1、第第5節(jié)節(jié) 排水固結(jié)法排水固結(jié)法 Chapter 5 Consolidation 5.1 5.1 概概 述述 排水固結(jié)法（排水固結(jié)法（Consolidation）是處理軟）是處理軟黏土地基的有效方法之一。該法是對天然地基，黏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，然后利或先在地基中設置砂井等豎向排水體，然后利用建筑物本身重量分級逐漸加載，或是在建筑用建筑物本身重量分級逐漸加載，或是在建筑物建造以前，在場地先行加載預壓，使土體中物建造以前，在場地先行加載預壓，使土體中的孔隙水排出，逐漸固結(jié)，地基發(fā)生沉降，同的孔隙水排出，逐漸固結(jié)，地基發(fā)生沉降，同時強度逐步提高的

2、方法。時強度逐步提高的方法。 排水固結(jié)法適用于處理淤泥質(zhì)土、淤泥、排水固結(jié)法適用于處理淤泥質(zhì)土、淤泥、泥炭土和沖泥炭土和沖 填土等飽和粘性土地基。填土等飽和粘性土地基。排水固結(jié)法通常由排水固結(jié)法通常由排水系統(tǒng)排水系統(tǒng)和和加壓系統(tǒng)加壓系統(tǒng)兩部分組成。兩部分組成。 塑料排水板插板機塑料排水板插板機 塑料排水板地基處理塑料排水板地基處理底 層 砂 墊 層 鋪 設塑 料 排 水 板 進 場插 塑 板 機 定 位安 裝 插 銷上 拔 樁 管 至 離 地 5 0 c m下 插 樁 管 至 標 高移 機 至 下 一 樁 位回 填 樁 孔切 割 排 水 板 ( 外 露 3 0 c m )插 塑 板 機 進 場

3、 試 插塑料排水板施工工藝流程塑料排水板施工工藝流程圖圖塑料排水板施工現(xiàn)場塑料排水板施工現(xiàn)場 真空預壓地基處理真空預壓地基處理 真空預壓管網(wǎng)鋪設真空預壓管網(wǎng)鋪設 真空管網(wǎng)鋪設真空管網(wǎng)鋪設 真空系統(tǒng)第一層土工布鋪設真空系統(tǒng)第一層土工布鋪設土工布鋪設土工布鋪設土工布縫接土工布縫接真空系統(tǒng)雙層密封土工膜的鋪設真空系統(tǒng)雙層密封土工膜的鋪設 真空系統(tǒng)土工膜的密封真空系統(tǒng)土工膜的密封 出膜連接與真空系統(tǒng)安裝出膜連接與真空系統(tǒng)安裝出膜連接出膜連接出膜管與真空泵連接出膜管與真空泵連接 試抽真空試抽真空 排水固結(jié)法可解決以下兩個問題：排水固結(jié)法可解決以下兩個問題： （1）沉降問題沉降問題。使地基的沉降在加。使地

4、基的沉降在加載預壓期間大部分或基本完成，使建筑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)生不利的沉降和沉物在使用期間不致產(chǎn)生不利的沉降和沉降差。降差。 （2）穩(wěn)定問題穩(wěn)定問題。加速地基土的抗剪。加速地基土的抗剪強度的增長，從而提高地基的承載力和強度的增長，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 5.2 排水固結(jié)法的原理排水固結(jié)法的原理5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算 一級或多級等

5、速加載條件下，當固結(jié)時間一級或多級等速加載條件下，當固結(jié)時間為為t時，對應總荷載的地基平均固結(jié)度可按時，對應總荷載的地基平均固結(jié)度可按下式計算：下式計算：5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算 當排水豎井采用擠土方式施工時，應考慮當排水豎井采用擠土方式施工時，應考慮涂抹涂抹對土體固結(jié)的影響。當豎井的縱向通對土體固結(jié)的影響。當豎井的縱向通水量與天然土層水平向滲透系數(shù)的比值較水量與天然土層水平向滲透系數(shù)的比值較小，且長度又較長時，尚應考慮小，且長度又較長時，尚應考慮井組井組影響。影響。5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算 瞬時瞬時加載條件下，考慮加載條件下，考慮涂抹和井組涂抹和井組影響時，影

