土木工程施工第3章 排水固结法..

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UZ
（1）竖向排水平均固结度
根据一维固结理论，对于一次性骤然施加荷载，且孔隙
水仅沿竖向渗透的地基，其竖向平均固结度可按下式计算：
8 2 1 e 2 m 1, 2 , 3 m
当水平向渗透系数kh和竖向渗透系数kv不等时，则上式应为：
2 2 u / t Cv u / r 2 Ch (1 / r u / r u / r 2 )
式中 t——时间 Cv——竖向固结系数
Cv kv (1 e) / rw
Ch——径向固结系数（或称水平向固结系数）
根据N.卡里罗（Carri110）理论证明： 任意一点的孔隙水压力有如下关系：
u ur u z u0 u0 u0
式中u0为起始的空隙水压力。整个砂井影响范围内土桩
体的平均孔隙水压力也有同样的关：
u ur u z u0 u0 u0 或以固结度表达为:
(1-
U rZ
)=(1Ur
)(1-U Z
瞬间加荷条件下砂井地基固结度的计算 砂井地基固结度的计算是建立在太沙基固理论和巴伦固结 理论基础上的。如果软粘土是单面排水的，在一定压力作用下， 土层中的固结渗流水沿径向和竖向流动，所以砂井地基属于三
维固结问题。若以圆柱坐标表示，设任意点（r、Z）处的孔隙
水压力为u,则固结微分方程为：
2 2 u / t Cv ( u / r 2 1/ r u / r u / z 2 )
①当软土层不厚、底部有透水层时，排水体应尽可能穿透软 土层。
②当深厚的高压缩性土层间有砂层或砂透镜体时，排水体应
尽量能打至砂层或砂透镜体。而采用真空预压时应尽量避免 排水体与砂层相连接，以免影响真空效果。
③对于无砂层的深厚地基则可根据其稳定性，从建筑物在地基
中造成的附加应力与自重应力之比值确定（一般为0.1— 0.2）。 ④按稳定性控制的工程，如路堤、土坝、岸坡、堆料等，排水 体深度应通过稳定分析确定，排水体深度至少应超过最危险 滑层厚度不大，排水体贯穿 压缩土层；对深厚的压缩土层，排水体深度应根据在限定的 预压时间内消除的变形量确定，若施工设备条件达不到设计 深度，则可采用超载预压等方法来满足工程要求。 ⑥若砂层中有承压水，因承压水的长期作用，砂层上部的土层
中就存在着超孔隙水压力，这对动性土固结和强度增长都不
排水固结法可使地基的沉降在加载预压期间基本完成或
大部分完成，确保建筑物在使用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。
排水固结法分为加载预压法和真空预压法两类。加载预
压法就是在建筑物建造之前，在建筑场地进行加载预压，使 地基的固结沉降基本完成，地基土强度提高。对于在持续荷 载下体积发生根大的压缩和强度会增长的土，而又有足够时 间进行压缩时，这种方法特别适用。
太沙基一维固结理论，
t (Tv / Cv ) H 2
即粘性土达到一定固结度所需时间与其最大排水距离的 平方成正比。随土层厚度增大，固结所需时间迅速增加。设 臵竖向排水体来增加排水路径、缩短排水距离是加速地基排 水固结行之有效的方法。
软土层越厚，一维固结所需的时间越长。如果淤泥质
土层厚度大于10～20m，要达到较大的固结度U>80%，所需的 时间要几年至十几年之久。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 设臵排水体。
Ch kh (1 e) / rw
砂井固结理论中作如下假定： （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；
如果地基内某点的总应力为σ，有效应力为σ’，孔隙水压
力为u，则三者的关系为
σ’= σ-u
此时的固结度U表示为 则加荷后土的固结过程表示为：
t=0时,
t=∞ 时,
u,
σ’=0, U=0
u +σ’=0, 0<U<1
0<t<∞时,
u=0, σ’=0, U=1（固结完成）
地基土层的排水固结效果与他的排水边界有关。根据
地基处理 Foundation Treatment
河南科技大学 规划与建筑工程学院 高笑娟
第3章 排水固结法
一、概述
排水固结法又称预压法。该方法是对天然地基，或先在 地基中设臵砂井(袋装砂井或塑料排水带)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，同时土的抗剪强度逐步提高的一种加固方 法。
排水固结法由排水系统和加压系统两大部分组成。排
水系统由竖向排水体和水平向排水体构成。竖向排水体有普
通砂井、袋装砂井和塑料排水板，水平排水体为砂垫层。
1、排水固结法可解决的问题
（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[构]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。
利。为此，宜将砂井排水体打到砂层，利用砂井加速承压水 的消散。
2、排水固结法设计要求
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，
确定所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。
（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。
上式可用分离变量法求解为
u z 2u z Cv t z 2
u z 2u r 1 u r Ch ( 2 ) t r r r
以及分为竖向固结和径向固结两个微分方程，从而根据
起始条件和边界条件分别解得竖向排水的孔隙水压力分量uz 和径向排水固结的空隙水压力分量ur。