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第五讲-地基处理2009年讲稿1


河海大学

地基处理 第 11 讲
沈才华 * 2009年





换 填 法
预 压 法 强 夯 法 复合地基概论 特殊地基处理





特殊性岩土
在岩土工程界,特殊性岩土主要包 括黄土、冻土、膨胀性岩土、盐渍土、 软土等。对于特殊性岩土的定名、工程 性质评价,不同部门基于自身建设的需 要,都不尽相同。

软土、软弱土
软弱土:淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土以及 其它高压缩性土。

@ 淤泥和淤泥质土:第四纪后期在冰海、湖泊、河(江) 滩、三角洲、冰碛等地质环境下沉积而成,还有部分冲 填土和杂填土。 @ 冲填土:在治理和疏通江河时,用挖泥船或泥浆泵 把江河和港口底部的泥砂用水力冲填法所形成的沉积土, 也称吹填土。冲填土的成分比较复杂,多数属于粘性土、 粉土或粉砂。这种土的含水量高,常大于液限,其中粘 粒台量较多的冲填土,排水固结很慢,多属于压缩性高、 强度低的欠固结土。

@ 杂填土: 指人工活动所形成的无规则的堆积物,包 含工业废料、建筑垃圾和生活垃圾等。杂填土的成分复 杂.分布无规律性,性质随填七的期龄而变化;一般认 为,堆填期龄在5年以上,性质才逐渐趋于稳定。此外, 杂填土常含省腐植质和水化物,持别是以生活垃圾为主 的杂填土,腐植质含量更高。随着有机质的腐化,地基 的沉降量要加大且不均匀,因而同一场地的不同位置, 其承载力与压缩性往往会有较大的差别。
◎ 泥炭土: 指土中植物质含量不少于50%的土,若植 物质含量为10%一50%,则称为泥炭质土。通常这类土 形成于低洼的沼泽和灌木林带,常处于饱和状态,含水 量可高达百分之几百。

广泛分布于东南沿海地区和内陆江河湖泊 周围; 由软弱土组成的地基,称之为软弱土地基。

饱和的,含有机质的 软 弱 土 基 本 性 质 天然含水量接近或超过液限 天然孔隙比超过1.0 压缩性高、抗剪强度低

渗透性很小
具有结构性

物理状态可分为
IL?1.0,且1?e?1.5时,称之为淤泥质土 IL?1.0,且e?1.5时,称之为淤泥

有机质含量可分为 当烧失量wn?5%时,有机质土 当烧失量wn?10%时,则称之为泥炭质土 当烧失量wn?60%时,则称之为泥炭

软弱土一般具有如下的工程特性 (1) 物理性质差(高含水量,大孔隙比)
基本物理特性差,含水量W高,W=35%?80%; 孔隙比e大,e=1.0?2.0 土的成分粘土矿物、有机质含量高

土粒粒度成分粘粒组和粉粒组含量高
降低W、缩小e成为软弱土地基加固的重要内容

(2) 抗剪强度低
? 软弱土天然不排水抗剪强度cu=5kPa?25kPa ? 正常固结软弱土随深度cu增加,一般每延米深 度增长1?2kPa ? 外载作用下,软弱土渗透固结,强度会显著增 长 ? 加速软弱土层渗透固结速率,是改善软弱土强 度特征的有效途径

(3) 压缩性较高
?正常固结软弱土压缩系数为a1-2=0.5?1.5MPa-1, 最大a1-2=4.5MPa-1; ?压缩指数Cc=0.35?0.75,且有Cc=0.0147w-0.213 ?天然软弱土层一般为正常固结土,有部分土层处 于超固结状态,而近代海相或河湖相沉积物, ?一般处于欠固结状态 ?控制沉降是地基加固重要内容之一,尤其柔性荷 载下控沉技术

(4) 渗透性很小
?软弱土渗透系数k=10-6?10-8cm/s,在外荷作用 下渗透固结速率很慢 ?一般软弱土层渗透性具有明显各向异性,水平 向渗透系数往往高于垂直向的渗透系数,尤其是 存在水平砂夹层。 ?加速软弱土层的固结速率,成为软土加固的一 个重要内容

