地基处理技术第五章

加压系统
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第五章 排水固结法
(一)瞬时加荷固结度计算
2u 1 u u 2u Cv 2 C h 2 t r r r r
u——超孔隙水压力；
t——固结时间。
(瞬时加荷条件下)
式中 Cv、Ch——分别为竖向和水平向固结系数；
Cht de
2
Ur 1 e
n2 3n 2 1 F n 2 lnn n 1 4n 2
式中 Th——径向排水固结时间因子； F（n）——参数；
n——井径比，n=re/rw；
de、re——砂井影响范围的直径和半径； rw——砂井直径。
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第五章 排水固结法
砂井平面布置采用等边三角形、正方形。采用等面积圆表示一个 砂井的影响范围竖向排水体影响圆直径de与排水体间距l关系如下：
de 2 3 l 1.05l
等边三角形排列

正方形排列
de
4

l 1.13l
4.地表排水砂垫层设计 地表排水砂垫层是排水系统的一部分。砂垫层采用中粗砂，含泥 量应小于5%，其厚度一般大于400mm。
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第五章 排水固结法
在地基中设置竖向排水系统可有效缩短最大排水距离，大大缩短地 基土固结所需的时间。 只有加固土层较薄，渗透系数较大的情况，才适宜采用堆载法。 一般情况下，都需要在地基中设置竖向排水系统。采用普通砂井、 袋装砂井、塑料排水板形成的排水系统的效用基本是一致的。在工程中 采用何种方法较好，主要取决于经济效益的比较。 真空预压和堆载预压的效果一样。在堆载材料比较困难的条件下， 真空预压较优越。但真空预压只能达到相当于85%的堆载效果。当地基中 存在水平向透水层时，如无其它措施，难以形成负压区，则不宜采用真 空预压法。 排水固结法适用于饱和软粘土和冲填土等地基，但不宜用于有机质含 量较多的地层。
第五章 排水固结法
一、概述 排水固结法又称预压法，是通过预压 使软粘土地基中的孔隙水排出，在预压 荷载下土体发生固结，土中孔隙体积减 少，土体强度提高，达到减少地基工后 沉降和提高地基承载力的目的。 排水固结法通常由排水系统和加压系 统两部分组成，见图5-1。 表中未列水平向排水系统。除电渗法 和降低地下水位法外，其它方法均需在 堆载体与地基之间铺设水平向排水系统 ——砂垫层。
式中 kh、ks——分别表示原状土和扰动土水平向渗透系数； s——扰动区半径rs与砂井半径rw 之比，s=rs/rw。
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第五章 排水固结法
反映井阻作用
kh Fr z 2 H z qw
式中 H——砂井贯穿土层最大排水距离；
z——竖向坐标值；
qw——竖向排水体（砂井）通水量，其表达式为
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第五章 排水固结法
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第五章 排水固结法
在荷载作用下地基土体发生固结，固结过程中，超孔隙水压力消 散，有效应力增大，地基土强度提高。同时在荷载作用下地基土体产 生蠕变，还有可能导致强度衰减。因此在荷载作用下，地基中某点某 时刻的抗剪强度τ f可以表示为
f f 0 KU 1
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第五章 排水固结法
Ur 1 e
8Th F
式中 F——综合参数，其表达式为 F=Fn+Fs+Fr 式中下标n、s、r分别表示井径比、涂抹作用、井阻作用的影响。 Fn计算式同（4）式，当井径比≥20时 Fn=ln（n）—3/4 反映涂抹作用
kh Fs 1 ln s ks
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第五章 排水固结法
二、加固原理和计算理论
排水固结法加固地基原理是利用饱和黏土在荷载作用下产生固结， 土体孔隙比减少，强度提高，可有效减少工后沉降和提高地基稳定性。 现以图5-2来说明。
e e0 ec eB 0 p0 p 0+Δ p lnp
/
f A C B E B . . A 0
C
p
（b）p — f曲线
（a）e — lnp/曲线
图5-2 排水固结法加固地基原理示意图
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第五章 排水固结法
初始应力p0对应土体初始孔隙比e0，当固结应力增加至p0+Δp时，从 A点沿正常固结线压缩至B点，土体孔隙比减少了Δe（Δe=e0—eB）。若加 荷后卸荷至p0，土体回弹，沿回弹曲线由B点至C点土体孔隙比为ec。若再 加荷至p0+Δp时，由C点再回到B点，土体孔隙比也再次减少至eB。可以看 出，从A点到B点与从C点到B点的孔隙比改变量相差悬殊。所以预压减少工 后沉降是非常有效的。若预压荷载作用下地基中土体固结应力增加至 pB （pB=p0+Δp），工作荷载作用下相应土体中固结应力为pD，当pD＜pB， 称为超载预压，当 pD＞pB时，称为一般预压。经过超载预压地基土体， 在工作荷载作用下，常处于超固结状态。 由图5-2（b ）所示p—τ f曲线可知，土体固结应力增大，强度τ f提 高。土体经加荷固结，再卸荷至初始应力状态，如图中从A点到B点，再回 到C点，土体强度的提高是明显的。
③由Ut用（6）式求出St。
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第五章 排水固结法
2.求某一沉降量St所需时间t ①由St求出Ut； ②由Ut和Tv曲线得出Tv； ③由Tv和Cv求出t。 在地基中设置的竖向排水系统的透水性虽然大，但对渗流总有一定的 阻力，这种现象称之为井阻作用；设置竖向排水系统的过程中对地基土 的扰动会降低砂井周围土体的渗透性，这种现象称之为涂抹作用。上述 式子是没有考虑井阻和涂抹作用得到的。近年来横断面积较小的袋装砂 井和塑料排水板应用日益广泛，则考虑井阻和涂抹作用的非理想井固结 理论得到重视。Hansbo （1981 年）提出了饱和软黏土地基在深度 z 处径 向排水固结度表达式。
u z 2u z Cv t z 2
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2ur 1 ur ur Ch 2 t r r r
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第五章 排水固结法
1.竖向排水固结度
对于土层为双面排水条件或土层中的附加压力为均匀分布时，某 一时间竖向固结度的计算公式为：
3.总固结度
总固结度是由竖向排水和径向排水所引起，按下式计算
U rz 1 1 U z 1 U r



