水工建筑物地基处理-软弱地基处理-预压法

'水工建筑物地基处理——软弱地基处理——预压法 授课内容及安排第六节预压法（排水固结法）一、概述二、堆载预压法三、真空预压法四、低位真空预压法五、土地资源生态再生技术1、问题的提出2、常规预压法与土地资源再生3、低位真空预压法与土地资源再生2 1、预压法的加固原理2、预压法的适用条件3、预压法的分类4、预压系统的组成及各部分的功用预压法——概述3 1、加固原理：对天然地基，或先在地基中设置砂井、塑料排水板等竖向排水设施，然后利用建筑物本身重量分级加载，或在建筑物建造之前，在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。预压法——概述4 加固作用：（1）沉降问题：使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，使建筑物在使用期间不至于产生不利的沉降和沉降差。（2）稳定问题：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。预压法——概述5 2、适用条件：总的来讲，预压法适用于：在持续荷载下土的体积会发生很大压缩变形且抗剪强度会持续增长的土类的地基处理，如：淤泥、淤泥质土、新吹填的饱和软土。预压法——概述6 3、预压法的分类：（1）按预压荷载的大小来分：预压荷载<使用荷载→欠载预压法预压荷载=使用荷载→等载预压法预压荷载>使用荷载→超载预压法（2）按预压荷载种类来分：堆载预压法：荷载为堆载真空预压法：荷载为真空负压降水预压法预压法——概述7 真空预压法：荷载为真空负压传统真空预压法：水平滤网设在软土之上的砂层中间低位真空预压法：水平滤网设在软土之下预压法——概述8 4、组成及各部分的作用及适用范围：（1）组成①排水系统:竖向排水井：普通/袋装砂井、塑料排水板水平排水层：砂垫层、水平滤管网②加压系统：堆载、真空预压、降低地下水位等预压法——概述9 （2）各部分的作用：①排水系统：改变地基原有的排水边界条件，缩短排水路径，加速软土固结;②加压系统：对地基施加预压或真空负压，使地基土中的大部分孔隙水在预压荷载作用下排出，土颗粒被压缩，地基土得以固结。预压法——概述10 1、适用条件2、堆载预压法设计（1）竖向排水体设计（2）确定加载的数量、范围、速率和预压时间（3）计算地基的固结度、强度增长、抗滑稳定和变形（4）工法的质量控制预压法——堆载预压法11 除了预压法的总的适用条件外，还有：（1）要有价格便宜的堆载；（2）要有足够长的预压时间。预压法——堆载预压法——适用条件12 ①选择竖向排水体②确定竖向排水体的设计参数：（a）直径（b）间距s（c）深度L堆载预压法——竖向排水体设计13 选择砂井或塑料排水袋等竖向排水体;若软土层厚度不大或软土层含较多薄粉砂夹层，预计固结速率能满足工期要求，可不设置竖向排水体;对于深厚的软粘土地基，为了加速软土地基的固结过程，提高预压效果，一般常在地基内设置竖向排水体。堆载预压法——竖向排水体设计14 普通砂井直径取300~500mm；袋装砂井直径取70~100mm；塑料排水板的当量换算直径堆载预压法——竖向排水体设计15 间距s：间距根据地基土的固结特性和预定时间内所要求达到的固结度确定。通常按井径比n=de/dw确定：普通砂井的间距s按n=6~8采用，常用2~4m；袋装砂井的间距s按n=15~20采用，一般为1~2m；塑料排水带的间距s按n=15~20采用，实际工程中，常取在1.0~1.5m之间。堆载预压法——竖向排水体设计16 de为一根砂井的有效排水圆柱体的直径;砂井的平面布置可采用等边三角形或正方形排列;等边三角形布置：de=1.05s正方形布置：de=1.13s堆载预压法——竖向排水体设计17 深度L：根据建筑物对地基的稳定性和变形的要求及软土层深度确定:软土层不厚：L可由软土层厚度决定而贯穿软土；软土层较厚：L应根据结构对变形和稳定的要求决定；软土层很厚（>20m）：由于此时的径向平均固结效应已很小，故穿越软土的意义不大，可采用超载预压解决。