排水固結(jié)法加固原理是什么？

欄目:工程預(yù)算時(shí)間:2020-09-04

一、排水系統(tǒng)加固機(jī)理

根據(jù)太沙基固結(jié)理論

固結(jié)時(shí)間與排水距離的平方成正比，縮短排水距離可大大縮短固結(jié)時(shí)間。

在地基中設(shè)置砂墊層及砂井等的目的就是為了增加排水途徑，縮短排水距離，從而加快軟弱土層的排水固結(jié)。

（一）瞬間加荷條件下固結(jié)度計(jì)算

對(duì)于在土層內(nèi)設(shè)置了砂井等豎向排水體的地基，它在荷載作用下，地基的固結(jié)屬于三維固結(jié)中的軸對(duì)稱問(wèn)題。求解地基的固結(jié)度時(shí)，先分別求解在指定時(shí)間內(nèi)地基垂直向固結(jié)度和水平向固結(jié)度，然后加以綜合得出地基的總固結(jié)度。

1、豎向平均固結(jié)度Uz可按太沙基固結(jié)理論計(jì)算。

如果考慮逐級(jí)加荷，則時(shí)間t從加荷歷時(shí)的一半起算。

2、根據(jù)Barron的解法計(jì)算徑向平均固結(jié)度Ur

式中 TH ——水平向固結(jié)時(shí)間因數(shù)，

CH ——水平固結(jié)系數(shù)，

KH ——水平滲透系數(shù)(cm/s)

F——與n有關(guān)的系數(shù)，

n——井徑比，n =de/dw ，一般取為4～12。

3.砂井的平均固結(jié)度為

4.影響砂井固結(jié)度的因素

（1）若軟粘土層較厚，砂井未能打穿軟土層，應(yīng)考慮其對(duì)固結(jié)度的影響；

（2）砂井中的砂料對(duì)滲流有阻力，會(huì)產(chǎn)生水頭損失，應(yīng)考慮井阻作用。

（3）采用機(jī)械施工方式，會(huì)對(duì)周圍土產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)井壁產(chǎn)生涂抹作用而降低徑向滲透性。

（二）逐漸加荷條件下地基固結(jié)度的計(jì)算

式中 qi—— 第i級(jí)荷載的加荷速率；

∑△p——各級(jí)荷載的累加值；

Ti-1、Ti——分別為第i級(jí)荷載加載的起始和終止時(shí)間（從零點(diǎn)起算），當(dāng)計(jì)算第i級(jí)荷載等速加荷過(guò)程中時(shí)間t的固結(jié)度時(shí)，則Ti改用t。

二、加壓系統(tǒng)

（一）堆載預(yù)壓加固機(jī)理

堆載預(yù)壓法是在建筑物施工前，在地基表面分級(jí)堆土或加其它荷重，使地基土壓密、沉降、固結(jié)，待達(dá)到預(yù)定的強(qiáng)度變形標(biāo)準(zhǔn)后再卸載，建造建（構(gòu)）筑物。從而提高地基強(qiáng)度和減少建筑物建成后的沉降量。

加固機(jī)理1——減小地基工后沉降：

初次加載曲線，在外加荷載△σ′＝σ1′－σ0′作用下，土樣孔隙比減小了△e；卸荷再壓縮之后，孔隙比減小量為△e′，遠(yuǎn)小于△e，表明大部分壓縮變形（ △e－ △e′）都在預(yù)先施壓過(guò)程中消除了。

加固機(jī)理2——提高土體強(qiáng)度：

預(yù)壓后，土體處于超固結(jié)狀態(tài)，其抗剪強(qiáng)度要比處于正常固結(jié)狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度高。

1、堆載方式

堆載預(yù)壓處理地基有兩種方法。

（1）等載預(yù)壓：預(yù)壓荷載與永久荷載相等。

此時(shí)，地基的最終沉降量由兩部分組成：

式中 st——預(yù)壓期所產(chǎn)生的沉降或被消除的沉降；

sr——殘留沉降。

實(shí)踐證明，預(yù)壓的效果與預(yù)壓時(shí)間有關(guān)，時(shí)間越長(zhǎng)，消除的沉降st越大，殘留沉降sr越小。因此，預(yù)壓時(shí)間取決于永久荷載對(duì)殘留沉降的要求而定。

（2）超載預(yù)壓：預(yù)壓荷載大于永久荷載的情況。

采用超載預(yù)壓處理軟弱地基，其處理效果更好。

原因：

（1）經(jīng)過(guò)超載預(yù)壓后，當(dāng)土層所受過(guò)的固結(jié)壓力大于使用荷載下的固結(jié)壓力時(shí)，原來(lái)的正常固結(jié)粘土層將處于超固結(jié)狀態(tài)，其壓縮性將進(jìn)一步降低；

