1、排水預(yù)壓法Drainage Consolidation Method2009年一、排水預(yù)壓法簡介 所謂預(yù)壓法就是在建筑物建造之前，或竣工之前，在建筑場地進(jìn)行預(yù)壓，使地基土體產(chǎn)生一定程度的固結(jié)和壓縮，地基產(chǎn)生預(yù)先的沉降，土體強(qiáng)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。 軟土含水率高強(qiáng)度低壓縮性高壓縮變形大排水預(yù)壓法含水率降低強(qiáng)度提高壓縮性降低壓縮變形減小排水預(yù)壓法處理軟土的效果土壓縮性減小e abc承載力被加強(qiáng)加固地基1、排水預(yù)壓法作用原理土體再壓縮曲線圖軟粘土排水系統(tǒng)加壓系統(tǒng)超孔隙水應(yīng)力消散強(qiáng)度提高排水預(yù)壓法作用流程圖 從預(yù)壓法的過程和原理來看，排水預(yù)壓法的

2、過程始終伴隨著土體的固結(jié)、壓縮、土體強(qiáng)度變化的過程，要達(dá)到這個目的，使土體發(fā)生固結(jié)，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(jié)慢，達(dá)到預(yù)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(jié)，人為的縮短排水距離，即采用人工改進(jìn)排水。 常用的人工改進(jìn)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。水平排水層砂墊層透水層根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論有： 一

3、般采用砂、碎石等透水性好的材料，滲透系數(shù)要到 量級為佳。有的也采用水平塑料排水褥墊等。 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，進(jìn)一步縮短排水距離，還可以設(shè)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。水平排水層常用：普通砂井、袋裝砂井、塑料排水板等透水層豎向排水體（2）加壓系統(tǒng) 根據(jù)加壓系統(tǒng)的不同，排水預(yù)壓法可分為堆載排水預(yù)壓法、真空排水預(yù)壓法、真空堆載聯(lián)合排水預(yù)壓法以及降水預(yù)壓法等。 附加應(yīng)力分布線水平砂墊層砂井荷載附加應(yīng)力分布情況（砂井未打穿透水層）堆載預(yù)壓法 堆載預(yù)壓法是外面施加荷載， 即施加附加應(yīng)力通過增加總應(yīng)力 引起

4、超靜孔隙水壓力，通過一定的預(yù)壓施加，孔隙水壓力 消散，總應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力 ，使土體發(fā)生壓縮、強(qiáng)度增加的方法。等載預(yù)壓對工后沉降影響超載預(yù)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(yù)壓法 真空排水預(yù)壓法是利用在地基內(nèi)設(shè)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(yīng)力增加的方法。與堆載排水預(yù)壓法相比有著本質(zhì)的不同，它是總應(yīng)力不變的情況下的排水固結(jié)。真空度原有有效應(yīng)力總應(yīng)力原有有孔隙水應(yīng)力降低后的孔隙水應(yīng)力增加的有效應(yīng)力真空預(yù)壓加壓原理圍堰大氣壓強(qiáng)砂墊層真空區(qū)薄膜溝渠真空泵真空管砂井或塑料排水板真空預(yù)壓工法示意降水位法 降水預(yù)壓法是降低地下水位，使得土層

5、在降水范圍內(nèi)土的浮容重變?yōu)闈袢葜兀馏w的自重應(yīng)力或附加應(yīng)力增加，使土層固結(jié)，有效應(yīng)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(yù)壓方法，可以提高預(yù)壓效果。排水固結(jié)法預(yù)壓系統(tǒng)排水系統(tǒng)堆載法真空法降低地下水位法聯(lián)合法豎向排水體水平排水層普通砂井袋裝砂井塑料排水板砂墊層（碎石墊層）（3）排水固結(jié)法分類匯總一般預(yù)壓（無豎向排水體）（4）排水固結(jié)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(qiáng)度的增長，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。二、排水固結(jié)法施工工藝1、堆載排水預(yù)壓法堆載砂墊