堆载预压法——竖向排水体设计18 ①堆载的大小：按照结构对变形的要求，工程上一般采用：对变形要求不高的工程，采用等载预压，与建筑物基底压力大小相同，堆载高度堆载预压法——确定堆载②对变形要求较高的工程、地基为欠固结土，采用超载预压，堆载高度19 ②堆载范围不应小于建筑物基础边缘所包围的范围；③加载速率应与地基土增长的强度相适应，对加载的各阶段应进行抗滑稳定分析；④制定分级预压计划。堆载预压法——确定堆载20 分级预压计划的制定的步骤：首先根据场地的野外十字板剪切试验资料，经统计，得出Sv沿深度的变化规律：Sv=A+BZSv=A+BZ得到后，根据计算或参考邻近场地同类地基现场监测资料，确定最不利局部失稳的位置（如：此位置在基底以下深度为h处）；计算第一级堆载的大小、速率及时间；计算第一级加载结束时地基的平均固结度；估算第二级荷载及其它各级荷载；绘制出p~t加荷计划图。堆载预压法——确定堆载21 第一级加载确定后，估算第一级加载速率：对软粘土，第一级加载速率不宜太快，宜控制在取h/2深度处的土的抗剪强度作为估算施加第一级荷载p1的初始抗剪强度Cu0，若为长条形荷载（如坝、堤、路基荷载）堆载预压法——确定堆载第一级筑堤高度：第一级荷载的施工时间：22 计算第一级加载结束时地基的平均固结度：堆载预压法——确定堆载对总平均固结度的要求：（a）一般情况要求≥(70%~75%);（b）对变形要求高的工程，应达到80%~90%。23 估算第二级荷载：第一级加载结束，间歇一段时间后到施加第二级荷载前，此时地基土的抗剪强度将增加到Cu1：堆载预压法——确定堆载经第二级加载后总的预压荷载第二级加载为以此类推24 ⑥根据和每级加载时间Ti及加载后的间歇时间，即可绘制出p~t加荷计划图。堆载预压法——确定堆载25 固结度：在某一固结应力下，经某一时间t后，土体发生固结或孔隙水应力消散的程度，任一深度z处经过时间t后的固结度为：堆载预压法——固结度计算对单向固结，土层的平均固结度：26 荷载一次到位时的固结度计算：当地基抗剪强度较高而堆载较小时，堆载预压荷载可一次到位，否则要分级加载；①竖向平均固结度：堆载预压法——固结度计算②径向平均固结度：③总的平均固结度：27 分级加载时的固结度计算：在实际工程中，荷载往往是分级施加的，任意t时刻的固结度按JGJ79-91的P12的公式计算：堆载预压法——固结度计算28 ①对于预压荷载下的最终沉降量，先按单向压缩分层总和法计算：堆载预压法——沉降计算然后考虑其它影响因素，得②t时刻地基的沉降量29 设有塑料排水板的地基，由于有良好的排水条件，故在做稳定分析时，还应考虑在预压荷载作用下土体产生固结引起土的强度增长的影响：堆载预压法——地基稳定分析30 堆载预压法——地基稳定分析31 实际工程中，应通过现场原位测试来保证工法的质量。现场观测主要包括：沉降观测；边桩位移测定；孔隙水压力控制；有条件的工程，还需做现场静力触探和十字板剪切试验；卸载时间确定。堆载预压法——工法的质量控制32 1、基本原理2、主要优点（和堆载预压法相比）3、适用条件4、施工工序5、沉降计算预压法——真空预压法33 在软土上铺设一层0.4~0.5m中粗砂透水层；打设砂井或塑料排水板，在砂垫层内应铺设排水滤管网；再在其上覆盖2~3层真空膜；最后借助真空泵（射流泵）抽气，因而在膜内形成大气压差；由于砂垫层和竖向排水系统与地基土界面存在这一压差，土中的孔隙水发生向竖井的渗流，使孔隙水压力不断降低，有效应力不断提高而使土体逐渐固结。真空预压法——基本原理34 （1）本工法的真空负压的施加，不会导致土体中剪应力的增加，故不会发生土体失稳破坏，为此预压荷载不须分级，可一次到位；（2）对真空预压而言，土体越软，抽取的真空度越高，土层的收缩变形越大；（3）本工法是内挤的收缩变形，故不会发生因侧向挤出而引起的竖向附加沉降；（4）本工法加固的土体的孔隙压密程度较高，在相同情况下，真空预压的压密效果比堆载预压法好；（5）本工法的工期短。