第二章地基处理技术及最新进展ppt课件.ppt
第二章地基处理技术及最新进展n2.1排水固结法n2.1.1概述n排水固结法又称预压法，是通过预压使软粘土地基中孔隙水排出，在预压力下土体发生固结，土中孔隙体积减小，土体强度提高，达到减少地基工后沉降和提高地基承载力的目的。n排水固结法适用于处理淤泥质土和冲填土等饱和粘土地基。2.1排水固结法n排水固结法示意图排水固结法分类表12.1排水固结法n对一维固结情况，根据Terzaghi一维固结理论，地基土固结所需要的时间t与最大排水距离H之间的关系如下式：vvCTHt2 (2.1.1) 式中 Tv时间因子；K渗透系数； Cv固结系数，以为固结条件下，)21)(1 ()1 (vvvKECwv； E、v土体的弹性模量、泊松比； 2.1排水固结法n袋装砂井法和塑料排水带法施工方便，也比较经济，近些年发展较快，特别是塑料排水带，工厂化生产，质量容易保证。袋装砂井和塑料袋横断面积较小，因井阻作用，临界长度较小（对于临界长度质一般认为约1520 m ）。对处理较厚软土层时，需采用较大横断面的普通砂井。n采用排水固结法加固软粘土地基效果可靠、计算理论成熟、施工经验丰富，且较经济，是常用的软粘土地基处理方法。2.1.2加固原理和计算理论n一.加固原理 排水固结加固地基的原理是利用饱和粘土在荷载作用下产生固结，土体孔隙比减小，强度提高，可有效减少工后沉降，提高地基稳定性。2.1.2加固原理和计算理论n超载预压：若预压荷载作用下地基中土体固结应力增加至PB(PB=P0+P)，工作荷载作用下相应土体中的固结应力为PD，当PDPB时，称为一般预压。2.1.2加固原理和计算理论n二. 瞬时加载固结度计算n1.一维固结 一维固结可采用Terzaghi固结理论计算，固结方程为：22zuCtuv （2.1.2） 式中 u超孔隙水压力，Cv固结系数。 2.1.2加固原理和计算理论nTerzaghi固结理论和砂井地基2.1.2加固原理和计算理论n对最大排水距离为H的土层，当平均固结度大于或等于30%时，地基平均固结度可采用下式计算：n固结度：在一定压力作用下，经过一段时间t所发生的沉降量与最终沉降量的比值。Ut=St/S)4exp(8122vzTU （2.1.3） 式中 Tv时间因子，t固结时间。 2.1.2加固原理和计算理论n三.三维固结 砂井固结属于三维固结问题，可采用Redulic-Terzaghi固结理论计算。轴对称条件下固结方程为：)1(2222rurruCzuCtuhv （2.1.4） 式中 hvCC ,分别为竖向和水平向固结度系数。 2.1.2加固原理和计算理论n式2.1.4可分解为竖向和径向固结方程分别求解，径向固结方程为：)1(22rurruCtuh （2.1.5） 根据 Barron 等应变假设所得到的解，地基 径向平均固结度 Ur 计算式为： )(8exp(1nFTUhr （2.1.6） 式中 Th径向排水固结时间因子，表达式： 2ehhdtCT （2.1.7） 2.1.2加固原理和计算理论n1222413)ln(1)(nnnnnnF (2.1.8) 式中 n井径比，n=re/rw；rw砂井半径； eerd ,砂井影响范围的直径和半径。 砂井地基径向平均固结度为 Ur，竖向平均固结度为 Uz， 则砂井地基总平均固结度 Urz可按下式计算： )1)(1 (1rzrzUUU （2.1.9） 2.1.2加固原理和计算理论n3.非完整砂井固结度计算整个软粘土层平均固结度U可采用下式计算：zrzUUU)1 ( (2.1.10) HLL （2.1.11） 式中 Urz砂井区平均固结度； Uz未设砂井区平均固结度； 2.1.2加固原理和计算理论n4.固结度一般表达式 曾国熙（1975）建议平均固结度用下述普遍表达式：teU1 (2.1.12) 式中 ,参数。不同条件下平均固结度参数见表 2-1-2。 表2-1-212.1.2加固原理和计算理论n三.分级加载固结度计算 地基平均固结度表达式，式2.1.3、2.1.9、2.1.10以及2.1.12都是在瞬间加载条件下的到的解答。实际工程中，往往是分级逐渐加载的，图中表示荷载分两级施加。2.1.2加固原理和计算理论n曾国熙(1975)建议在这种情况下采用下述计算式计算地基固结度。 1）第一级加载过程：当0tt1时，对P而言的固结度：)1 (1ttettU (2.1.13) 对1p而言的固结度 )1 (11ttettU （2.1.14） 2.1.2加固原理和计算理论对 而言的固结度2）恒载过程)1 (11ttetptpU (2.1.15) 当 t1tt2时，对1p而言的固结度 1)(11tttteetU （2.1.16） 对p而言的固结度： 1)(111tttteetppU （2.1.17） p2.1.2加固原理和计算理论 将(2.1.17)式减去(2.1.15)式得在t2-t1时间段恒载过程中对 固结度增量 p)1 ()()(11121tttettppU 3）第二级加载过程：1当 t2tt3时，对 而言的固结度为t3以前的固结度，加上t3以后P2为恒载时固结度的增加量Ut4-3p)1 ()()()(3232343tttettpttpU )()()()(23232)(11321tttttttteettpttpeetptpU （2.1.19） 多级等速加荷下修正后对 而言的固结度可归纳为 pntttinnntnneeettpqU1)()(1 (2.1.20) 式中 qn第 n 级荷载的加载速率，2322111,ttpqtpq p各级荷载的累加值； tn-1、tn分别为第 n 级荷载起始和终止时间。