砂井法设计

4.3.1　砂井法设计

砂井法设计包括水平排水体和竖向排水体设计。

1）水平排水体设计

水平排水体作为水平排水通道，其基本要求为①具有良好的透水性和一定厚度的过水断面，保证排水畅通；②在荷载作用下不被拉裂、变薄、错位；③具有反滤性能，避免淤堵。水平排水体设计包括材料选择和厚度确定。

（1）水平排水体材料选择

水平排水体材料一般可选用含泥量少，透水性好的中粗砂，含泥量应小于5%，渗透系数以达到10^－2cm／s最佳，砂料中可混有少量粒径小于50mm的砾石，当应无其他杂质和有机质。若无理想的砂料来源，亦可选用符合排水条件的碎石料，碎石的粒径小于10cm。

当砂石材料缺乏或造价较高时，可在地面沿竖向排水体顶面铺设一条透水软管或塑料盲沟，直接通往加固区边缘排水沟，形成水平排水系统。

土工布可作为砂石垫层的辅助材料，主要起隔离、均匀和一定的加筋作用。

（2）水平排水垫层厚度

水平排水垫层的厚度一方面要满足地基对其排水能力的要求，另一方面要满足起持力层的作用。对高速公路工程来说，一般不小于30～50cm。

2）竖向排水体设计

竖向排水体包括排水体类型、直径、间距、深度、排列方式、范围等。

（1）竖向排水体类型选择

如前所述，竖向排水体主要有普通砂井、袋装砂井、塑料排水板（带）等。竖向排水体类型的选择应根据地基加固工程的特点、土层性质、深度、材料来源、施工条件等方面的比较来确定。

与砂井相比，塑料排水板具有质量稳定、重量轻、连续性好、运输方便、施工高效、造价低等优点，在公路工程中应优先采用。塑料排水带由具有竖向排水通道的塑料芯板和外覆透水滤布两部分组成。芯板一般采用聚乙烯、聚丙烯等树脂材料制成。塑料排水带根据芯板的形式分为十字形板、长城形板和乱丝形板等；根据滤布和芯板的结合形式分为分体式板和整体式板；根据产品是否具有测深功能分为可测深和不可测深排水板。塑料排水板的性能和质量要求包括：

①塑料排水带的滤布应具有良好的渗透性和反滤性；

②塑料排水带整体在打入地基后应有足够的通水能力；

③塑料排水带整体应具有一定的弹性和抗拉强度，以满足储运、施工，具有化学稳定性，不溶解、不膨胀、不污染环境等；

④塑料排水带整体应成型良好，尺寸满足要求等。

塑料排水带的具体技术指标要求分别见表4.1、表4.2、表4.3、表4.4所示^［16］。

表4.1　塑料排水带外观质量要求

表4.2　SPB100系列塑料排水带技术要求

表4.3　SPB150系列塑料排水带技术要求

表4.4　SPB200系列塑料排水带技术要求

注：塑料排水带代号取塑料、排水、板三个词的汉语拼音首位字母，即为SPB。塑料排水带的命名分为三部分，第一部分为代号；第二部分为根据芯板宽度划分的系列，分为100mm、150mm、200mm、300mm、400mm、500mm；第三部分为根据芯板厚度划分的型号，每种系列根据排水板芯板的厚度分为A、B、C、D四种型号，厚度分别为≥3.2mm、≥3.7mm、≥4.2mm、≥5.7mm。例如：某种塑料排水带芯板的宽度为100mm，芯板厚度为3.5mm，这种塑料排水板命名为SPB100－A。

当采用袋装砂井时应满足以下要求：

①袋装砂井的直径一般为7～10cm，砂料应为洁净的中粗砂，不均匀系数小于4，直径大于0.5mm砂的含量宜占总重的50%以上，含泥量小于3%，渗透系数应大于5×10^－3cm／s；

②砂袋应可选用聚丙烯等编织布，抗拉强度应能保证承受砂袋自重，一般宜大于40kN／m，渗透系数大于1×10^－2cm／s，有效孔径O₉₅＜0.08mm；

③砂袋中应灌满砂，灌实率不得小于95%。

（2）砂井直径和间距

砂井直径和间距主要取决于土的固结特性和施工期限的要求。竖向排水体的间距，要满足工程设计对固结度的要求，其值与地基土的固结特性、允许预压时间、排水体类型、布置方式、通水能力、施工扰动程度以及工程经验有关。一般来说，普通砂井直径可取300～500mm，多采用400mm，井径比常采用n＝6～8。袋装砂井直径一般为70mm，井径比常采用n＝15～30。设计时，可先假定井距，再根据固结理论计算地基固结度，若不能满足要求，则可缩小井距或延长施工期。

亦可据下列公式进行试算：

式中：l——排水带间距（cm）；

　c_H——地基土水平固结系数（cm²／s）；

　t——工程允许预压的时间（s）；

　d_w——排水体的直径（cm）；

　U_rz——允许预压时间内工程要求达到的固结度，一般取80%。

根据工程经验，试算时排水带或袋装砂井的间距一般取1～2m。

塑料排水带的作用和设计计算方法与砂井排水法相同，由于其截面呈条带状，应进行当量直径换算，设塑料板宽为b，厚度为δ，则换算直径可按下式计算：

式中：α——换算系数，为0.75～1。

Hansbo等（1979）按与砂井等周长的原则，应α＝1；Atkinson和Eldred（1981）认为，由于存在角效应，α应小于1，约为π／4，因此：

我国工程经验表明，对标准型（宽度b＝100mm，厚度δ＝3.5～4mm）的塑料带，施工长度在10～15m，挠度在10%以下时，可取α＝1。

（3）砂井深度

砂井深度主要决定于按稳定和变形影响确定的需要加固地基的深度范围。当软土层不厚、底部有透水层时，砂井应尽可能穿透软土层；当深厚的压缩土层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；对于无砂层的深厚地基则可根据其稳定性及建筑物在地基中造成的附加应力与自重应力之比值确定（一般为0.1～0.2）；按稳定性控制的工程，如路堤、土坝、岸坡、堆料等，砂井深度应通过稳定分析确定，砂井长度应大于最危险滑动面的深度2m；砂井长度一般为10～25m。

（4）砂井排列

砂井在平面上可布置成正三角形（梅花形）或正方形，以正三角形排列较为紧凑和有效。

正方形排列的每个砂井，其影响范围为一个正方形，正三角形排列的每个砂井，其影响范围则为一个正六边形。在实际进行固结计算时，由于多边形作为边界条件求解很困难，Barron建议每个砂井的影响范围由多边形改为一个等面积圆（图4.8）来求解。等效圆直径与排水体间距的关系如下：

式中：d_e——砂井的等效排水体直径；

　l——砂井间距。

图4.8　砂井平面布置及有效影响区域剖面

（5）砂井布置范围

砂井的布置范围一般比建筑物基础范围稍大为好。这是因为在基础以外一定范围内，地基中仍然产生由于建筑物荷载而引起的压应力和剪应力。如能加速基础外地基土的固结，对提高地基的稳定性和减少侧向变形以及由此引起的沉降均有好处。一般可由基础的轮廓线向外增大2～4m。