排水固结法：解决软黏土地基沉降问题

5 排水固结法

5.1 概 述

排水固结法(consolidation)是对天然地基加载预压,或者先在天然地基中设置普通砂井、袋装砂井或塑料排水板等竖向排水体,然后利用建(构)筑物本身的重量分级逐渐加荷;或是在建(构)筑物建造之前,在场地上先行加载预压,使土体中的孔隙水排出,土体逐渐固结,地基发生沉降,同时地基强度逐步提高的一种方法。

排水固结法常用于解决软黏土地基的沉降和稳定问题。

(1)对于沉降问题,排水固结法可以使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成,保证建(构)筑物在使用期间不至于产生过大的沉降和沉降差。

(2)对于稳定问题,排水固结法可以加速地基土抗剪强度的增长,从而提高地基的承载力和稳定性。

排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组成的。

排水系统可由在天然地基中设置的竖向排水体和在地面铺设的水平排水砂垫层组成,也可以利用天然地基土层本身的透水性排水。如当软土层厚度不大,或者土层的渗透性较好且施工工期较长时,只需在地面上铺设一定厚度的砂垫层,并在砂垫层的表面加载,则土层中的水流入水平砂垫层而排出。

竖向排水体可选择普通砂井、袋装砂井或塑料排水板。设置排水系统的主要目的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。

加压系统的作用是使地基土的固结压力增加因而使土体产生固结作用。

排水系统和加压系统是相辅相承的。如果没有加压系统,孔隙中的水没有压力差就不会自然排出,地基也就得不到固结;如果不缩短土层的排水距离,只增加固结压力,也不可能在预压期间尽快地完成设计所要求的沉降量,使加载不能顺利进行。

图5-1　排水固结简图

根据排水系统和加压系统的不同,排水固结法可以分为砂井堆载法(包括袋装砂井、塑料排水板等)、堆载预压法、真空预压法、降低地下水位法、电渗法和联合法等加固方法(图5-1)。

排水固结法能否获得满足工程要求的实际效果,取决于地基土层的固结特性、土层厚度、预压荷载和预压时间等因素。如果软土层厚度不太大(<5m)或固结系数比较大(Cv>1×10-2cm2/s)时,则不需要很长时间,地基土就可获得较好的预压效果;反之,如果饱和软土层比较深厚(>10m),而固结系数又比较小(Cv<1×10-3cm2/s)时,则排水固结所需时间很长,堆载预压的地基处理方法就受到了限制。

排水固结法适用于处理淤泥、淤泥质土和冲填土等饱和黏性土地基。

在实际工程中,如路堤、土堤等,主要利用排水固结法来增加地基土的抗剪强度,缩短工期,并利用其本身的重量分级逐渐施加荷载,使地基土的强度逐渐提高,以适应上部荷载的增加,最后达到工程的设计荷载。对沉降要求较高的建(构)筑物(如飞机场的跑道),常采用超载预压的方法加固地基。

排水固结法的设计,主要是根据上部结构荷载的大小、地基土的性质以及工期要求等确定竖向排水体的直径、间距、深度和排列方式,确定预压荷载的大小和预压时间,使经过加固后的地基满足建(构)筑物对变形和稳定性的要求。

排水固结法可以和其他地基处理方法结合起来使用,作为综合处理地基的手段。如天津新港曾进行了真空预压(提高地基土强度)再设置碎石桩而形成复合地基的试验研究,并取得了良好的加固效果。

5.2 排水固结法的原理

排水固结法的原理是:饱和软土地基在荷载作用下,土中孔隙水慢慢排出,孔隙体积不断慢慢减小,地基发生固结变形。同时,随着超静孔隙水压力的逐渐消散,有效应力逐渐提高,地基土强度逐渐增长。

图5-2　排水固结法增大地基土密度的原理

现以图5-2为例进行说明。当土样的天然固结压力为σ'c时,其孔隙比为e0,在e-σ'c坐标上对应的点为a点,当压力增加Δσ'至固结终了时对应c点。孔隙比减小Δe,曲线abc称为压缩曲线。与此同时,抗剪强度与固结压力成比例地由a点提高到c点。所以,土体在受压固结时,一方面孔隙比减小产生压缩;另一方面抗剪强度也得到提高。如果从c点卸除压力Δσ',则土样发生膨胀,图中cef为卸荷膨胀曲线。如果从f点再加压Δσ',土样发生再压缩,沿点画线变化到c'。其相应的抗剪强度包线如图中所示。从再压缩曲线fgc'上可清楚地看出,固结压力同样增加Δσ',而孔隙比减小值为Δe',Δe'比Δe小很多。这说明,如果在建筑场地预先加上一个和上部建筑物荷载相同的压力进行预压,使土层固结(相当于压缩曲线上从a点变化到c点),然后卸除荷载(相当于在压缩曲线上从c点变化到f点),之后再建造建筑物(相当于在压缩曲线上从f点变化到c'点)。这样的话,建筑物所引起的沉降就可以大大减小。如果施加的预压荷载大于建筑物的荷载(所谓的超载预压),则加固效果会更好。因为经过超载预压,当土层的固结压力大于使用荷载下的固结压力时,原来的固结黏土层将处于超固结状态,从而使土层在使用荷载下的变形大为减小。

在荷载作用下,土层的固结过程实质上就是土层中超静孔隙水压力消散和有效应力增加的过程。设地基内某点的总应力为σ,有效应力为σ',超静孔隙水压力为u,根据经典土力学中的TerzaghiK的饱和土有效应力原理,三者应有以下关系

σ'=σ-u

例如,堆载预压法就是利用填土等外加荷载来增加土层所受的总应力σ,并使软土中的超静孔隙水压力u消散,从而增加其有效应力σ'的方法。

土层的排水固结效果与它的排水边界条件有关。如图5-3(a)所示的排水边界条件,即土层厚度相对荷载宽度(或直径)而言来说比较小,这时,土层中的孔隙水将向上面、下面透水层排出而使土层固结,这称为竖向排水固结。根据太沙基饱和土一维渗透固结理论,黏性土土层固结所需的时间与排水距离的平方成正比,土层越厚,固结延续的时间越长。因此,可以用增加土层的排水途径、缩短排水距离的方法来加速土层的固结,这是最有效的方法。