(5) 结构性明显
@ 软弱土一般为絮凝结构,尤以海相粘土更为明显
结构性强,一旦结构受到扰动或破坏,强度明显降 低,甚至呈现流动状态 @ 我国沿海软弱土的灵敏度St=4?8,属于高灵敏土。 @ 地基处理中或地基施工中,减小结构性土层扰动, 直接影响施工效果

(6) 流变性显著
@在外载作用下,土体主(渗透)固结完成后,
在剪应力作用下,土体剪切应变缓慢发展 @ 流变的工程问题,既可导致强度衰减;又可产 生可观次固结沉降 @ 流变机理认识待完善,地基处理的对策目前是 提高处置的等级

地基处理目的——是改善地基土工程性质, 满足上部结构对地基稳定和变形的要求。

@ 提高地基土强度,改善其变形特征和渗透性 @提高抗液化能力、消除湿陷、胀缩等其它病害

地基处理的方法——置换、夯实、挤密、排 水、加筋、胶结和热学等方法。 根据地基处理方法的基本原理,基本上可以 分为如下表。
物理处理 化学处理 热学处理

置 换

排 水

密 实

加 筋

搅拌

灌浆

热加 固

冻结

地基处理的分类
排 水 固 结 法


压 密 ︵ 挤 密 ︶


置 换 法


灌 浆 法


加 筋 法


托 换 技 术


堆 载 预 压

砂 井 法 ︵ 袋 装 砂 井 等 ︶

真 空 预 压

降 电 低 渗 地 法 下 水

表 面 压 实

重 强 振 砂 灰 锤 夯 冲 桩 土 夯 法 挤 桩 击 密

换 振 高 水 石 土 冲 压 泥 灰 法 碎 喷 土 桩 石 射 搅 桩 注 拌 浆 桩

水 化 泥 学 浆 注 浆

聚 锚 加 树 合 固 筋 根 物 技 土 桩 术

基 础 托 换

锚 杆 压 桩

地基处理方法具有多重处理加固功能

例如: 碎石桩具有置换、挤密、排水和加筋的多重功能 石灰桩则具有挤密、吸水和置换等功能

地基处理的主要方法、适用范围和工作机理
一般采用开挖后回填的方法;对于厚度较小的淤泥质土层, 各种浅层的 亦可采用抛石挤淤法。地基表面性能良好的垫层,形成双 软弱土地基 层地基。垫层可有效的扩散基底压力,提高底基础承载力。 利用振冲器在高压水的作用下边振、边冲,在地基中成孔, u 土、松散粉土和 在孔内回填碎石料且振密成碎石桩。碎石桩柱体与桩间土 人工填土、湿陷 形成复合地基,提高承载力,降低沉降 性黄土地基等 采用强夯时,夯坑内回填碎石挤淤置换的方法,形成碎石 墩柱体,以提高地基承载力和降低沉降
采用沉管法或其他技术,在软土中设置砂或碎石桩柱体,置换后形 成复合地基,可提高地基承载力,降低地基沉降。同时,砂、石柱 体在软粘土中形成排水通道,加速固结 在软弱土中成孔后,填入生石灰或其他混合料,形成竖向石灰桩柱 体,通过石灰的吸水膨胀、放热以及离子交换作用改善桩柱体周围 土体的性质,形成石灰桩复合地基,以提高地基承载力,降低沉降 发泡聚苯乙烯( EPS)重度只有土的 1/50?1/100,并具有较高的强 度和低压缩性,用于填土料,可有效减少作用于地基的荷载,且根 据需要用于地基的浅层置换 适用于表层软弱 土层较薄的地基

换土垫层法 振冲置换法

c ?20kPa 的 粘 性

置 强夯置换法 换 法
碎石桩法

一般软土地基

石灰桩法
EPS轻填法

填土、软粘 土地基

软弱地基上的 填方工程

地基处理的主要方法、适用范围和工作机理
在预压荷载作用下,通过一定的预压时间,天 然地基被压密、固结,地基的强度提高,压缩 性降低。在达到设计要求后,卸去预压荷载, 再建造上部结构,以保证地基承载力和变形的 稳定性。当天然土层的渗透性较低时,为了缩 短渗透固结的时间,加速固结速率,可在地基 中设置竖向排水通道,如砂井、排水板等。加 载预压的荷载,一般有利用建筑物自身荷载、 堆载或真空预压等