6、層砂井、 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(shè)土工格柵； 4）均勻穩(wěn)定的施加預(yù)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(nèi)外的技術(shù)發(fā)展來看，豎向排水體先后主要應(yīng)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(shè)備

7、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(nèi)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(shè)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(xì)而密的分布，那么排水距離大為縮短，加快了排水固結(jié)，同時施工設(shè)備可以實現(xiàn)輕型化，比較適應(yīng)軟弱的地基表面施工

8、，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。 塑排板截面圖外層過濾纖維顯微結(jié)構(gòu)成卷的塑料排水板打設(shè)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(qiáng)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(jìn)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，土擾動范圍對比將塑料帶通過導(dǎo)

9、管從管靴穿出；將塑料帶與樁尖連接貼緊管靴并對準(zhǔn)樁位；靜壓沉入導(dǎo)管達(dá)設(shè)計深度；拔管，塑料排水板與軟土粘接錨固留在軟基內(nèi)；在砂墊層中預(yù)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(shè)。塑排板打設(shè)流程：當(dāng)塑料排水板帶出長度大于0.5m時將進(jìn)行補(bǔ)打。塑料排水板搭接時，搭接長度在20cm以上。塑料排水板的打設(shè)預(yù)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(yù)壓荷載的施加。2、真空預(yù)壓法 真空預(yù)壓荷載施加，是在被加固軟土表面和深度范圍內(nèi)完全密封抽真空特定條件下，被加固軟基內(nèi)外形成大氣壓差，并以此作為預(yù)壓荷載，當(dāng)設(shè)計荷載超過809

10、0kPa時，可與堆載預(yù)壓聯(lián)合使用，稱為“真空聯(lián)合堆載預(yù)壓排水固結(jié)法”。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法1）真空預(yù)壓法施工步驟： 鋪設(shè)50cm厚砂礫墊層，并打設(shè)塑料排水板； 在砂礫墊層中埋設(shè)主、濾管； 填10cm厚細(xì)砂墊層； 鋪設(shè)復(fù)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(shè)20cm厚細(xì)砂層和30cm厚的粘土層,以保護(hù)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(dāng)膜下真空度穩(wěn)定到設(shè)計值后，連續(xù)抽氣一周左右，進(jìn)行上部堆載填筑。2）砂墊層的鋪設(shè)墊層材料 ：墊層材料應(yīng)采用透水性好的砂料，采用50cm厚砂礫墊層，并在其上鋪設(shè)10cm

11、細(xì)砂。墊層尺寸：墊層厚度為50cm砂礫+10cm細(xì)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(jī)械分堆攤鋪法，即先堆成若干砂堆，然后用機(jī)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(yù)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(shè)及抽真空設(shè)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(yù)壓（已打設(shè)塑料排水板）主管、濾管的幾種布置形式濾管的鋪設(shè)真空預(yù)壓（鋪設(shè)真空管）封閉膜的鋪設(shè) 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(yīng)邊1m

12、以上。為了保證整個預(yù)壓過程中的密封性，塑料膜鋪設(shè)了2層，每層膜鋪好后進(jìn)行檢查和粘補(bǔ)破漏處。封閉膜的鋪設(shè)密封溝設(shè)計示意圖 密封溝施工抽真空設(shè)備的施工 抽真空設(shè)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(yù)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(jié)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(cè)向位移觀測3、 施工質(zhì)量和預(yù)壓效果?？讐河嫷穆裨O(shè)情況監(jiān)測點埋設(shè)的密封三、排水固結(jié)法的設(shè)計理論1、豎向排水體的設(shè)計直徑和間距關(guān)于直徑，目前國內(nèi)使用的

13、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(shè)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(dāng)量換算直徑 可按下式計算： 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0.750.7511松尾新一郎卡爾斯坦尼Hansbo等Mitchell and Katti土質(zhì)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(xué)及基礎(chǔ)工程會議報告表1 值 設(shè)計時，可在0.75值1.0范圍內(nèi)取值。豎向排水體的深度 豎向排水體深度的選擇和土層分布、地基中附