砂井、塑料排水板等竖向排水体就是为此目的而设置的,如图5-3(b)所示。此时,土层中的一小部分孔隙水从竖向排出,而大部分孔隙水是从水平向通过砂井排出的。砂井缩短了土层的排水距离,因而大大提高了软土地基的固结速率,这一点在理论上和工程实际中都得到了证实。

图5-3　排水法的原理
(a)竖向排水情况;(b)砂井地基排水情况

必须指出,排水固结法除了要有砂井(袋装砂井或塑料排水带)的施工机械和材料外,还必须要有预压荷载、预压时间以及合适的土类等条件,这一点应引起我们足够的重视。

排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和黏性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。真空预压法适用于能在加固区形成(包括采取措施后形成)稳定负压边界条件的软土地基。而降低地下水位法、真空预压法和电渗法由于不会增加地基土的剪应力,地基不会产生剪切破坏,所以适用于很软弱的黏土地基。

5.3 排水固结法的设计与计算

排水固结法的设计,实质上在于根据上部结构荷载的大小、地基土的性质和工期要求,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;确定预压荷载的大小和预压时间。要求做到:加固时间尽量短,地基土固结沉降快,地基土强度得以充分增加及安全可靠。

5.3.1 收集资料

在进行设计以前,应该进行详细的岩土工程勘察和土工试验,以取得必要的设计计算参数资料。对以下各项资料应特别加以重视。

(1)土层条件。通过适量的钻孔绘制出土层剖面图,采取足够数目的土样以确定土的种类和厚度,土的成层程度,透水层的位置,地下水位深度。

(2)固结试验。固结压力与孔隙比的关系曲线,固结系数。

(3)软黏土层的抗剪强度及沿深度的变化情况。

(4)砂井及砂垫层所用砂料的粒度分布、含泥量等。

5.3.2 设计过程

排水固结法的设计与计算可参照图5-4的流程进行。

图5-4　排水固结法设计流程图

5.4 砂井堆载预压法

在地基土中打入砂井,利用砂井作为竖向的排水通道,缩短孔隙水排出的路径,并且在砂井顶部铺设水平砂垫层,再在砂垫层上部施加荷载,以增加地基土中的附加应力。在附加应力作用下,地基土中产生超静水压力,并将孔隙水排出土体,使地基土提前固结,以增加地基土的强度,这种方法就是砂井堆载预压法(简称砂井法)。

1925年,美国的Daniel E Moran最早将垂直砂井法用于费城—奥克兰海湾大桥公路的软土地基深层加固,并于1926年取得专利。美国加利福尼亚州公路局于1933—1934年间进行了室内与现场试验,并于1934年建造了第一个砂井工程。1941年开始将此法应用于美国东部地区。与此同时,Terzaghi K也采用了这种方法。

砂井法问世以来,早期由于缺乏理论根据而只能按照经验设计,直到1940—1942年,Barron基于Terzaghi K的固结理论,提出了砂井法的设计与计算方法。20世纪50年代以后,砂井法逐步得到发展。到目前为止,砂井法的理论计算方法已经达到比较完善的水平。

我国是从20世纪50年代起才开始应用砂井法的,至今已经积累了许多宝贵的实践经验,理论水平也有了较大的提高。典型的砂井地基剖面见图5-5。

图5-5　典型的砂井地基工程剖面

砂井法主要适用于没有较大集中荷载的大面积分布荷载或填土堆载的工程,例如水库土坝、油罐、仓库、铁路路堤、储矿场以及港口的水工建(构)筑物(码头、防浪堤)等工程。对泥炭土、有机质黏土和高塑性土等土层,由于土层的次固结沉降占了相当大的部分,因此砂井排水法起不到有效的加固处理作用。

5.4.1 砂井设计

砂井地基的设计工作包括选择适当的砂井排水系统所需的材料,砂井直径、间距、深度、排列方式、布置范围以及砂垫层的布置范围、铺设厚度等,以便使地基在堆载过程中达到所需要的固结度。

砂井布置包括确定砂井直径、间距、深度、排列方式、布置范围以及砂垫层的布置范围、铺设厚度等。

(1)砂井直径和间距。砂井的直径和间距,主要取决于黏性土层的固结特性和施工期限的要求。

根据砂井设计理论,当不考虑砂井的井阻和涂抹作用时,缩小井距要比增大砂井直径的效果好得多,因此,应根据“细而密”的原则把握井径和砂井间距的关系。另外,砂井的直径和间距还与砂井的类型和施工方法有关。如果砂井直径太小,当采用套管法施工时,容易造成灌砂量不足、缩颈或者砂井不连续等质量问题。工程上常用的砂井直径,一般为300～500mm;袋装砂井直径可小到70～120mm。

砂井间距指两个相邻砂井中心的距离,它是影响土层固结速率的主要因素之一。砂井间距的选择不仅与土层的固结特性有关,还与黏性土的灵敏度、上部荷载的大小以及施工工期等因素有关。工程上常用的井距,一般为砂井直径的6～8倍,袋装砂井的井距一般为砂井直径的l5～30倍。设计时,可以先假定井距,再计算地基的固结度,若不能满足要求,则可缩小井距或延长施工期。

(2)砂井排列。砂井在平面上可布置成等边三角形(梅花形)或正方形,其中以等边三角形排列的砂井较为紧凑和有效。

对于等边三角形排列的砂井,其影响范围为一个正六边形。正方形排列的砂井,其影响范围为一个正方形。在实际进行固结度计算时,由于将多边形作为边界条件求解很困难,因此为简化起见,Barron建议将每个砂井的影响范围用一个等面积的圆来代替,等效圆(图5-6)的直径de与砂井间距l的关系如下:

