《排水预压法》PPT课件.ppt

排水预压法Drainage Consolidation Method河海大学岩土工程科学研究所陈永辉陈永辉 副教授2009年一、排水预压法简介 所谓预压法就是在建筑物建造之前，或竣工之前，在建筑场地进行预压，使地基土体产生一定程度的固结和压缩，地基产生预先的沉降，土体强度得到提高，使得建筑物的工后沉降减少，同时使建筑物在施工过程中更加稳定和安全。软土软土含水率高含水率高强度低强度低压缩性高压缩性高压缩变形大压缩变形大排水预压法排水预压法含水率降低含水率降低强度提高强度提高压缩性降低压缩性降低压缩变形减小压缩变形减小排水预压法处理软土的效果排水预压法处理软土的效果土压缩性土压缩性减小减小e abc承载力被加强加固地基1、排水预压法作用原理土体再压缩曲线图土体再压缩曲线图软粘土软粘土排水系统排水系统加压系统加压系统超孔隙水应力消散超孔隙水应力消散强度提高强度提高排水预压法作用流程图排水预压法作用流程图 从预压法的过程和原理来看，排水预压法的过程始终伴随着土体的固结、压缩、土体强度变化的过程，要达到这个目的，使土体发生固结，必须有一个排水通道，有了排水通道，要使土体中的孔隙水往外排，还需要提供一个外部因素：即加压系统使得孔隙水具有压力差，才能往外排水。（1）排水通道 排水通道一个可以利用天然地基的排水通道，利用土层本身的渗透性排水，如地基中天然的夹砂层。但有时候，土体本身的渗透性小，排水慢，或者说固结慢，达到预压的目的需要很长时间，因此为了加快排水，加速土体的固结，人为的缩短排水距离，即采用人工改进排水。常用的人工改进排水是由竖向排水体或水平排水垫层组成的，或者两者同时使用。水平排水层砂垫层砂垫层透水层透水层根据太沙基一维固结理论有：根据太沙基一维固结理论有：一般采用砂、一般采用砂、碎石等透水性好的碎石等透水性好的材料，渗透系数要材料，渗透系数要到到 量级为佳。有的也量级为佳。有的也采用水平塑料排水采用水平塑料排水褥垫等。褥垫等。竖向排水体 粘性土渗透系数一般在 渗透很慢；为了更好的加速排水，进一步缩短排水距离，还可以设置竖向排水体的方式作为排水系统。竖向排水体的渗透系数一般在 量级附近，是良好的排水通道。水平排水层水平排水层常用：常用：普通砂井、普通砂井、袋装砂井、袋装砂井、塑料排水板等塑料排水板等透水层透水层竖向排水体竖向排水体（2）加压系统 根据加压系统的不同，排水预压法可分为堆载排水预压法、真空排水预压法、真空堆载联合排水预压法以及降水预压法等。附加应力分布附加应力分布线线水平砂垫水平砂垫层层砂井砂井荷载荷载附加应力分布情况附加应力分布情况（砂井未打穿透水层）（砂井未打穿透水层）堆载预压法 堆载预压法是外面施加荷载，即施加附加应力通过增加总应力 引起超静孔隙水压力，通过一定的预压施加，孔隙水压力 消散，总应力逐步转化为有效应力 ，使土体发生压缩、强度增加的方法。等载预压对工后沉降影响等载预压对工后沉降影响超载预压法对工后沉降影响超载预压法对工后沉降影响排水系统与加压系统使用效果真空预压法 真空排水预压法是利用在地基内设置竖向排水体，并形成一定的真空度，使土体中的水压力形成压力差，孔隙水排出，有效应力增加的方法。与堆载排水预压法相比有着本质的不同，它是总应力不变的情况下的排水固结。真空度真空度原有有效应力原有有效应力总应力总应力原有有孔原有有孔隙水应力隙水应力降低后的孔降低后的孔隙水应力隙水应力增加的有效应力增加的有效应力真空预压加压原理真空预压加压原理围堰围堰大气压强大气压强砂垫层砂垫层真空区真空区薄膜薄膜沟渠沟渠真空泵真空泵真空管真空管砂井或塑料排水板砂井或塑料排水板真空预压工法示意真空预压工法示意降水位法 降水预压法是降低地下水位，使得土层在降水范围内土的浮容重变为湿容重，土体的自重应力或附加应力增加，使土层固结，有效应力增加。有时候几个方法会联合使用，如真空堆载联合预压方法，可以提高预压效果。