排 水 固 结

加载预压法

软粘土、 粉土、杂 填土、冲 填土等

超载预压法 基本原理与上述相同,但预压荷载超过上部结构的 荷载。一般在保证地基稳定的前提下,超载预压方 法的效果更好,特别是对降低地基次固结沉降十分 有效

淤泥质饱 和软粘土

地基处理的主要方法、适用范围和工作机理
采用重量 100?400kN 的夯锤,从高处自由落下,在 强夯的冲击力和振动力作用下,地基土密实,可以 提高承载力,减少沉降
松散碎石土、 砂土,低饱和 度粉土和粘性 土,湿陷性黄 土、杂填土和 素填土地基

强夯法 振冲密实法

振 密 挤 密 挤密碎石桩法

振冲器的强力振动,使得饱和砂层发生液化, 砂粒重新排列,孔隙比降低;同时,利用振冲 器的水平振冲力,回填料使得砂层挤密,达到 提高地基承载力,降低沉降的目的
施工方法与排水中的碎石桩相同,但是,沉管 过程中的排土和振动作用,将桩柱体之间土体 挤密,并形成碎石桩柱体复合地基,达到提高 地基承载力和降低地基沉降的目的 采用沉管等技术,在地基中成孔,回填土或灰 土形成竖向加固体,施工过程中排土和振动作 用,挤密土体,并形成复合地基,提高地基承 载力,减小沉降

粘粒含量少 于 10% 的 疏 松砂性土地 基 松散砂性土 、杂填土、 非饱和粘性 土地基、黄 土地基 地下水位以 上的湿陷性 黄土、杂填 土、素填土 地基

土、灰土桩法

地基处理的主要方法、适用范围和工作机理
在土体中加入起抗拉作用的筋材,例如土工合 浅层软土地 成材料、金属材料等,通过筋土间作用,达到 基处理、挡 减小或抵抗土压力;调整基底接触应力的目的。 土墙结构 可用于支挡结构或浅层地基处理 主要有土钉和土锚法,土钉加固作用依赖于土 钉与其周围土间的相互作用;土锚则依赖于锚 杆另一端的锚固作用,两者主要功能是减少或 承受水平向作用力
适用于边坡 加固,土锚 技术应用中 , 必须有可以 锚固的土层 、 岩层或构筑 物

加筋土法

加 筋
锚固法

各类软土地 竖向加固体 在地基中设置树根桩、低标号混凝土桩等竖相加固 复合地基法 体,例如 CFG 桩、二灰混凝土桩等,形成复合地基, 基 、 尤 其 是 较深厚的软 提高地基承载力,减少沉降 弱土地基

地基处理的主要方法、适用范围和工作机理
利用深层搅拌机械,将固化剂(一般的无机固化剂 为水泥、石灰、粉煤灰等)在原位与软弱地基土搅 拌成桩柱体,可以形成桩柱体复合地基、格栅状或 连续墙无机加固(水泥)土。作为复合地基,可以 提高地基承载力和减少变形;作为支挡结构或防渗, 可以用作基坑开挖时,重力式支挡结构,或深基坑 的止水帷幕。水泥系深层搅拌法,一般有两大类方 法,即可喷浆搅拌法和喷粉搅拌法 等
一般适用于 饱和软粘土 地基,对于 有机质较高 的泥炭质土 或泥炭、含 水量很高的 淤泥质土, 适用性宜通 过试验确定

化 深层搅拌法 学 加 固 法

灌浆注浆法

有渗入灌浆、劈裂灌浆、压密灌浆以及高压注 浆等多种工法,浆液的种类较多。 对原有建筑物地基和基础进行处理、加固或改 建,或在原有建筑物基础下修建地下工程或因 临近建造新工程而影响到原有建筑物的安全时, 所采取的技术措施的总称。

托 换 技 术

适用于各类软 土地基,和岩 基加固,可用 于建筑物纠偏 等处理技术中

喷粉桩施工

振 动 沉 管 碎 石 桩

强夯加固地基

地基处理方法选择
@各类地基处理方法有各自特点和工作机理
@不同方法加固效果不同,存在局限性 @根据工程地基条件;工程对地基要求;材料、施 工机具和施工条件;经济性等,综合、比选,确定 一技术可靠、经济合理、施工可行的方案 @单一地基处理方案;多种方法组合处理技术

