一,、排水系統(tǒng)加固機理

根據(jù)太沙基固結(jié)理論

固結(jié)時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)度計算

對于在土層內(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)中的軸對稱問題,。求解地基的固結(jié)度時,，先分別求解在指定時間內(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)理論計算。

如果考慮逐級加荷,，則時間t從加荷歷時的一半起算,。

2、根據(jù)Barron的解法計算徑向平均固結(jié)度Ur

式中 TH ——水平向固結(jié)時間因數(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)考慮其對固結(jié)度的影響；

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

（3）采用機械施工方式,，會對周圍土產(chǎn)生擾動,，對井壁產(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)度的計算

式中 qi—— 第i級荷載的加荷速率,；

∑△p——各級荷載的累加值,；

Ti-1、Ti——分別為第i級荷載加載的起始和終止時間（從零點起算）,，當計算第i級荷載等速加荷過程中時間t的固結(jié)度時,，則Ti改用t,。

二、加壓系統(tǒng)

（一）堆載預(yù)壓加固機理

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

加固機理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′,，遠小于△e，表明大部分壓縮變形（ △e－ △e′）都在預(yù)先施壓過程中消除了,。

加固機理2——提高土體強度：

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

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,，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,。

實踐證明,，預(yù)壓的效果與預(yù)壓時間有關(guān)，時間越長,，消除的沉降st越大,，殘留沉降sr越小。因此,，預(yù)壓時間取決于永久荷載對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)過超載預(yù)壓后，當土層所受過的固結(jié)壓力大于使用荷載下的固結(jié)壓力時,，原來的正常固結(jié)粘土層將處于超固結(jié)狀態(tài),，其壓縮性將進一步降低,；

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

堆載預(yù)壓時，是通過增加地基中的總應(yīng)力σ,，并使孔隙水壓力u消散來增加有效應(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.地基土抗剪強度增長值的預(yù)估

當軟弱地基天然強度較低時，必須限制加載速率以利用前期荷載使地基排水固結(jié),，提高強度來適應(yīng)下一級加載,，避免由于荷載過大地基強度不足引起地基土失穩(wěn)。因此,，在進行設(shè)計時,，需要預(yù)測抗剪強度在加載過程中的增長情況，以便合理確定預(yù)壓加載速率,。

地基中某一點在某時刻的抗剪強度τf可表示為：

式中 τf0——地基中某點在加荷之前的天然地基抗剪強度,。用十字板或無側(cè)限抗壓強度試驗、三軸不排水剪切試驗測定,；

△τfc——由于排水固結(jié)而增長的抗剪強度,；

△τfτ——由于剪切蠕動而引起的抗剪強度衰減量。

由于剪切蠕動所引起的強度衰減部分目前尚未提出合適的計算公式,，因此實用上地基的抗剪強度可用下式計算：

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

強度增量△τfc的計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。其計算式為：

式中 △σz——預(yù)壓荷載引起的該點的豎向附加應(yīng)力,。

排水固結(jié)的設(shè)計理論著重于：

（1）逐漸加載條件下固結(jié)度的修正計算,；

（2）地基強度增長的預(yù)計和與其相應(yīng)的穩(wěn)定性分析方法；

（3）最終沉降量與沉降隨時間發(fā)展的推算以及根據(jù)現(xiàn)場觀測資料反算土的力學性質(zhì)指標等,。

（二）真空預(yù)壓加固機理

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,、加固機理

真空預(yù)壓法的加固機理主要反映在下面三個方面：

（1）土中水排出：真空預(yù)壓在抽氣前,，薄膜內(nèi)外均承受一個大氣壓pa的作用，抽氣后薄膜內(nèi)形成一個壓力差：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，這個壓差稱之為“真空度”,。

砂墊層中形成的真空度，通過垂直排水通道逐漸向下延伸,，同時,，真空度又由垂直排水通道向其四周的土體傳遞與擴散，引起土中孔隙水壓力降低,，形成負的超靜孔隙水壓力,。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,，形成排水體附近的真空負壓，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),；同時抽氣后土體中水位降落,，也會增加有效應(yīng)力。

（3）封閉氣泡排出,，土的滲透性加大：當飽和土體中含有少量封閉氣泡時,，在正壓作用下，封閉氣泡會堵塞孔隙,，使土的滲透性降低,，固結(jié)過程減慢。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,，開始時為（pa－pv）,，隨著抽氣時間的增長，壓差逐漸變小,，最終趨向于零,，此時滲流停止，土體固結(jié)完成,。所以真空預(yù)壓過程,，實質(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)的過程,。

真空預(yù)壓是在總應(yīng)力不變的情況下,，通過減小孔隙水壓力來增加有效應(yīng)力的，這種方法和降水預(yù)壓一樣都是在負超孔隙水壓力下排水固結(jié),，因而稱為負壓固結(jié),。

真空預(yù)壓法能取得相當于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值,。

堆載預(yù)壓法中,，土體有效應(yīng)力的增長是通過正的超靜孔隙水壓力的消散來實現(xiàn)的，而真空預(yù)壓法中,，土體有效應(yīng)力的增長是靠負的超靜孔隙水壓力的形成來實現(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實現(xiàn)。所以,，土體加固過程中有效應(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)點及缺點

（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、能源和運輸能力,，縮短預(yù)壓時間,；

（2）真空法所產(chǎn)生的負壓使地基土的孔隙水加速排出，可縮短固結(jié)時間,；同時由于孔隙水排出,，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；負壓可通過管路傳到任何場地,，適應(yīng)性強,；

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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)移動使整個加固地基呈收縮的趨勢,；

（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）無噪聲,、無振動、無污染,，可做到文明施工,。

缺點：工序復(fù)雜，工程費用較高,，預(yù)壓效果受到一定局限,，預(yù)壓區(qū)周邊效果相對較差，同時由于真空抽水最大高度為10m,，因而當淤泥層厚度小于8m時預(yù)壓效果較好,，厚度超過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,。

但不適用于表層存在良好透氣層或在加固范圍內(nèi)有較厚透水層并有充足水源補給的地基。

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