塑料排水带地基处理设计优化

4.9.3.1　目的、要求和内容

塑料排水带地基处理主要的目的为以下两点。

（1）为提高设计建筑物地基的强度与承载力和稳定性。

（2）为消除或降低建筑物基底的沉降量，并且要求在预定的工期内达到。

为此，必须进行精心设计、精心施工及认真检测和控制，才能达到预期的目的。设计的主要内容应包括以下几点。

（1）选择竖向排水体和水平排水层适用的材料类型及有关材料产品的性能和质量。确定竖向排水体的合理排列形式、间距、打入深度和水平排水层的厚度及布置的范围。

（2）进行预压设计，选择适合的预压荷载类型和大小；通过固结、沉降及强度增长的计算与分析，确定预压应达到的固结度和预压持续的时间，制订施加预压荷载的进度和加载速率的控制。

（3）制订现场应力、变形等监测系统，进行现场监测，监视地基应力、变形和强度的动态发展变化，防止地基剪切破坏，控制预压排水固结正常发展，预测地基处理最终的效果。

4.9.3.2　竖向排水体及水平排水层类型和性能的选择

工程上竖向排水体常用的类型有3种，其特征和性能及质量要求见表4.15。

表4.15　竖向排水体的类型、特征及性能的要求

续表

①　qw为通水能力cm3/s；kh为地基的渗透系数cm/s；H为排水带打入深度cm；F为产品在地基中的折减系数，约F=4～6，深度大于20m取大值，大于15m取小值。一般情况，当H≤15m时，要求qw≥25cm3/s；当15m＜H＜20m时，qw≥45cm3/s；当H＞20m时，qw＞60cm3/s。

工程应用证明：3种类型的竖向排水体在工程上都能取得良好的排水固结效果，只是在井阻、涂抹作用对固结度的影响程度、排水体的渗透性能的强弱、施工技术的难易、工程量及工程造价等方面有所差异。因此，在工程上选用竖向排水体时，应根据工程建筑物的特点和对地基固结的要求，地基土的性质，打入深度，材料来源和施工条件等，通过比较后选用。

一般说来，当选择垂直排水体时，塑料排水带应优先考虑。如果工程场地砂料来源比较丰富，透水性良好，造价低廉，且打入深度在15m以内时，也可考虑采用砂井或袋装砂井。

必须说明，上述的竖向排水体主要适用于堆载预压条件下的排水固结，不适用于真空预压的情况，因为一般的塑料排水带（厚3～6mm，宽100mm），将在吸力作用下减薄，井阻增大，通水能力降低，影响预压效果。根据工程实测：对于在堆载预压条件下通水能力满足深20m要求的塑料排水带，在真空预压条件下，其深度6m以下部分的排水能力严重削减并失效。因此，真空预压条件下的排水带不能沿用堆载预压（正压）条件下的通水能力和质量标准。根据近年来工程实践经验，对于负压条件下的塑料排水带，其通水能力和排水带的宽度、厚度、滤膜的抗拉强度和抗弯刚度等应适当增大，才能使负压固结达到预期的效果。为此建议：真空预压排水带应采用宽度为150～200mm，厚度为8～10mm的芯带，外包整体连续滤膜的负压型排水带，其通水能力qw＞150cm/s。

水平排水垫层一般采用含泥量小于5%的中粗砂砂料铺设，加水湿润后振密。厚度约为50～200mm，荷载小的取低值，荷载大的取高值。如果地基表土比较软弱，或浮土过多时，可先铺设一层土工织物，后再铺设水平垫层。如果缺乏砂料时，可用砾石和碎石代替，但上下层面均需铺设一层土工布反滤层，防止淤堵，保证碎石垫层的渗透性。此外，也可用土工复合排水材料——复合排水块或土工复合排水板作为水平排水层，这些材料具有良好的渗透性和反滤性，并具有较大的通水能力，以及一定的抗拉强度和抗挠曲刚度，质量稳定，施工简便，是一种良好的水平排水层。但是因价格偏高，目前用作水平排水层尚少。

