固结试验土的预压荷载

排水固结法是对天然地基，或先在地基中设置砂井（袋装砂井或者塑料排水带）等竖向排水体，然后利用建筑物自重分级加载；或是在建筑物建造前预先在场地加载预压，使土体中的孔隙水排出，提前完成固结沉降，同时逐步提高强度的一种软黏土地基加固方法。

该法常用于解决软黏土地基的沉降与稳定问题，使地基沉降在加载预压期间基本或大部分完成，从而建筑物在使用期间不致产生过大的沉降与沉降差。同时，该法可增加地基土的抗剪强度，提高地基的承载力与稳定性。

饱和软黏土地基在荷载作用下，孔隙中的水被慢慢地排出，孔隙体积慢慢减小，地基发生固结变形，同时，随着超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。

现以图11-2为例给予说明。土样的天然固结压力为时，其孔隙比为e0，在坐标上其相应的点为a点，当压力增加Δσ′，固结终了时，变为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，一方面抗剪强度也得到提高。

如从c点卸除压力Δσ′，则土样回弹，图中cef为回弹曲线，如从f点再加压Δσ′，土样发生再压缩，沿虚线变化到c′点。从再压缩曲线fgc′可清楚地看出，固结压力同样从增加Δσ′，而孔隙比减小值为Δe′，比Δe小得多。这说明，如果在建筑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（相当于在回弹曲线上由c点变化到f点），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，建筑物所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，原来的正常固结黏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。

图11-2　排水固结法增大地基土密实度的原理

另外，土层的排水固结效果和它的排水边界条件有关。当土层厚度相对荷载宽度（或直径）比较小时，土层中孔隙水向上下面透水层排出而使土层发生固结［图11-3（a）］，称为竖向排水固结。

同时，根据一维固结理论，在达到同一固结度时，软黏土层固结所需要的时间与排水距离的平方成正比。软黏土越厚，一维固结所需要的时间越长。为了加速固结，最有效的方法是在天然土层中增加排水路径，缩短排水距离。

在天然地基中设置砂井或者塑料排水带等竖向排水系统，这时土层中的孔隙水主要通过砂井和竖向排出。砂井的作用就是缩短排水距离，使沉降提前完成，加速地基土强度的增长。如图11-3（b）所示。

图11-3　排水法原理

排水固结法主要适用于处理淤泥、淤泥质土及其他饱和软黏土。对于砂类土和粉土，因透水性良好，无须用此法处理，对于受污染的软黏土和强结构性软黏土地基加固工程不宜采用该法。

堆载预压法处理地基的设计应包括以下内容：

（1）选择竖向排水体，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度。

（2）确定预压区范围、预压荷载大小、荷载分级、加载速率和预压时间。

（3）计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形。

1）砂井排水固结的设计计算

（1）砂井设计

竖井地基的设计工作包括选择竖井类型，确定竖井的直径与间距、深度以及平面布置形式，计算竖井地基固结度。

① 竖井的类型

工程上采用的竖井有普通砂井、袋装砂井以及塑料排水板等。

② 砂井的直径和间距

砂井的直径和间距主要取决于黏土层的固结特性和工期要求。为了加速土层的固结，缩小井径比增大砂井直径效果好得多，宜采用“细而密”的方案。另外，砂井的直径还与施工方法有关。

常用的普通砂井直径可取300～500mm，袋装砂井直径可取70～120mm。塑料排水板已经标准化，一般相当于直径60～70mm。砂井的间距可按井径比选用，井径比（n）按下式确定：

n=de/dw　　（11-26）

式中：de——砂井有效排水范围等效圆直径（mm）；

dw——砂井直径（mm），普通砂井的间距可按n=6～8选用，塑料排水板和袋装砂井的间距可按n=15～22选用。

③ 竖井的深度

砂井的深度应根据建筑物对地基的稳定性、变形要求和工期确定。当压缩土层不厚、底部有透水层时，砂井应尽可能贯穿压缩土层；当压缩土层较厚，但间有砂层或砂透镜体时，砂井应尽可能打至砂层或透镜体；当压缩土层很厚，其中又无透水层时，可按地基的稳定性及建筑物变形要求处理的深度来决定。

按稳定性控制的工程，如路堤、土坝、岸坡、堆料场等，砂井深度应通过稳定分析确定，砂井长度应超过最危险滑弧面的深度2.0m。从沉降考虑，砂井长度宜穿透主要的压缩土层。

图11-4　砂井布置图

④ 砂井的布置和范围

排水井有两种平面布置方式：梅花形和正方形（图11-4）。假设每个砂井的有效影响面积为圆面积，如砂井间距为l，则等效圆（有效排水范围）的直径de与l的关系为：梅花形时，de=1.05l；正方形时，de=1.13l。由于梅花形排列较正方形紧凑和有效，所以应用较多。

