2019巖土工程師基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)：排水固結(jié)

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排水固結(jié)

排水固結(jié)法是對(duì)天然地基，或先在地基中設(shè)置砂井(袋裝砂井或塑料排水帶)等豎向排水體，然后利用建筑物本身重量分級(jí)逐漸加載;或在建筑物建造前在場(chǎng)地先行加載預(yù)壓，使土體中的孔隙水排出，逐漸固結(jié)，地基發(fā)生沉降，同時(shí)強(qiáng)度逐步提高的方法。該法常用于解決軟粘土地基的沉降和穩(wěn)定問(wèn)題，可使地基的沉降在加載預(yù)壓期間基本完成或大部分完成，使建筑物在使用期間不致產(chǎn)生過(guò)大的沉降和沉降差。同時(shí)，可增加地基土的抗剪強(qiáng)度，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。

實(shí)際上，排水固結(jié)法是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分共同組合而成的。

排水固結(jié)法適用于處理各類淤泥、淤泥質(zhì)土及沖填土等飽和粘性土地基。砂井法特別適用于存在連續(xù)薄砂層的地基。但砂井只能加速主固結(jié)而不能減少次固結(jié)，對(duì)有機(jī)質(zhì)土和泥炭等次固結(jié)土，不宜只采用砂井法。克服次固結(jié)可利用超載的方法。真空預(yù)壓法適用于能在加固區(qū)形成(包括采取措施后形成)穩(wěn)定負(fù)壓邊界條件的軟土地基。降低地下水位法、真空預(yù)壓法和電滲法由于不增加剪應(yīng)力，地基不會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，所以它適用于很軟弱的粘土地基。

(一)加固機(jī)理

1.堆載預(yù)壓加固機(jī)理

預(yù)壓法是在建筑物建造以前，在建筑場(chǎng)地進(jìn)行加載預(yù)壓，使地基的固結(jié)沉降基本完成并提高地基土強(qiáng)度的方法。

在飽和軟土地基上施加荷載后，孔隙水被緩慢排出，孔隙體積隨之逐漸減少，地基發(fā)生固結(jié)變形。同時(shí)隨著超靜水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基土強(qiáng)度就逐漸增長(zhǎng)。

地基土層的排水固結(jié)效果與它的排水邊界有關(guān)。根據(jù)固結(jié)理論，在達(dá)到同一固結(jié)度時(shí)，固結(jié)所需的時(shí)間與排水距離的長(zhǎng)短平方成正比。軟粘土層越厚，一維固結(jié)所需的時(shí)間越長(zhǎng)。如果淤泥質(zhì)土層厚度大于10～20m，要達(dá)到較大固結(jié)度U>80%，所需的時(shí)間要幾年至幾十年之久，為了加速固結(jié)，最為有效的方法是在天然土層中增加排水途徑，縮短排水距離，在天然地基中設(shè)置垂向排水體。這時(shí)土層中的孔隙水主要通過(guò)砂井和部分從豎向排出。所以砂井(袋裝砂井或塑料排水帶)的作用就是增加排水條件。為此，縮短了預(yù)壓工程的預(yù)壓期，在短期內(nèi)達(dá)到較好的固結(jié)效果，使沉降提前完成;加速地基土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，使地基承載力提高的速率始終大于施工荷載的速率，以保證地基的穩(wěn)定性。

【例題21】地基土層的排水固結(jié)效果與它的排水邊界有關(guān)，根據(jù)固結(jié)理論，在達(dá)到同一固結(jié)度時(shí)，下列各項(xiàng)敘述正確的是()。

A. 固結(jié)所需的時(shí)間與排水距離的長(zhǎng)短成正比

B. 固結(jié)所需的時(shí)間與排水距離的長(zhǎng)短平方成正比

C. 固結(jié)所需的時(shí)間與排水距離的長(zhǎng)短三次方成正比

D. 固結(jié)所需的時(shí)間與排水距離的長(zhǎng)短四次方成正比日

答案:B

【例題22】某軟土地基厚4m，其下為不透水的泥巖，采用堆載預(yù)壓法處理，固結(jié)度達(dá)到90%時(shí)所需時(shí)間為16天，如果泥巖頂面處存在著0.2m厚的細(xì)砂，則達(dá)到90%固結(jié)度時(shí)所需時(shí)間為()天。

A. 16

B. 8

C. 4

D. 2

答案:C

2.真空預(yù)壓加固機(jī)理

真空預(yù)壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設(shè)砂墊層，然后埋設(shè)垂直排水管道，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過(guò)砂墊層內(nèi)埋設(shè)的吸水管道，用真空裝置進(jìn)行抽氣，使其形成真空，增加地基的有效應(yīng)力。

當(dāng)抽真空時(shí)，先后在地表砂墊層及豎向排水通道內(nèi)逐步形成負(fù)壓，使土體內(nèi)部與排水通道、墊層之間形成壓差。在此壓差作用下，土體中的孔隙水不斷由排水通道排出，從而使土體固結(jié)。

