真空预压排水固结法设计及计算(详细)教学内容
真空预压排水固结法
堆载联合真空预压排水固结法加固沿海软弱地地基王必卫范伟霍广勇[摘要］堆载预压法和真空预压法同属排水固结法,二者各有优缺点。
本文结合工程实例,详细论述了堆载预压和真空预压联合加固软基的原理和施工要点。
［关键词］堆载预压：联合；真空预压;加固；软基。
一、概述沿海地区广泛分布着含水量高、透水性差、压缩性大、强度低的海相沉积软弱粘士层，其地基承载力和稳定性很差,在荷载作用下会产生相当大的沉降和沉降差，影响建筑物的正常使用，因此，这种地基通常需要加固处理。
排水固结法中的真空预压法和堆载预压法就是处理软弱地基的常用方法，二者加固地基的原理相同，只不过是施加预压的加载方式不同.真空预压法与常规的堆载预压法相比，具有加荷速度快、无需堆载材料、加荷中不出现地基失稳现象等优点,其最大缺点是预压荷载偏小(不超过100KPA)；而堆载预压法工期相对较长,需大量的预压材料，但其优点是最大预压荷载不受限制。
若能将真空预压与堆载预压联合加载就刚好可以发挥二者的优点,而理论分析和工程实践都已证明真空预压法与常规的堆载预压法是可以联合使用的，这两种方法在加固软土时分别产生的负超静水压力（真空预压）和正超静水压力（堆载预压)是可以迭加的,由此产生的有效应力迭加在一起，最终使土体产生垂直压缩变形、强度增长。
堆载预压法有个特例就是用建筑物的自身重量（比如路堤土等）作为预压荷载，加固结束后不再卸载,从而节约投资、缩短工期。
为和常规堆载法区分,这里称之为自载预压法。
在用排水固结法加固软基过程中,为了加快施工进度、提高加固效果，把自载预压法作主要荷载，而把真空预压当作超载来进行联合加载时,我们称之为自载联合真空预压法.二、自载联合真空预压法在沿海公路建设中的应用在深厚软弱地基上修建公路，通常采用自载(路堤土）预压法处理地基,但其往往面临两方面的问题:1、工后沉降量过大问题在公路设计与施工时，虽然对桥头和路堤的工后沉降量提出了明确要求,但却难以做到。
第四章 排水固结法
4.5 真空预压设计计算
Design Procedure of Vacuum Preloading
真空预压法是以大气压力作为预压荷载。先在需加固的 软土地基表面铺设一层透水砂垫层，再在其上覆盖数层不透
气的塑料薄膜或橡胶布，四周密封，与大气隔绝。在砂垫层
内埋设排水管道，然后与真空泵连通，进行抽气，使透水材 料保持较高的真空度，在土体孔隙水中产生负的孔隙水应力， 将土中孔隙水和空气逐渐吸出，从而使土体固结。
加固机理2——提高土体强度：
预压后，土体
抗剪强度τf
处于超固结状态，
d
f b a c
其抗剪强度要比处
于正常固结状态时
的强度高。
固结压力σc′
o
4.3 堆载预压法设计计算 (Design Procedure of Preloading)
一、堆载预压的计算步骤
2 1
堆载过快易失稳
加荷计划的确定 主要内容：分级加载速率和每级荷载的大小、总荷载水平、
γ0—— 地基土的重度。
5.52cu 长条形填土 p1 K （Fellenius公式）
（2）计算第一级荷载作用下地基强度增长值
在p1荷载作用下，经过一段时间预压，地基强度会提高， 提高以后的地基强度为cu1，
cu1 (cu c u)
式中 △cu′——p1作用下地基因固结而增长的强度，
4.2 排水固结法的原理 （Principle of drainage consolidation method ）
一、排水系统加固机理
根据太沙基固结理论
Tv · H2 t Cv
固结时间与排水距离的平方成正比，缩短排 水距离可大大缩短固结时间。 在地基中设置砂垫层及砂井等的目的就是为
真空排水预压加固地基计算说明
真空排水预压加固地基计算说明以ZK1为例进行计算： 1 沉降计算固结沉降量c S 采用单向压缩分层总和法进行计算，公式如下：i iii ci h e e e S ∆+-=∆0101 总压缩量为：∑=∆=ni ci c S S 1式中：ci S ∆——第i 层的压缩量；i e 0——第i 层中点土的自重应力所对应的初始孔隙比，由室内压缩试验e-p 曲线求得；i e 1——第i 层中点土的自重应力与附加应力之和所对应的初始孔隙比；i h ∆——第i 层土层的厚度。
