地基排水固结法工艺

第四章排水固结法

第一节概述

我国沿海地区和内陆湖泊和河流谷地分布着大量软弱粘性土。这种土的特点含水量大、压缩性高、强度低、透水性差、很多情况埋藏较深。在软土地基上直接建造建筑物或进行填土时，地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和沉降差异，而且沉降的延续时间长，因此有可能影响建筑物的正常使用。另外，由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求而产生地基土破坏。所以这类软土地通常需要采取加固处理，排水固结法就是处理软粘土地基的有效方法之一。

排水固结法是对天然地基，或先在地基设置沙井（袋装沙井或塑料排水带）等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或在建筑物建造前在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降时，同时强度逐渐提高的方法。该法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时，可增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力和稳定性。

排水固结法是由排水系统和加压系统两个主要部分组成。

加压系统，是为地基提供必要的固压力而设置的，它是地基土层因产生附加压力而发生排水固结。设置排水系统则是为了改善地基原有的天然排水系统的边界条件，增加孔隙水排出路径，缩短排水距离，从而加速地基土的排水固结进程。如果没有加压系统，排水固结就没有动力，既不能形成超静水压力，即使有良好的排水系统，孔隙水仍然难以排出，也就谈不上土层的固结。反之，若没有排水系统，土层排水途径少，排水距离长，即使有加压系统，孔隙水排出速度仍然慢，预压期间难以完成设计要求的固结沉降量，地基强度也就难以及时提高，进一步的加载也就无法顺利进行。因此，加压和排水系统是相互配合、相互影响的。当软土层较薄，或土的渗透性较好而施工期允许较长时，可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层，然后加载，土层中水沿竖向流入砂垫层而排出。当工程遇到透水性很差的深厚软土层时，可在地基中设置砂井等竖向排水体，地面连以排水砂垫层，构成排水系统。

根据加压和排水两个系统的不同，派生出多种固结加固地基的方法，如图4.1.1所示。

排水固结法是从简单的堆载预压这一传统处理方法发展起来的。由于细粒粘性土透水差，土层厚时，排水固结需耗费很长时间。20世纪30年代初，美国发明了砂井预载预压法，从而大大加快了粘性土排水固结速度。该法在全世界得到广泛应用。20世纪40年代初，瑞典的齐鲁曼等人发明了纸板排水法。这种方法可用于极软弱地基中设置竖向排水体。不仅排水体质量稳定，而且施工速度快、费用低。弥补了砂井排水的一些不足。1952年，瑞典皇家地质学院的研究人员提出了真空预压法加固软弱地基技术。该法无需堆载，利用

对载预压法

加载法超载预压法

建筑自重分级加载法

加压系统真空预压

降水预压

电渗法

排水固法联合法

普通砂井

竖向排水体袋装砂井

排水系统塑料排水板

其它（如柔性排水管等）

水平排水体——砂垫层

图4·1·1

大气压力和空隙中负压加速排水固结，有一定的优越性。20世纪60年代末，日本的研究者改进了普通砂井，开发出质量更容易保证、直径大大缩小，施工更加方便、快捷的袋装砂井排水。20世纪70年代初期，日本有开发出渗透性良好、便于施工、质量更加稳定的塑料排水带，进一步完善和提高了竖向排水体施工技术。由此，可以清楚地看出，排水固结的各种方法都是在改进加压和排水两个系统基础上发展起来的。

排水固结法可和其他地基处理方法结合起来使用，作为综合处理地基的手段。如天津新港曾进行了真空预压（使地基土强度提高）在设置碎石桩使形成复合地基的试验，取得良好效果。又如美国跨越金山湾南端的Dumbarton桥东侧引道路堤场地，路堤下淤泥的抗剪强度小于5kpa，其固时间将需要30—40年，为了支撑路堤和加速所预计的2m沉降量,采用如下方案：1、采用土工聚合物以分布路堤荷载和减小不均匀沉降；2、使用轻质填料以减轻荷载；3、采用竖向排水体使固结时缩短到一年以内；4、设置土工聚合物滤网以防排水层发生污染等。

第二节排水固结法原理

在饱和软土地基中施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减小，地基发生固结变形。同时，随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度就逐渐增长，