地基处理设计顺序

地基处理的目的及主要地基问题: (1)强度及稳定性问题:当地基的抗剪强度不足以 支承上部结构的自重及外荷时,地基就会产生局部 或整体剪切破坏。 (2)压缩及不均匀沉降问题。当地基在上部结构及 外荷作用下产生过大变形时,会影响结构物的正常 使用,特别是超过建筑物允许变形值时,结构可能 产生开裂破坏。 (3)地基渗透问题.当地基中水力比降超过容许值 肘,发生管涌,潜蚀等不良现象,造成建筑物的破 坏。 (4)动力荷载作用,地震、机器,车辆震动,波浪 作用和爆破等动力荷载引起地基土的液化失稳,震 陷等危害。





换 填 法
预 压 法 强 夯 法 复合地基概论

换填法概念
Replacement Method
浅层软弱土层厚度不是很大,可将基础底面 下处理范围内的软弱土挖除,然后换填工程特性 良好的材料,分层压实至设计密实度。 浅层软弱土层主要指淤泥质土、松散填土、 杂填土、滨填土以及冲填土地基。





低洼区域填筑、路基高填法,公路挡土墙、涵 洞地基处理等。(工程实例)





砂、碎石、高炉干渣和粉煤灰等具备强度高、 压缩性低、稳定性好和无侵蚀性等良好工程特性。 主要为砂垫层、碎石垫层。





提高地基承载力、加速基础底面排水和减小基 础沉降和差异沉降。

(a)某闸基采用粘性土垫层 (b)海工建筑物(码头)采用 抛石挤淤形成垫层

砂垫层厚度的确定
换填法设计主要是垫层厚度t(?3m)和宽度bm 各种材料垫层设计,近似按砂垫层计算方法进行设计 砂垫层垫层厚度t,要求达到足够深度,以置换可能 被剪切破坏的软弱土层 垫层上、下平面尺寸,满足应力扩散要求和砂垫层不 发生水平挤出

b

p

D

?

pc pcz pz

pz

t

b+2t tan ? bm

砂垫层设计原理

设计验算
垫层厚度t 根据下卧土层承载力验算确定

pz ? pcz ? f z

(6-1)

式中: pz-垫层底面处的附加压力(kPa) pcz-垫层底面处的自重压力(kPa) fz-垫层底面处地基承载力(kPa)

计算方法
按均匀分布,条形基础和矩形基础下垫层底面处 附加压力pz的简化计算

条形基础:

pz ?
pz ?

b( p ? pc ) b ? 2t tan?

(6-2a)

矩形基础:

bl ( p ? pc ) (b ? 2t tan? )(l ? 2t tan? )

(6-2b)

式中 b-矩形基础或条形基础底面的宽度(m); l-矩形基础底面的长度(m); p-基础底面接触压力(kPa); pc-基础底面自重应力(kPa); θ-垫层材料压力扩散角,缺乏资料可参照下表。

垫层材料压力扩散角 θ/°
换填材料 t/b 0.25
砂、碎石

灰土 30

粉煤灰 22

粘性土或粉土 8<IP<14 6

20

≥0.5

30

30

22

23

注: =0;

①当t/b<0.25时,除灰土仍取θ=30°外,其它材料均取 ②当0.25< t/b <0.50时,砂石垫层的θ 值可内插求得;

梯形分布计算,在公路规范中,垫层底面附加应力 pz 的分布沿扩散角呈现梯形分布,根据静力平衡推出梯形分布 pz最大值,此时扩散角?=35?45?。

垫层平面尺寸确定
砂垫层t 确定后,垫层平面尺寸按基础底面应力 扩散要求或按当地经验确定。
对于条形基础,垫层底面宽度bm,可按下式计算

bm ? b ? 2t tan?
上海市标准《地基处理技术规范》(DBJ08-40-94)中, bm确定计算方法
bm ? b ? 2t tan 45? ? b ? 2t