（2）采用超載預(yù)壓還可以達(dá)到消除殘留沉降和次固結(jié)沉降的目的，使sr=0，即在使用期幾乎沒(méi)有沉降發(fā)生。

堆載預(yù)壓時(shí)，是通過(guò)增加地基中的總應(yīng)力σ，并使孔隙水壓力u消散來(lái)增加有效應(yīng)力σ′的，地基中孔隙水的排出使由于形成了超孔隙水壓力使得水得以排出，地基產(chǎn)生固結(jié)，因而稱為正固結(jié)。

2.地基土抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)值的預(yù)估

當(dāng)軟弱地基天然強(qiáng)度較低時(shí)，必須限制加載速率以利用前期荷載使地基排水固結(jié)，提高強(qiáng)度來(lái)適應(yīng)下一級(jí)加載，避免由于荷載過(guò)大地基強(qiáng)度不足引起地基土失穩(wěn)。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要預(yù)測(cè)抗剪強(qiáng)度在加載過(guò)程中的增長(zhǎng)情況，以便合理確定預(yù)壓加載速率。

地基中某一點(diǎn)在某時(shí)刻的抗剪強(qiáng)度τf可表示為：

式中 τf0——地基中某點(diǎn)在加荷之前的天然地基抗剪強(qiáng)度。用十字板或無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸不排水剪切試驗(yàn)測(cè)定；

△τfc——由于排水固結(jié)而增長(zhǎng)的抗剪強(qiáng)度；

△τfτ——由于剪切蠕動(dòng)而引起的抗剪強(qiáng)度衰減量。

由于剪切蠕動(dòng)所引起的強(qiáng)度衰減部分目前尚未提出合適的計(jì)算公式，因此實(shí)用上地基的抗剪強(qiáng)度可用下式計(jì)算：

式中 η——考慮剪切蠕變及其它因素對(duì)強(qiáng)度影響的一個(gè)綜合性折減系數(shù)，可取0.9～0.95，若判斷地基土沒(méi)有強(qiáng)度衰減可能時(shí)，則η＝1.0。

強(qiáng)度增量△τfc的計(jì)算方法目前常用有以下兩種：

（1）有效應(yīng)力法

由于

故

（2）有效固結(jié)壓力法

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》推薦采用此方法。其計(jì)算式為：

式中 △σz——預(yù)壓荷載引起的該點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力。

排水固結(jié)的設(shè)計(jì)理論著重于：

（1）逐漸加載條件下固結(jié)度的修正計(jì)算；

（2）地基強(qiáng)度增長(zhǎng)的預(yù)計(jì)和與其相應(yīng)的穩(wěn)定性分析方法；

（3）最終沉降量與沉降隨時(shí)間發(fā)展的推算以及根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料反算土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)等。

（二）真空預(yù)壓加固機(jī)理

真空預(yù)壓法是以大氣壓力作為預(yù)壓荷載。先在需加固的軟土地基表面鋪設(shè)一層透水砂墊層，再在其上覆蓋數(shù)層不透氣的塑料薄膜或橡膠布，四周密封，與大氣隔絕。在砂墊層內(nèi)埋設(shè)排水管道，然后與真空泵連通，進(jìn)行抽氣，使透水材料保持較高的真空度，在土體孔隙水中產(chǎn)生負(fù)的孔隙水應(yīng)力，將土中孔隙水和空氣逐漸吸出，從而使土體固結(jié)。

1、加固機(jī)理

真空預(yù)壓法的加固機(jī)理主要反映在下面三個(gè)方面：

（1）土中水排出：真空預(yù)壓在抽氣前，薄膜內(nèi)外均承受一個(gè)大氣壓pa的作用，抽氣后薄膜內(nèi)形成一個(gè)壓力差：首先使砂墊層，其次是砂井中的氣壓降到pv，使薄膜緊貼砂墊層，這個(gè)壓差稱之為“真空度”。

砂墊層中形成的真空度，通過(guò)垂直排水通道逐漸向下延伸，同時(shí)，真空度又由垂直排水通道向其四周的土體傳遞與擴(kuò)散，引起土中孔隙水壓力降低，形成負(fù)的超靜孔隙水壓力。從而使土體孔隙中的氣和水由土體向垂直排水通道發(fā)生滲流，最后由垂直排水通道匯至地表砂墊層中被泵抽出。