可根据各种情况的固结度 Ut=f （ Tv ） 的关系式制成图表（设计曲 线）来简化设计过程。也可将沉降与时间的计算公式归纳如下：
St Ut S
U t f Tv
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式中 η ——考虑土体蠕变及其它因素对土体抗剪强度的折减系数，并建 议在工程设计中取η =0.75～0.90；
K——土体有效内摩擦角的函数， K sin cos 1 sin
Φ `——土体有效内摩擦角； U——地基中某点的固结度，为简便计，常用平均固结度代替； Δ σ 1——荷载引起地基中某点超孔隙水压力增量，可按弹性理论计算。
普通砂井直径：300～500mm，井径比n=6～8。 袋装砂井直径：70～100mm，井径比n=15～30。
塑料排水板常用当量直径表示，塑料排水板宽度为b，厚度为δ ， 其当量直径Dp计算式为 2b D p
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第五章 排水固结法
塑料排水板井径比一般采用n=15～30。
Cvt Tv 2 H
k 1 e Cv wa
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第五章 排水固结法
式中 St——某一时刻t的固结沉降量； S——固结稳定的最终沉降量； k——土的渗透系数； e——土层在固结过程中的平均孔隙比； a——土的压缩系数； γw——水的容重。 实际工作中的地基沉降与时间关系的计算常以下列两种方式提出： 1.求某一时间t的沉降量St ①根据固结土层的已知资料k、a、e、H和时间t求出Cv、Tv； ②由Ut和Tv曲线得出Ut；
..............
排水系统
图5-1 排水固结法示意图
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第五章 排水固结法
表5-1 方法 堆载法 砂井法 袋装砂井法 塑料排水板法 真空预压法 真空预压堆载 联合预压法法 降低地下水位法 电渗法 超载预压法 堆载荷载超过设计荷载 加压系统 堆载 堆载 堆载 堆载 真空预压 真空预压加堆载 降低地下水位 增加自重应力 排水固结法分类 排水系统 无 普通砂井 袋装砂井 塑料排水板 普通砂井，或袋装砂井， 或塑料排水板 同上 一般无排水系统也可辅 以各种形式排水通道 无 普通砂井，或袋装砂井，或 塑料排水板 在地基中设置正负极， 形成电场，土中水会流 向阴极 备注 一般用于土体渗透系数 较大的地基
2 d w
q w k w Aw k w
4
kw——竖向排水体渗透系数。
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第五章 排水固结法
(二)分级加荷作用下的固结度
实际工程中，荷载往往是分级施加的，推荐改进的高木俊介法进 行分级加荷作用下固结度的计算法，其固结度的计算式为：