为等边三角形排列时,

为正方形排列时,

式中:de为等效圆的直径,m;l为砂井间距,m。

(3)砂井长度。砂井的作用是加速地基固结,而排水固结的效果与固结压力的大小成正比。

砂井长度的选择应根据软土层的分布、厚度、荷载大小、工程要求(如施工工期)以及地基的稳定性等因素确定。砂井长度一般为10～25m。

1)当软黏土层较薄时,砂井应打穿黏土层。

2)当黏士层较厚但其间有砂层或砂透镜体时,砂井应尽可能打至砂层或砂透镜体。

3)当黏土层很厚,其中又无透水层时,可按地基的稳定性以及建筑物沉降所要求的处理深度来决定。

4)若砂层中存在承压水,由于承压水的长期作用,黏土中存在超静孔隙水压力,这对黏性土的固结和强度增长都是不利的,所以宜将砂井打到砂层,利用砂井加速承压水的消散。

5)对于以地基稳定性控制的工程,如路堤、土坝、岸坡、堆料场等,砂井深度应通过稳定性分析确定,砂井深度至少应超过最危险滑动面深度2m。

6)对于以沉降控制为主的工程,砂井长度可从加载后的沉降量满足上部建筑物的允许沉降量来确定。

(4)砂井布置范围。砂井的布置范围—般稍大于建筑物的基础范围。扩大的范围一般可由基础的轮廓线向外增大约2～4m。

图5-6　砂井布置示意图
(a)砂井布置立面图;(b)正方形平面布置;(c)正三角形平面布置;(d)孔隙水渗流路径

(5)排水砂垫层。在砂井顶面应铺设水平排水砂垫层,使砂垫层与竖向砂井连通,引出从土层中排入到砂井中的渗流水,并将水排到工程场地以外。

砂垫层应该形成一个连续的且厚度一定的排水层,其厚度一般为0.5m左右(水下砂垫层厚度约为1.0m)。如砂料缺乏,可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。

砂垫层的宽度应大于堆载宽度或建筑物的基底宽度,并伸出砂井区外边线2倍砂井直径。

(6)砂料。砂垫层的用砂粒度应与砂井的用砂粒度相同。宜选用中粗砂,且中粗砂的含泥量不能大于3%。

5.4.2 砂井地基固结度的计算

固结度的计算是砂井地基设计中一个很重要的内容,因为通过固结度的计算,可以推算出地基强度的增长,从而可以进行各级荷载作用下的地基稳定性分析,并确定相应的加荷计划。如果已知各级荷载作用下不同时间的固结度,就可以推算出加荷期间各个时间段的地基沉降量,以便确定预压加荷的期限。

砂井地基固结度与砂井布置、排水边界条件、固结时间以及地基固结系数有关,计算之前,先要确定有关的参数。

现有的砂井理论都是假定上部荷载是瞬时施加的,所以,在此首先需要介绍瞬时加荷条件下的固结度计算方法,然后再根据实际的加荷过程,进行砂井地基固结度的修正计算。

1.瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算

在瞬时加荷条件下,砂井地基固结度的计算是建立在太沙基固结理论和巴伦固结理论基础上的。

如果软黏土层单面排水,那么每个单井的渗透路径可如图5-6(d)所示。在一定的荷载压力作用下,土层中的渗流水沿着竖向和径向流动。所以,砂井地基属于三维固结轴对称问题。三维固结轴对称的固结微分方程在圆柱坐标中可以表示为[设任意点(r,z)处的孔隙水压力为u]

如果径向(水平)渗透系数kh和竖向渗透系数kv不同,式(5-3)可改写为

式中:Ch为径向(水平)固结系数;Cv为竖向固结系数,cm2/s,Cv=为固结时间,s。

用分离变量法求解式(5-4),即分解为

式中:uz为竖向孔隙水压力,kPa;ur为径向孔隙水压力,kPa。

亦即将式(5-4)分解为竖向固结和径向固结两个偏微分方程。再根据起始条件和边界条件,分别求解竖向固结偏微分方程和径向固结偏微分方程,即求出两个方向上的超孔隙水压力uz和ur,或者用总平均固结度表示为

式中：为每个砂井影响范围内圆柱的平均固结度;为径向排水的平均固结度;为竖向排水的平均固结度。

需要注意,对以上的砂井固结理论作了如下假设:

1)每个砂井的有效影响范围是一个圆柱体;

2)砂井地基地表在连续均布荷载作用下,地基土仅产生竖向的压密变形;

3)荷载是瞬时一次加上去的,加荷开始时,外荷载全部由孔隙水压力承担;

4)在整个压密过程中,地基土的渗透系数保持不变;

5)不计井壁涂抹作用(如采用沉管成井时,井管涂抹井壁,使土层渗透系数降低)。

下面分别来求式(5-6)中的径向排水平均固结度和竖向排水的平均固结度。

(1)径向排水平均固结度。Barron求得在等应变条件下的为

式中:Th为径向固结度的时间因数,Th=Cht/d2e;de为每个砂井有效影响范围的直径,m;F为与n有关的系数,,F与n的关系可查表5-1得到;n为井径比,为砂井直径,m。

表5-1　F与n的关系

如果已知土层的径向固结系数Ch、固结时间t、砂井间距l和砂井直径dw,就可以算出时间因素Th和井径比n,根据Th和n查表5-2,即可得到相应的径向固结度。

表5-2　径向固结度和时间因素Th及井径比n的关系

(2)竖向排水平均固结度。根据经典土力学中的太沙基饱和土一维渗透固结理论,当土层双面排水或者土层中的附加压力均匀分布时,某一时间的竖向固结度为

式中:n为正奇整数,如1,3,5,…。

当>30%时,式(5-8)可简化为

式中:Tv为竖向固结的时间因数(无因次);e为自然对数的底,可取e=2.718;H为土层的竖向排水距离,cm,当土层单面排水时,H为土层厚度,当土层双面排水时,H为土层厚度的一半。

根据不同的边界条件,可以绘制出关系曲线,见图5-7和图5-8。将已知的竖向固结系数Cv、固结时间t和排水距离H代入公式(5-9)求出Tv,再根据边界条件查图5-7或图5-8或查表5-3,即可求得。

图5-7　双面排水条件下和Tv的关系

图5-8　各种边界条件下和Tv的关系

(3)总平均固结度。将式(5-7)和式(5-10)代入式(5-6)中,即得>30%时的砂井总平均固结度为

式中:

当砂井间距较小或软土层很厚,或者Ch≥Cv时,竖向平均固结度的影响很小,常可忽略不计,径向平均固结度是主要的因素。

表5-3　和Tv的关系

由于井阻和井壁涂抹作用对砂井地基的固结效果影响不可忽视,所以,在砂井地基固结度计算中应予以考虑,有关计算方法可参考相关资料。

(4)砂井未打穿整个受压土层的平均固结度计算。在实际工程中,经常遇到较厚的软土层,而砂井又没有穿过整个受压土层(图5-9)。这时,砂井地基固结度的计算可分为两部分。

