真空预压排水固结法设计及计算(18年,附图丰富)
排水固结法
21:18
26
1、瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算 三维渗流固结问题
u t
cv
u r
1 r
2u r 2
2u z 2
可以分解成两个方向的固结问题叠加（ Carrillo ）
u t
cvz
2u z 2
u t
Hale Waihona Puke cvr u r
1 r
至少应超过最危险滑动面2m。
21:18
18
5.3排水固结法的设计与计算－堆载预压
一、选择砂井或塑料排水带，确定其断面尺 寸、间距、排列方式和深度； 二、确定排水砂垫层材料和厚度； 三、确定预压区范围、预压荷载大小、荷载 分级、加载速率和预压时间； 四、计算地基土的固结度、强度增长、抗滑 稳定性和变形
原位自重应力 s 加压 建筑物附加应力 z
预加压力 t=(1.2~1.5) z （超载预压法）
e
e1
e2 s
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z t
p
11
5.2 加固原理（堆载预压法）
排水
普通砂井 袋装砂井 塑料排水板 砂垫层
UZ
1
8
2
exp( 2Tv
/ 4)
Tv
cv H2
t
cv
k (1 e1)
)
6 100
(10
0)
0.081 e (e 0.0251120 0.025110 0.0251
e0 )
4 100
(40
30)
0.081 e (e 0.0251120 0.025140 0.0251
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
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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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•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。
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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
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2、多级逐渐加荷条件下砂井地基固结度计算
真空排水预压沉降计算说明
土层
名称
密度
ρg/cm3
含水量
%
土粒
比重
Gs
孔隙比
压缩
系数
av
(MPa-1)
压缩
模量ES(MPa)
粘聚力kPa
(快剪)
摩擦角
(快剪)
固结
系数
CV
P=200kPa
cm2/s
渗透系数K20
cm/s
基本
承载力
σ。
素填土①1
5
5.50E-03
冲填土②2
1.75
5.50E-03
60
淤泥质土②1
1.64
53.6
2.63
1.45
1.25
2.0
8.0
4.5
1.0E-03
5.42E-08
60
粉质黏土②2
1.85
29.1
2.68
0.87
0.40
4.5
22.0
8.0
5.50E-06
120
4、e-p曲线
参考文献《软土e-p曲线确定的一种简化方法》，确定相关参数。
5、计算结果
JT15的真空排水预压沉降量为：87.71cm。
真空排水预压沉降计算说明
以JT15为例计算：
1、平面、剖面如下图：
平面图
剖面图
根据剖面图，为简化计算，取整数：人工填土层为8m，淤泥质土为16m，分层计算按2m一层。
2、计算范围
根据设计要求：车站真空预压加固范围划分为13个区，如下图所示：
整体划分图
JT15所在区域图
3、岩土层物理力学指标及承载力建议值
真空预压法处理航道淤泥数值模拟
第18卷 第7期 中 国 水 运 Vol.18 No.7 2018年 7月 China Water Transport July 2018收稿日期：2018-02-08作者简介：丁 伟，男，（1985-），上海人，上海长升工程管理有限公司助理工程师，研究方向为港口与航道工程。
真空预压法处理航道淤泥数值模拟丁 伟（上海长升工程管理有限公司，上海 200137）摘 要：航道淤泥的处理是我国目前重大研究课题之一，真空预压固结法是一种有效的软土处理方法。
采用有限差分元对不同真空度下的真空预压固结法处理软土进行模拟，分析了真空度对航道淤泥孔隙水压力差值和有效应力的影响，模拟结果可为真空度的合理选取提供参考依据。
关键词：真空预压法；第四纪沉积软土；有限差分法；真空度中图分类号：TU447 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）07-0053-02前言航道淤泥在我国东部沿海地区广泛存在，该类土体具有压缩性大、渗透性小和含水率高等特点，在其上修筑建筑物时往往须先对其进行处理，目前常用的处理方法有换填、旋喷桩、真空预压和电渗等方法[1-4]。
其中，真空预压法以其成本低，效果显著被广泛应用，并取得良好的成效。
真空预压法于1952年由杰尔曼教授首次提出，随后大量专家学者对其进行了深入探究。
朱斌等[5]基于有效应力原理，根据孔隙率与时间相关关系，提出了多层软土的一维固结模型，并采用数值计算对其进行验证。
袁海平等[6]对排水板间距对真空预压效果影响进行研究，指出计算工程排水板的最优间距为0.9m。
李均宏[7]采用ABAQUS 软件对排水带未穿透的软土层的真空预压沉降固结效果进行分析，指出在实际工程中可根据需要合理设计排水带深度，排水带可不穿透排水层。
唐慧强等[8]对丹东港吹填土采用真空预压法加固后效果不理想的原因进行分析，认为吹填土黏粒含量高堵塞排水管以及胶粒结合水的润滑作用是造成真空预压固结后土体强度仍然偏低的主要原因。
排水固结法(地大版)ppt课件
固结实际公式
t Tv ·H 2 Cv
固结时间与排水间隔的平方成正比，缩短排水间 隔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了添 加排水途径，缩短排水间隔，从而加快脆弱土层的排 水固结。
第三节 排水固结法设计计算
一、设计前应获得的资料 ⑴进展岩土工程勘察，查明场地的工程地质
和水文地质条件； ⑵室内土工实验，确定土的固结系数、孔隙
六、稳定分析 稳定分析可以处理的问题： ①地基在天然形状下的最大堆载； ②在各级预压荷载作用下的稳定性； ③最大答应预压堆载； ④理想的堆载方案。
(一)地基强度沿深度添加时的稳定性分析方法 1.确定强度变化规律来自f 0 zf 0 · z
⑵降低地下水位法
⑶电渗法
在土中插入金属电极并通以直流电，由于电场作用， 土中水从阳极流向阴极。如将阴极积聚的水排走，土体 中孔隙水就会减少，有效应力增大导致沉降固结。
3.排水系统的作用 改动地基的排水边境条件，缩短排水间隔和添加
孔隙水排出的途径； 4.加压系统的作用
起固结作用，使地基土的固结压力添加而产生固 结； 5.排水系统和加压系统是结合运用的。
④对以地基抗滑稳定性控制 的工程，砂井深度应超 越最危险滑动面2m。 ⑶砂井陈列
等效圆柱体的直径de与砂井间距S的关系： 正方形排d列 e 1： .13· S 正三角形排 de列 1.： 05· S
⑷砂井布置范围及砂垫层 普通应比建筑物外缘扩展2～4m或更大，砂垫层水
上施工可取0.3～0.5m，水下施工可取0.8~1.0m.
