第4讲排水固结法
第4讲 排水固结法§4.1 概 述§4.1.1 定义 §4.1.2 系统构成 §4.1.3 适用范围§4.2 排水固结法加固机理§4.2.1 堆载预压法~ §4.2.3 真空预压法~ §4.2.2 砂井预压法~§4.3 排水固结法设计计算§4.3.1 计算理论 §4.3.2 堆载预压设计 §4.3.3 超载预压法设计 §4.3.4 真空预压法设计示例 作业
§4.1 概§4.1.1 定义述排水固结法是通过在饱和软粘土中设置竖 向和水平向排水体,利用分级加载预压,使孔 隙水排出,土体逐渐固结,提前完成或基本完 成地基沉降,以达到增大地基承载力,减小地 基沉降的一种地基处理方法。
§4.1.2 排水固结系统构成⎧ ⎧普通砂井 ⎪ ⎪ ⎪竖向排水系统 ⎨袋装砂井 排水系统 ⎨ ⎪塑料排水带 ⎩ ⎪ ⎪水平向排水系统:砂垫层 ⎩ ⎧堆载法: (正压固结) ⎪ 真空法 ⎫ ⎪ ⎪ ⎬ (负压固结) 加压系统 ⎨降低地下水位法 ⎭ ⎪电渗法 ⎪ ⎪ ⎩联合法
§4.1.3 排水固结法适用范围适用饱和软粘土,但具体方法又各有差异: 砂井(或塑料排水带)预压法:特别适用有薄砂层地基。 若土太软,则荷载加不上去。 不适合有机质土和泥炭等次固结土(砂井只增大主固结) 真空预压法:适合大面积均匀深厚软土地基。此外,由于降低地下水位法、真空预压法、电渗法 不增加剪应力,地基不会产生剪切破坏,所以很软 的粘性地基土也适用。
§4.2 排水固结法加固机理§4.2.1 堆载预压加固机理堆载预压是在建筑物建造之前,对地基土进行预 压加载,使其固结沉降基本完成,增大 fk。 对饱和软土地基:当荷载增大,随着u↑→0,于 是孔隙比e减小,s固完成,从而使地基强度增大。 排水固结法的基本原理,可从图1的压缩-回弹再压缩曲线,抗剪强度增长曲线得到很好的说明。 同样,从图可看出,超载预压,效果更好。
§4.2.2 砂井预压法加固机理砂井预压加固机理本质上与前面相同,唯一不同的是改善 了排水条件,即通过设置竖向排水体(砂井、塑料排水带等), 增加了排水途径、缩短排水距离,从而可加速固结沉降。 下图给出了设置与不设竖向砂井的排水固结情况 。p p
§4.2.3 真空预压加固机理真空预压法是先在加固 的软土地基表面铺设砂垫层 和垂直排水通道,然后用不 透气的封闭膜使其与大气隔 离,通过砂垫层内埋设的吸 水管道,用真空泵抽气,使 砂垫层和竖向排水通道内逐 步形成负压,从而增大有效 应力,加速土体固结。真 空 度 ( p a -p v )0降 低 了 的 水 压 力 u2降低时的有 效 应 力 σ 2' 全部压力 γz σ 原 来 的 有 效 应 力 σ1'σ =σ′+ u原 来 的 水 压 力 u1增加的有效应力
真空预压的原理主要反映在以下几个方面: (1)抽气前,地基土体中的气压为 Pa,但当抽气后,砂井气压 Pv,这样在压差Pa−Pv的作用下;土体中水向砂井中渗流, u减小,σ′ 增大,土固结,直到压差趋近于0。 (2)地下水位降低,相应增加附加应力。设抽气前,地下 水位为 H1,抽气后为 H2,水位下降了H1−H2,在此范围内的土 体从浮重度→湿重度,此时土骨架增大约(H1−H2)水柱高的 压力。 (3)封闭气泡排出,土的渗透性加大。在饱和土体中通常 含有少量封闭气泡,在正压作用下,该气泡堵塞孔,使土的渗 透性降低,固结过程减慢。但在真空吸力下,封闭气泡被吸 出,土体渗透性增大,固结加快。
设计与计算 排水固结法设计实质上就是进行排水系统和加压系统的设计。§4.3.1 设计计算理论1、瞬时加荷条件下固结度计算 2、逐级加载条件下地基固结度的计算 3、影响砂井固结度的几个因素 4、地基土抗剪强度增长的预估