4.9.3.3　竖向排水体等效直径、布置间距和打入深度的确定

（1）等效直径dw。采用塑料排水带时，由于其截面呈条带状，而固结计算是用圆形截面的砂井理论计算的，所以要把条带截面换算成相当于砂井的直径，以两者的周长相等，用式（4.52）计算：

式中：dw为排水带的等效砂井直径；b，δ分别为排水带截面的宽度与厚度；α为系数，约为0.75～1，可用α=1。

（2）竖向排水体的布置间距。竖向排水体（砂井、排水带）的平面布置间距和打入深度是影响砂井地基固结度的重要因素，在设计时，应根据建筑物的具体条件做出合理的选择。根据砂井固结理论，间距越小，在一定的时间内所达到的固结度越大。但是在实际工程中并不是间距越小越好，因为间距太小，打得太密，会引起相互挤压，扰动地基土，增大涂抹层的厚度，反而影响固结效果。因此，竖向排水体的间距应根据工程对地基排水固结的要求，必须达到的固结度和在施工期间允许预压时间的长短来确定。此外，还需考虑由于施工对地基土的扰动产生的涂抹作用对固结的影响。根据工程实践经验，合理的间距可按式（4.53）试算求得

式中：l为砂井或排水带的间距，cm；Ch为地基土的水平向固结系数，cm2/s；t为设计工程允许预压固结的时间，s；Urz为设计工程要求在预压期内达到的固结度，一般取Urz=80%；dw为砂井的直径或塑料排水带的当量直径，cm。

试算时，对于排水带或袋装砂井宜在1.0～2.0内选取；普通砂井则宜在2.0～3.5内选取。因为，低于下限值时，会使涂抹的影响增大；大于上限值，则固结效果不佳。

（3）竖向排水体打入深度。竖向排水体的打入深度一般按如下原则考虑：当压缩的软土层厚度不大（小于10m）时，打入深度应贯穿该土层；当厚度较大时（大于10m），则按设计建筑物稳定性和变形的要求来确定，对于以稳定性控制的预压工程，打入深度应到达圆弧滑动分析确定的最危险圆弧最大深度下2m；对于已变形控制的工程，则打入深度应到达地基沉降计算时有效压缩层的深度。

4.9.3.4　堆载预压设计

堆载预压是利用土石、建筑材料及其他重物或建筑物自重，分期分批填筑于地基表面，使地基在该预压荷载作用下，逐渐固结压缩，产生沉降，增大强度，最终达到满足工程变形和稳定的要求。应当注意，对于软弱土层，预压荷载不是随意填筑就可以达到预期加固效果的。必须根据工程地基土的实际情况和建筑物对地基的要求，分期分批施加预压荷载，保证在前一级荷载下的排水固结和强度增长，满足下一级荷载的要求时，才能施加下一级。最后，在预压荷载作用下的沉降稳定后，才能卸去预压荷载，建造建筑物。

（1）为降低基础沉降的预压设计。预压设计的原理如图4.47所示。

图4.47　预压法原理

当施加建筑物荷载时，地基的沉降是预压荷载卸去后的再压缩，此时最终产生的沉降值相当于（sf）p-（st）p+Δp，这样，建筑物基础的沉降就显著减少了。按照建筑物允许沉降的要求，以预压消除沉降的设计应满足式（4.54）的要求

式中：sa为建筑物的允许沉降值；t，ta分别为预压荷载的历时和施工期内允许的预压历时。

式中：[sf]p为设计荷载作用下基础的最终沉降值，可用常规分层总和法计算求得；ξ为考虑瞬时沉降影响的经验系数，ξ=1.1～1.4（对高压缩性土取高值，中等压缩性土取低值）；[st]p+Δp为预压荷载p+Δp作用下，相当于历时t，地基固结度为Ut引起的沉降值，考虑瞬时沉降的影响，可用式（4.56）求得。

式中：[sf]p+Δp为预压荷载p+Δp作用下的最终沉降值，可由式（4.56）求得。

因此，设计内容应包括：①确定预压荷载的大小；②预压要求达到的固结度或预压固结持续的时间。(www.xing528.com)

