地基处理 排水固结法.ppt

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1、地基处理 排水固结法 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望1 1、定义定义：在建筑物建造前，对天然地基或对以设置竖向排：在建筑物建造前，对天然地基或对以设置竖向排水体的地基加载预压，使土体固结沉降基本完成或完成大部水体的地基加载预压，使土体固结沉降基本完成或完成大部分，从而提高地基土强度的一种方法。分，从而提高地基土强度的一种方法。砂井 塑料排水板 竖向排水体 水平排水体：砂垫层 排水系统加压系统 堆载法 真空法 降水法 电渗法 2、对象：对象：软粘土、

2、吹填土、松散软粘土、吹填土、松散粉土、新近沉积土粉土、新近沉积土 3 3、工程应用：工程应用：路堤、仓库、罐体路堤、仓库、罐体、飞机跑道、轻型建筑、飞机跑道、轻型建筑 设厚度为设厚度为H H的饱和粘土层，顶的饱和粘土层，顶面是透水层和不可压缩层，面是透水层和不可压缩层，假设该饱和土层在自重应力假设该饱和土层在自重应力作用下的固结已完成，现在作用下的固结已完成，现在顶面受到一次骤然施加的无顶面受到一次骤然施加的无限均布荷载限均布荷载P P作用。由于土层作用。由于土层厚度远小于荷载面积，故土厚度远小于荷载面积，故土层中附加应力图形将近似地层中附加应力图形将近似地取作矩形分布，即附加应力取作矩形分布

3、，即附加应力不随深度而变化。不随深度而变化。、有效应力 都是坐标 和时间 的函数 和 分别写为 和 但孔隙压力饱和土的渗透固结饱和土的渗透固结 饱和粘土在压力作用下，孔隙水饱和粘土在压力作用下，孔隙水将随时间的迁延而逐渐被排出，将随时间的迁延而逐渐被排出，同时孔隙体积也随之缩小，这一同时孔隙体积也随之缩小，这一过程称为饱和土的渗透固结，可过程称为饱和土的渗透固结，可借助图的弹簧借助图的弹簧活塞模型来说活塞模型来说明。在一个盛满水的圆筒中，装明。在一个盛满水的圆筒中，装一个带有弹簧的活塞，弹簧表示一个带有弹簧的活塞，弹簧表示土的颗粒骨架，容器内的水表示土的颗粒骨架，容器内的水表示土中的自由水，带

4、孔的活塞则表土中的自由水，带孔的活塞则表征土的透水性。由于模型中只有征土的透水性。由于模型中只有固、液两相介质，则对于外力的固、液两相介质，则对于外力的作用只能是水与弹簧两者来共同作用只能是水与弹簧两者来共同承担。设其中的弹簧承担的压力承担。设其中的弹簧承担的压力为有效应力，圆筒中的水承担的为有效应力，圆筒中的水承担的压力为孔隙水压力，按照静力平压力为孔隙水压力，按照静力平衡条件，应有：衡条件，应有：物理意义是土的孔隙水压力与物理意义是土的孔隙水压力与有效应力对外力的分担作用，有效应力对外力的分担作用，它与时间有关，这就是有效应它与时间有关，这就是有效应力原理。力原理。土的压缩服从压缩定律 和

5、土是完全饱和的，土的体积压缩量同孔隙中排出的水量相等，土是完全饱和的，土的体积压缩量同孔隙中排出的水量相等，而且压缩变形速率取决于渗流速率。而且压缩变形速率取决于渗流速率。中水的渗透只沿竖向发生发生，而且服从达西定律，土的渗中水的渗透只沿竖向发生发生，而且服从达西定律，土的渗透系数为常数。透系数为常数。相对于土的孔隙，土颗粒和水都是不可压缩的，因此土的变相对于土的孔隙，土颗粒和水都是不可压缩的，因此土的变形仅是孔隙体积压缩的结果。形仅是孔隙体积压缩的结果。现从饱和土层顶面下深度现从饱和土层顶面下深度z z处，取一微单元体处，取一微单元体11dz11dz来考虑来考虑（1）单元体的渗流条件 由于渗

6、流自下而上进行，设在外荷载施加后某时刻t 流入单元体的水量为流入单元体的水量为 流出单元体的水量为流出单元体的水量为 所以在所以在dtdt时间内，流经时间内，流经该单元体的水量变化为：该单元体的水量变化为：根据达西定律，可得单元体过水面积A=11的流量q 代入上式（2）单元体的变形条件 dtdt时间内，单元体孔隙体积时间内，单元体孔隙体积V Vv v随时间的变化率（减小）为：随时间的变化率（减小）为：考虑到微单元体土粒体积 为不变的常数 再根据有效应力原理以及总应力 是常量的条件，则：或 又（3）单元体的渗流连续条件 根据连续条件，在根据连续条件，在dtdt时间内，该单元体内排出的水量应时间内