根据工程地质报告，岩土层物理力学指标及承载力建议值如下表：相关计算结果如下：因此，固结沉降量cm S S ni ci c 5.961=∆=∑=最终沉降量S 包含三部分：初始沉降量、固结沉降量、次固结沉降量，计算公式为：cm S m S c s 8.1155.962.1'=⨯==式中25.1~1'=s m ，地基软弱土层厚度大时取大值。
鉴于填土深度大于22.3m 的土层压缩量非常低，因此固结度主要计算0~22.3m 土层。
固结度计算公式为：t t ae U β--=1式中：2/8π=a ，2224)(8HC d G J F C ve n h ππβ+++= h C C v 、——竖向和水平固结系数，根据试验确定为s cm /10123-⨯；n F ——井径比因子，计算公式为2222413)ln(1n n n n n F n ---=，式中w ed d n =，排水圆柱等效直径d a d e 1=，d 为垂直排水通道间距，取值100cm ，1a 为换算系数，对正三角形布置取值1.05；等值砂井直径πδ)(2+=b d w ，b 为塑料排水板宽度，取值10cm ，δ为塑料排水板厚度，取值0.4cm 。
G ——井阻因子，计算公式为ws w h d LF q qG 4/⨯=，其中，垂直排水通道的 流量L d k q w h h π=)/(3s cm ；w q 为垂直排水通道的通行能力，取值 25s cm /3；h k 为水平向渗透系数，取值s cm /1047-⨯；L 为垂直排 水通道的打入深度，取值2500cm ；s F 为安全系数，取值6。
排水固结法
e0.025130
)
0.93
01:45
40
7、地基土的沉降计算
s sd sc ss
01:45
41
A、瞬时沉降计算
p B
Skempton（1955）弹性理论公式 Sd
0
E
1- 2
沉降系数ω值
受荷面形状
圆形 正方形 矩形
L/B
—— 1.00 1.5 3.0 6.0 10.0 30.0 100.0
般用Ca表示，称为土的
次固结指数。
次固结沉降量为
ss
n i 1
(hCa
lg
t2 t1
)i
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44
•规范规定预压固结法地基最终沉降采用 经验公式：
s f
e0i e1i 1 e0i
hi
取值为1.1～1.4
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45
5.4 施工工艺
一、竖向排水体施工
1、普通砂井
•沉管法：静压法、锤击法、振动法
第五章 排水固结法
5.1 概述 5.2 加固原理 5.3 排水固结法的设计与计算 5.4 施工工艺 5.5 加固效果检验 5.6 工程实例
01:45
1
5.1 概述 排水加固法
排水系统 加压系统
竖向
横向
堆载预压 降水预压 真空预压 联合预压
适用于饱和软粘土：淤泥及淤泥质土、冲填土、 填海（湖）造田。－－含水量、压缩性 高，强度、渗透性低。
29
2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算
01:45
30
2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算
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2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算
第4讲 排水固结法
③ u 观测：布置在堆载中心线和边线附近地基中不同深度 处。
4.3.3 超载预压法设计
超载预压法与堆载预压法不同的是如何确定超载预压荷载。