1、瞬时加荷条件下固结度计算瞬时加荷地基固结度计算模型如图2-图4。 不同条件下平均固结度计算公式见表1。
2、逐级加载条件下地基固结度的计算上述理论都是假定荷载一次加上去的(瞬时),而工程 上总是分级加载,所以要修正。(1)改进的太沙基法太沙基的修正方法作了如下四个假定: ① 每级荷载增量△pi引起的固结过程是单独进行的, 与上一级或下一级荷载增量完全无关;(独立性) ② 总固结度等于各级荷载增量△pi作用下的平均固结 Δpi 度 U rz ,乘以本级荷载与总荷载的荷载比例 ,然后 Δp ∑ 叠加求和 ;(叠加性)
③ 每级荷载增量△pi 在等速加载( T2i-2 T2i-1 ) 的固结度,与在(T2i-1+ T2i-2) /2时瞬时加载△pi后经过 时间 [t -(T2i-1+ T2i-2 )/2] 的固结度相同。 [T2i-2 为荷 载△pi开始加载时间;T2i-1 为荷载△pi稳定的起始时间]
现以二级等速加载为例,探讨相对最终荷载 p (分级加载)下的平均固结度。p 荷载 p p' p p p" 1 时间 t a) T1 p T2 t 时间 t c) p p 时间 t b) T11 2荷载p pp" p p1 2p'固结度 U tT1T2 T3pt时间t瞬时一次加载T1p 1T2 T3 t 时间 t d)p21二次分级加载
第一种情况0T3时(平台):T2 + T3 p2 T1 p1 ′ )⋅ U t =U rz (t − ) ⋅ + U rz (t − p 2 p 2
对多级加载,可依次类推,并归纳出如下通式:T2 n − 2 + T2 n −1 Δpi ′ U t =∑ U rz (t − )⋅ 2 ΣΔp 1n多级等速加载 修正后的固结度瞬时加载下 的固结度荷载比例注:① 当t为加载期,T2n-1→t; ② T1、T2……从时刻0算起。
(2)改进的高木俊介法该法是根据砂基固结度计算的巴隆理论推导出来 的,可直接求出修正后的:i ⎡ q α − β t β T2 i −1 β T2 i −2 ⎤ ′ −e Ut = ∑ T2 i −1 − T2 i − 2 ) − e e ( ⎢ ⎥ p β ∑ Δ i =1 ⎣ ⎦n()式中,i —第 i 级荷载的平均加速度率(kPa/d); qα、β 见表1。T2i-1, T2i-2的单位为天(d)。
3、影响砂井固结度的几个因素(1)地基中应力分布及初始孔隙水压力:上述公式 中,均假定u0=p地面,同时认为整个地基中附加应力σ 相同。一般达不到要求,但当荷载面的宽度等于砂井 的长度时,误差可忽略不计。 (2)关于砂料的阻力:砂料对渗流也有阻力,通常 中粗砂井阻很小,细砂大些;从巴隆理论解知:井径 比n=7~15,de
(3)关于涂抹作用:减小kr,有如缩小砂井直径 的效应。 (4)固结系数测定问题:因为粘性土具有层状 特征,kh>kv → Ch > Cv(有时可达几个量级)。而实 验室土样测出的是垂直层理的C⊥,且C⊥≈Cv
4、地基土抗剪强度增长的预估通常有有效应力法、有效固结压力法、Skempton 等经验法。 加固后,地基中某一点在某时刻的抗剪强度τf可表 示为:τ f = τ f 0 + Δτ fc − Δτ fτ式中:τf0为加固前土抗剪强度;Δτfc为因土体固结引 起的强度增长;Δτfτ由于地基土中产生的剪应力,引 起剪切蠕动扰动土体,而引起的强度降低。