对于矩形基础,垫层底面长度lm确定与bm的确定相同。

垫层平面尺寸确定 ◎防止垫层水平挤出,整片垫层平面尺寸 适当加宽 ◎垫层顶面(基础底面)每边宜超出基础 边缘不少于30cm ◎或从垫层底面两侧向上,按当地基础开 挖经验放坡

沉降计算
重要建筑或垫层下存在软弱下卧层,垫层法应 计算地基沉降S,包括垫层本身压缩沉降Sm和垫层 下地基土沉降Sg,即

S ? S m? S g

Sm计算中,应力可取垫层顶面和底面压力的平 均值。一般砂垫层Es=12?24MPa;粉煤灰则 Es=8?20MPa。无论是地基还是垫层,其沉降计算 均可传统分层综合法计算。

压实标准

垫层材料选择和资料检测





换 填 法

预 压 法
强 夯 法

复合地基概论

预压排水法( PVDs ) Prefabricated Vertical Drains

对天然地基,或先在地基中设 置竖向排水井,然后在预压荷载 (Preloading)作用下,加速饱和 软弱粘性土固结

适用性

饱和的、渗透性低的、软土埋藏较深 的软弱粘性土地基加固
工程应用

加速渗透固结,缩短沉降周期,降低 工后沉降,提高地基承载力
工作机理

广泛用于路基填筑工程,工业和民用 建筑以及机场跑道工程

加压系统

竖向排水 排水系统
s d

排水预压 加压系统

水平排水 堆载法 真空法

排水系统

预压排水法系统组成 (a)排水系统(b)加压系统分类

d

d

h=0.87s

de

de

s s

竖向排水井平面布置和影响范围 (a)梅花形布置(b)矩形布置

等面积元原理,竖向排水井影响圆 直径de与排水井间距s关系如下:
等边三角形布置
de ? 2 3

?

s ? 1.05s

矩形布置

de ?

4

?

s ? 1.13s

主要设计参数
@普通砂井直径

d w ? 300mm ~ 500mm
de dw

@径井比

n?

,一般采用n=6?8

@袋装砂井直径 d w ? 70mm ~ 100mm , 径井比n=15?30。 @塑料排水板(PVDs)采用当量直径的概念,径井 比一般为n=15?30。

PVDs当量直径根据等排水面积原理计算,并 乘以一折减系数?=0.75?1.0。即:
dw ? ? 2(b ? ? )

?

最新研究表明,塑料排水板折角等对当量直径有 折减,但是更简单、更适用的一种换算方法 (Rixner et al,1986) b??
dw ? 2

式中 b,?—分别为PVDs宽度和厚度。

预压排水法原理
预压排水法原理与计算 预压排水法加固地基原理可以采用e?logp压缩 曲线和p??f强度曲线说明。 初始地基自重应力状态对应pa和土体初始孔隙 比 ea 预亚固结应力pb= pa+?p,对应固结完成时应孔 隙比降低到eb 实际结构荷载作用下,土体中相应固结应力为 p d。

e

A

ea

eb ec

C

B

pa

pb ?p

logp

?fc ?fb

?f

C B A pa pb logp

?fa

作 用

预压法中,降低结构荷载产生地基沉 降或工后沉降显著 排水系统,加快固结,缩短强度增加 和变形稳定周期

预压方法
预压荷载作用下,地基土体固结应力增加至 pb= pa+?p, 当pb? pd时,称超载(surcharge)预压 当pb? pd时,则称为一般预压
超载预压时,地基土体应力水平处于超固结状态

超载预压加固效果更佳,尤其对于次固结变形(有机 质含量较高)大的软土地基,可以有效降低蠕变。

单元砂井固结度计算理论
砂井(或塑料排水板)地基的固结度计算属于3 维问题。 在轴对称条件下,可简化为轴对称2维的Redulic -Terzaghi固结理论

?u ? 2u ? 2 u 1 ?u ? CV ? Cr ( 2 ? ) 2 ?t r ?r ?z ?r

砂井地基工程剖面图

单元砂井固结度模型

采用分离变数原理,将上式分解成

?u z ? 2uz ? CV ?t ?z 2
?ur ? 2ur 1 ?ur ? Cr ( 2 ? ) ?t ?r r ?r

方程(1)采用Terzaghi解答,固结度计算公 式:
exp(? Ai2 Cv t /(2 L) 2 ) U z ? 1 ? 8? 2 A i ?0 i
?