7、，该单元体内排出的水量应等于单元体孔隙的压缩量（孔隙的变化率），即：等于单元体孔隙的压缩量（孔隙的变化率），即：令 上式即为饱和土的一维固结微分方程上式即为饱和土的一维固结微分方程土竖向固结系数（下标土竖向固结系数（下标v v表示表示是竖向渗流的固结），由室是竖向渗流的固结），由室内固结（压缩）试验确定；内固结（压缩）试验确定；渗流系数、压缩系数和土的渗流系数、压缩系数和土的初始孔隙比初始孔隙比又因为故初始条件（开始固结时的附加应力分布情况）和边界条件初始条件（开始固结时的附加应力分布情况）和边界条件（可压缩土层顶底面的排水条件）有：（可压缩土层顶底面的排水条件）有：和 时 和 时 和 时 和

8、 时 采用分离变量法可求得 m m正奇整数（正奇整数（1 1、3 3、55）；expexp自然自然对数的底；对数的底；T Tv v竖向竖向固结时间因数固结时间因数 H H为压缩土层最远的排水距离，当土层为单面排水时为压缩土层最远的排水距离，当土层为单面排水时取土层厚度；双面排水时，水由土层中心分别向上下取土层厚度；双面排水时，水由土层中心分别向上下两方向排出，应取土层厚度一半。两方向排出，应取土层厚度一半。一维固结的一维固结的几种起始孔几种起始孔隙水压力分隙水压力分布图布图（a a）双面）双面排水；排水；（b b）单面）单面排水排水厚度为H的土层在某时间t时的固结沉降量St 上式括号内的级数收

9、敛很快，当上式括号内的级数收敛很快，当U30%U30%时可近似地取其时可近似地取其中第一项如下：中第一项如下：固结度固结度U U是时间因数是时间因数T Tv v的函数，按上式绘制各种的函数，按上式绘制各种不同附加不同附加应力分布及排水条件下应力分布及排水条件下的与的关系曲线，如图所示。的与的关系曲线，如图所示。以上讨论是以匀质饱和粘土单向排水、荷载一次作用于土体以上讨论是以匀质饱和粘土单向排水、荷载一次作用于土体上、附加应力沿土层厚度均匀分布时沉降与时间的关系，如上、附加应力沿土层厚度均匀分布时沉降与时间的关系，如其他条件不变，只有附加应力分布发生变化时，其压力分布其他条件不变，只有附加应力分

10、布发生变化时，其压力分布图可简化为五种情况。定义：图可简化为五种情况。定义：压缩土层顶面压力 压缩土层底面压力应力图形为矩形。应力图形为矩形。适用于土层已在自适用于土层已在自重应力作用下固结，重应力作用下固结，基础底面积较大而基础底面积较大而压缩层较薄的情况压缩层较薄的情况应力图形为三角形。这应力图形为三角形。这相当于大面积新填土层相当于大面积新填土层（饱和时）由于本土层（饱和时）由于本土层自重应力引起的固结；自重应力引起的固结；或者土层由于地下水大或者土层由于地下水大幅度下降，在地下水变幅度下降，在地下水变化范围内，自重应力随化范围内，自重应力随深度增加的情况，深度增加的情况，适用于土层在自

11、重应力作用下尚未适用于土层在自重应力作用下尚未固结，又在其上施加荷载。固结，又在其上施加荷载。基底面积小，土基底面积小，土层厚，土层底面层厚，土层底面附加应力已接近附加应力已接近0 0的情况的情况附加应力随深度增加而减少 对于图（对于图（a a）所示的三种）所示的三种双面排水情况，则不管双面排水情况，则不管附加应力如何，均利用附加应力如何，均利用固结度固结度U U是时间因数是时间因数T Tv v的的函数中的函数中的=1=1曲线计算，曲线计算，此时，需将饱和压缩土此时，需将饱和压缩土层的厚度改为层的厚度改为 2H 2H，H H取取压缩土层厚度之半。压缩土层厚度之半。【例题【例题8-18-1】某饱

12、和粘土层层厚】某饱和粘土层层厚 ，压缩模量，压缩模量 ，渗透系数，渗透系数 ，地表作用大面积均布荷载，荷载瞬，地表作用大面积均布荷载，荷载瞬时施加时施加 ，问加载，问加载1 1年后地基固结沉降多大？年后地基固结沉降多大？最终沉降量为 一年以后的沉降量为：饱和软粘土地基在荷载作用下，产生孔隙水压力，孔隙水在饱和软粘土地基在荷载作用下，产生孔隙水压力，孔隙水在压差作用下，由排水通道缓慢排出，使孔隙体积减小，地基压差作用下，由排水通道缓慢排出，使孔隙体积减小，地基固结沉降，同时土中有效应力增加，地基土强度逐渐增长。固结沉降，同时土中有效应力增加，地基土强度逐渐增长。固结压力孔隙比抗剪强度点，压力增加