真空預(yù)壓的原理主要反映在以下幾個(gè)方面：

1)薄膜上面承受等于薄膜內(nèi)外壓差的荷載。

2)地下水位降低，相應(yīng)增加附加應(yīng)力。

3)封閉氣泡排出，土的滲透性加大。

真空預(yù)壓是通過(guò)覆蓋于地面的密封膜下抽真空，使膜內(nèi)外形成氣壓差，使粘土層產(chǎn)生固結(jié)壓力。即是在總應(yīng)力不變的情況下，通過(guò)減小孔隙水壓力來(lái)增加有效應(yīng)力的方法。真空預(yù)壓和降水預(yù)壓是在負(fù)超靜水壓力下排水固結(jié)，稱為負(fù)壓固結(jié)。

【例題23】排水固結(jié)法能夠使軟弱地基的承載力提高，基原理為()。

A. 能夠形成復(fù)合地基，從而使復(fù)合地基承載力提高

B. 在總壓力不變的前提下，通過(guò)降低孔隙水壓力，使有效應(yīng)力增高，從而提高地基的抗剪強(qiáng)度，達(dá)到提高地基承載力的目的

C. 通過(guò)設(shè)置豎向增強(qiáng)體(砂井)提高地基承載力

D. 通過(guò)設(shè)置墊層增加上部強(qiáng)度，從而使下臥層強(qiáng)度滿足要求

答案:B

3.設(shè)計(jì)與計(jì)算

排水固結(jié)法的設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)行排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使地基在受壓過(guò)程中排水固結(jié)、強(qiáng)度相應(yīng)增加以滿足逐漸加荷條件下地基穩(wěn)定性的要求，并加速地基的固結(jié)沉降，縮短預(yù)壓的時(shí)間。

1.計(jì)算理論

(1) 瞬時(shí)加荷條件下固結(jié)度計(jì)算

不同條件下平均固結(jié)度計(jì)算公式見(jiàn)表17-5-2。

(2)逐漸加荷條件下地基固結(jié)度的計(jì)算

以上計(jì)算固結(jié)度的理論公式都是假設(shè)荷載是一次瞬間加足的。實(shí)際工程中，荷載總是分級(jí)逐漸施加的。因此，根據(jù)上述理論方法求得固結(jié)時(shí)間關(guān)系或沉降時(shí)間關(guān)系都必須加以修正。修正的方法有改進(jìn)的太沙基法和改進(jìn)的高木俊介法。

1)改進(jìn)的太沙基法對(duì)于分級(jí)加荷的情況，太沙基的修正方法是假定：

①每一級(jí)荷載增量pi所引起的固結(jié)過(guò)程是單獨(dú)進(jìn)行的，與上一級(jí)荷載增量所引起的固結(jié)度完全無(wú)關(guān);

②總固結(jié)度等于各級(jí)荷載增量作用下固結(jié)度的疊加;

③每一級(jí)荷載增量pi在等速加荷經(jīng)過(guò)時(shí)間t的固結(jié)度與在t/2時(shí)的瞬時(shí)加荷的固結(jié)度相同，也即計(jì)算固結(jié)的時(shí)間為t/2。

④在加荷停止以后，在恒載作用期間的固結(jié)度，即時(shí)間t大于Ti(此處Ti為pi的加載期)時(shí)的固結(jié)度和在Ti/2時(shí)瞬時(shí)加荷pi后經(jīng)過(guò)時(shí)間(t-Ti/2)的固結(jié)度相同;

⑤所算得的固結(jié)度僅是對(duì)本級(jí)荷載而言，對(duì)總荷載還要按荷載的比例進(jìn)行修正。

2)改進(jìn)的高木俊介法 該法是根據(jù)巴倫理論，考慮變速加荷使砂井地基在輻射向和垂直向排水條件下推導(dǎo)出砂井地基平均固結(jié)度的，其特點(diǎn)是不需要求得瞬時(shí)加荷條件下地基固結(jié)度，而是可直接求得修正后的平均固結(jié)度。

(3)地基土抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)的預(yù)估

在預(yù)壓荷載作用下，隨著排水固結(jié)的進(jìn)程，地基土的抗剪強(qiáng)度就隨著時(shí)間而增長(zhǎng);另一方面，剪應(yīng)力隨著荷載的增加而加大，而且剪應(yīng)力在某種條件(剪切蠕動(dòng))下，還能導(dǎo)致強(qiáng)度的衰減。

2.堆載預(yù)壓法設(shè)計(jì)

堆載預(yù)壓法設(shè)計(jì)包括加壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。加壓系統(tǒng)主要指堆載預(yù)壓計(jì)劃以及堆載材料的選用;排水系統(tǒng)包括豎向排水體的材料選用、排水體長(zhǎng)度、斷面、平面布置的確定。

(1)加壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

堆載預(yù)壓，根據(jù)土質(zhì)情況分為單級(jí)加荷和多級(jí)加荷;根據(jù)堆載材料分為自重預(yù)壓、加荷預(yù)壓和加水預(yù)壓。