排水固结法排水固结法预压系统预压系统排水系统排水系统堆载法堆载法真空法真空法降低地下水位法降低地下水位法联合法联合法竖向排水体竖向排水体水平排水层水平排水层普通砂井普通砂井袋装砂井袋装砂井塑料排水板塑料排水板砂垫层砂垫层（碎石垫层）（碎石垫层）（3）排水固结法分类汇总一般预压（无竖向排水体）一般预压（无竖向排水体）（4）排水固结法可以解决以下两个问题：沉降问题：使地基的沉降在加载期间大部分基本完成，使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降或沉降差，即减少工后沉降。稳定问题：加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。二、排水固结法施工工艺1、堆载排水预压法堆载堆载砂垫层砂垫层砂井、砂井、塑料排水板塑料排水板施工主要环节：1）水平向排水砂垫层施工；2）竖向排水井（塑排板）施工；3）铺设土工格栅；4）均匀稳定的施加预压荷载；5）沉降监测和效果检验。水平系统一般采用砂垫层，砂垫层一般采用透水性好的中粗砂，其渗透系数大于10-2cm/s，含泥量不大于3%。根据工程所在地的料源情况，也可以采用碎石或砂砾材料做垫层，即碎石或砂砾垫层。水平排水层施工 竖向排水体施工 从国内外的技术发展来看，竖向排水体先后主要应用过：200-500mm的普通砂井；70-120mm的袋装砂井；塑料排水板。1）普通砂井 普通砂井经常会出现不连续出现断桩或者缩颈现象不能避免；大直径的砂井使用的设备比较笨重，施工麻烦，造价高，而且从排水需要上看，不需要这么大的排水体。地基中的淤泥经常在施工时或者排水时会混入砂井中，影响排水效果。因此后来大直径的砂井用得越来越少，逐步采用小直径的袋装砂井。2）袋装砂井 袋装砂井的形状如图。它是采用土工编织布制成7-12cm（国内一般用7cm左右，日本用的12cm左右）直径的袋子，在里面填充砂子，先灌好。打设完的袋装砂井打设完的袋装砂井 小直径袋装砂井与普通大直径的砂井相比，主要有以下一些优势：由于土工布袋的存在可以基本保证排水体的连续性；由于采用了小直径，可以采用细而密的分布，那么排水距离大为缩短，加快了排水固结，同时施工设备可以实现轻型化，比较适应软弱的地基表面施工，施工速度加快、工程造价降低。3）塑料排水板 目前塑料排水板的样式如图，由板芯和滤膜组成。厂家、型号很多，我国实际工程目前采用的最多的是这种芯板截面为并联十字型而组成口琴状。塑排板截面图塑排板截面图外层过滤纤维显微结构外层过滤纤维显微结构成卷的塑料排水板成卷的塑料排水板打设完的塑料排水板打设完的塑料排水板塑料排水板加固软土地基的优点：1）滤水性好，排水畅通，排水效果有保证。2）材料有良好的强度和延展性，能适合地基变形能力而不影响排水性能（袋装砂井容易折断）。3）排水板断面尺寸小，施打排水板过程中对地基扰动小。4）可在超软弱地基上进行插板施工。5）施工快、工期短，材料可工厂化生产，造价比袋砂井低。普通砂井和塑料排水板，土扰动范围对比普通砂井和塑料排水板，土扰动范围对比将塑料带通过导管从管靴穿出；将塑料带与桩尖连接贴紧管靴并对准桩位；静压沉入导管达设计深度；拔管，塑料排水板与软土粘接锚固留在软基内；在砂垫层中预留30cm以上，剪断塑料排水板，将塑料排水板板头埋入到砂垫层中；将塑料排水板与桩尖再连接，移位重新打设。塑排板打设流程：当塑料排水板带出长度大于时将进行补打。塑料当塑料排水板带出长度大于时将进行补打。塑料排水板搭接时，搭接长度在排水板搭接时，搭接长度在20cm以上。以上。塑料排水板的打设塑料排水板的打设预压荷载的施工（1）填筑实体材料 注意控制加载速率，确保稳定。（2）真空预压荷载的施加。2、真空预压法 真空预压荷载施加，是在被加固软土表面和深度范围内完全密封抽真空特定条件下，被加固软基内外形成大气压差，并以此作为预压荷载，当设计荷载超过8090kPa时，可与堆载预压联合使用，称为“真空联合堆载预压排水固结法”。