13、点，压力增加 土样固结压力为土样固结压力为 孔隙比为孔隙比为 坐标上对应坐标上对应 孔隙比减少孔隙比减少 对应于曲线对应于曲线 如果卸除如果卸除 由由c c点回到点回到f f点，曲线点，曲线 土样发生膨胀，土样发生膨胀，为卸荷曲线。为卸荷曲线。固结压力孔隙比抗剪强度若对土样再施加若对土样再施加 的压力，土样发生再压缩由的压力，土样发生再压缩由 点沿虚线变化到点沿虚线变化到 抗剪强度抗剪强度相应由相应由 点变化（沿虚线）点变化（沿虚线）点，曲线点，曲线 到到从两条压缩曲线从两条压缩曲线 和和 可见施加同样的压力，孔隙比变化量不同，土样在被再压可见施加同样的压力，孔隙比变化量不同，土样在被再压缩时

14、孔隙比减小量缩时孔隙比减小量 比初压缩量比初压缩量 小得多。小得多。排排水水固固结结法法就就是是其其应应用用。建建造造建建筑筑物物前前预预先先对对地地基基施施加加荷荷载载，使使地地基基完完成成大大部部分分沉沉降降，抗抗剪剪强强度度也也得得到到提提高高；卸卸荷荷后后，再再建建建建筑筑物物，地地基基在在建建筑筑物物荷荷载载作作用用下下产产生生沉沉降将大大减少。降将大大减少。排水固结法关键排水固结法关键在于排出孔隙水，使孔隙减少及有效应力在于排出孔隙水，使孔隙减少及有效应力增加，从而产生固结沉降。增加，从而产生固结沉降。粘性土固结所需的时间为 时间因数 固结系数 一、设计内容 1 1、排水体，尺寸、

15、间距、排列方式和深度。、排水体，尺寸、间距、排列方式和深度。2 2、预压荷载，大小、范围、速率和预压时间。、预压荷载，大小、范围、速率和预压时间。3 3、变形，固结度、强度增长和沉降量。、变形，固结度、强度增长和沉降量。二、设计前应取得的资料 进行场地勘察，查明土层在进行场地勘察，查明土层在水平和垂直方向的分布和变水平和垂直方向的分布和变化、透水层的位置及水源补化、透水层的位置及水源补给条件、地下水深度。给条件、地下水深度。进行室内土工实验，确定进行室内土工实验，确定土的固结系数，孔隙比和土的固结系数，孔隙比和固结压力关系、三轴试验固结压力关系、三轴试验抗剪强度等。抗剪强度等。进行原位十字板剪

16、切试验，确定各土层十字板抗剪强度。进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗剪强度。二、注意事项 预压荷载的大小应根据设计预压荷载的大小应根据设计要求确定，通常取建筑物的基要求确定，通常取建筑物的基底压力值，对于沉降要求严格底压力值，对于沉降要求严格的建筑，应采用超载预压法，的建筑，应采用超载预压法，即预压荷载大于建筑物基底压即预压荷载大于建筑物基底压力值。力值。软粘土抗剪强度低，不软粘土抗剪强度低，不能快速加载，必须分级施能快速加载，必须分级施加荷载，待上一级荷载作加荷载，待上一级荷载作用下地基强度可承受下一用下地基强度可承受下一级荷载时才能施加下一级级荷载时才能施加下一级荷载。荷载。三、设

17、计步骤 1、利用天然地基抗剪强度，计算第一级容许施加荷载。（1）斯开普顿极限半经验公式：安全系数，取1.11.5 天然地基土的不排水抗剪强度天然地基土的不排水抗剪强度 基础埋置深度基础埋置深度 基础的长边和短边基础的长边和短边 基底以上标高基底以上标高的土的重度的土的重度 （2）饱和粘土：（3）长条形的填土：2、计算第一级荷载作用下地基强度增长值（在P1作用下，经过一段时间预压，地基强度将提高）P P1 1作用下，经过一段时间，地基中某点的抗剪强度；作用下，经过一段时间，地基中某点的抗剪强度；地基土的抗剪强度，由十字板剪切试验测定；地基土的抗剪强度，由十字板剪切试验测定；该点由于固结而增长的强