设计的步骤与方法为：①设定某一预压荷载（p+Δp），计算最终沉降值[sf]p+Δp，超载预压时Δp为正值，等载预压和部分荷载预压时，Δp为零或负值，超载应控制小于设计荷载的30%，如需要超载大于30%时，应采取多级加荷预压；②将式（4.45）代入式（4.42），计算设计要求达到的固结度[Ut]p+Δp和所需的预压持续的时间t，t可按式（4.58）计算为

式中：T1为加载结束时间；β为固结指数。

如果所得的固结历时t满足式（4.55）的要求，则设计完毕。否则需另设一预压沉降，直到满足上述设计要求为止。在实际工程中，还要埋设原位观测设备（沉降和孔隙水压力测点），利用实测沉降结果，检验实际的固结度，预测最终沉降值，以便确定实际要求的预压持续时间的长短和预压荷载的大小。

必须指出：堆载预压只能消除主固结沉降，不能消除次固结沉降。所以在预压之后，在建筑物荷载作用下，次固结沉降仍将继续发展。这一点应引起重视，因为次固结沉降不是一个固定不变的数值，它与所施加的预压荷载的大小、速率有关。如果所施预压荷载过大，使地基在预压固结过程中产生塑性剪切蠕变，将会导致地基强度衰减，降低地基承载力，沉降也将随时间发展而增大，最终导致预压失败。因此，在制订堆载预压计划时，必须注意控制施加预压荷载的大小和速率，避免出现过大的塑性蠕变。根据工程经验，施加每级预压荷载时，必须控制小于该地基经过预压强度增长后极限承载力的0.7倍（相当于安全系数1.3）。

（2）提高地基承载力与稳定性的预压设计。在强度较低的软土地基上建造荷载较大的建筑物时，为提高地基的承载力与稳定性，常采用排水固结预压法，加速地基固结与强度的增长。通过分级施加建筑物的自身荷载或堆载的方法，并控制加荷速率，即在前一级荷载作用下地基排水固结和强度增长后，再施加下一级荷载，以提高地基的承载力与稳定性，直至满足设计荷载的要求，如图4.45所示。因此，设计的内容应包括：①确定施加分级预压荷载的大小；②确定每一级荷载预压需要达到的固结度或预压持续的时间。始终保持地基强度的增长，满足施加下一级预压荷载的要求。设计的步骤与方法如下。

1）估算施加第一级荷载的大小。第一级荷载p1宜小于天然地基的承载力，对于堤坝地基或条形基础可按式（4.59）计算：

对于建筑物矩形或圆形基础可按式（4.60）计算：

式中：cu为天然地基不排水抗剪强度；Nc为承载力因数，矩形基础Nc=5.52，圆形基础Nc=6；k为安全系数，k=1.3～1.5；b为矩形基础的宽度或圆形基础的直径；l为矩形基础的长度；d为基础的埋置深度；γ为地基土的重度。

2）估算加荷速率和预压固结时间。根据工程经验，加荷速率不宜太快，以防止产生局部剪切破坏，为此控制加荷速率q.≤4～8kPa，则图中的。为了防止地基产生剪切破坏，在施加第一级荷载之后需恒载一段时间，待地基固结后才施加下一级荷载。恒载预压持续的时间（图4.45中T2-T1）可按式（4.61）计算

式中：t为瞬时加荷达到固结度Ut所需的时间；Ut为固结度，一般工程常要求Ut=70%～80%。

3）计算地基强度增长和估算第二级荷载的容许值。地基强度的增长值，可按式（4.51）计算τft值。然后将τft值代替式（4.59）或式（4.60）中的cu值，计算第二级荷载到达的p2值。

如果第二级荷载p2尚未达到设计荷载，可按此原理，重复上述步骤计算第三级、第四级、……荷载，直到达到设计荷载为止。

在实际工程中，除了按上述方法进行设计外，还要求设置现场原位监测系统，埋设沉降、水平位移和孔隙水压力等仪器设备，监视地基预压动态的发展，防止地基剪切破坏。对于重要工程还要预留十字板试验孔，检验地基强度的增长，验算地基的稳定性。