其中,
Ai ? ? (2i ? 1)

方程(2)采用Barron(1948)等应变条 件下的水平向固结度的计算公式:
8Tr U r ? 1 ? exp(? ) Fn

(3b)

其中,

Tr ?

Cr t 2 de

n 3n 2 ? 1 Fn ? 2 ln n ? n ?1 4n 2

Carrillo(1942)根据前述分离变量原理 ,可以求出方程(1)解答:

1 ? U ? (1 ? U r )(1 ? U z )

U ? 1 ? (1 ? U r )(1 ? U z )

例题 饱和软粘土层厚度2H=15m,其下卧砂层。砂井穿 透该土层,进入下卧砂土层。砂井直径dw=30cm,平面 布置为等边三角形,间距s=2.5m。 垂直向固结系数 Cz ? 1.5 ? 10?3 cm2 / s 水平向固结系数

Cr ? 2.94 ? 10?3 cm2 / s

求在均匀荷载下,预压3个月后固结度。

解:
1. 竖向固结度Uz计算 双面排水,垂直向最大渗径H=750cm
C z t 1.5 ? 10?3 TV ? 2 ? ? 3 ? 30 ? 86400? 0.024 2 H 750

取Terzaghi解答(2a)式中第一项,则有
Uz ? 1? 8

?

2

exp(

?2
4

Tv ) ? 1 ?

8

?

2

exp(?

? 2C z
4H
2

) ? 17.5%

2. 径向固结度Ur计算
因为砂井的平面布置为等边三角形,所以

d e ? 1.05 ? 250 ? 262.5cm
n 3n 2 ? 1 Fn ? 2 ln n ? ? 1.45 2 n ?1 4n

d e 262.5 n? ? ? 8.75 dw 30

Cr t Tr ? 2 ? 0.332 de

8Tr 8 ? 0.332 U r ? 1 ? exp(? ) ? 1 ? exp(? ) ? 84% Fn 1.45

3. 单元井平均固结度U计算 砂井预压法处理该地基的平均固结度
U ? 1 ? (1 ? U r )(1 ? U z ) ? 86.8%

可以看出,采用砂井后固结度提高了约 70%,明显加快了地基的排水固结。

砂井固结理论实际应用中的修正

1. 砂井未穿透软弱土层 2. 逐级加荷 3. 井阻与涂抹作用

附加应力分布 H1 H 孔隙水压力分布

H2

图6-6砂井未打穿软弱粘性土层

砂井未穿透软弱土层
砂井H1深度范围内,根据单元井固结理论计算 固结度U1,表达式(4)。

U 1 ? 1 ? (1 ? U r )(1 ? U z )
砂井深度H1下卧H2范围内,假定砂井底面为一 排水面,采用Terzaghi解答计算固结度U2,表 达式(1a) 2
U2 ? 1? 8

?

2

exp(

?

4

Tv )

因此,整个土层的平均固结度U

U ? ?U1 ? (1 ? ? )U 2

( 5)

式中 ?-砂井打入深度H1与整个固结土层厚度 的比值H比值,即;
H1 ?? H1 ? H 2

U1、U2-分别为砂井范围内土层(H1)固 结度和砂井以下部分土层(H2)固结度。

逐级加荷条件下的固结度计算 1. 改进的Terzaghi法

荷载p

T3 T2 T1 ?p' t1 t2 ?p1 t3 t4 二次分级加载 瞬时一次加载 时间t ?p'' ?p2

固结度U

t

分级等速加荷固结计算

改进的Terzaghi法 对于分级加荷,改进太沙基法的基本假定 (1)分级荷载增量Pi引起固结过程单独进行,与上一级 荷载增量无关 (2)总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加 (3)等速加荷周期内,经过时间t的固结度与t/2时刻施加 相应瞬时荷载的固结度相同,即 计算采用固结时间为 t ?= t / 2 (4)等压周期内,某一时刻t(t > Ti)的固结度,计算采 用时间t?为等压时间(t- Ti)加上等速加载时间Ti /2,即
t ? ? (t ? Ti ) ? Ti T ?t? i 2 2

(5)计算的固结度尚应对总荷载比例进行修正。

以二级等速加荷为例,说明Terzaghi改进法 应用于分级加荷固结计算的方法。 当0<t=t1<T1时,进入首次等速加载过程,对于 本级荷载?p1,有
U t1 ? U t1
2

?p? ?p1

当按总荷载计算固结度时,上式改写成
?p? U t1 ? U t1 2 ? ?pi

当时 T1 ? t ? t 2 ? T2 ,进入首次等压期 计算采用时间
t ? ? t 2 ? T1 ? T1 T ? t2 ? 1 2 2

修正后固结度为

U t2 ? U

(t2 ?