18、度该点由于固结而增长的强度()()，通常取固结度为，通常取固结度为70%70%；土体由于剪切蠕动而引起的强度衰减系数，土体由于剪切蠕动而引起的强度衰减系数，可取可取0.750.750.900.90。强度增长值的估算可用下式：有效内摩擦角的函数有效内摩擦角的函数地基中某点固结度，可用平均固结度代替。地基中某点固结度，可用平均固结度代替。荷载引起的地基中某点的最大主应力增量荷载引起的地基中某点的最大主应力增量 土的有效内摩擦角，土的有效内摩擦角，24240 030300 0 故地基土某点强度为：3、固结时间（每一级荷载和下一级荷载之间的加载时间）总的平均固结度总的平均固结度 参数参数 取值取值 无

19、竖向排水体 有砂井时 n井径比 4、由第一级荷载作用下的得到的地基强度，计算第二级所能施加的荷载 5、沉降计算 预压荷载作用下地基最终沉降量 由三部分组成：瞬时沉降瞬时沉降 +固结沉降固结沉降 +和次固结沉降和次固结沉降 瞬时沉降是指荷载施加后立即发生的沉降，由剪切变形引起。瞬时沉降是指荷载施加后立即发生的沉降，由剪切变形引起。对于软粘土这部分沉降较大。对于软粘土这部分沉降较大。当软土很厚时 均布荷载均布荷载 荷载面积的直径或宽度荷载面积的直径或宽度 考虑荷载面积形状和沉降计算点位置的系数考虑荷载面积形状和沉降计算点位置的系数 土的弹性模量和泊松比土的弹性模量和泊松比 第第I I层中点土自重层

20、中点土自重压力所对应的孔压力所对应的孔隙比隙比 经验系数，可经验系数，可取取1.11.11.4 1.4 第第I I层中点土的层中点土的自重压力和附加自重压力和附加压力之和所对应压力之和所对应的孔隙比的孔隙比 四、砂井设计 1、直径及间距 砂井有效排水范围内等效直径，砂井有效排水范围内等效直径，30-50cm 30-50cm 砂井直径砂井直径 井径比 普通砂井 取68 袋装砂井或塑料排水板 取1520 2、深度：压缩层不厚时，砂井应贯穿压缩土层 压缩层深厚时，由附加压力和自重应力之比为0.10.2处定。3、砂井排列 正方形：正方形：正三角形：正三角形：4、砂井布置范围及砂垫层 砂井布置范围一般比

21、建筑物基础外扩大砂井布置范围一般比建筑物基础外扩大2 24m4m或更大，并在砂或更大，并在砂顶面铺设砂垫层，形成一个连续的有一定厚度的砂垫层，厚顶面铺设砂垫层，形成一个连续的有一定厚度的砂垫层，厚度可达度可达0.30.30.5m0.5m；水下施工时，可取；水下施工时，可取0.80.81.0m1.0m。一、水平排水垫层的施工 1、垫层材料：砂垫层砂料宜用中粗砂，渗透系数不低于砂垫层砂料宜用中粗砂，渗透系数不低于110110-3-3cm/scm/s，含泥量，含泥量小于小于5%5%，无杂质，无有机质；砂料中可混有少量粒径小于，无杂质，无有机质；砂料中可混有少量粒径小于50mm50mm的石粒。不宜用粉

22、砂或细砂；砂垫层的干密度应大于的石粒。不宜用粉砂或细砂；砂垫层的干密度应大于1.5t/m1.5t/m3 3 2、水平排水系统的设置 在水平垫层预压区应设置与砂垫层相连的盲沟，盲沟可平在水平垫层预压区应设置与砂垫层相连的盲沟，盲沟可平行布置，并与集水井相连。若砂粒来源较困难，可用网状行布置，并与集水井相连。若砂粒来源较困难，可用网状布置的砂沟代替整片砂垫层，并与集水井相连。砂沟的宽布置的砂沟代替整片砂垫层，并与集水井相连。砂沟的宽度为度为2 23 3倍砂井直径，一般深度倍砂井直径，一般深度404060cm60cm。3、垫层厚度：3050cm。明沟盲沟二、竖向排水体的施工 1、砂井材料 采用中粗砂，其渗透系数宜大于采用中粗砂，其渗透系数宜大于110110-2-2cm/scm/s，砂料应干净，砂料应干净，含泥量不超过含泥量不超过3%3%。2、施工顺序 砂井的作用是为地基土提供良好的排水通道，尽量减小对周砂井的作用是为地基土提供良好的排水通道，尽量减小对周围土体的挤压扰动，施工顺序应围土体的挤压扰动，施工顺序应“先中间后周边先中间后周边”。3、施工工艺 砂井施工一般是先成孔，再灌砂形成砂井。砂井施工一般是先成孔，再灌砂形成砂井。砂井成孔的方法：套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法砂井成孔的方法：套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法1、砂井材料