4.9.3.5　真空预压设计

（1）真空预压排水固结的原理。真空预压法是利用大气压力作为预压荷载的一种排水固结法，其作用原理如图4.48所示。

图4.48　真空预压原理示意

（a）预压布置；（b）预压原理
1—密封膜；2—铺纱；3—真空泵；4—垂直排水；5—抽气排水管

在拟加固的软土地基场地上，先打设竖向排水体和铺设砂垫层，并在其上覆盖一层不透气的薄膜，四周埋入土中，形成封闭。利用埋在垫层内的管道将薄膜与土体间的水抽出，形成真空的负压界面，使地基土体排水固结。在抽气之前，薄膜内外都受一个大气压的作用。抽真空之后，薄膜内的压力逐渐下降，稳定后的压力为pv，薄膜内外形成一个压力差Δp=p0-pv，称为真空度。此时，地基中形成负的超静孔隙水压力，使土体排水固结。在形成真空的瞬间，设t=0，超静孔隙水压力Δu=-Δp，有效应力Δσ′=0，随着抽气的延续，设0＜t＜∞时，地基在负压力作用下，超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐增长。最后固结结束（t→∞）时，Δu=0，Δσ′=Δp。这是真空预压的过程。由此可见，其排水固结过程与堆载预压的相似，相当于真空压力（吸力）下的排水固结。但是固结机理有所不同，堆载预压是正压荷载作用于土体引起孔隙水压力升高，并逐渐消散转化为有效应力作用于土骨架，使土体固结压缩；而真空预压则为负压（吸力）荷载固结，吸力把土中水吸出，把土骨架颗粒拉密，使土体压缩。因此，固结计算仍可以沿用砂井理论公式计算，但固结系数不能用常规的正压固结的固结系数，应采用负压条件下固结试验测定的固结系数。少数室内试验证明：负压固结系数比正压的大。同样情况，负压固结的压缩系数也比正压固结的压缩系数大。目前我国真空预压技术相对比较先进，真空度可达600～700mm汞柱，约相当于施加80～90kPa的预压荷载，每一次预压加固的面积可达1300m2。真空预压的优点主要是不需笨重的堆载，不会因施加预压荷载而失稳。此外，它可以和堆载预压联合使用。

（2）真空预压设计的内容。

1）确定真空预压排水体系的布置尺寸和性能要求。竖向排水体的布置间距及打入深度和水平排水层的厚度及范围等可按照前述堆载预压的情况考虑。采用塑料排水带为真空预压排水体时，其尺寸和通水量等性能应适当增大，即宜用宽150～200mm、厚8～12mm通水能力大于160cm3/s并具有一定强度和抗弯刚度的热黏复合排水带，目的是保证排水带在真空预压条件下排水通畅。在水平排水层上应布置真空预压排水管，其作用是传递真空负压力以及把预压固结流入的水排走。排水管有主管和支管，每一预压区内沿纵向布置1～2根直径为75～90mm的PVC硬管，沿横向每隔6m有一根直径为50～75mm滤水PVC软管支管。

2）真空预压密封装置设计。真空预压密封装置是在每一真空预压处理区范围内，上覆密封膜，并在四周开挖密封沟，将密封膜通过密封沟埋入黏土层内，把预压固结土层密封。密封膜一般用2～3层聚乙烯或聚氯乙烯膜叠合制成。密封膜应埋入黏土层内，深度不少于1.5m。若浅层有透水的砂层，应用薄膜将其隔断；若地基处理土层范围内有透水性良好的透水层，应注意用水泥搅拌桩把它隔断。

3）膜下真空度的确定。根据工程的具体条件，参考我国先进的真空预压技术经验，设计膜内真空度最低应达600mm汞柱（相当于预压荷载80kPa）。

4）确定真空预压分块的面积。根据预压加固地基工程场地的具体条件，把需要进行预压加固的范围，按便于实施真空预压技术出发，划分为若干分块，每一分块面积不宜太小，形状尽可能正方形。一般真空预压面积每块不超过1300m2。