真空预压法——主要优点35 真空预压法——主要优点堆载预压真空预压(1)根据有效应力原理，由于堆载，地基总应力增加，堆载所引起的超静孔隙水压力逐渐消散而使有效应力增加；(1)根据有效应力原理，在地基总应力不变条件下，由于抽真空而引起的负孔隙水压力逐渐消散而使有效应力增加；(2)堆载预压过程中，一方面土体强度在提高，另一方面随堆载增加剪应力也在增大，当剪应力达到土的抗剪强度时，土体即发生剪切破坏(2)预压过程中，有效应力增量是各向相同的，剪应力不增加，不会引起土体的剪切破坏；(3)由于第(2)点的原因，堆载过程中需严格控制加载速率；(3)不必控制加载速率，可一次连续抽真空至最大真空度，因而可缩短预压时间；(4)预压过程中，预压区周围土产生向外的侧向变形；(4)预压过程中，预压区周围土产生指向预压区的侧向变形；(5)非等向应力增量下土体固结而获得强度增长；(5)等向应力增量下土体固结而获得强度增长；（6）可施加较大的预压荷载。(6)目前能达到的最大真空压力在90kPa左右。36 本工法适用于均质粘性土和含不连通薄粉砂夹层的软粘土地基，尤其适用于新吹填的超软土地基；本工法有效加固深度10m（砂井）或更大些（塑料板）；若场地无堆载可用或堆料价格太高、工程对工期有要求时，可用本工法。真空预压法——适用条件37 真空预压法——施工工序38 真空预压法的施工顺序：（1）铺砂垫层20cm，插塑料排水板；（2）铺设滤水管网（主管、支管）；（3）在滤管上再铺20cm砂垫层；（4）铺2~3层真空膜，注意：真空膜四周要做好锚固闭气，膜搭接宽度>15mm；（5）将主管和膜外真空设备连接，一切正常即可开始抽真空。真空预压法——施工工序39 真空预压法——沉降计算当真空预压的等代预压荷载和堆载预压相同时，真空预压的变形小，但加固土体的密实度大；当两者的竖向变形相同时，前者作用于土体的等效压力大于后者，土体的抗剪强度明显大于后者。40 1、工法定义2、本工法和传统的真空预压法的区别3、工法的应用范围4、低位真空预压法的系统组成5、加固原理预压法——低位真空预压法41 低位真空预压是因水平向排水系统（滤管网）设在软土层以下而得名。低位真空预压法——定义低位真空预压法真空预压法42 （1）泥代膜：工法用清淤泥浆（废物）自身的闭气功能代替昂贵的土工膜；（2）管代砂：为防止因砂垫层井阻大，真空负压损耗大，使膜下真空负压不均匀的缺点，本工法省去砂垫层而用密间距水平支管代之（即一管一带法）作为水平向排水系统；（3）新型真空系统；（4）泥浆上插板机。低位真空预压法——主要创新点43 （1）本工法真空预压层设在软土地基和新吹填泥浆层之间，在加固软土的同时完成了上部吹填泥浆层的固结；（2）本工法利用吹填泥浆自身封闭功能，省去了密封真空膜——造价降低，漏气损失减小；（3）由于采用吹填泥浆做闭气，使等代预压荷载达90~105kPa，同时本工法等代预压荷载持续时间远比真空预压长，这对下部软土的固结是有利的。加固效果可达：管下泥浆或软土fs=80kpa（经90~120天加固）泥封层fs=50~60kpa低位真空预压法——与传统真空预压法的区别44 缺土区造土；用清淤泥浆对高速公路、滨海大道的快速加固及填高；用河（湖）泥浆筑堤（或路堤结合体）；（软土地基上）新开河道的立邦处理；大面积用海泥浆造陆工程；海（湖）中的人工岛；泥浆的二次利用：如陶粒、地砖、绿化土等。低位真空预压法——应用范围45 低位真空预压法——系统组成46 （1）排水系统：①作用：改变地基原有的排水边界，缩短排水路径，加速土体固结。②组成：（a）水平向排水系统：干管：200PVC双壁波纹管支管：60PVC双波纹盲管（b）竖直向排水系统：理论上可以用砂井、塑料排水板，但常用塑料排水板而不用砂井？低位真空预压法——系统组成47 （2）密封系统：①作用：和真空预压法中的真空膜相同；②组成：在水平排水系统上一般根据地域不同，在其上吹一层0.8~1.2m的泥浆层。低位真空预压法——系统组成48 （3）真空加压系统：①作用：产生真空负压，使土体中孔隙水在强大的负压吸力下通过竖向排水系统、水平向排水系统排入集水井中；②组成：真空系统+集水井（井中有潜水泵）注意：*真空预压施工时，当5天以上实测沉降速率≤2mm/day时，可停止抽气。低位真空预压法——系统组成49 （1）水平向排水系统以下部分，包括吹填泥浆和被处理的地基软土：在真空负压引起的吸力和泥封层引起的附加荷载的共同作用下，土中大部分孔隙水经过竖向排水系统、水平向排水系统、集水井排出，土体压实且固结。