試抽真空 【19】檢查膜上及密封溝漏氣情況 【20】正式抽真空開始 【21】施工監(jiān)測開始 【22】開始膜上堆載 【23】抽真空【24】卸掉膜上堆載 【25】測地表回彈量 【26】進行加固后效果檢驗。質(zhì)量檢驗 排水固結法加固地基施工中經(jīng)常進行的質(zhì)量檢驗和檢測項目有：孔隙水壓力觀測、沉降觀測、側向位移觀測、真空度觀測、地基土物理力學指標檢測等。 一、孔隙水壓力觀測 孔隙水壓

24、力現(xiàn)場觀測時，可根據(jù)測點孔隙水壓力時間變化曲線，反算土的固結系數(shù)、推算該點不同時間的固結度，從而推算強度增長，并確定下一級施加荷載的大小，根據(jù)孔隙水壓力和荷載的關系曲線可判斷該點是否達到屈服狀態(tài)，因而可用來控制加荷速率，避免加荷過快而造成地基破壞。 二、沉降觀測 沉降觀測是最基本、最重要的觀測項目之一。觀測內(nèi)容包括：荷載作用范圍內(nèi)地基的總沉降，荷載外地面沉降或隆起，分層沉降以及沉降速率等。 三、水平位移觀測 水平位移觀測包括邊樁水平位移和沿深度的水平位移兩部分。它是控制堆載預壓加荷速率的重要手段之一。 真空預壓的水平位移指向加固場地，不會造成加固地基的破壞。 四、真空度觀測 真空度觀測分為真空管內(nèi)真空度、膜下真空度和真空裝置的工作狀態(tài)。膜下真空度則能反映整個場地“加載”的大小和均勻度。膜下真空度測頭要求分布均勻，每個測頭監(jiān)控的預壓面積為 10002000m2，抽真空期間一般要求真空管內(nèi)真空度值大于 90kPa,膜下真空度值大于 80kPa。 五、地基土物理力學指標檢測 工程實例 張馬大溝涵閘工程位于鹽城阜寧縣境內(nèi)蘆莆鄉(xiāng)小曹莊南