1)砂井深度范围内地基的平均固结度,按式(5-11)计算;

2)砂井以下部分受压土层按竖向固结度计算(假设砂井底面为一排水面)。

则整个压缩土层的平均固结度由下式计算

式中:为砂井部分土层的平均固结度;为砂井以下部分土层的平均固结度;a为砂井打入深度与整个压缩层厚度的比值,即

2.逐级加荷条件下地基固结度的计算

在实际工程中,荷载总是分级逐渐施加的,因此,必须对上述瞬时加荷的固结度进行修正。修正的方法有太沙基修正法和改进的高木俊介法。理论上可以证明,前者是近似的,而后者是比较精确的。

(1)太沙基修正法。对于分级加荷的情况,太沙基修正法假定:

图5-9　砂井未打穿整个受压土层的情况

1)每一级荷载增量Pi所引起的固结过程是单独进行的,和上一级荷载增量所引起的固结度无关;

2)总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加;

3)每一级荷载增量Pi在等速加荷经过时间t的固结度与在t/2的瞬时加荷的固结度相同,即计算固结的时间为t/2;

4)在加荷停止后的恒载作用期间的固结度,即时间t大于Ti(Ti为Pi的加载期)时的固结度与在Ti/2时瞬时加荷Pi后经过时间(t-Ti/2)的固结度相同;

5)这样计算得到的固结度仅是对本级荷载而言的,对总荷载需要再按照荷载的比例进行修正(图5-10)。

图5-10　二级等速与瞬时加荷的固结过程

下面以二级等速加荷为例,对于最终荷载p而言的砂井地基平均固结度(图5-11)可由下面公式计算。

①当t<T1时,

②当T1<t<T2时,

图5-11　二级等速加荷过程
(a)当t<T1时;(b)当T1<t<T2时;(c)当T2<t<T3时;(d)当t>T3时

③当T2<t<T3时,

④当t>T3时,

对于多级等速加荷的情况,可以依此类推,并归纳出如下计算公式

式中:为多级等速加荷t时刻经修正后的平均固结度;为瞬时加荷条件的平均固结度; Tn-1、Tn分别为每级等速加荷的起点时间和终点时间(时间从0算起),当计算某一级荷载加荷期间t时刻的固结度,将Tn改为t;Δpn为第n级荷载的增量,如计算加荷过程中某一时刻t的固结度,则用该时刻相对应的荷载增量。

(2)改进的高木俊介法。改进的高木俊介法通常将实际荷载简化为多级等速加荷,根据巴伦理论,按照变速加荷,使砂井地基在径向和竖向排水条件下推导出砂井地基的平均固结度。修正后的平均固结度为

式中:为多级等速加荷t时刻经修正后的平均固结度;ΣΔp为各级荷载的累加值,为第n级荷载的平均加荷速率,kPa/d;α、β为参数,β见公式(5-12);其他符号含义同前。

表5-4列出了不同条件下的固结度计算公式。

值得一提的是,初始孔隙水压力、井壁涂抹作用和砂料的阻力等都会影响砂井地基的固结度计算,这与公式推导的假设条件有关,这类问题目前还未得到合理的解决,因此不再赘述。

表5-4　不同条件下的固结度计算公式

5.5 地基抗剪强度的预测

在预压荷载作用下,随着排水固结过程的延续,地基土的抗剪强度随之增长,地基中的剪应力也随着荷载的增加而增大。在一定条件下,由于软土的剪切蠕动,尚有可能导致地基土的强度衰减。因此,加荷速率的恰当与否,与地基土是否被剪切破坏密切相关。如果对加荷速率控制不当,使地基中剪应力的增大超过了由于土层固结而引起的强度增长,地基就会发生局部剪切破坏,甚至产生整体剪切破坏。

地基中的某一点,在任一时刻的抗剪强度τf可以表示为

式中:τf0为地基中某点加荷前的天然抗剪强度,可用十字板剪切或无侧限抗压强度试验、三轴不排水剪切试验测定,kPa;Δτfc为由于地基固结而增长的抗剪强度增量,kPa;Δτfτ为由于软土的剪切蠕动而引起的抗剪强度衰减量,kPa。

目前,常用有效应力法和有效固结压力法来预估地基土抗剪强度的增长。

5.5.1 有效应力法

式(5-20)中的Δτfτ目前还没有合适的计算方法,所以将该式改为

式中:η为考虑软土的剪切蠕动和其他因素对其强度影响的综合性折减系数,可取0.8～0.85。如果判定地基土不可能产生强度衰减,则取η=1.0。

对正常固结的饱和软黏土,其抗剪强度用有效应力可以表示为

式中:c'为土的有效黏聚力,kPa;φ'为土的有效内摩擦角,(°);σ'为剪切面上的法向有效正应力,kPa。

公式(5-22)可用最大有效主应力σ'1表示为

令 　　　　K=sinφ'cosφ'/(1+sinφ')

则由于地基土的固结而增加的抗剪强度增量Δτfc为

或　　　　　

或　　　　　

式中:Ui为地基中某点的固结度,可以用平均固结度 来代替;K为安全系数。

将式(5-24c)代入式(5-21)可得

5.5.2 有效固结压力法(www.xing528.com)

此法采用只模拟压力作用下的排水固结过程,而不模拟剪力作用下的附加压缩,这样的模拟对于荷载面积相对于土层厚度比较大的预压工程大致是合理的。对于正常固结的饱和软黏土,其强度变化为

式中:σ'c为剪切面上的有效固结压力;φcu为由固结不排水剪切试验测定的土的内摩擦角。

所以,由于地基排水固结而增加的地基土抗剪强度增量Δτfc可表示为

同理,对于超固结土,则有

对于欠固结土,有

式中:σ'c为这一点的超固结压力,kPa,σc=pc-σsz;pc为土层的先期固结压力,kPa;σsz为土层的现有自重应力,kPa;u0为在自重作用下土层中该点的孔隙水压力,kPa。