由于Δτfτ很难确定,将它并入前两项考虑,则有:τ f = η (τ f0 + Δτ fc )式中,η为折减系数,按国内经验反算η=0.8~0.90。 下面讨论如何从有效应力法确定Δτfc: 正常固结饱和软粘土的有效应力指标抗剪强度表 最大主应力的 剪切破坏面的法向 达式为: 应力和内摩擦角 有效应力增量Δτ f = Δσ ′ ⋅ tan ϕ ′sin ϕ ′ cos ϕ ′ Δτ f = Δσ 1′ = k Δσ 1′ 1 + sin ϕ ′∴Δu Δτ fc = k Δσ 1′ = k (Δσ 1 − Δu ) = k Δσ 1 (1 − ) = k Δσ 1U t Δσ 1τ f = η (τ f0 + k Δσ 1U t )
4.3.2 堆载预压设计堆载预压设计内容包括: ¾加压系统设计: ① 堆载预压计划(单级、多级加载); ② 堆材选取(自重、土石、加水)。 ¾ 排水系统设计: ① 排水体材料; ② 堆载预压长度; ¾ 现场监测设计 ③ 断面; ④ 平面布置。
1、加载系统设计因为τ 软粘土 低,不可一次加载过大,必须分级逐渐加载,待 每级荷载下的τ 软粘土增大到足以加下级荷载时方可加下级荷载。 整个加载计划的具体计算步骤如下: (1)利用τ天然土计算第一级容许施加的荷载 p1: ① 斯开普顿(Skempton)极限荷载半经验公式1 B D p1 = ⋅ 5 ⋅ cu (1 + 0.2 )(1 + 0.2 ) + γ D K A B② 对饱和软粘土,可用下式: 5.14 c u p1 = +γD K ③ 对长条形填土,按Felleniius公式:5 .5 2 c u p1 = K
(2)计算第一级荷载下地基土强度增大后的值。cu1 = η (cu + Δcu′ ) , Δcu′ = k Δσ 1U t式中,η为考虑剪切蠕动强度的折减系数;先利用Ut(70%),再 计算Δcu′。 (3)计算p1作用下达到确定的固结度Ut(70%)所需时间t1,确 定停歇时间。 (4)根据(2)步得到的cu1计算p2。 近似按(1)中公式计算p2,再转入第(2)步。重复(2)步~(4) 步可确定每级荷载下的cui、ti和pi。这样加载计算就确定了。 (5)进行每级荷载下的地基稳定性验算。 (6)计算预压荷载下地基的s终和s预压期。
2、排水系统的设计(1)竖向排水体材料选择:普通砂井、袋装砂井和塑料排水带 (2)竖向排水体深度设计:一般为10~25m。 ① 厚度不大、底部有透水层时,打穿软土层⎧ 堆载预压,尽可能贯穿 ⎪夹砂层、砂透镜体时 真空预压,避免相连 ⎪ ⎪ ② 深厚软土 ⎨ 按稳定性控制 ⎪无砂层 σ 附加 ⎪ 按 ≈ 0.1~0.2控制 ⎪ σ自重 ⎩③ 按稳定性控制工程:如路堤、坝、岸坡、堆料等, l排水体>滑动面深度 ④ 按沉降控制工程:按在规定时间压载后s≤[s]控制。
(3)竖向排水体平面布置设计(细而密) ① d排水体:a.普通砂井:d砂井=200~500mm; b.袋装砂井:d袋井=70~100mm; 2(b + δ ) d = , b × δ 100 × 4mm(一般) α c.塑料排水带 p π ② 影响直径de 2 3 ⋅ l = 1.05 l 三角形(梅花形)排列: d e = π 正方形排列: d e = ③ 井径比(n=de/d排): 普通砂井:6~8;袋装砂井:15~30;塑料排水带:15~30 ④ 平面布置:a.“细而密”比“粗而稀”好 b.三角形排列比正方形排列好 c.范围:扩大至基础轮廓线外2~4m。4π⋅ l = 1.13l
(4)砂料设计 宜用中粗砂、洁净,含泥量<3%。 (5)地表排水砂垫层设计 材料:中粗砂,含泥量<3%; 要求:陆上0.5m厚;水中1m厚,缺砂时,可用砂沟。