真空联合堆载预压法真空联合堆载预压法1）真空预压法施工步骤：铺设50cm厚砂砾垫层，并打设塑料排水板；在砂砾垫层中埋设主、滤管；填10cm厚细砂垫层；铺设复合土工布和密封膜；在加固区边缘挖沟、填沟、安装并连接抽气管道和射流泵；检验土工膜密封情况；土工膜上铺设20cm厚细砂层和30cm厚的粘土层,以保护密封膜；开始抽气，密切注意膜下真空度的变化，发现漏气，及时处理，当膜下真空度稳定到设计值后，连续抽气一周左右，进行上部堆载填筑。2）砂垫层的铺设垫层材料：垫层材料应采用透水性好的砂料，采用50cm厚砂砾垫层，并在其上铺设10cm细砂。垫层尺寸：垫层厚度为50cm砂砾+10cm细砂共计60cm。平面尺寸为加固区周围向外各延伸1m，以保证渗出的水能够沿砂垫层排出。垫层施工：垫层的施工方法采用机械分堆摊铺法，即先堆成若干砂堆，然后用机械摊平。施工时避免对软土表层的过大扰动，以免造成砂和淤泥混合，影响垫层的排水效果。4）真空预压的施工 抽真空系统包括主、滤管及其布置、密封膜的铺设及抽真空设备。主、滤管及其布置 主管、滤管的几种布置形式如下图所示：真空预压（已打设塑料排水板）真空预压（已打设塑料排水板）主管、滤管的几种布置形式主管、滤管的几种布置形式滤管的铺设滤管的铺设真空预压（铺设真空管）真空预压（铺设真空管）封闭膜的铺设 加工好的密封膜面积要大于加固场地面积，一般情况下，密封膜每边大于加固区相应边1m以上。为了保证整个预压过程中的密封性，塑料膜铺设了2层，每层膜铺好后进行检查和粘补破漏处。封闭膜的铺设封闭膜的铺设密封沟设计示意图密封沟设计示意图 密封沟施工密封沟施工抽真空设备的施工 抽真空设备主要包括出膜装置和真空射流泵。出膜装置是指膜下的主管与膜外的抽真空装置相联接的一种装置。真空射流泵包括离心泵、射流喷嘴和循环水箱，射流喷嘴和循环水箱由玻璃钢制成。真空预压（真空泵工作中）真空预压（真空泵工作中）、孔隙水压力观测1）利用孔隙水压力观测资料反算固结系数。2）利用孔隙水压力观测资料控制加荷速度。、沉降观测、侧向位移观测3、施工质量和预压效果。孔压计的埋设情况孔压计的埋设情况监测点埋设的密封监测点埋设的密封三、排水固结法的设计理论1、竖向排水体的设计直径和间距关于直径，目前国内使用的是袋装砂井和塑料排水板。袋装砂井普遍采用7cm的直径。塑料排水板来说，设计计算时常把其换算成圆柱体来分析，对界面宽度为b，厚度为的塑料排水带，其当量换算直径 可按下式计算：式中为换算系数，可通过实验求得。下表为提供的值。值资料来源备注0.60.9 一般0.750.7511松尾新一郎卡尔斯坦尼Hansbo等Mitchell and Katti土质加固方法手册福冈正已：最新软弱地基处理方法“Consolidation by vertical drains”第十届国际土力学及基础工程会议报告表表1 值值 设计时，可在值范围内取值。竖向排水体的深度 竖向排水体竖向排水体深度的选择和土层分布、地基中附加应力大小，建筑物对地基变形和稳定性的要求以及工期等因素有关。当软黏土层不厚时，排水井应贯穿黏土层，黏土层较厚但间有砂层或砂透镜体时，排水井应尽可能打至砂层或透镜体。当黏土层很厚又无砂透水层时可按建筑物对地基变形及稳定性要求以及排水体的施工和有效排水能力来决定，国内一般的工程控制在25-30m。排水井平面布置及影响范围土柱体剖面排水井平面布置及影响范围土柱体剖面竖向排水体的排列 竖井的平面布置方式一般为正三角形和正方形两种。在实际固结计算时，常使用等效圆直径 来简化计算，与排水间距 L 的关系如下：等边三角形排列时：正方形排列时：竖井的布置范围，一般比建筑物基础范围稍大。（2）（3）2、固结度的计算单向固结问题单向固结问题（1）太沙基理论 太沙基研究的是地基中发生固结的土层只有一层的情况，外荷载p一次瞬时施加且在固结过程中维持不变。因此，式（11）简化为：（12）此式为太沙基提出的单向固结微分方程。假设土层单面排水，则边界条件为：（13）初始条件记作：（14）经计算可得到z深度处超静水压力的消散程度即固结度 为：（15）整个土层的平均固结度U为：（16）式中，为时间因数。（2）砂井固结理论 按照砂井固结理论，当垂直排水通道打穿整个软土层时，地基在加固历时t的平均固结度按下式计算：（17）式中：、为排水固结参数，其值见表2。