(a)竖向排水情况 (b)砂井地基排水情况

几年至十几年之久。为了加速固结，最有效的方法是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离，在天然地基中设置排水体，如图4·2·2(b)所示。这是土层中的孔隙水主要从平向通过砂井和部分丛竖向排出。所以砂井（袋装砂井或塑料排水带）的作用就是增加排水条件，缩短排水距离，加速地基土的固结、抗剪强度的增长和沉降的发展。为此，缩短了预压工程的预压期，在短期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成；加速地基土的强度增长，使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载增长的速率，以保证地基的稳定性，这一点无论从理论和实践上都得到了证实。

排水固结法的应用条件，除了要有砂井（袋装砂井或塑料排水带）的施工机械和材料外，还必须有：1.预压荷载；2.预压时间；3.使用的土类条件。预压荷载是个关键问题，因为施加预压荷载后才能引起地基土的排水固结。然而施加一个与建筑物相等的荷载，这并非轻而易举的事，少则几千吨，大则数十万吨，许多工程因无条件施加预压荷载而不宜采用砂井处理地基，这时就必须采用真空预压法、降水预压法或电渗排水等等。堆载预压是在地基中形成超静水压力的条件下排水固结，称为正压固结；真空预压和降水预压是在负超静压力下排水固结，称为负压固结，其加固原理是类似的。

排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。砂井只能加速主固结而不能减少次固结，对有机质土和泥炭等次固结土，不宜采用砂井法。降低地下水位法、真空预压法和电渗法由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，所以它是用于很软弱的粘土地基。

（1）每个砂井的有效影响范围为一圆柱体；

（2）砂井地基表面受连续均不荷载作用下，地基中的附加应力分布不随深度而变化，故地基土仅产生竖向的压密变形；

（3）荷载是一次施加上去的，加荷开始时，外荷载全部由孔隙水压力负担；

（4）在整个压密过程中，地基土的渗透系数保持不变；

（5）井壁土面受砂井施工所引起的涂抹作用（可使渗透性发生变化）的影响不计。

井阻作用。当采用挤土的方式施工时，尚应考虑土的涂抹和扰动影响后，按上式计算的砂井地基平均固结度应乘以折减系数，其值通常可取0.80～0.95。砂径长径比越大，井料渗透系数越小，以及施工产生的涂抹和扰动影响越大时，折减系数取值应越小，反之，折减系数取值可适当增大。

目前常用的预压抗剪强度增长的方法有效应力法和有效固结压力法。

1、有效应力法

2、有效固结压力法

（三）沉降量计算

沉降计算的目的有以下两点：

（1）对于以稳定控制的工程，如堤坝等，通过沉降计算可预估施工期间由于基底沉降而需要增加的土方量，还可估计工程竣工后尚未完成的沉降量，作为堤坝预留沉降高度及路堤顶面加宽依据。

（2）对于以沉降控制的建筑物，沉降计算的目的在于估算所需预压时间和各时期沉降量的发展情况，以调整排水系统和预压系统间的关系，提出施工阶段的设计。

地基土的总沉降量一般包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。瞬时沉降时在荷载作用下由于土的畸变（这时土的体积不变，即u=0.5）所引起，并在荷载作用下立即发生的。这部分变形是不可忽略的，这一点正是逐渐被人们所认识的。固结沉降是由孔隙水的排出而引起土体积减小造成的，占总沉降量的主要部分。而次固结沉降则是由于超静水压力消散后，在恒值有效应力作用下土骨架的徐变所至。次固结的大小与土的性质有关。泥炭土、有机质土或高塑性粘性土土层，次固结沉降占很可观的部分，而其他土则所占比例不大。次固结沉降目前还不容易计算，若忽略次固结沉降则最终沉降S 可按下式计算：

二、排水固结设计

设计前，通过勘察查明土层在水平方向和竖直方向的分布变化，透水层的位置及水源补给条件等。应通过土工试验确定土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、三轴试验抗剪强度以及原位十字板抗剪强度等。对重要的工程，应在现场先进行预压试验，测定竖向变形、侧向移位、孔隙水压力等数据。根据试验所获资料分析地基处理效果。

排水固结法的设计，实质上在于根据上部结构荷载的大小，地基土的性质及工期要求，合理安排排水系统和加压系统的关系，确定竖向排水体的直径、间距、深度和排列方式，确定预压荷载的大小和预压时间，要求做到：○1加固期限尽量短；○2固结沉降要快；○3充分增加强度；○4注意安全。