5.6 稳定性分析

稳定性分析是路堤、土坝以及岸坡等以稳定性控制为主的工程设计中的一项重要内容。对于预压工程,在加荷预压过程中,每级荷载下地基的稳定性都必须进行验算,以保证工程安全、经济、合理,并达到预期的效果。通过稳定性分析,可以解决下列问题:

(1)天然地基在其天然抗剪强度条件下的最大堆载量;

(2)预压过程中各级荷载下地基的稳定性;

(3)最大的允许预压荷载值;

(4)理想的堆载计划。

在软黏土地基上建造堤坝或者进行堆载预压,其破坏经常是由于地基的不稳定即剪切破坏而引起的。当软土层较厚时,地基的滑裂面近似为一圆弧面,而且切入地面以下一定深度。对于砂井地基或含有较多薄粉砂夹层的黏土地层,由于其良好的排水条件,在进行稳定性分析时,应该考虑地基在填土等荷载作用下会产生固结而使土的强度提高。

现有的地基稳定性分析方法很多,这里仅介绍一种较为实用的方法,即当地基抗剪强度沿深度增加时的稳定分析方法。

图5-12为一个在软黏土地基上建造的堤坝断面,滑动圆弧 同时切过坝体和地基,抗滑动稳定安全系数定义为

式中:M抗为滑动圆弧上剪切阻力对圆心的力矩,kN·m;M滑为滑动体重量对圆心的力矩,kN·m。

图5-12　地基抗剪强度随深度增加时稳定性分析图

式(5-30)中的滑动力矩为

式中:Wi为第i条土块的重量;di为第i条土块的质心至滑动圆弧圆心的水平距离;n为土条块的数量。

地基土部分的滑动力矩由于圆心垂线两侧对称,其土的重力作用线通过圆心,不必计算。式(5-30)中的抗滑力矩为

对正常固结的饱和软黏土地基

式中符号意义见图5-12所示,其中的λ为地基抗剪强度沿深度的增长率。

式中: 的同心角,以弧度计。

式中:ηm为坝体抗滑力矩折减系数,可取0.6～0.8;η为强度指标折减系数,可取0.5;Cu、φu为坝体土的抗剪强度指标,由固结不排水剪切试验确定。

将式(5-31)、式(5-32)代入式(5-30),即可得到坝体的抗滑稳定安全系数

(5-37)

此处得到的抗滑稳定安全系数是任意选定的滑动圆弧破坏面。因此,应该选用不同圆心和不同半径的滑动圆弧重复进行计算,直至找到最小抗滑稳定安全系数对应的圆弧,该滑动圆弧就是最危险的滑动面。规范要求的最小抗滑稳定安全系数Kh≥1.2～1.5。

5.7 沉降计算

对于以沉降为控制条件的工程,例如堤坝、道路等,沉降计算的目的在于估算堆载预压期间的沉降发展情况、预压时间、超载大小以及卸荷后所剩余的沉降量,以便调整排水系统和加压系统的设计参数。对于以稳定性为控制目标的工程,通过沉降计算,可以估算出工程施工期间由于地基沉降而额外增加的土石方量,并估计工程完工以后尚未完成的剩余沉降量,以便作为预留沉降高度的依据。

建筑物地基某时刻t的总沉降量可表示为

式中:sd为瞬时沉降量,m;sc为固结沉降量,m;ss为次固结沉降量,m。

次固结沉降量ss的大小和土的性质有关。泥炭土、有机质土或高塑性的黏性土土层,在次固结沉降中占有很可观的部分,而其他土层则所占比例不大。在建筑物的使用年限内,如果次固结沉降经过判断可以忽略不计时,则地基的最终沉降量s∞可以按下式计算

软黏土的瞬时沉降量sd一般按照弹性理论公式计算。在目前工程中,土层的固结沉降量sc经常采用单向压缩分层总和法进行计算。

5.7.1 瞬时沉降量的计算

当软土层的厚度很大,作用于地基上的圆形或矩形面积上的压力为均匀分布时,瞬时沉降量sd可按下式估算

式中:p为均布荷载,kN;b为荷载面积的直径或宽度,m;E为土的弹性模量,MPa;μ为土的泊松比;Cd为考虑荷载面积形状和沉降计算点位置的系数,可查表5-5得到。

表5-5　半无限弹性体表面各种均布荷载面积上各点的Cd值

5.7.2 单向压缩固结沉降量的计算

单向压缩固结沉降量一般采用分层总和法计算,即

式中:e0i为第i层土中计算点之自重应力所对应的孔隙比;e1i为第i层土中计算点之自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比;Δhi为第i层的土层厚度,m。

e0i和e1i可以从室内土样固结压缩试验所得的e-σ'c曲线上查得。

5.7.3 最终沉降量的计算

计算土层的瞬时沉降量sd时,由于其中的弹性模量和泊松比不容易准确判定,因此计算结果的精确度受到一定影响。根据国内外建筑物实测沉降资料的分析结果,可以将式(5-39)改写成

