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1第四章排水固结法第一节概述我国沿海地区和内陆湖泊和河流谷地分布着大量软弱粘性土。这种土的特点含水量大、压缩性高、强度低、透水性差、很多情况埋藏较深。在软土地基上直接建造建筑物或进行填土时，地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和沉降差异，而且沉降的延续时间长，因此有可能影响建筑物的正常使用。另外，由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求而产生地基土破坏。所以这类软土地通常需要采取加固处理，排水固结法就是处理软粘土地基的有效方法之一。排水固结法是对天然地基，或先在地基设置沙井（袋装沙井或塑料排水带）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，地基发生沉降时，同时强度逐渐提高的方法。该法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压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。排水固结法是由排水系统和加压系统两个主要部分组成。加压系统，是为地基提供必要的固压力而设置的，它是地基土层因产生附加压力而发生排水固结。设置排水系统则是为了改善地基原有的天然排水系统的边界条件，增加孔隙水排出路径，缩短排水距离，从而加速地基土的排水固结进程。如果没有加压系统，排水固结就没有动力，既不能形成超静水压力，即使有良好的排水系统，孔隙水仍然难以排出，也就谈不上土层的固结。反之，若没有排水系统，土层排水途径少，排水距离长，即使有加压系统，孔隙水排出速度仍然慢，预压期间难以完成设计要求的固结沉降量，地基强度也就难以及时提高，进一步的加载也就无法顺利进行。因此，加压和排水系统是相互配合、相互影响的。当软土层较薄，或土的渗透性较好而施工期允许较长时，可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层，然后加载，土层中水沿竖向流入砂垫层而排出。当工程遇到透水性很差的深厚软土层时，可在地基中设置砂井等竖向排水体，地面连以排水砂垫层，构成排水系统。根据加压和排水两个系统的不同，派生出多种固结加固地基的方法，如图4.1.1所示。排水固结法是从简单的堆载预压这一传统处理方法发展起来的。由于细粒粘性土透水差，土层厚时，排水固结需耗费很长时间。20世纪30年代初，美国发明了砂井预载预压法，从而大大加快了粘性土排水固结速度。该法在全世界得到广泛应用。20世纪40年代初，瑞典的齐鲁曼等人发明了纸板排水法。这种方法可用于极软弱地基中设置竖向排水体。不仅排水体质量稳定，而且施工速度快、费用低。弥补了砂井排水的一些不足。1952年，瑞典皇家地质学院的研究人员提出了真空预压法加固软弱地基技术。该法无需堆载，利用2对载预压法加载法超载预压法建筑自重分级加载法加压系统真空预压降水预压电渗法排水固法联合法普通砂井竖向排水体袋装砂井排水系统塑料排水板其它（如柔性排水管等）水平排水体——砂垫层图4·1·1大气压力和空隙中负压加速排水固结，有一定的优越性。20世纪60年代末，日本的研究者改进了普通砂井，开发出质量更容易保证、直径大大缩小，施工更加方便、快捷的袋装砂井排水。20世纪70年代初期，日本有开发出渗透性良好、便于施工、质量更加稳定的塑料排水带，进一步完善和提高了竖向排水体施工技术。由此，可以清楚地看出，排水固结的各种方法都是在改进加压和排水两个系统基础上发展起来的。排水固结法可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（使地基土强度提高）在设置碎石桩使形成复合地基的试验，取得良好效果。又如美国跨越金山湾南端的Dumbarton桥东侧引道路堤场地，路堤下淤泥的抗剪强度小于5kpa，其固时间将需要30—40年，为了支撑路堤和加速所预计的2m沉降量,采用如下方案：1、采用土工聚合物以分布路堤荷载和减小不均匀沉降；2、使用轻质填料以减轻荷载；3、采用竖向排水体使固结时缩短到一年以内；4、设置土工聚合物滤网以防排水层发生污染等。第二节排水固结法原理在饱和软土地基中施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减小，地基发生固结变形。同时，随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度就逐渐增长，现以图4·2·1为例说明。当土样的天然固结压力为0时，其孔隙比为0e，在'~ce坐标上其相应的点为a点，当压力增加'，固结终了时为c点，孔隙比减小e，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的由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。如从c点卸3图4·2·1排水固结法增大地基土密度的原理除压力'，则土样发生膨胀，图中cef为卸荷膨胀曲线。如从f点再加压'，土样发生在压缩，沿虚线变化到c’，其相应的强度线如图中所示。从再压缩曲线fgc’，可清楚地看出，固结压力同样从'0增加'，而孔隙减小值为'e，'e比e小得多。这说明，如在建筑物场地先加一个和上部建筑物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（相当于膨胀曲线上从c点变化到f点）在建造建筑物（相当于在压缩曲线上从f点变化到c’点），这样，建筑物新引起的沉降即可大大减小。如果预压荷载大于建筑物荷载，即所谓超载预压，则效果更好。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，原来的正常固结粘土层将处于超固结状态，而使土层在使用荷载下的变形大为减小。将土在某一压力作用下，自由水逐渐排出，土体随之压缩，土体的密度和强度随时间增长的过程称为土的固结过程。所以，固结过程就是超静水压力消散、有效应力增长和土体逐步压密的过程。