地基固结沉降的主要原因是什么

6．3．1 排水固结法概述

排水固结法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)筑物建造以前,在场地先进行加载预压,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.

实际上,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.若当软土层厚度不大,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,并在其表面加载,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是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上的固结压力增加故而产生固结作用.排水系统和加压系统是相辅相成的.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.

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.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.

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,并利用其本身的质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.

6．3．2 设计计算

地基土的排水固结效果与其排水边界有关,根据固结理论,黏性土固结所需的时间与排水距离的平方成正比,如图6．3(a)所示.这是一种典型的单向固结情况,当土层较薄或土层厚度相对荷载宽度较小时,土中孔隙水可以由竖向渗流经上下透水层排出而使土层固结.但当软土层很厚时,所需固结的时间很长,为满足工程的要求,加速土层固结,最有效的方法是在地基中增加排水途径,如图6．3(b)所示,这是目前常用的由砂井或塑料排水板构成的竖向排水系统,以及砂层构成的横向排水系统.在荷载作用下,促使孔隙水由水平向流入砂井,竖向流入砂垫层,从而使固结时间可以大大缩短.

图6．3 排水法的基本原理

(a)竖向排水情况;(b)砂井地基排水情况

要使土体孔隙水排出,必须对土体施加荷载,所以,排水固结还必须配有加载系统.加载系统的形式和方法很多,目前,常用的方法有堆载法、真空法、降水法、联合法.

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注意安全.

(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,采取足够数目的试样以确定土的种类和厚度,土的成层程度,透水层的位置,地下水位的深度.

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.

(2)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,缩短孔隙水排出的途径,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),属于典型的排水固结法.典型的砂井地基剖面图如图6．4所示.

图6．4 典型的砂井地基剖面图

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筑物等工程.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,砂井排水法起不到有效的加固处理作用.

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.

①砂井布置.砂井布置包括确定砂井直径和间距、排列、长度、布置范围等.

a．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及施工方法有关.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;袋装砂井直径可为70~120mm.

砂井间距是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15~22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.

b．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,由于多边形作为边界条件求解很困难,为简化计,建议将每个砂井的影响范围用一个等面积的圆来代替,等效圆的直径与砂井间距的关系如下:

等边三角形布置:

de＝1．05l 　(6-5)

正方形布置:

de＝1．13l 　(6-6)

式中 de——等效圆的直径(m);

l——砂井间距(m).

c．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.当软黏土层较薄时,砂井应打穿黏土层.黏土层较厚但其间有夹层或砂透镜体时,砂井应尽可能打至砂层或砂透镜体.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.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.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.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容许的沉降量来确定.

d．砂井布置范围.砂井布置范围一般稍大于建筑物的基础范围.其扩大的范围一般可由基础的轮廓线向外增加2~4m.

②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,其厚度一般不应小于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倍的砂井直径.

③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,且含泥量不能大于3％.

(3)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,地基强度的增长,从而可以进行各级荷载下的地基稳定性分析.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,首先应确定有关的参数.

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.

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.砂井布置示意图如图6．5所示.

图6．5 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

①竖向排水平均固结度.对于土层为双面排水条件及土层中的附加压力为平均分布时,根据太沙基固结理论,某一时刻的平均固结度为:

式中 m——正奇数(1,3,5,…);

Tv——竖向固结时间因子;

H——竖向最大排水距离(m);

cv——竖向固结系数(m2/s);

t——固结时间(s);

a——土的压缩系数(k Pa－1);

e——孔隙比;

kv——竖向渗透系数(m/s);

γw——水的重度(k N/m3).

当Uz＞30％时,可采用下式计算:

②径向排水平均固结度.径向排水平均固结度可以根据下式计算:

式中 n——井径比;

de、dw——分别为砂井的影响直径、砂井的直径(m);

Th——径向排水固结时间因子;

ch——径向排水固结系数(m2/s);

kh——水平向渗透系数(m/s).

③总固结度.砂井地基的总固结度是由竖向排水和径向排水所组成的,可按下式计算:

式中 Uz——仅考虑竖向排水的平均固结度;

Ur——仅考虑径向排水的平均固结度.

在实际工程中,通常软黏土层的厚度总比砂井的间距大得多,所以,地基的固结度以水平排水为主,故经常忽略竖向固结,直接按式(6-11)计算,作为地基的平均固结度.

6．3．3 施工

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,主要应该抓住三个环节,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定都必须以此为目的.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.

6．3．4 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、沉降的观测、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:荷载作用范围以内地基的总沉降,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,地面沉降标志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,地面沉降标志应该有规律地布置在场地内,各个地面沉降标志之间的距离一般为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等经验系数,因此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.在地基加荷过程中,如果出现沉降速率突然加快的现象,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较快的沉降速率,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10~15mm/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.

地面水平位移标志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.真空度观测可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90k Pa,薄膜下真空度值大于80k Pa.

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,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,并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三个.