堆載一般用填土、砂石等散粒材料;油罐通常利用罐體充水對(duì)地基進(jìn)行預(yù)壓。對(duì)堤壩等以穩(wěn)定為控制的工程，則以其本身的重量有控制地分級(jí)逐漸加載，直至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

由于軟粘土地基抗剪強(qiáng)度低，無(wú)論直接建造建筑物還是進(jìn)行堆載預(yù)壓往往都不可能快速加載，而必須分級(jí)逐漸加荷，待前期荷載下地基強(qiáng)度增加到足已加下一級(jí)荷載時(shí)方可加下一級(jí)荷載。其計(jì)算步驟是，首先用簡(jiǎn)便的方法確定一個(gè)初步的加荷計(jì)劃，然后校核這一加荷計(jì)劃下的地基的穩(wěn)定性和沉降，具體計(jì)算步驟如下：

1)利用地基的天然地基土抗剪強(qiáng)度計(jì)算第一級(jí)容許施加的荷載p1。

2)計(jì)算第一級(jí)荷載下地基強(qiáng)度增長(zhǎng)值。

3)計(jì)算p1作用下達(dá)到所確定固結(jié)度與所需要的時(shí)間。

4)根據(jù)第二步所得到的地基強(qiáng)度cu1，計(jì)算第二級(jí)所施加的荷載p2。

5)按以上步驟確定的加荷計(jì)劃進(jìn)行每一級(jí)荷載下地基的穩(wěn)定性驗(yàn)算。如穩(wěn)定性不滿足要求，則調(diào)整加荷計(jì)劃。

6)計(jì)算預(yù)壓荷載下地基的最終沉降量和預(yù)壓期間的沉降量。

(2)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)豎向排水體材料選擇

2)豎向排水體深度設(shè)計(jì)

3)豎向排水體平面布置設(shè)計(jì)

4)砂料設(shè)計(jì)

5)地表排水砂墊層設(shè)計(jì)

(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

堆載預(yù)壓法現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一般包括地面沉降觀測(cè)、水平位移觀測(cè)和孔隙水壓力觀測(cè)，如有條件可進(jìn)行地基中深層沉降和水平位移觀測(cè)。

3.超載預(yù)壓法設(shè)計(jì)

當(dāng)預(yù)壓荷載超過(guò)工作荷載時(shí)稱為超載預(yù)壓。對(duì)沉降有嚴(yán)格限制的建筑應(yīng)采用超載預(yù)壓法處理地基。超載預(yù)壓法排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、堆載預(yù)壓計(jì)劃設(shè)計(jì)方法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方法基本上與堆載預(yù)壓法相同。不同的是如何確定超載預(yù)壓荷載。

對(duì)有機(jī)質(zhì)粘土、泥炭土等，其次固結(jié)沉降是重要的，采用超載預(yù)壓法對(duì)減少永久荷載下的次固結(jié)沉降有一定效果。計(jì)算原則是把pf作用下的總沉降看成為主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降之和。

4.真空預(yù)壓法設(shè)計(jì)

真空預(yù)壓的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：密封膜內(nèi)的真空度、加固土層要求達(dá)到的平均固結(jié)度、豎向排水體的尺寸、加固后的沉降和工藝設(shè)計(jì)等。

(二)施工方法

1.堆載預(yù)壓施工方法

從施工角度分析，要保證排水固結(jié)法的加固效果，主要做好以下三個(gè)環(huán)節(jié)：鋪設(shè)水平排水墊層;設(shè)置豎向排水體和施加固結(jié)壓力。

(1)水平排水墊層的施工

(2)豎向排水體施工

(3)預(yù)壓荷載的施工

2.真空預(yù)壓施工方法

(1)真空預(yù)壓

1)加固區(qū)劃分

2)工藝設(shè)備

3)密封系統(tǒng)

4)抽氣階段施工要求與質(zhì)量要求

(2)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓

(3)降水預(yù)壓

(三)質(zhì)量檢驗(yàn)

對(duì)以穩(wěn)定性控制的重要工程，應(yīng)在預(yù)壓區(qū)內(nèi)選擇有代表性地點(diǎn)預(yù)留孔位，對(duì)堆載預(yù)壓法在堆載不同階段;對(duì)真空預(yù)壓法在抽真空結(jié)束后，進(jìn)行不同深度的十字板抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)和取土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，以驗(yàn)算地基的抗滑穩(wěn)定性，并檢驗(yàn)地基的處理效果。

在預(yù)壓期間應(yīng)及時(shí)整理變形與時(shí)間、孔隙水壓力與時(shí)間等關(guān)系曲線，推算地基的最終固結(jié)變形量、不同時(shí)間的固結(jié)度和相應(yīng)的變形量，以分析處理效果，并為確定卸載時(shí)間提供依據(jù)。

真空預(yù)壓處理地基除應(yīng)進(jìn)行地基變形和孑L隙水壓力觀測(cè)外，尚應(yīng)量測(cè)膜下真空度和砂井不同深度的真空度。真空度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

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