T1 ) 2

? ?p

?p1

i

当 T2 ? t ? t 3 ? T3 时,进入二次等速加载周期 对?p1,采用的固结计算时间为 对
? p ??
t ? ? t3 ?
t ?? ?

T1 ; 2

,固结度计算时间则为
U t3 ? U

t 3 ? T2 t 3 ? T2 ? t3 ? 2 2

所以有

(t3 ?

T1 ) 2

? ?p

?p1

?U
i

(t3 ?

t3 ?T2 ) 2

? ?p

?p ??

i

当 t ? t 4 ? T3 进入第二次等压周期,则 对?p1,固结计算时间
t? ? t4 ? T1 2

对?p2 ,固结时间
则,固结度计算为
U t4 ? U
T (t 4 ? 1 ) 2

T3 ? T2 T3 ? T2 t ?? ? t 4 ? T3 ? ? t4 ? 2 2

? ?p

?p1

?U
i

(t 4 ?

T2 ?T3 ) 2

? ?p

?p 2

i

多级等速加荷可依次类推,并归纳如下式
Ut ?

?U
1

n

(t ?

Tn ?Tn ?1 ) 2

? ?p

?p n

i

( 6)

式中 Tn、Tn+1-分别为各级等速加荷的起 点和终点时间; ?pn-为第i级荷载的增量。

井阻与涂抹作用 地基中设置竖向排水系统透水性虽然大,而对渗流总有 一定的阻力,称为井阻(Well Resistance) 在竖向排水系统施工中,井管插拔对井壁附近一定区域 的土体具有涂抹作用,该作用降低了土体的径向渗透系 数,称为施工涂抹作用(Smear Effect)。 近年来,断面尺寸较小塑料排水板。井径dw、井间距de 减小,降低了地基径向排水渗径,提高了地基排水固结 的速率。 考虑井阻和涂抹作用的非理想井固结理论具有了现实的 意义,在Barron解的基础上,Yashikmmi(1979)和 Hansbo(1981)提出了可以考虑上述作用的非理想单元 井固结理论。

Hansbo考虑井阻和施工涂抹的固结度解答, 以PVDs为例
U h (t ) ? 1 ? exp(? 2cvt re2 F )

(7)

其中

F ? F0 ? Fs ? Fr
F0 ? ln( de 3 3 ) ? ? ln(n) ? dw 4 4
2?L2 k h Fr ? 3 qw

k d k Fs ? ( h ?1) ln( s ) ? ( h ?1) ln(? ) ks dw ks

PVDs通水能力设计值qw根据Short-Term试验得出,一 般25~50升/s· m。美国ASTM D4716试验(ASTM,1996), 采用水头梯度1.0,PVDs侧面正应力200kPa,得
? ? 1 q w ? q ult ? ? RF ? RF ? RF ? RF ? RF CR CC BC K ? ? IN

式中 RFIN—反滤土工织物弹性应度,压缩了芯板排水通道 的折减系数; RFCR—PVDs的蠕变折减系数; RFCC—反滤织物和芯板孔隙中化学物质沉淀产生化学 阻塞作用的折减系数; RFBC—芯板排水通道或反滤织物孔隙上生物积聚阻塞 作用的折减系数; RFK—由固结变形导致PVDs的纠结、皱折和应变的 折减系数。

PVDs的使用时间较短,化学和生物的阻塞影响相 对较小,一般可以忽略 考虑井阻、涂抹,亦可简单乘以一个折减系数 0.80?0.95

地基强度的增长规律
在附加荷载作用下,某一时间,土体中一点的 抗剪强度S可用下式表示

S ? S 0 ? ?S c ? ?S?