低位真空预压法——加固原理50 （2）上部吹填泥封层的加固原理（a）底部约1/3范围（25~40cm）：真空预压过程中，真空吸力逐渐自泥封层底部向中部传递，使底部泥封层中的大部分孔隙水在真空吸力下经水平滤管网排出，土中孔隙水压力逐渐消散，使泥封层土的有效应力增大，土体发生收缩固结；低位真空预压法——加固原理51 （b）表面约1/3厚度部分（约0.3~0.4m）：首先从表面开始，自上而下由于蒸发、失水、体积收缩（下层土体阻止其收缩、产生拉应力）、龟裂，开裂后蒸发面增大使土体深层失水、收缩达到固结的目的。（c）中间的约1/3厚度部分：其加固原理二者兼而有之。低位真空预压法——加固原理52 能否将已被破坏的土地资源得到高效、低价、无二次污染的生态再生？生态再生的原始原理：河（湖、海）清淤泥浆→通过提供排水通道、加载→达到排水固结的目的，变成可以利用的土地资源。土地资源生态再生技术——问题的提出53 （1）堆载预压法优点：工法简单；来源简单；成本不高。缺点：要有大量的价格便宜的堆载，这势必要大量开山、挖地占用农田；由于本工法中软土的固结很慢，要使含水量很高的淤泥（浆）达到合理土方需要的时间很长；无造土功能，也不能利用清淤泥浆进行土地资源再生。土地资源生态再生技术——预压法和土地资源再生54 （2）降水预压法优点：不需要堆载；缺点：虽然不需要大量堆载，但大量降水对周围结构和环境会造成不利影响；无造土功能，也不能利用清淤泥浆进行土地资源再生。土地资源生态再生技术——预压法和土地资源再生55 （3）传统的真空预压法：优点：不需要堆载，它利用真空负压产生的吸力加载；对周围环境（由于侧向变形小）影响小；工期短。缺点：采用2~3层真空膜作为闭气；在工程中需要40~60cm左右的中粗砂垫层作为水平向排水系统；效率低：采用射流泵作为真空系统，它效率低、耗电量大。本工法只适用于陆上对软基进行处理，无造土功能，也不能利用清淤泥浆进行土地资源再生。土地资源生态再生技术——预压法和土地资源再生56 （1）低位真空预压法施工根据不同的设计要求，施工方法略有不同：造土、建筑原料土、绿化土、陆域工程用作绿化场地的区域等；场地标高低，筑堤高度远大于1m，但不必进行地基处理；场地较低，填高较大，同时填高后场地所建的构筑物的基底压力<80kpa但结构对变形要求高。土地资源生态再生技术——低位预压法和土地资源再生57 （2）本工法的几种特殊工艺：为使泥封层的fs达到70~80kpa，泥封层需采用特殊工艺；软基上高堤（土坝）一次到位工艺；深水海堤一次到位工艺。土地资源生态再生技术——低位预压法和土地资源再生58 施工方法：筑围堰（一般高1m）→在平整后的地面上铺设水平滤管网→吹0.8~1.2m泥封层→抽真空（60~90天）→结束土地资源生态再生技术——低位预压法和土地资源再生59 施工方法：土地资源生态再生技术——低位预压法和土地资源再生60 施工方法：筑围堰→吹泥→水上插板，铺管→吹泥→抽真空土地资源生态再生技术——低位预压法和土地资源再生61 为使泥封层的fs达到70~80kpa，泥封层需采用特殊工艺。[例如高速公路的路基面层（泥封层]：方法：高速公路泥面出现亮点时开始抽真空→抽真空35~40天泥面龟裂→在泥封层上铺30cm厚的石渣→进行碾压→再铺30cm厚的石渣→进行碾压，则面层的fs可达80~90kpa。土地资源生态再生技术——低位预压法和土地资源再生62 软基上高堤或土坝一次到位工艺：例：当地土源不足，堤高h=5m，拟采用河中清淤泥浆筑堤。验算一次到位围堰高度土地资源生态再生技术——低位预压法和土地资源再生63 施工步骤：吹泥浆3.2m→铺设水平滤管→吹泥浆（泥封层）→抽真空→抽真空35~40天用翻晒后表层土分层碾压→最后做碎石基层土地资源生态再生技术——低位预压法和土地资源再生64 海堤为斜坡式：需使围堰材料s减小，使围堰底压力减小。思路：围堰必须能在短期（半年）挡水；围堰材料施工方便；围堰材料重度比传统材料小；能有效减小基底压力；围堰施工时能保证地基软土强度增长。方法：砂袋坝，底部做砂袋坝软体排。土地资源生态再生技术——低位预压法和土地资源再生65 施工步骤：铺设软体排→插塑料排水板→分层筑砂袋坝至所需高度→吹泥浆→铺管土地资源生态再生技术——低位预压法和土地资源再生→插塑料排水板（插得深一点）→吹泥封层→抽真空→抽真空35~40天时，用当地材料筑堤至顶→临水面护坡66'