式中:φs为沉降计算经验系数,与地基变形特性(弹性或塑性变形)、荷载条件、加荷速率等因素有关,通常取1.1～1.4,对荷载较大的砂井地基可取1.3～1.4。

在荷载作用下,地基的沉降随时间的发展可表示为

式中:st为t时刻地基的沉降量, 为t时刻地基的平均固结度。

对一次瞬时加荷或者一次等速加荷结束以后,任何时间的地基沉降量可由上式改写为

对于多级等速加荷的情况,应该对sd作加荷修正,使其与修正的固结度相适应,则上式可写成

式中:pt为t时刻荷载的累计值,kPa;ΣΔp为总的累计荷载,kPa。

5.8 其他排水固结方法

排水固结法除了上述重点介绍的砂井堆载预压法以外,还有天然地基加载顶压法、真空预压法、降低地下水位法和电渗法等方法,下面分别作简单介绍。

5.8.1 天然地基加载预压法

天然地基加载预压法(preloading)是在建(构)筑物建造以前,在建筑物场地对天然地基进行加载预压,使地基的固结沉降基本完成并提高地基土强度的方法。

1.堆载预压法

堆载预压法可以根据土质情况分为单级加荷或者多级加荷,根据堆载的材料分为自重预压、加荷预压和加水预压。堆载预压法的原理如图5-13所示。

图5-13　堆载预压法

2.加载预压法的计算步骤

具体的计算步骤是:首先用简便的方法确定一个初步的加荷计划,然后再校核在该级加荷计划下地基的稳定性和沉降。

(1)利用天然地基的抗剪强度计算第一级允许施加的荷载p1,对饱和软黏土可以采用下面的公式估算

式中:K为安全系数,建议采用1.1～1.5;cu为天然地基的不排水抗剪强度,kPa;γ为基底标高以上地基土的重度,kN/m3;D为基础埋深,m。

(2)计算第一级荷载下地基强度的增长值。在p1荷载作用下,经过一段时间的预压,地基强度会有所提高,提高以后的地基强度为

式中:η为考虑剪切蠕动及其他因素的强度折减系数;Δc'u为p1作用下地基因固结而增长的强度,kPa。

(3)计算第一级荷载p1作用下达到所确定固结度需要的时间。目的在于确定第一级荷载p1停歇的时间,亦即第二级荷载p2开始施加的时间。

(4)根据(2)所得到的地基强度cul,计算第二级所能施加的荷载p2。第二级荷载p2可以近似地按照下式估算

并求出在p2作用下地基固结度达到70%时的地基强度及其所需要的时间,然后计算第三级所能施加的荷载p3。依次可以计算出以后的各级荷载和停歇的时间。

(5)按照以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载作用下地基的稳定性验算。如果地基的稳定性验算不满足要求,则需要调整加荷计划。

(6)计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。其目的在于确定预压荷载卸除的时间。这时地基在预压荷载下所完成的沉降量已经达到设计要求,所残余的沉降量是建(构)筑物所允许的。

图5-14　超载预压法

3.超载预压法

对沉降有严格要求的建(构)筑物,可以采用超载预压法处理软土地基,即采用大于建筑物设计荷载的超载进行预压,但超过的荷载量不能过大,应根据实际工程情况决定,这样可以加速软土地基的固结过程(图5-14)。

经过超载预压后,如果受压土层各点的有效竖向应力大于建(构)筑物荷载引起的相应点的附加总应力,那么今后在建(构)筑物荷载作用下,地基土将不会再发生主固结变形,而且次固结变形也将减小,并推迟次固结变形的发生。

超载预压法可以缩短软土地基的预压时间。在预压过程中,任一时间地基的沉降量可以表示为

式中:st为t时刻地基的沉降量,m;sd为由于剪切变形而引起的瞬时沉降量,m;为t时刻地基的平均固结度;sc为地基的最终固结沉降量,m;ss为地基的次固结沉降量,m。

式(5-49)可以用于确定所需的超载压力,以保证在使用(或永久)荷载作用下,土层预期的总沉降量在给定时间内完成,也可以确定在给定超载压力下,达到预期沉降量所需要的时间。

5.8.2 真空预压法

真空预压(vacuum preloading)法是首先在需要加固的软土地基表面铺设一层透水砂垫层或砂砾垫层,然后埋设垂直的排水通道,如普通砂井、袋装砂井或塑料排水板,再用不透气的塑料薄膜或者橡胶布覆盖在透水砂垫层表面,使其与大气隔绝,薄膜四周埋入土中并密封,通过砂垫层内埋设的吸水管道,用真空泵进行抽气,先后在地表砂垫层和竖向排水通道内形成负压,使土体内部与排水通道、砂垫层之间形成压力差。在此压力差作用下,地基中的孔隙水不断地从排水通道中排出,从而使土体固结,如图5-15和图5-16所示。

真空预压法适用于饱和均质黏性土、含薄层砂夹层的黏性土,特别适用于新吹填土、超软土地基的加固,但不适用于在加固范围内有足够水源补给的透水土层,以及无法堆载的倾斜地面和施工场地狭窄的地方。

图5-15　典型工程真空预压工艺设备平面和剖面图

图5-16　用真空方法增加的有效应力

真空预压法在抽气后薄膜内气压逐渐下降,薄膜内外形成一个压力差,此即称为真空度。由于土体与砂垫层、普通砂井(袋装砂井或塑料排水板)之间的压力差,使孔隙水沿着砂井或塑料排水板上升而流入砂垫层内,并被排出塑料薄膜外;地下水在上升的同时,形成塑料排水板附近的真空负压,使土体内的孔隙水压形成压力差,促使土体中的孔隙水压力不断减小,地基土的有效应力不断增加,促使土体固结,直至加固区土体与排水体中的压力差趋向于零,此时水的渗流停止,土体的固结完成。所以,真空预压的过程实质上就是土体在总应力不变的条件下,孔隙水压力不断降低、有效应力不断增加的过程,也就是利用大气压力差作为预压荷载,使土体逐渐排水固结的过程。

真空预压法的设计主要包括密封薄膜内的真空度、加固土体要求达到的平均固结度、竖向排水体的长度以及加固后的沉降和施工工艺设计等。

1.膜内真空度

真空预压法的加固效果与密封薄膜内所能达到的真空度大小关系很大。根据我国国内的一些工程实践经验,在采用合理的工艺和设备的前提下,密封薄膜内的真空度一般可以维持600mmHg高,相当于80kPa的真空压力,可将该值作为最低膜内设计真空度。

2.平均固结度

加固土体要求达到的平均固结度一般可采用80%,如果工期许可,也可以采用更大一些的固结度,作为设计要求达到的平均固结度。

3.竖向排水体

一般采用袋装砂井或塑料排水板。袋装砂井或塑料排水板能够将真空度从砂垫层中传递到土体中,并将土体中的孔隙水抽至砂垫层中再排出。因此,真空预压法处理地基时,一定要设置竖向的排水体,否则达不到加固地基的目的。竖向排水体规格、排列方式、间距和深度的确定,可以参看砂井排水固结法的设计计算。

抽真空的时间与土质条件和竖向排水体的间距密切相关。竖向排水体的间距越小,土体达到相同固结度所需的时间越短(表5-6)。

4.沉降计算

沉降计算分两部分。先计算加固前天然地基在建筑物荷载作用下的沉降量,然后再计算真空预压期间所完成的沉降量,两者之差即为预压后在建筑物荷载作用下可能产生的沉降。预压期间完成的沉降可根据设计要求达到的土层平均固结度来推算加固区所增加的平均有效应力,再从压缩曲线上查出相应的孔隙比进行计算。