（一）加压系统设计

目前采用的加压方法包括：堆载法、利用建筑物自重法、降水法、真空法以及联合法等。这些方法各具特色，适用范围亦有差别，下面依次介绍其设计方法。

1、堆载预压法

堆载预压是在建筑施工前通过临时堆填土、砂、石、砖等散料对地基加载预压，使地基土的沉降大部分或分基本完成，并因固结而提高地基承载力，然后除去堆载，再行建筑施工的一种处理方法。该法适用于各种软粘土地基。

（2）超载预压

对沉降有严格限制的建筑，应采取超载预压法处理地基。经超载预压后，如受压土层各点的有效竖向应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加总应力时，则今后在建筑物荷载作用下地基土将不会再发生主固结变形，而且将减小次结变形，并推迟次固结变形的发生。

对有机质粘土、泥炭土等，其次固结沉降是重要的，采用超载预压法对减小永久荷载下的次固结沉降有一定效果。计算原则是把p f作用下的总沉降看成为主固结沉降和次固结沉降之和。

2、真空预压法

真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设竖向排水体，竖向排水体常采用袋装砂井、或塑料排水带。再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空，使土中水排出，增加地基的有效应力.

○1由于膜内真空度使膜内外形成大气压力差，该压差成为作用与地基的预压荷载。由于土体与砂垫层和砂井间的压差，发生渗流，使土中的孔隙水压力不断降低，有效应力不

断增加，从而促使土体固结。真空预压法加固地基的原理使土体在压差（p

a -p

v

）作用下固

结，p

a 为大气压力下，p

v

为砂垫层气压。

○2地下水位降低，相应增加附加应力。抽气前，地下水位离地面H

1

，抽气后土体中水

位降至H

2，亦即下降H

1

-H

2

，在此范围内的土体便从浮重度变为湿重度，此时土骨架增加了

大约水高H

1-H

2

的固定压力。

○3封闭气泡排出，土的渗透性加大。如饱和土体中含有少量封闭气泡，在正压作用下，该气泡堵塞孔隙，使土的渗透性降低，固结过程减慢。但再真空吸力下，封闭气泡被吸出，从而使土体的渗透性提高，固结过程加速。

（2）真空预压的设计

设计内容除排水系统外，主要包括：密封内的真空度，加固土层要求达到的平均固结度，竖向排水体的尺寸，加固后的沉降和工艺设计等。

○1膜内真空度。真空预压效果和封闭膜内所达到的真空度大小关系极大。根据国内一些工程的经验，当采用合理的工艺和设备，膜内真空度一般可维持600mmHg左右，相当于80kpa的真空压力，。此值可作为最大膜内设计真空度。

○2加固区内要求达到平均固结度。一般可采用80%的固结度。如工期许可，也可采用更大一些的固结度作为设计要求达到的固结度。

○3竖向排水体。一般采用袋装砂井或塑料排水带。真空预压处理地基时，必须设置竖向排水体，由于砂井（袋装砂井或塑料排水带）能将真空度从砂垫层中传至土体，并将土体中的水抽至砂垫层然后排出。若不设置砂井等就起不到上述的作用和加固目的。

抽真空的时间与土质条件和竖向排水体的间距密切有关。达到相同的固结度，间距越小，则所需的时间越短，

。

3、降低地下水位预压法

降低地下水位法是指利用井点抽水降低地下水位以增加土的自重应力，达到预压加固的目的。降低地下水位能使土的性质得到改善，使地基发生附加沉降。降低地基中的地下水位，使地基中的软土承受了相当于水位下降高度水柱的重量而固结。这种增加有效应力的方法.

降低地下水位法最适用于砂性土或在软粘土层中存在砂或粉土的情况。对于深度的软粘土层，为加速其固结，往往设置砂井并采用井点法降低地下水位。当应用真空装置降水时，地下水位约可降低5～6m，产生的预压荷载为50～60kpa，相当于3m左右的砂石堆载，可见其效果是很可观的。若需要更深的降水时，则需要用高扬程的井点法。效果将更显著。

降低地下水的方法有多种，在选用降低水位方法时，还要根据多种因素如地基土类型、透水层位置、厚度、水的补给源、井点布置形状、要求降低水位的深度和工程特点，进行技术经济比较后确定，各类井点的适用范围见表4·3·11。