5）确定真空预压设备需要的数量。真空预压设备需要的数量取决于预压处理地基的面积和形状以及土层的结构特点。一般情况下，根据预压加固地基需要处理的面积，按每台7.5kW的真空泵设备可控制1500m2来考虑确定所需的设备，再根据实际施工的条件适当做必要的增减。

6）真空预压设计与计算。为提高地基承载力和减少基底沉降的真空预压设计方法，可以参照前节（4.9.3～4.9.4）堆载预压的设计方法进行。但是必须注意，在进行固结、沉降和强度增长的计算时，应采用真空预压条件下的固结系数，才能获得符合实际的结果。

4.9.3.6　真空—堆载联合预压设计

（1）真空—堆载联合预压的原理。真空—堆载联合预压是利用真空预压和堆载预压两种荷载同时作用，增大预压荷载，使土中孔隙水排除，土体的压缩量和沉降量加大，地基强度的增长加快，这是提高预压效果的一种新方法。它弥补了单一真空预压荷载偏小的不足，也弥补了堆载预压大量堆载过于笨重，易出现剪切蠕变和剪切滑动的缺陷。其作用机理如图4.49所示。

图4.49　真空—堆载联合预压加固地基堆原理

（a）真空—堆载联合预压布置；（b）联合预压孔隙水压力与有效应力分布；
（c）预压荷载与沉降曲线

从图4.49（c）中可以看出：OA线为地基中天然静水压力线，施加真空预压后，形成负压荷载uf线（BB′线），施加堆载预压后形成正压荷载γsH线（CC′线），两者联合作用后，随时间发展，孔隙水压力消散，分别形成真空预压孔隙水压力线（左侧弧线）和堆载预压孔隙水压力线（右侧弧线）。两弧线包围的面积（中间空白部分）为真空堆载联合预压固结后剩余孔隙水压力面积，两荷载线（BB′和CC′线）包围的面积（BB′C′C）为真空堆载预压荷载的总面积。总荷载面积（BB′C′C）减去空白部分孔隙水压力面积则为总有效应力面积。配合预压荷载与沉降曲线图[图4.49（c）]可见，真空—堆载联合中，两种不同的预压荷载（正压和负压）是可以叠加的。两者联合预压，增大了预压荷载、有效应力面积，加速了孔隙水压力的消散，增大了预压固结效果，因而也能增大地基强度的增量。

（2）联合预压的设计。

1）选择联合预压合理的实施顺序。一般情况下先进行单一的真空预压，然后进行堆载与真空联合预压，先在真空预压荷载作用下固结，达到沉降渐趋于减缓、地基强度有所提高后，再开始进行分级堆载和真空联合预压。这样做地基比较稳定，不易出现剪切蠕变及塑性剪切破坏。

2）合理布置联合预压的排水体系。真空预压单独预压阶段，预压排水系统的布置尺寸及质量要求均可按真空预压法的要求设计；对于单独堆载预压阶段，施加荷载的大小分级，加荷的速率、预压的时间等均应在真空预压的基础上，按单独进行堆载预压的方法进行预压设计，确定分级加荷的大小和分级，加荷的速率及预压的时间等。联合预压的固结、沉降、强度增长和承载力稳定性的分析计算应分别采用相应的方法和参数进行计算，即堆载预压应采用常规的方法确定堆参数；真空预压则用负压条件的参数。

3）联合预压应注意的问题主要有：①为防止堆载过程中损坏密封膜，应在膜上和膜下分别增铺一层无纺土工布或编织布，进行有效的保护；②开始堆填第一层预压填土，应在真空预压达到设计标准后，稳定5～10d才能开始填筑，当下卧土层比较软弱时，压实度不宜要求过高，一般只要求达到0.88～0.90；③施加每一级堆载前，均应进行固结度、强度增长和稳定性的分析与验算，并配合现场监测结果，确定满足要求后，方能施加下一级荷载；对在一些特殊地段（如桥头高填土）和特殊的堆载（水等）采用联合预压法时，应根据实际情况，布置必要的监测，防止意外事故发生。