表5-6　袋装砂井间距与所需时间关系表

对于承载力要求高、沉降限制严的建筑物,可以采用真空-堆载联合预压的方法加固地基。工程实践表明,真空预压和堆载预压的效果是可以叠加的,但真空预压和堆载预压必须同时作用。

真空预压的面积不得小于基础外缘的面积,一般真空的边缘应比建筑物基础外缘大3m,且每块预压的面积应尽可能大。根据加固要求,每块预压面积可彼此搭接或者有一定的距离。加固面积越大,加固面积与周边长度之比也越大,气密性越好,真空度就越高(表5-7)。

表5-7　真空度与加固面积关系表

真空预压的关键是密封薄膜良好的气密性,使预压区与大气层隔绝。一旦在加固区发现透气层和透水层时,就可以在塑料薄膜周边采用水泥土搅拌桩的壁状加固体密封措施。

真空预压法一般可以达到相当于78～92kPa的堆载预压法等效荷载的加固效果。

真空预压法处理地基,除了应进行地基变形和孔隙水压力观测外,还应该量测封闭膜下的真空度和砂井不同深度处的真空度,测试的真空度应该满足设计要求。

5.8.3 降低地下水位法

降低地下水位法是指利用井点降水,使地下水位下降,以增加土的自重应力,达到预压加固的目的。由于地基土自重应力的增加,将导致地基发生附加沉降。降低地下水位,使地基中的软土承受了相当于水位下降高度的水柱重量,因而地基产生固结。如图5-17所示。

降低地下水位法最适用于砂性土地基,或在软黏土层中存在砂土或粉土的情况。对于深厚的软黏土层,经常在土层中设置砂井,并采用井点法来降低土层中的地下水位,以加速土层的固结。当应用真空装置降水时,地下水位可以降低5～6m。

图5-17　降低地下水位和增加有效应力的关系
(a)天然地下水;(b)有压地下水

降水方法的选用与土层的渗透性关系密切,可参考表5-8。

表5-8　各类井点的适用范围

在实际工程应用中,应该考虑降低地下水位法所产生的环境影响,尤其是在大面积抽取地下水的时候,必须考虑地下水位下降而引起的土的自重应力增加,导致地基土发生附加沉降,以及对周围环境产生不利的影响。

5.8.4 电渗法

在地基土中插入金属电极并通以直流电,在直流电场的作用下,地基土中的孔隙水从阳极流向阴极,这种现象称为电渗。如果将汇聚在阴极的水排除,而且在阳极不加以补充的话,那么土层就会固结,引起地基土层的压缩变形。

电渗法可以应用于饱和粉土和粉质黏土、正常固结黏土中;在孔隙水电解浓度低的情况下,采用电渗法是经济和有效的。在实际工程中,可以利用电渗法降低黏土中的含水量和地下水位,以提高土坡和基坑边坡的稳定性。利用电渗法也可以加速堆载预压饱和黏性土地基的固结和提高强度等。

电渗法加固处理黏土地基的工程实践经验不是很多,其设计计算的方法和理论也不成熟。例如,金属电极的长度和间距的选取,直流电的电流和电压大小的确定,等等,同时还要考虑施工过程中的安全问题等。这些还有待于进行大量的理论研究工作和工程实践经验积累,才有望解决。

5.8.5 真空-堆载联合预压法

当地基预压荷载大于80kPa时,应在真空预压抽真空的同时再施加定量的堆载,这种方法称为真空-堆载联合预压法。真空预压与堆载预压联合加固,其加固效果是可以叠加的,因为它们符合有效应力原理,并且已经过工程实践证明。真空预压是逐渐降低土体的孔隙水压力,不增加总应力;而堆载预压是增加土体总应力,同时使孔隙水压力增大,然后逐渐消散。

两者叠加,既抽真空降低孔隙水压力又堆载增加总应力,使孔隙水压力增大,然后消散。开始时抽真空使土中孔隙水压力降低,有效应力增大,经过不长时间(7～10d)后,在土体保持稳定的情况下堆载,使土体产生正孔隙水压力,并与抽真空产生的负孔隙水压力叠加。正、负孔隙水压力叠加,转化的有效应力为消散的正、负孔隙压力绝对值之和。现以瞬间加荷为例,对土中任一点m的应力转换加以说明。不同时刻土中m点总应力和有效应力见表5-9。

表5-9　土中任意点(m)有效应力与时间转换关系

注:m点的深度为hm,地下水位与地面齐平,堆载量为Δσ1,土的有效重度为γ',水的重度为γw,大气压力为pa,抽真空土中m点的大气压力逐渐降至pn,t时的固结度为Ut。

对一般软黏土,当膜下真空度稳定地达到80kPa后,抽真空10d左右可进行上部堆载施工,即边抽真空,边连续施加堆载。对高含水量的淤泥类土,当膜下真空度稳定地达到80kPa 后,一般抽真空20～30d可进行堆载施工;荷载大时可分级施加,分级数通过稳定计算确定。

在进行上部堆载之前,必须在密封膜上铺设防护层,保护密封膜的气密性。可采用编织布或无纺布等作为防护层,其上铺设100～300mm厚的砂垫层,然后再行堆载。堆载时宜采用轻型运输工具,但不得损坏密封膜。在进行上部堆载施工时,应密切观察膜下真空度的变化,发现漏气,应及时处理。

采用真空-堆载联合预压法,既能加固软土地基,又能较大幅度地提高地基承载力,其工艺流程如图5-18所示。

图5-18　真空-堆载联合预压法工艺流程

真空-堆载联合预压施工时,除了要按真空预压和堆载预压的要求进行以外,还应注意以下几点:

(1)堆载前要采取可靠措施保护密封膜,防止堆载预压时刺破密封膜;

(2)堆载底层部分应先采用颗粒较细且不含硬块状的堆载物,如砂料等;