4、利用建筑物自重加压法

该法是指直接利用建筑物自身重量，分期施工，使地基在前期荷载下固结，强度提高到满足下一级荷载在继续施工，如此反复，直至建筑物竣工，达到使用荷载。由于在施工过程中，地基逐渐发生固结沉降，至建筑物投入使用时沉降大部分完成。该法由于不需要另外的加载系统，是一种经济有效的方法。

该法适用于某些对沉降要求不严格（能够适应较大变形），而以地基稳定性为控制条件的建筑物，如路堤、土坝、油罐等。

路堤、土坝类建筑物由于填土层厚度大、荷载大、虽对沉降变形无严格限制，但对软土地基强度往往不能满足快速填筑的要求。因此，工程施工中必须严格控制加荷速率，采取分层填筑方法，以确保地基的稳定。

而油罐、贮水池类建筑物工作荷载大（可达200kPa），天然地基承载力往往达不到要求。这类建筑物使用前，必须先进行分级冲水预压加固，以提高地基土的强度，满足地基稳定性要求。

利用建筑物自重分级加载设计与堆载预压法原理相同，不再赘述。

（二）排水系统设计

排水系统包括水平排水体（砂垫层）和竖向排水体（砂井、袋装砂井和塑料排水带）两部分。利用排水固结法处理地基必须在地表铺设砂垫层形成水平排水体。但竖向排水体却并非必不可少。若软土层厚度不大或软土层含较多薄粉砂夹层，预计依靠地基中的天然排水通道固结速率能够满足设计要求的条件下，可以不设置竖向排水体，以简化施工，节省费用。

1、水平排水体

水平排水体即砂垫层，其作用是保证地基固结过程中排出的水能够顺利地通过砂垫层后迅速排出，使受压土层的固结能够正常进行，以利提高地基处理效果，缩短固结时间。因此，水平排水垫层的质量对排水固结处理的效果有着重要的影响。

在预压区内宜设置与砂垫层相连的排水盲沟，并把地基中排出的水引出预压场地。

2、竖向排水体

软粘土中孔隙非常细小，渗透系数大约比砂要小5～6个数量级，因此孔隙水排出速度

极低。对厚度大的粘土层采用排水固结处理时，如不改善粘土层排水条件，地基固结将十分缓慢。这就需要在地基中设置竖向排水体，以缩短排水距离，增加排水通道，加速排水固结。

目前应用最多的竖向排水体有普通砂井、袋装砂井和塑料排水带三种。

（1）普通砂井

利用土中的砂井作为排水通道，缩短孔隙水排出的途径，在砂井顶部设置砂垫层，砂垫层上部压载以增加土中附加应力。附加应力产生超静水压力将水排出土体，是软土提前固结以增加地基土强度.

砂井深度、直径、间距、排列方式和砂井材料等。这些参数的选择一般要求满足在不太长的预压时间里，使地基的固结度达到80%以上。

○1砂井深度

砂井深度应根据建筑物对地基的稳定和变形要求确定的。对地表滑动稳定性控制的工程，砂井深度至少应超过最危险的滑动面2m。对以沉降控制的建筑物，如果压缩土层的厚度不大，砂井宜贯穿压缩土层，对深厚的压缩土层，砂井深度根据在限定的预压时间内应消除的变形量确定。若施工设备条件达不到设计深度，则可以采取其他途径来满足工程要求。

○2砂井直径和间距

减小砂井间距较之增大井距对加速固结的效果更显著。因此应以“细而密”的原则选择井径和间距，并以粘性土层的固结特性、灵敏度、上部荷载大小以及施工期等为依据进行设计。一般井径可为300～500mm。但他还受施工方法制约。有些施工方法砂井直径过小，易出现灌砂量不足，缩颈或砂井不连续等质量问题。砂井间距通常按井径比n确定。一般n=6～8,n<5时，沉管施工法对周围土体扰动大，有破坏土体结构的可能。n>9时，砂井排水效果变差。

○3砂井排列

砂井平面布置可采用正三角形或正方形排列，其相应的有效排水范围分别为正六边形

和砂井间距和正方形参见图4·3·4。为简化计算，将其均化为等效圆，则等效圆的直径d

e

l间的关系为：正三角形布置时，d

=1.05l，正方形布置时，d e=1.13l。

e

为防止地基产生过大的侧向变形和防止地基周边附近地基的剪切破坏，砂井布置范围应适当扩大。扩大范围可由基础外缘向外增加2～4米。

○4砂井材料和灌砂量

砂井用的砂料宜用中粗砂，含泥量应小于3%，其中密状态的干密度不小于1.55t/m3。砂井灌砂量应按井孔容积和砂的中密状态时的干密度计算，其实际灌砂量不得小于计算值的95%。