6、響時，豎井地基豎井地基徑向徑向排水平均固結(jié)度可按下式計排水平均固結(jié)度可按下式計算：算：5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算 反映井阻作用影響的參數(shù) 的表達式為：rF5.3 地基固結(jié)度的計算地基固結(jié)度的計算 一級或多級一級或多級等速加載條件下，考慮等速加載條件下，考慮涂抹和井阻涂抹和井阻影影響時豎井穿透受壓土層地基的平均固結(jié)度可按下響時豎井穿透受壓土層地基的平均固結(jié)度可按下式計算：式計算：NoImage222248,8HcFdcveh例題例題1 某建筑場地為淤泥質(zhì)粘土層，固結(jié)系數(shù)某建筑場地為淤泥質(zhì)粘土層，固結(jié)系數(shù)為為 ，受壓土層厚度為，受壓土層厚度為1

7、0m，袋裝，袋裝砂井直徑砂井直徑70mm，砂井采取等邊三角形布置，間，砂井采取等邊三角形布置，間距距L等于等于1.4m，深度為，深度為10m，砂井底部為透水層，砂井底部為透水層，砂井打穿受壓土層，預壓荷載為砂井打穿受壓土層，預壓荷載為100kPa，一次等，一次等速施加，加載速率為每天速施加，加載速率為每天10kPa，按，按建筑地基建筑地基處理設計規(guī)范處理設計規(guī)范計算：加荷開始后計算：加荷開始后50d受壓土層受壓土層平均固結(jié)度是多少？如使受壓土層平均固結(jié)度達平均固結(jié)度是多少？如使受壓土層平均固結(jié)度達到到90%，需要多少天？，需要多少天？ scmccvh23105 . 2例題例題1 解：解：)1(

8、0369. 0)1(102706. 45004105 . 214. 31473 . 2105 . 28483 . 22141213)21ln(12121413)ln(181. 082107. 047. 147. 14 . 105. 105. 1723223222222222222dsHCdFCnnnnnFddnldvenhnwee例題例題1 解：解：845. 0)2.718-(2.718718. 20.03690.81-0)-(1010010)e-(e-)T-(T50d00.0369100.0369500369. 0-tt-1 - ii1 - iititepqU后的平均固結(jié)度：加荷的天數(shù)：使固

9、結(jié)度達到90%depqUttit8 .61t9 . 0)2.718-(2.718718. 20.03690.81-0)-(1010010)e-(e-)T-(T00.0369100.03690369. 0-tt-1 - ii1 - ii整理得： 堆載預壓設計計算堆載預壓設計計算1 12 2 對深厚軟粘土地基，對深厚軟粘土地基，應設置塑料排水帶或砂井等排水豎井應設置塑料排水帶或砂井等排水豎井。當軟土層。當軟土層厚度不大或軟土層含較多薄粉砂夾層，且固結(jié)速率能滿足工期要求時，厚度不大或軟土層含較多薄粉砂夾層，且固結(jié)速率能滿足工期要求時，可不設排水豎井可不設排水豎井。 預壓荷載頂面的范圍應預壓荷載頂面的

10、范圍應等于或大于等于或大于建筑物基礎外緣所包圍的范圍。建筑物基礎外緣所包圍的范圍。 加載速率應根據(jù)地基土的強度確定加載速率應根據(jù)地基土的強度確定。當天然地基土的強度滿足預壓荷。當天然地基土的強度滿足預壓荷載下地基的穩(wěn)定性要求時，可一次性加載，否則應分級逐漸加載，待載下地基的穩(wěn)定性要求時，可一次性加載，否則應分級逐漸加載，待前期預壓荷載下地基土的強度增長滿足下一級荷載下地基的穩(wěn)定性要前期預壓荷載下地基土的強度增長滿足下一級荷載下地基的穩(wěn)定性要求時方可加載。求時方可加載。堆載過快易失穩(wěn)堆載過快易失穩(wěn)5.4 砂井排水固結(jié)設計計算砂井排水固結(jié)設計計算Design Procedure of Sand D

11、rain 1925年，丹尼爾年，丹尼爾 . 莫蘭將垂直砂井用于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費城奧克蘭海灣大橋公路軟土地基的加固，固，1926年獲得專利。年獲得專利。 砂井法問世以后，因缺乏理論根據(jù)而按砂井法問世以后，因缺乏理論根據(jù)而按經(jīng)驗設計。經(jīng)驗設計。19401942年，巴隆（年，巴?。˙arron）根據(jù)太沙基的固結(jié)理論，提出砂井法的設計根據(jù)太沙基的固結(jié)理論，提出砂井法的設計計算方法。我國從計算方法。我國從20世紀世紀50年代起，開始應年代起，開始應用砂井法。用砂井法。 砂井法主要砂井法主要適用于適用于沒有較大集中荷載沒有較大集中荷載的大面積荷重或堆土荷重工程，例如水

