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岩土研究院

排水固结法设计的主要依据

349 2022-05-17 14:49:43

我国东南沿海和内陆广泛分布着海相、湖相以及河相沉积的软弱粘土层。这种土的特点是含水量大、压缩性高、抗剪强度低、透水性小且大都埋藏深厚。由于其高压缩性、低透水性,在建筑物荷载的作用下会产生较大的沉降和沉降差,而且沉降历时长,有可能影响建筑物的正常使用。另外,由于此地基具有天然强度低、压缩变形大以及明显的触变性等不良工程特性,使其在承载力、沉降和稳定性等方面均不能满足工程建设的要求。因此,为了解决上述间题,就高要对这类地基采取加固处理,排水固结法就是处理软粘土地基的一种行之有效的方法。该法是对天然地基或是先在地基中设置砂井等竖向排水体,然后利用建筑物本身的重量分级逐渐进行加载,也可以是在修建建筑物之前,利用其他重物对场地先进行堆载预压,使土体中的孔隙体积不断减少,孔隙水被慢慢排出,有效应力逐渐增长,地基发生固结沉隆,同时土体抗剪强度逐步提高。


排水固结可以解决以下两个问题;


①沉降问题 使地基的沉降在加载预压的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提高,从而提高地基的承载力和稳定性。排水固结是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成,图示如下∶


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排水系统的作用主要在于改变地基原有的排水边界条件∶增加孔隙水排出的路径、缩短排水距离。该系统是由水平排水垫层和竖向排水体组成。当软土层较薄或土的渗透性较好而施工周期较长时,可在地面仅铺设一定厚度的砂垫层,然后加载,土层中的水沿竖向直接流入砂垫层而排出。当工程中遇到深厚、渗透性差的软粘土层时,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。加压系统的主要作用在于使地基土中的有效应力增加面产生固结。排水系统是一种手段。若无加压系统,孔隙中的水就没有压力差,水也不会自然排出,地基也就得不到加固;若无排水系统,只增加固结压力,则由于排水边界条件未改变而在预压期间不可能尽快完成设计所要求的沉降量,强度不能及时提高,加载也就不能顺利进行。在地基中设置竖向排水体,常用的是砂井。它是先在地基中成孔.,然后灌以连续的砂使其密实而成。近年来袋装砂井在我国得到较为广泛的应用,它具有用料省、连续性好(砂井不致于因地基变形而折断)、施工方便等优点。由塑料芯板和滤膜外套组成的塑料排水板在工程上的应用也在日益增加,塑料排水板可以在工厂制作,运输方便,在没有砂料的地方尤为合适。在工程上广泛使用的、行之有效的增加固结压力的方法是堆载法。此外,还有真空法、降低地下水位法、电渗法和联合法等。采用真空法、降低地下水位法、电渗法不会象堆截法那样可能引起地基土的剪切破坏,所以较为安全,但操作技术较为复杂。


排水固结法设计的主要依据∶

①根据上部结构荷载的大小;

②地基土的性质;

③施工工期的要求。


排水固结法设计的主要内容;

①确定砂井的直径、深度、间距和排列方式;

②确定预压荷载的大小和预压时间。


排水固结的设计理论着重于以下几个方面;

①逐渐加戴条件下固结度的修正计算;

②地基强度增长的预计和与其相应的稳定性分析方法;

③最终沉降与沉降随时间发展的推算以及根据现场观测资料反算土的力学性质指标等。


排水固结法的施工工艺和施工机械随着该法的广泛应用也得到了发展。如打设袋装砂井和塑料板的两用设备就具有轻型、简便的优点。各地还因地制宜地研制了各种简易的施工设备。我国生产的塑料排水板已开始在工程中应用。真空预压、降水预压在工程中的预压也取得了良好的效果,积累了宝贵的经验。


工程实践经验告诉我们,排水固结法的周密设计计算和精心施工是必要的,但另一方面,由于受到理论发展水平的限制、复杂地质条件、施工以及自然界的变化因素的影响,计算结果和实际不一致的情况经常发生,因此对于大型的工程。必须通过现场试验,对设计精心调整和修正,然后付之正式施工。在现场应埋设一些必要的观测设备,按一定的指标来控制加载的速率,同时动态反馈的观测资料可作为修正设计和进行理论分析的依据。


作为综合处理手段,排水固结法可和其他地基加固的方法结合起来使用。如天津新港曾进行了先用真空预压使地基土的强度提高,然后再设置碎石桩使之形成复合地基的处理方法,取得了良好的效果。又如美国横跨旧金山湾南端的 Dumbarton 桥东侧引道路堤场地,该路堤下淤泥的抗剪强度小于5 kPa,其固结时间需要30~40年。为了支承路堤和加速所预计的2 m 沉降,采用了以下综合处理方法;①采用土工织物以分布路堤荷载和减小不均匀沉降;②使用轻质填料以减小荷载;③采用竖向排水体使固结时间缩短到一年以内;④设置土工织物滤网以防止排水层发生污染等(Mitchell,1981)。

我国于1953年首次将砂井堆载预压应用于加固船坞下的地基,随后在我国沿海平原和内陆湖泊沉积地区得到广泛应用。1959 年宁波铁路路堤试验段和舟山及宁波冷库工程中,也积累了一定的实践经验。20世纪 70年代测试较完整的预压工程有宁波的杜湖水库土坝地基和浙江炼油厂油地基工程。