当计算 第 n 级荷载过程中时间 t 的固结度时，tn改用 t。 ,参数，见表 2-1-2。 四.考虑井阻和涂抹作用的固结度n井阻：在地基中设置竖向排水系统，无论普通砂井、还是袋装砂井、塑料排水带，其本身透水性虽然很大，但对渗流总有一定阻力，这种阻力称为井阻。n涂抹作用：在地基中设置竖向排水系统过程中对地基土的扰动会降低砂井周围土体的渗透性，这种作用称为涂抹作用。nBarron解式2.1.6 时没有考虑井阻和涂抹作用得到的。)(8exp(1nFTUhrHansbo(1981)提出了考虑井阻和涂抹作用的饱和软粘土地基在深度z处径向排水固结度表达式：1)8exp(1FTUhr (2.1.21) 式中 Th径向排水固结因子，2ehhdtCT F综合参数，其表达式为 rsnFFFF （2.1.22） 式中下标 n、s、r 分别表示径井比、涂抹作用、 井阻作用的影响。Fn 计算式同式同 2.1.8 222413)ln(1)(nnnnnnF (2.1.8) 当径井比 n20 时，计算式可简化为 43lnnFn （2.1.23） 反映涂抹作用影响的参数Fs表达式为1SKKFshsln) 1( (2.1.24) wsrrS 式中 Kh、Ks分别表示原状土和扰动土水平向渗透系数； S扰动区半径 rs与砂井半径 rw之比， 反映井阻作用影响的参数 Fr 表达式： whrqKzHzF)2( （2.1.25） 式中 H砂井贯穿土层的最大排水距离； z竖向坐标； qw竖向排水体(砂井)通水量，其表达式为 42wwwwwdKAKq （2.1.26） 式中 Kw竖向排水体渗透系数。 四.考虑井阻和涂抹作用的固结度 Hansbo公式计算的是某一深度平均固结度，因而可很方便地用来计算该深度土体因固结而增长的强度。 谢康和（1987）提出了考虑井阻和涂抹作用的砂井地基平均固结度计算式FTrheU81 （2.1.27） 式中 F综合参数，其表达式为 rsnFFFF （2.1.28） 四.考虑井阻和涂抹作用的固结度 根据非理想井固结理论，竖向排水井存在临界长度。竖向排水体过长时，所增加的排水体长度加速固解的效果减弱，甚至没有效果。上式中 Fn 和 Fs 计算式分别同式 2.1.23 和式 2.1.24， Fr计算式如下： whwwhrqKHdHKKGF4)(222 （2.1.29） 式中 G井阻因子；qw竖向水体通水量； H、dw 分别为竖向最大排水距离和排水体直径； Kh、Kw分别为土体水平向和竖向渗透系数； 五.排水固结对强度的影响n在荷载作用下地基土体发生固结，固结过程中，超孔隙水压消散，有效应力增加，地基土体强度提高。同时，由于荷载作用，地基土体产生蠕变，还有可能导致强度衰减。地基中某点某时刻的抗剪强度可以表示为：ftfcff0 (2.1.30) 式中 0f地基中某点初始抗剪强度； fc由于固结而增长的抗剪强度增量； ft由于蠕变引起的抗剪强度衰减量。 五.排水固结对强度的影响考虑到 尚难计算，曾国熙（1975）建议将式2.1.30改写为 )(0fcff (2.1.31) 式中 考虑土体蠕变及其他因素对土体抗剪强度 的折减系数，并建议在工程设计中取90. 075. 0 正常固结粘土的有效应力指标抗剪强度表达式 tgf （2.1.32） 式中,为土体有效内摩擦角和法向有效应力。 ft五.排水固结对强度的影响n由图2-1-7可以看到，剪切面上法向应力可用有效主应力1表示，其关系式为：12sin1cos （2.1.33） 五.排水固结对强度的影响 由于土体的固结，有效应力增量 引起土体抗剪强度增量表达式为：土层平均固结度：在一定荷载作用下，经过某段时间t 所发生的沉降量St与最终沉降量S的比值,U=St/S。某点的固结度：固结度就是在某一附加应力下，经某一时间t后，土体发生固结或孔隙水应力消散的过程，对某一深度z处，土层经过时间t后，该点的固结度可用下式表示： Uz=(1-u)/ 111sin1cossinKtgfc (2.1.34) 1五.排水固结对强度的影响n在荷载作用下，地基中某点总主应力增量为 。若该点固结度为U，则相应有效主应力增量 为：11)(1010KUuKfff （2.1.35） 式中 sin1cossinK 土体有效内摩擦角的函数。 U地基中某点的固结度，为简便计，常用平均固结度代替。 1荷载引起的地基中某点最大主应力增量。 u荷载引起的地基中某点超孔隙水压力增量。 五.排水固结对强度的影响n排水固结法在我国大量应用于堆场、公路、铁路、机场、油罐、堤坝和工业民用建筑等软粘土地基处理。有的以提高地基承载力为主，有的以减少工后沉降为主，更多的则以减少工后沉降和提高地基承载力并重。五.排水固结对强度的影响五.排水固结对强度的影响