砂井的布置范围应稍大于建筑物基础范围，扩大的范围可由基础轮廓线向外增大2～4m。

⑤ 砂垫层

在砂井顶面应铺设排水砂垫层，以连通各个砂井形成通畅的排水面，将水排到场地以外。砂垫层厚度不应小于0.5m；水下施工时，砂垫层厚度一般为1.0m左右。

（2）地基固结度计算

① 竖向平均固结度U，可按下式计算：

式中：Tv——竖向固结时间因数，。

如果考虑逐级加荷，则时间t从加荷历时的一半起算，如为双面排水，H取土层厚度的一半。

② 根据Barron的解法计算径向平均固结度Ur

式中：TH——水平向固结时间因数，；

CH——水平固结系数（cm2/s），；

KH——水平渗透系数（cm/s）；

F——与n有关的系数，；

n——井径比，n=de/dw，一般n取4~12。

③ 砂井的平均固结度为

Urz=1-（1-Ur）（1-Uz）　　（11-29）

（3）预压荷载

预压荷载的大小应根据设计要求确定。对于沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压处理，超载量大小应根据预压时间内要求完成的变形量通过计算确定，并宜使预压荷载下受压土层各点的有效竖向应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加应力。

单元堆载面积要足够大，用来保证深层软黏土地基加固效果，堆载的顶面积不小于建筑物基底面积。

严格控制加荷载速率，分级荷载大小要适宜，保证在各级荷载下地基的稳定。

对于超软黏土地基，首先应该设计好持力垫层，对其分级荷载大小、施工工艺要精心设计，避免对土的扰动和破坏。

2）地基土抗剪强度增长的预估

有效固结压力法是采用只模拟压力作用下的排水固结过程，不模拟剪力作用下的附加压缩的方法。对于荷载面积相对于土层厚度比较大的排水固结预压工程，这样的模拟大致是合理的。土的强度变化可以通过剪切前的竖向有效固结压力表示。对正常固结饱和黏性土地基，某点t时刻的抗剪强度τft可按下式计算：

τft=τf0+ΔσzUttanφcu　　（11-30）

式中：τf0——地基土的天然抗剪强度（kPa）；

Δσz——预压荷载引起的该点的附加竖向应力（kPa）；

Ut——该点土的固结度；

φcu——三轴固结不排水压缩试验求得的土的内摩擦角。

3）沉降计算

预压荷载作用下地基的最终沉降量可按下式计算：

式中：e0i——第i层中点土自重应力所对应的孔隙比，由室内固结试验e-p曲线查得；

e1i——第i层中点土自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比，由室内固结试验e-p曲线查得；

hi——第i层土层厚度（m）；

ξ——经验系数，对正常固结饱和黏性土地基可取ξ=1.1～1.4，荷载较大、地基土较软弱时取较大值，否则取较小值。

真空预压法是通过在砂垫层和竖向排水体中形成负压区，在土体内部与排水体间形成压差，迫使地基土中水排出，地基土体产生固结。

1）真空预压法的加固机理

真空预压在抽气前，薄膜内外均承受一个大气压pa的作用，抽气后薄膜内外形成一个压力差（称为真空度），首先是砂垫层，其次是砂井中的气压降至pv，使薄膜紧贴砂垫层，由于土体与砂垫层和砂井间的压差，从而发生渗流，使孔隙水沿着砂井或塑料排水板上升而流入砂垫层内，被排出塑料薄膜外；地下水在上升的同时，形成塑料板附近的真空负压，使土体内的孔隙水压形成压差，促使土中的孔隙水压力不断下降，地基有效应力不断增加，从而使土体固结。土体和砂井间的压差，开始时为pa—pv，随着抽气时间的增长，压差逐渐变小，最终趋向于零，此时渗流停止，土体固结完成。所以真空预压过程，实质为利用大气压差作为预压荷载（当膜内外真空度达到600mmHg，相当于预压荷载80kPa），使土体逐渐排水固结的过程。

真空预压法适用于超软黏性土以及边坡、码头等地基稳定性要求较高的工程地基加固，土愈软，加固效果愈明显。

相对于堆载预压法，不需要大量堆载，可省去加载和卸载工序，节省大量原材料、能源和运输能力；所用设备和施工工艺比较简单，无须大量的大型设备，便于大面积使用；无噪声，无振动，无污染，可做到文明施工。

2）真空预压法的设计要点

（1）竖井

砂井的砂料应选用中砂，其渗透系数应大于1×10-2cm/s；竖井一般采用袋装砂井或塑料排水板，其尺寸、排列方式、间距和深度等参照本节“砂井设计”确定。

（2）膜内真空度

膜内真空度应均匀分布，且稳定地保持在650mmHg以上；竖井深度范围内土层的平均固结度应大于90%。

（3）预压区面积和形状

真空预压效果与预压区面积大小及长宽比有关。实测资料表明，预压面积越大，加固效果越明显。真空预压区边缘应该大于建筑物基础轮廓线，每边增加量不得小于3.0m，每块预压区相互连接，形状应尽可能为正方形。

（4）沉降计算

首先应计算加固前建筑物荷载下天然地基的沉降量，后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使用荷载下可能发生的沉降。