超载预压适合对s有严格控制的工程，σ超载，附加>σ建筑荷载，附加
时，固结后，无 s主，且降低了 s次。
真空预压法：适合大面积均匀深厚软土地基。
此外，由于降低地下水位法、真空预压法、电渗法 不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，所以很软 的粘性地基土也适用。
§4.2 排水固结法加固机理
§4.2.1 堆载预压加固机理
堆载预压是在建筑物建造之前，对地基土进行预 压加载，使其固结沉降基本完成，增大 fk。
（2）改进的高木俊介法
该法是根据砂基固结度计算的巴隆理论推导出来 的，可直接求出修正后的：
∑ ( ) ( ) U
′
t
=
n i =1
qi ∑ Δp
⎡ ⎢⎣
T2i−1 − T2i−2
− α e−βt β
e − e βT2i−1
β T2 i−2
⎤ ⎥⎦
式中， qi —第 i 级荷载的平均加速度率（kPa/d）；
α、β 见表1。
T2i-1, T2i-2的单位为天（d）。
3、影响砂井固结度的几个因素
（1）地基中应力分布及初始孔隙水压力：上述公式
中，均假定u0＝p地面，同时认为整个地基中附加应力σ
相同。一般达不到要求，但当荷载面的宽度等于砂井 的长度时，误差可忽略不计。
（2）关于砂料的阻力：砂料对渗流也有阻力，通常 中粗砂井阻很小，细砂大些；从巴隆理论解知：井径 比n＝7～15，de< H 砂井时，阻力影响很小。
第3章 预压法(排水固结法)
（二）砂井与砂垫层
1.砂井的布置和范围 （1）一根砂井的有效排水圆柱体的直径de和砂井间距s的关 系可按如下取用：
等边三角形布置 de = 1.05s
正方形布置
de = 1.13s
（2）砂井的布置范围宜比建筑物基础的轮廓线向外增大约 2～4m，以加速基础外地基土的固结，有利于提高地基的稳 定性和减小侧向变形以及由此引起的沉降。
第3章 预压法（排水固结法）
二、 普通堆载预压法
（三）施工要点
3.大面积堆载可采用自卸汽车与推土机联合作业。对超软土地 基的堆载预压第一级荷载宜用轻型机械或人工作业。
4. 加荷大小：不得超过地基的极限荷载。 加荷方式：当需施加大荷载时，应采取分级加荷，并注意控
制每级加载量的大小和加荷速率。 堆载控制指标：地基最大下沉量不宜超过10mm/d；水平位移
第3章 预压法（排水固结法）
二、 普通堆载预压法
（二）堆载材料 1.堆载材料一般以散料为主，如采用施工场地附近的土、砂、 石子、砖、石块等； 2.堤坝、路基的预压可以采用堤坝、路基填土本身作为堆载； 3.大型油罐、水池的地基，常以充水对地基进行预压。
（三）施工要点 1.预压荷载的大小应根据设计要求确定，一般宜取等于或略大 于建筑物基底压力。有时为了加速压缩过程、减少建(构)筑物 使用期间的沉降，可采用比建(构)筑物重量大10％～20％的超 载进行预压。 2.为了保证建筑范围内的地基得到均匀加固，堆载的顶面宽度 应不小于建筑物的底面宽度，底面应适当扩大。
第3章 预压法（排水固结法）
三、 砂井堆载预压法
（一）特点和适用范围 1.特点 （1）加速饱和软粘土的排水固结，使沉降及早完成和稳定 (下沉速度可加快2.0～2.5倍)； （2）可大大提高地基的抗剪强度和承载力，防止地基土滑动 破坏； （3）施工机具、方法简单，就地取材，可缩短施工期限，降 低造价。
(精品)4.排水固结法
系统组成——排水系统
系统组成——排水系统
Wick Drains
材料
sand
gravel
系统组成——排水系统
Vertical Wick Drains
Vertical Wick Drains
降低地下水位能使: 1）土的性质得到改善； 2）地基发生附加沉降； 3）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。
适用于: 砂土或软粘土层中存在砂或粉土的土层。
为加速其固结，往往设置砂井。
（a）天然面地下水； （b）有压地下水