3、现场监测设计(1)监测项目 ① 地面沉降观测:a.推算s∞;b.估算 U t ;c.研究沉 降变化规律;d.评价对周围的影响 ② 地面水平位移观测:监视地基稳定性,控制加载速率 ③ 孔隙水压力:反算Cv,推求该点Ut,推算Δτu。 如有条件可进行深层沉降和水平位移观测。 (2)监测要求 ①地面沉降观测:沿场地对称轴线上设置,至场外10m, ≤10~20mm/天; ②地面沉降水平位移:堆载坡脚外加2~3排观测点, ≤4mm/天; ③ u 观测:布置在堆载中心线和边线附近地基中不同深度 处。
4.3.3 超载预压法设计超载预压法与堆载预压法不同的是如何确定超载预压荷载。 超载预压适合对s有严格控制的工程,σ超载,附加>σ建筑荷载,附加 时,固结后,无 s主,且降低了 s次。 任何时间的地基沉降量可表示为: 上式可用于: ①确定所需的超载压力值ps; ②确定给定超载下达到预定s所需时间。 pf (U z ) f + s = 超载应维持到: p f + ps 式中:pf为永久荷载;ps为超载。st = sd + U t sc + ss式中:sd为瞬时沉降;sc为最终固结沉降;ss为次固结沉降。
4.3.4 真空预压法设计1.膜内真空度:目前国内可达600 mmHg,相当于 80 kPa真空压力,可按此值进行设计。 2.加固区内要求达到的:一般Ut>80%。 3.竖向排水体:可采用袋装砂井或塑料排水带,间 距如表4-3(教程上)。 4.沉降计算: 5.监测项目设计:
e 孔隙比 △eA C C'e' △D D ' σ 固结压力 cFB G Eσ' △o抗剪强度' σ 0' 固结压力σ σ 1 cF AoEGC'BC
序 号 1条件平均固结度 计算公式U z = 1 − α ze− βztα82βπ Cv4H2备注竖向固结度U z>30%π2Tezaghi 解22内径向排水固结Ur = 1 − αre− βr t188ChF (n)deBarron解F (n) =3竖向和内径向排 U rz = 1 − α rz e 水固结(砂井地 基平均固结度)U = QU rz− β rz tπ Cv4H22n22= 1 − (1 − U z )(1 − U r )π82+8ChF (n)de2n −1ln( n ) −3n − 124n2n = de dwH1 H1 + H 24砂井未贯穿受压 土层的平均固结 度 外径向排水固结U z>60%′ + (1 − Q )U z−βt−βt≈ 1−αeπ2Q8ChF (n)de2Q=5U r = 1 − 0.692e0.6925.78ChR2R—土柱体半径Cv = kv (1 + e) ( a ⋅ γ w, ) Ch—径向固结系数,Ch = kh (1 + e) (a ⋅ γ w ) 表中,Cv—竖向固结系数,a—压缩系数,γw—水的重度,de—砂井有效影响直径,kv —竖向渗透系数, kh—水平向渗透系数, dw—砂井直径
图2 竖向排水固结图3 砂井排水固结图4 砂井未打穿软土层
示例一:一路堤采用袋装砂井堆载预压处理,软土层厚20 米,下卧不透水层,土的固结系数Cv=Ch=1.8×10-3 cm2/s。袋装砂井直径dw=7cm,砂井间距l=1.4m,砂 井深度H=20m,按等边三角形布井。路堤荷载为二级 等速加载(如图)。求t=120d时土层的平均固结度。p(kPa)100 600T1=10T2=30 T3=40t(d)