(三)预压面积及分块大小 真空预压的总面积不得小于根底外缘所包围的面积，
普通边缘应超出建筑物根底外缘2～3m；每块预压的面 积应尽能够大，并要求彼此有搭接。 (四)地基变形计算
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
真空预压
第二章 真空预压加固机理探讨
所谓负压即指形成的孔隙水压力小于原孔隙 水压力，其增量为负值。由于边界孔隙水压力的 降低，土体与砂垫层和竖向排水体间形成压力差 和水力梯度，土体发生渗流，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；随着时间的增长，土体和竖向排水体之间 的压力差由Pa－Pv逐渐变小，最终趋向于零，此 时渗流停止，土体固结完成。
堆载压密排水固结：出水口
真空加压10天后地 基固结情况
真空加压10天后地基固结情况
竖向排水体对加固效果的影响
目前竖向排水体一般选用塑料排水板和袋装砂井， 而塑料排水板的纵向通水能力和渗透系数比袋装砂井 大很多。袋装砂井的纵向渗透系数大约是塑料排水板 的25%左右。在加固过程中塑料排水板的纵向渗透系 数为1.7×10-2～1.5×10-1cm/s，这是一般袋装砂井达 不到的值，一般袋装砂井的上端都是采取捆扎的形式 来避免泥土进入砂井中的，这就增加了真空度的传递 阻力，而塑料排水板则不会出现这种情况，另外，在 打设过程中导向管带上的泥土也常会将孔口封堵，因 此袋装砂井与砂垫层的连接不如塑料排水板好，塑料 排水板不易被封堵。所以塑料排水板的排水性能要优 于袋装砂井。
从1998年8月起，广东珠江三角洲地区开始引 入真空或真空——堆载联合预压加固高速公路软 基方法，从几条高速公路的试验段情况看，该处 理方法效果是比较理想的。由于可以将填筑的路 堤作为堆载加以利用，不仅具有很好的加固效果， 而且经济效益也很明显。目前该方法己经在广东、 浙江、江苏、上海的高速公路建设中得到了比较 广泛的应用。
本次研究的主要工作
1.通过现场取样进行室内试验，分析南沙地区软土的固结过 程中孔隙比、压缩系数以及固结过程中的应力应变关系， 研究南沙地区软土的固结特性。 2.通过真空预压法加固软土的现场试验，研究了真空预压法 加固软土地基的沉降和水平变形特性、真空预压加固地基 的有效深度、真空预压对周围环境的影响。
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• 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
井底面以下受压土层，经预压所完成的 竖向变形和平均固结度应满足设计要求。
• （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。
• 根据上述观测资料综合分析，判断地基稳定性。
• 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 Fr的表达式为：
4 地基固结度的计算
• 一级或多级等速加载条件下，考虑涂抹和井阻影 响时竖井穿透受压土层地基的平均固结度可按下 式计算：
4 地基固结度的计算
4 地基固结度的计算
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， △σ z 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。 ψ cu——相应土层三轴固结不排水压缩试验内摩擦角（度）
承载力：P≈5.52τ ft/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。
8
2
,
8ch Fde2
2cv
4H 2
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。
τ ft= τ f0+ △σ z * Ut *tanψ cu
式中：τ ft ——t时刻该点土的抗剪强度(kPa ) △σ z——真空预压荷载引起的该点 的附加应力(kPa )，
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。
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。
排水固结法适用于处理淤泥质土、淤泥、 泥炭土和冲 填土等饱和粘性土地基。
• 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 强度的增长，从而提高地基的承载力和 稳定性。土工布缝接源自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
排水固结法通常由排水系统和加压系统两部分组成。
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
真空预压排水固结法
广东中誉设计院有限公司 2018年10月14日
1概述
排水固结法（Consolidation）是处理软 黏土地基的有效方法之一。该法是对天然地基， 或先在地基中设置砂井等竖向排水体，然后利 用建筑物本身重量分级逐渐加载，或是在建筑 物建造以前，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，同 时强度逐步提高的方法。