(3)选择合适的堆载时间和荷重。

5.9 排水固结法的实施和质量检验

5.9.1 排水固结法的实施

排水固结法加固软黏土地基是一种比较成熟、应用广泛的地基处理方法。以往的工程实践经验告诉我们,排水固结法周密而合理的设计虽然非常重要,但是,对其施工更不可掉以轻心,否则,设计所预期的加固效果非但不能达到,甚至还有可能造成工程事故。另外,由于受到相应的理论发展水平限制,排水固结法的设计计算结果与实际工程情况的差距总是存在的,有时甚至还比较大。因此,对于重要工程,必须通过现场试验,对原设计进行调整和修正,然后才能开始正式施工。并且要在施工现场埋设一定数量的观测设备,以便在施工过程中根据观测所得到的测试资料,对设计和施工工作作出及时的、必要的修正和改进。

从施工角度来看,要保证排水固结法的加固效果,主要应该抓住3个环节:即铺设水平排水垫层,设置竖向排水体,施加固结压力。抓好前两个环节也就是保证了排水系统的畅通,真正能起到排水作用。所以,排水系统施工方法的选用和施工方法的制订都必须以此为目的。而抓好第三个环节,就能保证工程的顺利进行,避免工程事故的发生。第三个环节中最为重要的是严格控制加荷速率,使地基强度的提高与剪应力的增长相适应。

排水固结法加固软黏土地基的各种施工方法,可以参考相关的施工技术资料。

5.9.2 排水固结法的质量检验

排水固结法加固地基施工中经常进行的质量检验和检测项目有:孔隙水压力观测、沉降观测、侧向位移、真空度观测、地基土的物理力学指标检测等。

1.现场观测

排水固结法施工过程中应进行现场观测,观测的主要内容有以下几项。

(1)沉降观测。沉降观测是地基工程中最基本也是最重要的观测项目之一。观测内容包括:荷载作用范围内地基的总沉降,荷载作用范围以外的地面沉降或隆起,分层沉降以及沉降速率等。

对于堆载预压工程,地面沉降标应沿着场地对称轴线设置,即场地的中心、坡顶、坡脚和场地外10m范围均需设置,以便掌握整个建筑场地的沉降和地面隆起情况。

对于真空预压工程,地面沉降标应该有规律地布置在场地内,各个地面沉降标之间的距离一般在20～30m,边界内外适当加密。

深层沉降一般采用磁环或者在场地中心设置一个测孔,测孔中的测点位于各个土层的顶部。

由于实测的沉降资料可用于推算地基的最终沉降量s∞、β等经验系数,因而沉降观测是验证现有理论和发展理论的重要依据。更为重要的是,沉降观测可以直接反映地基土的稳定情况。在地基加荷的过程中,如果出现沉降速率突然增大的现象,说明地基土可能已经产生了较大的塑性变形。如果地基连续几天出现大的沉降速率,就有可能导致地基的整体破坏。因此,可以根据地基的沉降速率来控制加荷速率,以便保证工程的安全。一般情况下,地基的沉降速率可以控制在10～20mm/d的范围内。

(2)孔隙水压力观测。目前经常采用钢弦式孔隙水压力计、双管式孔隙水压力计进行现场的孔隙水压力观测。

根据孔隙水压力的观测结果,可以得到孔隙水压力与时间变化的曲线、孔隙水压力与荷载的关系曲线。由孔隙水压力与时间变化的曲线,可反算地基土的固结系数,推算该点不同时间的固结度,从而推算地基土的强度增长;由孔隙水压力与荷载的关系曲线,可以判断该点是否达到极限破坏状态,用来避免因加载速率太大而造成的地基破坏。

对于堆载预压工程,一般在场地的中心、堆载的坡顶处、堆载的坡脚处的不同深度的地方设置孔隙水压力观测仪器。对于真空预压工程,只需在场地内布置若干个测孔。测孔中各个测点之间的垂直距离一般为1～2m。不同土层也应该设置测点,测孔的深度应大于被加固地基的深度。

(3)地基土水平位移观测。水平位移观测包括边桩水平位移和沿深度的水平位移观测两部分。它是控制堆载预压加荷速率的重要手段之一。

地面水平位移标一般由木桩或者混凝土桩制成,布置在预压场地面积的对称轴线上、场地边线的不同距离处。深层水平位移由测斜仪测定,测孔中的测点距离一般为1～2m。

孔隙水压力和地基土水平位移观测资料除了可用于验证理论外,也是揭示地基稳定性的重要标志。如果孔隙水压力和荷载坡脚处的侧向变形突然增大,则表明地基已处于危险状态,这时就应立即采取停止加荷等必要措施,以保证地基的安全和稳定。

由于软黏土地基的复杂性,对于加荷速率问题,目前很难制定出一个统一的标准。工程实践经验表明,只有把沉降、孔隙水压力、侧向变形等观测结果加以综合分析,并注意加荷结束后数天内它们的发展趋势,才有可能正确地判断地基是否处于危险状态。

(4)真空度观测。真空度观测分为真空管内真空度、薄膜下真空度和真空装置的工作状态几项。薄膜下真空度能够反映整个场地加载的大小和均匀程度。薄膜下真空度测头应该分布均匀,每个测头监控的预压面积为1000～2000m2;抽真空期间,一般要求真空管内的真空度值大于90kPa,薄膜下真空度值大于80kPa。

(5)地基土的物理力学指标检测。通过对比场地加固前后地基土的物理力学指标,可以更直观地反映出排水固结法的加固效果。

2.竣工后的质量检验

采用不同的排水固结方法加固软土地基,工程竣工后的质量检验也有所不同。对预压法而言,竣工验收应符合下列规定。

(1)竖向排水体的处理深度范围内、竖向排水体底面以下的受压土层,经过预压所完成的竖向压缩量和平均固结度应满足工程设计要求。

(2)对堆载预压法在不同的堆载阶段,应对预压的地基土进行不同深度的十字板抗剪强度试验,并取样进行室内土工试验,以验算地基的抗滑稳定性,同时检验地基的处理效果。必要时,还应进行现场载荷试验,且试验点数不应少于3个。

思 考 题

1.什么是排水固结法?其基本原理是什么?该法适用于处理何种地基土?

2.排水固结法要取得良好的预压固结效果,与什么条件有关?

3.试述排水固结预压法加固地基的设计内容。

4.简述砂井堆载预压的排水固结分类方法。

5.写出砂井未贯穿软土情况的平均固结度表达式。

6.什么是真空预压法?什么是降低地下水位法?什么是电渗法?