解:改进高木俊介法i ⎡ ⎤ q α T T β β − t β rz rz 2 i − 1 rz 2 i − 2 rz U t′ = ∑ e e −e ⎢(T2 i −1 − T2 i − 2 ) − ⎥ β rz i =1 ∑ Δ p ⎣ ⎦n()α rz =8π2= 0.8106β rz =π Cv4H22+8C hF ( n )d e2= 0.0251(d −1 )60 /10 ⎡ 0.8106 −0.0251×120 0.0251×10 0.0251×0 ⎤ ′ −e (10 − 0) − (e )⎥ Ut = e ⎢ 100 ⎣ 0.0251 ⎦40 /10 ⎡ 0.8106 −0.0251×120 0.0251×40 0.0251× 30 ⎤ + e −e (40 − 30) − (e )⎥ ⎢ 100 ⎣ 0.0251 ⎦=0.93
示例二:某路堤下软土层厚30米,采用袋装砂井堆载预压 处理: dw=7cm, l井=1.4m ,H1=20m,等边三角形 布井。下卧不透水层,土的固结系数Cv=Ch=1.8× 10-3 cm2/s。求瞬时加荷后t=120d时地基平均固结度。U rzH1=20m′ UzH2=10m
① 计算砂井范围内土层的平均固结度 U rzd e 147 = = 21 d e = 1.05l = 1.05 × 1.4 = 1.47m;n = 7 dw3.142 × 1.8 × 10−3 −10 βz = = = 4.93 × 10 1/ s 2 2 4H 4 × 3000U rz = 1 − (1 − U r )(1 − U z )π 2Cvn2 3n 2 − 1 F (n) = 2 ln(n) − = 2.3 2 n −1 4n8Cn 8 ×1.8 × 10−3 −7 2.90 10 1/ s = = × βr = 2 2 2.3 × 147 F ( n) d e 8 − β zt 8 − 2.90 ×10 − 7 ×120 × 24 × 60 × 60 ∴U z = 1− 2 e = 1− e = 0.19 2 3.14 πUr = 1− e− βr t= 1− e−2.90×10−7 ×120×24×60×60= 0.95∴U rz = 1 − (1 − U r )(1 − U z ) = 1 − (1 − 0.95)(1 − 0.19) = 0.96
② 计算砂井以下土层的平均固结度U z′ = 1 − 8π2e ,β z′=′ − βz4 H ′21 2π Cv排水距离:H ′ = (1 − aQ) H (谢康和公式); H=30m⎛ βz ⎞ H1 Q= = 0.67, a = 1 − ⎜ (β z=4.93 ×10−101/ s, β r = 2.9 × 10−71/ s ) ⎟ = 0.96 H1 + H 2 ⎝ β z + βr ⎠∴ H ′ = (1 − 0.96 × 0.67) × 30 = 10.7m3.142 × 1.8 ×10−3 −9 3.88 10 1/ s β z′ = = × 2 4 ×1070 8 −3.88×10−9 ×120×24×60×60 ∴U z = 1 − 2 e = 0.22 π∴U t = 0.67 × 0.96 + (1 − 0.67) × 0.22 = 0.72
课内作业:某路堤下软土地基采用袋装砂井处理,软土层厚20m, 下卧层为透水层,土的固结系数Cv=1.8×10-3 cm2/s、 Ch= 3.2× 10-3 cm2/s 。袋装砂井直径dw=7cm,砂井间距l= 1.5m,砂井深度H=20m,按等边三角形布井。路堤填土荷 载见下图。分别用“改进太沙基法”和“改进高木俊介法”求t =100d时土层的平均固结度。p(kPa)100 500T1=10T2=30 T3=40t(d)