12、庫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。及港口的水工建筑物等工程。 一、砂井設計一、砂井設計 砂井設計包括砂井設計包括砂井直徑、間距、深度、砂井直徑、間距、深度、排列方式、范圍、砂料選擇和砂墊層厚度排列方式、范圍、砂料選擇和砂墊層厚度等。等。 （1）砂井直徑和間距）砂井直徑和間距 砂井直徑一般為砂井直徑一般為300400mm；袋裝砂井；袋裝砂井直徑為直徑為70120mm。 塑料排水板的換算直徑為：塑料排水板的換算直徑為： 式中：式中： b塑料板寬度；塑料板寬度；塑料板厚度；塑料板厚度；換算系數(shù)，當換

13、算系數(shù)，當b=100mm，=34mm時取時取=0.75，求得，求得Dp=50mm；若不考慮排水井內(nèi)部；若不考慮排水井內(nèi)部的水頭損失，的水頭損失，=1，Dp=66mm。 根據(jù)固結(jié)理論，砂井直徑越大，間距越密，固結(jié)速率越快。如果比較砂井的直徑和間距對固結(jié)度的影響，又可看出，在同一井徑的條件下，砂井間距縮小一半，固結(jié)時間約縮短三倍，而在同一間距條件下，井徑增大一倍，固結(jié)時間只減小約三分之一。因此，縮短間距比增大井徑對加速固結(jié)的效果更好。所以，采用“細而密細而密”的方案是合理的。 按施工條件，砂井的間距一般不小于按施工條件，砂井的間距一般不小于1.5m。為了保證排水暢通，在砂井預壓地表鋪一為了保證排水

14、暢通，在砂井預壓地表鋪一層砂，厚一般為層砂，厚一般為0.51.0m，水下為，水下為12m。 （2）砂井深度）砂井深度 主要根據(jù)土層的分布、地基中附加應力大主要根據(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。小、施工期限和條件及地基穩(wěn)定性等因素確定。一般為一般為1025m。 （3）砂井排列）砂井排列 砂井在平面上可布置成正三角形（梅花砂井在平面上可布置成正三角形（梅花形），以正三角形排列較為緊湊和有效。在實形），以正三角形排列較為緊湊和有效。在實際進行固結(jié)計算時，由于多邊形作為邊界條件際進行固結(jié)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求解很

15、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多邊形改為由面積與多邊形面積相等的圓來求解。解。 正方形排列時正方形排列時 de1.13l 正三角形排列時正三角形排列時 de1.05l de為砂井的有效直徑，為砂井的有效直徑，l為砂井間距。為砂井間距。 （4）砂井布置范圍）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砂井的布置范圍一般可由基礎的輪廓線向外增大約大約24m。 （5）砂料）砂料 宜選用中粗砂，其含泥量不能超過宜選用中粗砂，其含泥量不能超過3。 （6）砂墊層）砂墊層 砂井頂部鋪設砂墊層，可使砂井排水有良好的砂井頂部鋪設砂墊層，可使砂井排水有良好的通

16、道，將水排到工程場地以外。通道，將水排到工程場地以外。 二、沉降計算二、沉降計算 地基土的總沉降一般包地基土的總沉降一般包括括瞬時沉降、固結(jié)瞬時沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降沉降和次固結(jié)沉降三部分。三部分。 瞬時沉降瞬時沉降是在荷載作用下由于土的畸變所引起，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)生的并在荷載作用下立即發(fā)生的 固結(jié)沉降固結(jié)沉降是由于孔隙水的排出而引起土體積減是由于孔隙水的排出而引起土體積減小所造成的，占總沉降的主要部分。小所造成的，占總沉降的主要部分。 次固結(jié)沉降次固結(jié)沉降則是由于超靜水壓力消散后，在恒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。值