（2）有效應(yīng)力增加：地下水在上升的同時(shí)，形成排水體附近的真空負(fù)壓，使土體內(nèi)的孔隙水壓形成壓差，促使土中的孔隙水壓力不斷下降，地基有效應(yīng)力不斷增加，從而使土體固結(jié)；同時(shí)抽氣后土體中水位降落，也會(huì)增加有效應(yīng)力。

（3）封閉氣泡排出，土的滲透性加大：當(dāng)飽和土體中含有少量封閉氣泡時(shí)，在正壓作用下，封閉氣泡會(huì)堵塞孔隙，使土的滲透性降低，固結(jié)過(guò)程減慢。但在真空吸力下，封閉氣泡被吸出，從而使土體滲透性提高，固結(jié)加快。

土體和砂井間的壓差，開(kāi)始時(shí)為（pa－pv），隨著抽氣時(shí)間的增長(zhǎng)，壓差逐漸變小，最終趨向于零，此時(shí)滲流停止，土體固結(jié)完成。所以真空預(yù)壓過(guò)程，實(shí)質(zhì)是利用大氣壓差作為預(yù)壓荷載，使土體逐漸排水固結(jié)的過(guò)程。

真空預(yù)壓是在總應(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，這種方法和降水預(yù)壓一樣都是在負(fù)超孔隙水壓力下排水固結(jié)，因而稱為負(fù)壓固結(jié)。

真空預(yù)壓法能取得相當(dāng)于78～92kPa的等效荷載堆載預(yù)壓法的效果。

2、堆載預(yù)壓與真空預(yù)壓在加固機(jī)理方面區(qū)別

堆載預(yù)壓法，土體中的總應(yīng)力是增加的，真空預(yù)壓，總應(yīng)力保持不變；

堆載預(yù)壓法中，土體孔隙中形成的孔隙水壓力增量是正值，即超靜水壓力是正值；真空預(yù)壓法中，土體孔隙中形成的孔隙水壓力增量是負(fù)值。

堆載預(yù)壓法中，土體有效應(yīng)力的增長(zhǎng)是通過(guò)正的超靜孔隙水壓力的消散來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而真空預(yù)壓法中，土體有效應(yīng)力的增長(zhǎng)是靠負(fù)的超靜孔隙水壓力的形成來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

堆載預(yù)壓法中，土體加固后形成的有效應(yīng)力與上部施加的荷載大小有關(guān)，并且在垂直向和水平向上大小一般是不同的；真空預(yù)壓法中土體有效應(yīng)力的增加具有最大值，理論上最大為一個(gè)大氣壓，一般都低于此值，由于有效應(yīng)力的增加依賴于孔隙水壓力的降低來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，土體加固過(guò)程中有效應(yīng)力增加值在垂直、水平及其他各方向上是相同的。

3、真空預(yù)壓法的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

（1）不需要大量堆載，可省去加載和卸載工序，節(jié)省大量材料、能源和運(yùn)輸能力，縮短預(yù)壓時(shí)間；

（2）真空法所產(chǎn)生的負(fù)壓使地基土的孔隙水加速排出，可縮短固結(jié)時(shí)間；同時(shí)由于孔隙水排出，滲流速度增大，地下水位降低，由滲流力和降低水位引起的附加應(yīng)力也隨之增大，提高了加固效果；負(fù)壓可通過(guò)管路傳到任何場(chǎng)地，適應(yīng)性強(qiáng)；

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（3）孔隙滲流水的流向及滲流力引起的附加應(yīng)力均指向被加固土體，周圍土體向預(yù)壓區(qū)移動(dòng)使整個(gè)加固地基呈收縮的趨勢(shì)；

（4）適用于超軟粘土以及邊坡、碼頭等地基穩(wěn)定性要求較高的工程地基加固，土愈軟，加固效果愈明顯；

（5）真空預(yù)壓加固地基影響范圍廣而深；

（6）無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、無(wú)污染，可做到文明施工。

缺點(diǎn)：工序復(fù)雜，工程費(fèi)用較高，預(yù)壓效果受到一定局限，預(yù)壓區(qū)周邊效果相對(duì)較差，同時(shí)由于真空抽水最大高度為10m，因而當(dāng)淤泥層厚度小于8m時(shí)預(yù)壓效果較好，厚度超過(guò)8m則有所減弱，厚度越大越明顯。

4、真空預(yù)壓法適用范圍

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）負(fù)壓邊界條件的飽和均質(zhì)粘性土及含薄層砂夾層的粘性土，特別適于新吹填土、超軟粘土地基的加固。