④电渗法 在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流 电场作用，土中的水分从阳极流向阴极，这种现 象称为电渗。 如将水在阴极排除而在阳极不予补充的情况下土 就会固结，引起土层的收缩。 适用于: 饱和粉土和粉质粘土
2. 超载预压 实际工程中还往往采用超载预压方法来消除主固 结沉降，以缩短预压时间。预压期间任一时刻地 基沉降量可表示为：
st sdUtscss
上式可用于： (1)确定所需的超载压力值ps以保证在使用荷载pf作用下预 期的总沉降量在给定的时间内完成； (2)确定在给定超载下达到预定沉降量所需要的时间。
典型工程真空预压工艺设备平面和剖面图
用真空方法增加的有效应力
1983年开展了真空-堆载联合预压法，开发了一 套先进的工艺和优良的设备，取得了良好的效 果。该法得到国外专家的好评。
系统组成——加压系统
真空预压
Vacuum Consolidation
③降低地不水位法
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。
排水固结法设计及计算
如果考虑逐级加荷，则时间t从加荷历时的一半起算。
2.根据Barron的解法计算径向平均固结度Ur
8 U 1 exp T r F H
式中
CH t TH ——水平向固结时间因数，TH = 2 de
CH ——水平固结系数， C
而提高地基强度和减少建筑
物建成后的沉降量。
孔隙比e
加固机理1——
减小地基工后沉降：
△e
a
初次加载曲线，
在外加荷载△σ′＝ σ1′－σ0′作用下， 土样孔隙比减小了△e； 卸荷再压缩之后，孔
b
f △e′ d c
隙比减小量为
σ0′
σ1′
固结压力σc′
△e′，远小于△e，表明大部分压缩变形（ △e－ △e′） 都在预先施压过程中消除了。
γ0—— 地基土的重度。 对于堤坝地基或条形基础可采用下式计算：
p1
5.14cu
K
或 p1
5.52cu
K
（Fellenius公式）
（2）计算第一级荷载作用下地基强度增长值
在p1荷载作用下，经过一段时间预压，地基强度会 提高，提高以后的地基强度为cu1，
c u 1 ( c u c u)
排水固结法
§ 1 概述
一、排水固结系统组成 二、排水固结系统作用及试用范围
§ 2 排水固结法加固原理
一、排水固结加固机理 二、加压系统
§ 3 堆载预压法设计
一、加压系统设计 二、排水系统设计 三、堆载预压施工工艺
§ 4 工程实例计算
§ 1 概述
排水固结法是在建筑物建造前，对天然地基或已设置
竖向排水体的地基加载预压，使土体固结沉降基本结束或
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• （2）应对预压的地基土进行原位十字板剪切 试验和室内土工试验。必要时，尚应进行现场 载荷试验，试验数量不应少于3点。
• （3）在加载过程中，应根据监测数据控制加 载速率。对竖井地基，最大竖向变形量不应超 过15mm,对天然地基，最大竖向变形量不应超 过10mm,边桩水平位移每天不应超过5mm。
5、竖向排水通道不仅起排水、减少土体排水距离及加速土体固结的作用 ，而且起着传递真空度的作用。实践证明塑料排水带效果比砂井好。
6、真空预压区边缘应大于建筑物轮廓线每边不得小于3m。
7、真空预压最大膜下真空度在650mmHg(约86.7kPa)，膜下真空度达到 设计要求后的预压设计不宜低于90d。
8、真空预压加固面积较大时，宜采取分区加固，每块预压面积应尽可能 大且呈方形，分区面积宜为20000~40000平米。
4 地基固结度的计算
4 地基固结度的计算
4 地基固结度的计算
4 地基固结度的计算
4 地基固结度的计算
4 地基固结度的计算
• 一级或多级等速加载条件下，当固结时间 为t时，对应总荷载的地基平均固结度可按 下式计算：
4 地基固结度的计算
• 当排水竖井采用挤土方式施工时，应考虑 涂抹对土体固结的影响。当竖井的纵向通 水量与天然土层水平向渗透系数的比值较 小，且长度又较长时，尚应考虑井组影响。