排水情况径向排水竖向排水竖向和径向组合三维排水理想井非理想井1表表2、值值为轴对称径向排水固结参数；为竖向排水一维固结参数；分别为地基土的竖向和水平向固结系数；为井径比因子，有下式确定：（17）N 为井径比，为塑料排水板的等值砂井直径或砂井直径，为排水圆柱的等小直径;G 为井阻因子，有下面俩式确定：当垂直排水通道未打穿软土层时，可按下式计算地层的平均固结度：附加应力附加应力分布线分布线水平砂水平砂垫层垫层砂砂井井荷荷载载式中：为在t时刻土层的平均固结度；为垂直排水通道打入深度范围内的平均固结度，按式（16）和表2来计算；为垂直排水通道打入深度以下土层的平均固结度，按竖向排水计算；为打入深度比，。当线性加载时，平均固结度按下式计算 当逐级加载时，平均固结度按下式计算 式中：时刻多级荷载等速加荷修正后的地基平均固结度；第i级荷载的加载速率；各级荷载的累计值；分别为第i级荷载加载的起始时间和终止时间（从零点起算），当计算第i级荷载加载过程中某时间t的固结度时，Ti改为t；参数，根据地基土排水固结条件按下表采用。对竖井地基，表中所 列为不考虑涂抹和井阻影响的参数值。不同排水条件下不同排水条件下、的理的理论值论值 排水固结条件参数竖向排水固结()向内径向排水固结竖向和向内径向排水固结（竖井穿透受压土层）备注1Ch土的径向排水固结系数（cm2/s）Cv土的竖向排水固结系数（cm2/s）双面排水土层或固结应力均不分布的单面排水土层平均固结度H 土层竖向排水距离（cm）。4、强度增长估计（1）真空排水固结法的强度增长特征 真空排水预压法是在预压地基内总应力不变的条件下，使土中的孔隙水压力减小，有效应力增加的方法。与堆载排水预压法的不同之处在于：形成有效应力的路径不同。真空排水预压法的强度增长的特征：1）真空排水预压法的强度增长是在等向固结过程中实现的；2）真空排水预压法加固地基时地基土中不会产生剪切蠕动现象。图11说明了具有相同的垂直有效盈利增量时，两种不排水强度增长的差异。两种不同加固方式强度的增长两种不同加固方式强度的增长 用堆载排水预压法加固时，地基中某一时刻的抗剪强度 ，在考虑了由于剪切而引起的强度衰减后表示为：（18）式中：为天然地基抗剪强度；为由固结而引起的抗剪强度的增长量；为考虑剪切变形及其它因素对强度的影响的一个综合性折减系数。其中由固结引起的强度增量 的计算方法很多，主要有以下两种：第一种方法有效应力法：（19）将式（19）代入式（18）得：（20）第二种方法有效固结压力法：（21）将（21）式代入（18）得：（22）（2）真空排水预压法的强度增长的计算 真空排水固结法的强度增长可用有效应力法或有效固结压力法计算，即可分别用式（19）或式（21）来计算任意时间t的强度增长 。对于t时刻的抗剪强度可分别用式（20）或式（22）来计算。在用有效固结压力法计算时，取相应深度垂直排水通道中的真空度，为相应土层达到的固结度，为相应土层的固结快剪内摩擦角。对综合影响系数 可在（）之间选取。5、沉降计算 用排水预压法加固软土地基，在土体中发生的沉降量主要是固结沉降，而初始沉降和次固结沉降有时也占最终沉降量相当的比例，各沉降量的计算按照土力学课本介绍的方法进行计算，在这里不再赘述。五、总结和展望1、总结 本文对排水预压的加固软基的机理进行了的研究。对排水预压的施工过程、施工工艺、质量控制、注意事项作了详细地介绍。对加固方法的设计计算理论作了总结。2、展望 目前，排水固结法仍有许多有待完善的地方，主要有以下几个方面：(1)在真空度的传递规律方面仍有许多未知的东西，目前无论是室内试验模拟，还是现场实测都缺乏行之有效的手段。(2)真空预压过程中，真空状态下的地下水位变化情况有待试验和研究。(3)如何选择通水性能好、利于真空度传递的竖向排水体，在大规模推广应用之前需要进行深入研究。(4)在大规模推广应用之前，研究采用真空堆载联合预压方法加固软基时，如何防治对周围结构物的影响问题是必要的。谢谢！谢谢！