真空预压排水固结法设计及计算(详细)
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
01:45
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
01:45
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
(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
排水固结法
第四章 排水固结法排水固结法：是利用天然在地基土层本身的透水性或设置在地基中的竖向排水体，通过预先在地表进行加载预压或利用建筑物自重使土体中孔隙水逐渐排出、土体逐渐固结，地基土逐渐压密，强度逐步提高的方法，或者利用井点降水，利用插入土中的通电电极使土中水发生渗流以达到区域土体自重应力的增加，从而使土体逐渐压密的方法。
排水固结法由排水系统和加压系统两部分组成。
⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧--⎪⎩⎪⎨⎧联合法电渗法降低地下水位法真空法堆载法加压系统砂垫层水平排水体塑料排水带袋装砂井普通砂井竖向排水体排水系统排水固结 排水系统：主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离。
该系统是由水平排水层和竖向排水体构成。
可以由在土中打设的砂井、袋装砂井、或塑料排水带等竖向排水体同地面铺设的砂石垫层构成；也可以利用天然地基中夹粉砂薄层的“千层糕”状土；当软土层较薄，或土的渗透性较好时，而施工工期允许时，可仅在地表铺设一定厚度的砂垫层作为排水系统。
加压系统：起固结作用的荷载，使地基土的固结压力增加而产生固结。
根据排水系统和加压系统的不同，排水固结法可分为：堆载预压法；砂井（袋装砂井、塑料排水带）堆载预压法；真空（砂井、袋装砂井、塑料排水带）预压法；堆载——真空预压法、降水预压法和电渗法。
降水预压法和电渗法费用较高，在我国工程应用极少。
堆载预压法和砂井预压法的区别：堆载预压法是利用天然地基作为排水系统，其固结排水过程是一维排水过程；而砂井预压法则是在地基中设置了竖向排水体，其固结排水过程为三维排水过程。
如果饱和软土较薄（〈5m 〉或固结系数较大（s cm c v /1022->）或土层内为“千层糕”状土时，则不需要很长时间就可获得较好的预压效果；反之，饱和粘土层比较深厚（10m ），而固结系数又较小（s cm c v /1023-<），则排水固结所需的时间很长，堆载预压的地基就受到了限制，则宜在软土中设置竖向排水体。
软基处理工艺的造价分析(真空预压)
软基处理工艺的造价分析一、插板排水固结真空联合堆载预压法1、设计说明（1）真空联合堆载预压原则上按 1.2 ～2.0 万平米分为一个处理区，相当于约 200m道路纵向长度分为一个处理区。
（2）吹填场地在吹填砂（土）表面以上设 0.3m 厚砂垫层。
（3）沿纵向处理边界打设双排泥浆搅拌桩密封墙；沿横向分区打设双排水泥搅拌桩密封墙；搅拌桩直径 700mm，桩距 500mm，桩入淤泥层不小于 3.0m。
（4）打设塑料排水板，插板采用 SPB 系列 C 型，间距 1.0m，正三角形布置。
若淤泥下卧透水砂层，插板底端采用插板靴及塑料套封闭后打入，且不得穿透淤泥层进入砂层；若淤泥层超深，插板未打穿淤泥层，设置插板靴防止回带。
（5）铺设真空滤管网，分滤管、主管与干管，滤管长 6m、间距 6m，主管间距 13m，干管在处理分区内形成回路闭合布置。
（6）在真空管上部铺设砂垫层，厚度不小于 0.2m。
（7）铺设密封膜 3 层，膜上、下各铺保护土工布 1 层，密封膜周边压入密封沟。
（8）按照 900～1100平米配一台真空泵的原则进行配置真空泵，要求采用射流式真空，电机功率应不小于 7.5kw。
（9）预抽真空 5～7 天，膜下真空度达到－ 80kPa 后，起算真空预压时间。
（10）保证真空度达到设计要求的前提下，连续抽真空 10～20 天后开始填筑路基土。
（11）第一层填土选用细砂或粉细土，厚度 0.3m，要求压实。
（12）其余路基填土分层填筑，压实度满足表 6-1 要求。
（13）路基填土应在 90 天内填筑到位，满载后抽真空联合预压时间应120 天左右。
（14）设计要求膜下真空度稳定在 -80kpa 后，连续抽真空 210 天左右。
（15）由沉降观测数据推算工后沉降，结合实测沉降速率确定抽真空停泵时间，要求实测沉降三点法或ASAOKA（浅岗）法推算工后沉降满足设计要求，沉降速率小于 2mm/天。
（16）在停泵之后，应按设计要求钻孔取样送实验室化验软土的性质指标，进行十字板等原位试验，确定土的工程性质指标。
排水固结计算