当计算加固土层中某深度处土的强度增长值时， △σz 用相应 深度垂直排水通道中真空度值。
Ut——在作用下，该点土的固结度。 ψcu——相应土层三轴固结不排水压缩试验内摩擦角（度）
承载力：P≈5.52τft/K 式中： K——安全系数，取1.3~1.5
7 施工方法
• 要保证排水固结法的加固效果，从施工 角度考虑，主要应重视以下三个环节： 铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加 固结压力。
土工布缝接
真空系统双层密封土工膜的铺设
真空系统土工膜的密封
出膜连接与真空系统安装
出膜连接
出膜管与真空泵连接
试抽真空
8 质量检验
• 排水固结法加固地基施工中经常进行的检测项 目有孔隙水压力观测、沉降观测、侧向位移观 测、地基土物理力学指标检测等。
8 质量检验
• 预压法竣工验收检验应符合下列规定： • （1）排水竖井处理深度范围内和竖
• 砂井成孔的典型方法有套管法、射水法、 螺旋钻成孔法和爆破法。
• 灌入砂袋中的砂宜用干砂，并应灌致密 实。
7 施工
塑料排水板插板机
• 塑料排水板地基处理
塑料排水板施工工艺流程 图
塑料排水板施工现场
• 真空预压地基处理
• 真空预压管网铺设
• 真空管网铺设
真空系统第一层土工布铺设
土工布铺设
2 排水固结法的原理
3 真空预压法
• 真空预压法是1952年由瑞典皇家地质学院提出的，施工时 先在地面铺设一层透水的砂及砾石，其上覆盖不透气的薄膜 材料，然后用射流泵抽气使透水材料中保持高度的真空度， 使土体排水固结。
• 真空预压法处理地基必须设置排水竖井。设计内容包括：竖 井断面尺寸、间距、排列方式和深度的选择；预压区面积和 分块大小；真空预压工艺；要求达到的真空度和土层的固结 度；真空预压和建筑物荷载下地基的变形计算；真空预压后 地基土的强度增长计算等。 具体内容见教材
• 真空预压和堆载预压比较具有如下优点：
• ① 不需堆载材料，节省运输与造价； ② 场地清洁，噪音小； ③ 不需分期加荷，工期短； ④ 可在很软的地基上采用。
3 真空预压排水固结设计要点
1、设计前特别要查明透水层位置及范围和地下水状况，它往往觉得真空 预压是否适用或需采取附加密封措施以及垂直排水通道的打设深度。
4 地基固结度的计算
• 瞬时加载条件下，考虑涂抹和井组影响时， 竖井地基径向排水平均固结度可按下式计 算：
4 地基固结度的计算
4 地基固结度的计算
• 反映井阻作用影响的参数 F r 的表达式为：
4 地基固结度的计算
• 一响级时或竖多 井级 穿等透受速压加土载层条地件基下的，平考均虑固涂结抹N度和o可井按阻下影
真空预压排水固结法设计及计算 (详细)
• 排水固结法可解决以下两个问题：
• （1）沉降问题。使地基的沉降在加 载预压期间大部分或基本完成，使建筑 物在使用期间不致产生不利的沉降和沉 降差。
• （2）稳定问题。加速地基土的抗剪 强度的Байду номын сангаас长，从而提高地基的承载力和 稳定性。
排水固结法通常由排水系统和加压系统两部分组成。
• 根据上述观测资料综合分析，判断地基稳定性。
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式计算：
Image
82,F8cdeh2 4H 2c2v
5 沉降计算
5 沉降计算
5 沉降计算
5 沉降计算
6 强度增长计算
真空预压荷载下地基强度增长值。
τft= τf0+ △σz * Ut *tanψcu
式中：τft ——t时刻该点土的抗剪强度(kPa ) △σz——真空预压荷载引起的该点 的附加应力(kPa )，
2、真空预压法处理必须设置排水竖井。设计内容包括：竖井断面尺寸、 间距、排列方式和深度的选择。
3、砂井的砂料应选用中粗砂，其渗透系数Kw应大于1x10-2 cm/s。
4、真空预压竖向排水通道宜穿透 软土层，但不应进入下卧透水层。软 土层较厚、且以地基抗滑稳定性控制的工程，竖向排水通道的深度至少 应超过最危险滑动面2.0m。