（2）袋装砂井

袋装砂井是由普通砂井改进而产生的一项新技术。与普通砂井相比，它主要有以下几方面的优点。

○1可在更大程度上体现“细而密”的原则，其排水固结效果更好。

○2砂井质量易保证，不会出现缩颈、或砂井不连续等质量问题。

○3设备轻便，可以在更软弱的地基上施工出质量稳定的砂井。

○4节省砂料，施工进度快，工程造价低。

袋装砂井直径一般为70～100mm。具体视排水量大小和施工工艺要求确定。砂井间距可按n=15～20选用，一般砂井间距在1.5～2.0m。

沙袋材料应选用透水性好、抗拉强度高，且具较好的抗老化、耐腐蚀性能的材料。目前国内普遍采用聚丙烯编织布。

（3）塑料排水带

塑料排水带是一种人工排水体，它是在早期的纸板排水法基础上改正和发展起来的。

○1塑料排水带的结构和性能

塑料排水带有芯板和滤膜组成如图4·3·18所示。芯板多由不易产生压缩变形且有较高强度的聚乙烯或聚丙烯塑料制成两面有间隔槽的板体，滤膜则由渗水性好且耐腐蚀的涤纶衬布制成，亦有带排水孔或不带排水孔的无纺布取代芯板制成柔性排水带结构。用塑料排水带作为竖向排水体，地基土层中的孔隙水在固结压力作用下渗流通过滤膜层进入芯板沟槽，并通过沟槽从排水垫层中排出。塑料排水带单孔过水断面大，排水通畅，固结排水效果好，且质量轻、强度高、耐久性好。因系工厂化生产，质量稳定可靠。采用塑料排水带法还具有施工机械较轻便，可在超软弱地基上施工，施工效率高，便于施工和管理、缩短地基加固周期等一系列优点。

第四节排水固结法施工工艺

运用排水固结法原理的各种地基处理方法，其施工主要内容可归纳为三个主要方面：

1、铺设排水砂垫层；

2、设置竖向排水体；

3、施加固结压力。

一、平排水砂垫层施工

排水砂垫层的作用是使在预压过程中，从土体进入垫层的渗流水迅速排出，使土体固结能正常进行，因而垫层的质量将直接关系到加固效果和预压时间的长短。

1、垫层材料

垫层材料应采取渗水好的砂料，其渗透系数一般不低于10-3cm/s，同时能起到一定的反滤作用。通常采用级配良好的中粗砂，含泥量不大于3%，一般不宜采用粉、细砂。也可采用连通砂井的砂沟来代替整片砂垫层。

2、垫层厚度

排水垫层的厚度首先要满足从土层渗入垫层的渗流水能及时的排出，另一方面应起到持力层的作用。一般情况应选用30～50cm厚度。对新吹填不久的或无硬壳层的软粘土及水下施工的特殊条件，应采用厚的或混合料排水垫层。

3、垫层施工

（1）若地基承载力较好，能上一般建筑机械时，可采用机械分堆摊铺法，即先堆成若干砂堆，然后用推土机或人工摊平。

（2）当硬壳层承载力不足时，可采用顺序推进铺筑法，避免机械进入未铺垫层的场地。

（3）若地基表面非常软，若新沉积或新吹填不久的超软地基，首先要改善地基表面的持力条件，可现在地基表面铺设筋网层，再铺砂垫层。筋网可用土工聚合物、塑料编织网或竹筋网等材料。但应注意对受水平力作用的地基，当筋网腐烂形成软弱夹层时对地基稳定性的不利影响。

（4）尽管对超软地基表面采取了加强措施，但持力条件仍然很差，一般轻型机械上不去，在这种情况下，通常采用人工或轻便机械顺序推进铺设。

应当指出，无论采用何种方法施工，在排水垫层的施工过程中都应避免过渡扰动软土表面，以免造成砂土混合，影响垫层的排水效果。此外，在铺设砂层前，应清除干净砂井表面的淤泥或其他杂物，以利于砂井排水。