( 8)

式中 S 0 -天然地基在加荷前的抗剪强度/kPa ?S -由于固结而增长的抗剪强度/kPa ?S ? -由于剪切应力水平提高和应变发展所引 起的土体强度衰减/kPa
c

针对 ?S ? 研究不够深入,表达式(8)一般改 写成

S ? ? ( S 0 ? ?S c )

(9)

式中 ?-土体剪切应力等因素对强度影响 综合性折减系数?=0.75?0.90。

天然地基的强度可用十字板剪切试验或无侧 限抗压试验确定。 十字板剪切试验,软土地基强度S0与深度z关 系基本上是直线
S 0 ? c 0 ? ?z

式中c0 -地面处地基的初始强度(kPa)。 无侧限抗压试验,确定地基初始抗压强度时
S0 ? qu ? cu 2

式中 qu-土体的无侧限抗压强度(kPa)。

c0

天然地基强度s0

? ?=tan ?

图6-8地基初始强度与深度的关系

深度z

强度增量

?S c

估算 S ? ? ? tan ? ?
S? sin ? ? cos? ? ? ? K? 1 ? ?1 1 ? sin ? ?

上式可以改写成 由此

? ? K (?? 1 ? ?u ) ? K?? 1 (1 ? ?Sc ? K?? 1

?u ) ? K?? 1U t ?? 1

(10)

将式(10)代入(9)时,可得到

S ? ? ( S 0 ? K?? 1U t ) ? ?[ S 0 ? K (?? 1 ? ?u )]

预压方法

在预压法中固结压力荷载来源

@ 利用建筑物自身重量加压的方法
@ 外加预压荷载(堆载)加压的方法

@ 减小地基中孔隙水压力(负压)方法

一、利用建筑物自重加压方法 @ 是一种经济有效方法,当加压周期长,沉降控 制严格的结构不宜采用此法。 @ 应用于地基稳定性、适应较大变形的建筑物路 堤、土坝、贮矿场、油罐、水池等。 @ 特别是对油罐或水池等建筑物,例如先进行充 水加压,既可检验有无渗漏;又可利用分级充水 预压,地基土强度提高,满足强度稳定要求。 @ 路堤、土坝等建筑物,严格控制加荷速率,逐 层填筑确保加载过程中地基强度稳定。

二、堆载预压方法

堆载预压法,预先堆填等于或大于设计荷载的 散粒料,如石料、砂和砖等。 1) 堆载面积不得小于建筑的基础底面积; 2) 严格控制堆载的速率,确保各级荷载下地基 稳定性,避免局部破坏; 3) 超软地基或竖向排水体施工扰动严重的软弱地 基,堆载预压荷载大小、施工工艺应更加精 心设计,避免地基曲阜扩展和强度破坏。

三、真空预压法 减少地基中孔隙水压力,可采用真空技 术和降水技术,无需强度稳定控制。 真空预压法真空度一般可达80kPa(目 前达到100kPa)。通过不断的抽气、抽水, 孔隙水在压差作用下,排出土体而固结。

基本步骤 ?首先,在地基中设置竖向排水通道和地 表平面排水通道; ?埋设吸水管道与抽真空装置连接,形成 抽气、抽水系统; ?铺设不透气封闭膜,薄膜四周埋入土中 一定深度; ?通过抽气、抽水在地面排水系统和竖向 排水体中形成负压区

真空预压和堆载预压联合加载

真空预压使排水系统压力降至pv,在压差(pa-pv)作 用下,土中水向排水体发生真空预压固结。 堆载预压使土体中孔隙水压力增高至pp,在压差(pppa)作用下,土中水流向排水体发生堆载预压固结。 真空和堆载联合预压时,被加固地基土体在压差 (pp-pv)作用下,土中水流向排水体发生固结。 联合预压的压差增大,荷载强度提高,加固效果相 对更好。

一、本章目的与任务
清楚地了解地基处理的各种方法、分类、加固机理、设计、 施工及适用范围;同时还应掌握地基处理后质量检验的各种 手段。 二、基本要求 1、具有解决一般的地基处理问题的能力; 2、具有钻研较为复杂的地基处理问题的基础知识;

3、具有关于地基处理学科的发展方向和动态的一般知识;
三、参考书籍:地基处理手册,中国建筑工业出版社


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