排水固结计原始数据输入项单位袋装砂井直径d w=7cm砂井间距L=140cm砂井深度H1=2000cm加荷时间t=1E+07s土的固结系数Cv=Ch=0.0018cm²/s受压土层厚度H=3000cm砂井以下剩余土层厚度H2=1000cm土层的天然抗剪强度τf0=16kPa土的内摩擦角 υ=15度预压荷载总压力σz=100kPa安全系数 K=1.3基底压力P=120kPa第i层中点土自重应力所对应的孔隙比e0i=1.28第i层中点土自重应力和附加应力之和相对应的孔隙比e1i=1.12第i层厚度 Δhi=7m(通常堆载预压取m=1.1~1.4；真空预压取m=0.8~1.0)m=1.2砂料渗透系数kw=0.02cm/s土层水平向渗透系数k h=1E-07cm/s涂抹区土的渗透系数ks=kh/5=2E-08cm/s(不考虑井阻和涂抹作用时取S=1，考虑时取S=2)S=2一级荷载加荷量q1=60kPa二级荷载加荷量q2=40kPat0=0天t1=10天t2=30天t3=40天t=120天（1）单向压缩固结沉降计算第i层的压缩量 Δsi=(e0i-e1i)*Δhi/(1+e0i)=0.49总压缩量为S c=∑_(i=1)^n式中e0i—第i层中点土自重应力所对应的孔隙比；e1i—第i层中点土自重应力和附加应力之和相对应的孔隙比；Δhi—第i层厚度e0i和e1i从室内固结试验所得的e-σ'c曲线上查得。
（2）最终沉降S∞的计算最终沉降量 S∞=mSc=0.59瞬时沉降量 Sd=S∞-Sc=0.10荷载作用下地基沉降随时间的发展式 St=Sd+Ut*Sc=1.55（不考虑井阻和涂抹影响）瞬时加荷（砂井未打穿土层）等效圆直径 de=1.05L=147袋装砂井纵向通水量qw=kw*πd²w/4=0.769井径比 n=de/dw=21井径比 n=de/dw=21径向固结时间因数 Th=Ch*t/de²=0.86与井径比n有关的参数 Fn=In（n）-3/4=2.29与井径比n有关的参数 Fn=[n²*In（n）/n²-1]-[(3n²-1)/4n²]=2.30井阻影响 Fr=（π²H²/4）*（kh/qw）=1.28竖向固结时间因数 Tv=Cvt/H²=0.0021涂抹扰动影响 Fs=（kh/ks-1）*InS=2.77径向排水平均固结度 Ur=1-e^-8*Th/Fn=0.95综合影响参数 F=Fn+Fr+Fs=6.35竖向排水平均固结度 Uz=1-[（8*e^-π²*Tv/4）/π²]=0.19α=8/π²=0.81竖向地基总的平均固结度 Urz=1-(1-Ur)*(1-Uz)=0.96β=(8Ch/Fde²)+(π²Cv/4H²)=0.0092第一级荷载的平均加荷速率为 q'1=Δq1/Δt1=6第二级荷载的平均加荷速率为 q'2=Δq2/Δt2=4竖向排水距离 H＇=(1-aQ)H=1082.46第一级荷载固结度Ut1=q'1/Δσz*[(t1-t0)-(α/β)*e^-βt*(e^βt1-e^βt0)=0.43Q=H1/(H1+H2)=0.67第一级荷载固结度Ut3=q'2/Δσz*[(t3-t2)-(α/β)*e^-βt*(e^βt3-e^βt2)=0.25βr=8*Ch/Fn*de²=2.89482E-07Ut=Ut1+Ut3=0.68βz=π²*Cv/4*H²=4.9298E-10a=1-√βz/（βr+βz）=0.96Tv=Ch*t/H'²=0.016砂井以下土层平均固结度 U'z=1-[（8*e^-π²*Tv/4）/π²]=0.22整个土层的平均固结度 Ut=Q*Urz+(1-Q)*U'z=0.71抗剪强度 τft=τf0+Δσz*Ut*tan υ=34.7承载力P≈5.52*τft/K≈147.2地基承载力计算结果满足设计要求固结计算砂井以下土层的平均固结度计算计算预压完成后地基抗剪强度及承载力砂井范围土层平均固结度计算平均固结度计算（考虑井阻和涂抹影响）二级等速加荷（砂井打穿土层）。
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回 填 桩 孔 移 机 至 下 一 桩 位
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
土工布缝接
真空系统双层密封土工膜的铺设
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。
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。
• 根据上述观测资料综合分析，判断地基稳定性。
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。
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
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
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。
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
底 层 砂 垫 层 铺 设
塑 料 排 水 板 进 场 插 塑 板 机 进 场 试 插
插 塑 板 机 定 位 安 装 插 销
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。
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。
• 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。
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。