14、加應(yīng)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(guān)。當(dāng)軟黏土層不厚時，排水井應(yīng)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(yīng)盡可能打至砂層或透鏡體。當(dāng)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(nèi)一般的工程控制在25-30m。排水井平面布置及影響范圍土柱體剖面豎向排水體的排列 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(jié)計算時，常使用等效圓直徑 來簡化計算，與排水間距 L 的關(guān)系如下： 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(chǔ)范圍稍大。（2）（3）2、固結(jié)度的計算單向固結(jié)問題 （1）

15、太沙基理論 太沙基研究的是地基中發(fā)生固結(jié)的土層只有一層的情況，外荷載p一次瞬時施加且在固結(jié)過程中維持不變。因此，式（11）簡化為： （12）此式為太沙基提出的單向固結(jié)微分方程。假設(shè)土層單面排水，則邊界條件為：（13）初始條件記作：（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(jié)度 為：（15）整個土層的平均固結(jié)度U為：（16）式中， ， 為時間因數(shù)。（2）砂井固結(jié)理論 按照砂井固結(jié)理論，當(dāng)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(jié)度按下式計算：（17）式中：、為排水固結(jié)參數(shù)，其值見表2。排水情況徑向排水豎向排水豎向和徑向組合三維排水理想井非理想井1表2 、值為軸對稱徑向排水

16、固結(jié)參數(shù)； 為豎向排水一維固結(jié)參數(shù)； 分別為地基土的豎向和水平向固結(jié)系數(shù)； 為井徑比因子，有下式確定：（17）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：當(dāng)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(jié)度： 附加應(yīng)力分布線水平砂墊層砂井荷載式中： 為在t時刻土層的平均固結(jié)度； 為垂直排水通道打入深度范圍內(nèi)的平均固結(jié)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(jié)度，按豎向排水計算； 為打入深度比， 。當(dāng)線性加載時，平均固結(jié)度按下式計算 當(dāng)逐級加載時，平均固結(jié)度按下式計算 式中： 時刻多級荷載等速

17、加荷修正后的地基平均固結(jié)度；第i級荷載的加載速率；各級荷載的累計值；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(dāng)計算第i級荷載加載過程中某時間t的固結(jié)度時，Ti改為t；參數(shù)，根據(jù)地基土排水固結(jié)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、的理論值 排水固結(jié)條件參數(shù)豎向排水固結(jié)( )向內(nèi)徑向排水固結(jié)豎向和向內(nèi)徑向排水固結(jié)（豎井穿透受壓土層）備注1Ch土的徑向排水固結(jié)系數(shù)（cm2/s） Cv土的豎向排水固結(jié)系數(shù)（cm2/s） 雙面排水土層或固結(jié)應(yīng)力均不分布的單面排水土層平均固結(jié)度H 土層豎向排水距離（cm）。4、強(qiáng)度增長估計（1）真空排水固結(jié)

18、法的強(qiáng)度增長特征 真空排水預(yù)壓法是在預(yù)壓地基內(nèi)總應(yīng)力不變的條件下，使土中的孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加的方法。 與堆載排水預(yù)壓法的不同之處在于：形成有效應(yīng)力的路徑不同。 真空排水預(yù)壓法的強(qiáng)度增長的特征： 1）真空排水預(yù)壓法的強(qiáng)度增長是在等向固結(jié)過程中實現(xiàn)的； 2）真空排水預(yù)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(qiáng)度增長的差異。兩種不同加固方式強(qiáng)度的增長 用堆載排水預(yù)壓法加固時，地基中某一時刻的抗剪強(qiáng)度 ，在考慮了由于剪切而引起的強(qiáng)度衰減后表示為：（18）式中： 為天然地基抗剪強(qiáng)度； 為由固結(jié)而引起的抗剪強(qiáng)度的增長量； 為考慮剪切變形及其它因素對強(qiáng)度的影響的一個綜合性折減系數(shù)。 其中由固結(jié)引起的強(qiáng)度增量 的計算方法很多，主要有以下兩種：第一種方法有效應(yīng)力法：（19）將式（19）代入式（18）得： （20）第二種方法有效固結(jié)壓力法：（21）將（21）式代入（18）得