17、有效應力作用下土骨架的徐變所致。對于一對于一般粘性土，數(shù)值不大，但如果是塑性指數(shù)較大般粘性土，數(shù)值不大，但如果是塑性指數(shù)較大時，正常固結(jié)的軟粘土，尤其是有機土，次固時，正常固結(jié)的軟粘土，尤其是有機土，次固結(jié)沉降就不能忽略。結(jié)沉降就不能忽略。沉降計算沉降計算沉降計算沉降計算沉降計算沉降計算沉降計算例題例題2 某場地資料如下：某場地資料如下：以下為基巖。流塑狀粘土，淤泥質(zhì)粘土memkNmemkNm1098. 0,5 .19:105;12. 1,19,:500303土土層層號號壓力p/kPa025507510012515017520025011.121.081.041.000.970.950.930

18、.910.890.8720.980.950.930.910.890.870.850.840.830.82室內(nèi)壓縮試驗資料如下表所示：室內(nèi)壓縮試驗資料如下表所示：按地基規(guī)范計算，當大面積預壓荷載為按地基規(guī)范計算，當大面積預壓荷載為100kPa，經(jīng)驗系數(shù)取，經(jīng)驗系數(shù)取1.3，固結(jié)度達，固結(jié)度達80%時地基的豎向變形量。時地基的豎向變形量。例題例題2 解解：（1）自重應力下土層中點的孔隙比）自重應力下土層中點的孔隙比ie0855. 0125-15087. 0-85. 0125-75.14387. 0-044. 125-5008. 1-04. 125-5 .4708. 1-75.14355 .1921

19、519215 .4751921210202010102211211121eeeeekPahhkPahi孔隙比自重應力下土層中點的，土層中點的自重應力例題例題2 （2）自重應力與附加應力之和所對應的孔隙比）自重應力與附加應力之和所對應的孔隙比ie1218 . 0200-50238 . 0-28 . 0200-75.43238 . 0-932. 0251-50195. 0-93. 0251-5 .47195. 0-75.24310075.1431005 .1471005 .47100212111111221121eeeeekPakPai土層中點的孔隙比自重應力與附加應力下，附加應力之和土層中點的自

20、重應力與例題例題2 38cm47.50.80sU:80%5cm.47475. 05855. 01821. 0855. 03 . 15044. 11932. 0044. 13 . 113 . 11-3 . 11-)3(ft20212021011101010smheeeheeeheeessiiiiff時的豎向沉降量固結(jié)度達到：最終沉降量例題例題3 有一飽和軟粘土，厚度為有一飽和軟粘土，厚度為6m，壓縮模量為，壓縮模量為1.5MPa，地下水位與飽和軟粘土層頂面相，地下水位與飽和軟粘土層頂面相齊。現(xiàn)準備分層鋪設齊?，F(xiàn)準備分層鋪設80cm砂墊層（重度為砂墊層（重度為18），打設塑料排水板至飽和軟粘土層底

21、面。），打設塑料排水板至飽和軟粘土層底面。然后采用然后采用80kPa大面積真空預壓大面積真空預壓3個月，固個月，固結(jié)度達到結(jié)度達到85%。請問此時的殘留沉降是多少？。請問此時的殘留沉降是多少？（沉降修正系數(shù)?。ǔ两敌拚禂?shù)取1.0，附加應力不隨深度，附加應力不隨深度變化）變化）例題例題3 解：5.67cm37.80.85)-(1)sU-(1:85%8 .37600105 . 180188 . 01-1-ft3010010scmhEpheeeheeessiiiif時的殘留沉降量固結(jié)度達到最終沉降量：5.5 施工方法施工方法Construction Methods 要保證排水固結(jié)法的加固效果，從施工要保證排水固結(jié)法的加固效果，從施工角度考慮，主要應重視以下三個環(huán)節(jié)：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鋪設水平墊層、設置豎向排水體和施加固結(jié)壓力固結(jié)壓力。 砂井成孔的典型方法有套管法、射水法、砂井成孔的典型方法有套管法、射水法、螺旋鉆成孔法和爆破法。螺旋鉆成孔法和爆破法。 灌入砂袋中的砂宜用干砂，并應灌致密灌入砂袋中的砂宜用干砂，并應灌致密實。實。 袋裝砂井成孔的方法有錘擊打入法、水袋裝砂井成孔的方法有錘擊打入法、水沖法、靜力壓入法、鉆孔法和振動貫入沖法、靜力壓入法、鉆孔法和振動貫入法五種。法五種。 塑料排水袋和袋裝砂井砂袋埋入砂墊層塑料排水袋