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u'(4·2·1)此时的固结度U表示为)/('uU(4·2·2)则加荷后土的固结过程表示为：t=0时,u,σ’=0,U=00t∞时,u+σ’=0,0U1t=∞时,u=0,σ’=0,U=1（固结完成）用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力σ，并使孔隙水压力u消散来增加有效应力σ’的方法。降低地下水位荷电渗排水则是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应的方法。真空预压是通过覆盖与地面的密封膜下抽真空膜内外形成气压差，使粘土层产生固结压力。地基土层的排水固结效果与他的排水边界有关。根据太沙基一维固结理论，2)/(HCTtvv，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。设置竖向排水体来增加排水路径、缩短排水距离是4加速地基排水固结行之有效的方法。如图4·2·2所示。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U80%，所需的时间要图4·2·2排水固结法原理(a)竖向排水情况(b)砂井地基排水情况几年至十几年之久。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，在天然地基中设置排水体，如图4·2·2(b)所示。这是土层中的孔隙水主要从平向通过砂井和部分丛竖向排出。所以砂井（袋装砂井或塑料排水带）的作用就是增加排水条件，缩短排水距离，加速地基土的固结、抗剪强度的增长和沉降的发展。为此，缩短了预压工程的预压期，在短期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成；加速地基土的强度增长，使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载增长的速率，以保证地基的稳定性，这一点无论从理论和实践上都得到了证实。排水固结法的应用条件，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，还必须有：1.预压荷载；2.预压时间；3.使用的土类条件。预压荷载是个关键问题，因为施加预压荷载后才能引起地基土的排水固结。然而施加一个与建筑物相等的荷载，这并非轻而易举的事，少则几千吨，大则数十万吨，许多工程因无条件施加预压荷载而不宜采用砂井处理地基，这时就必须采用真空预压法、降水预压法或电渗排水等等。堆载预压是在地基中形成超静水压力的条件下排水固结，称为正压固结；真空预压和降水预压是在负超静压力下排水固结，称为负压固结，其加固原理是类似的。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粘性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。砂井只能加速主固结而不能减少次固结，对有机质土和泥炭等次固结土，不宜采用砂井法。降低地下水位法、真空预压法和电渗法由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，所以它是用于很软弱的粘土地基。第三节设计与计算一、排水固结法的理论计算（一）地基固结度计算固结度计算是砂井地基设计中的一个重要内容。通过固结度计算可推算地基础强度增5长的加荷计划。如果已知各级荷载下不同时间的固结度，就可推算各个时间的沉降量。固结度与井布置、排水边界条件、固结时间和地基系数有关，计算之前，要先确定有关参数。砂井地基的固结理论都是假设荷载是瞬时施加的，所以首先介绍瞬间加荷条件下固结度的计算，然后根据实际加荷过程进行修正计算。1.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，则每个砂井的渗透途径如图4·3·1（b）所示。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：)///1/(/2222zrurrCtuuuv(4·3·1)当水平向渗透系数kh和竖向渗透系数kv不等时，则上适应为：)///1(//2222rrurCrCtuuhuv(4·3·2)式中t——时间Cv——竖向固结系数wvvrekC/)1(Ch——径向固结系数（或称水平向固结系数）whhrekC/)1(砂井固结理论中作如下解释：（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；（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。式（4.3.2）可用分离变量法求解为22zuCtuzvz(4·3·2a))1(22rurruCturrhz(4·3·2b)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6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。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：000uuuuuuzr(4·3·3a)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：000uuuuuuzr（4·3·3b）或以固结度表达为；(1-rZU)=(1-rU)(1-ZU)(4·3·4)式中rZU——每个砂井影响范围内圆柱的平均固结度；rU——径向排水的平均固结度；ZU——竖向排水的平均固结度。（1）竖向排水平均固结度ZU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：ZU=1-vTmmmem43,2,1222218(4·3·5)TV=2HtCV(4·3·6)式中m——正奇整数（1、3、5……）当ZU30%时，可采用下式计算：ZU=1-4228vTe（4·3·7）式中ZU——竖向排水平均固结度（%）；e——自对底数自然数，可取e=2.718；7TV——竖向固结时间因数，TV=CV2Ht；CV——土的竖向固结系数，CV=100kv(1+e1)/a·rw；kv——土的竖向渗透系数；e1——土的初始孔隙比；a——土的压缩系数；rw——水的重度；rw=10kN/m3t——固结时间，如何在逐渐增加，则从加荷历时一半起算；H——土层的竖向排水距离(cm)，单面排水时H为土层厚度，双面