4.2.2 排水固结
1、概述
排水固结法是对天然地基，或先在地基中设置砂井(袋装砂井或塑料排水带)等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载；或在建筑物建造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。该法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时，可增加地基土的抗剪强度，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合而成的。
排水系统是一种手段，如没有加压系统，孔隙中的水没有压力差就不会自然排出，地基也就得不到加固。如果只增加固结压力，不缩短土层的排水距离，则不能在预压期间尽快地完成设计所要求的沉降量，强度不能及时提高，加载也不能顺利进行。所以上述两个系统，在设计时总是联系起来考虑的。
排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。但砂井只能加速主固结而不能减少次固结，对有机质土和泥炭等次固结土，不宜只采用砂井法。克服次固结可利用超载的方法。真空预压法适用于能在加固区形成(包括采取措施后形成)稳定负压边界条件的软土地基。降低地下水位法、真空预压法和电渗法由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，所以它适用于很软弱的粘土地基。
2、加固机理
(1)堆载预压加固机理
预压法是在建筑物建造以前，在建筑场地进行加载预压，使地基的固结沉降基本完成并提高地基土强度的方法。
在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减少，地基发生固结变形。同时随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度就逐渐增长。
在荷载作用下，土层的固结过程就是超静孔隙水压力(简称孔隙水压力)消散和有效应力增加的过程。如地基内某点的总应力增量为，有效应力增量为，孔隙水压力增量为，则三者满足以下关系：
用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力并使孔隙水压力消散而增加 有效应力的方法。堆载预压是在地基中形成超静水压力的条件下排水固结，称为正压固结。
地基土层的排水固结效果与它的排水边界有关。根据固结理论，在达到同一固结度时，固结所需的时间与排水距离的长短平方成正比。软粘土层越厚，一维固结所需的时间越长。如果淤泥质土层厚度大于10～20m，要达到较大固结度>80%，所需的时间要几年至几十年之久。为了加速固结，最为有效的方法是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离，在天然地基中设置垂向排水体。这时土层中的孔隙水主要通过砂井和部分从竖向排出。所以砂井(袋装砂井或塑料排水带)的作用就是增加排水条件。为此，缩短了预压工程的预压期，在短期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成；加速地基土强度的增长，使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载的速率，以保证地基的稳定性，这一点无论从理论和实践上都得到了证实。
(2)真空预压加固机理
真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水管道，再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空，增加地基的有效应力。
当抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体固结。
真空预压的原理主要反映在以下几个方面：
1)薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载。
2)地下水位降低，相应增加附加应力。
3)封闭气泡排出，土的渗透性加大。
真空预压是通过覆盖于地面的密封膜下抽真空，使膜内外形成气压差，使粘土层产生固结压力。即是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。真空预压和降水预压是在负超静水压力下排水固结，称为负压固结。
3、设计与计算
排水固结法的设计，实质上就是进行排水系统和加压系统的设计，使地基在受压过程中排水固结、强度相应增加以满足逐渐加荷条件下地基稳定性的要求，并加速地基的固结沉降，缩短预压的时间。
(1)计算理论
1)瞬时加荷条件下固结度计算
不同条件下平均固结度计算公式见表4.2.2-1。
表4.2.2-1 不同条件下平均固结度计算公式
序号
条 件
平均固结度计算公式
备 注
1
竖向排水固结
(>30%)
Tezaghi解
2
内径向排水固结
1
Barron解
3
竖向和内径向排水固结(砂井地基平均固结度)
=
4
砂井未贯穿受压土层的平均固结度
5
普遍表达式
表中：——竖向固结系数，
——径向固结系数(或称水平向固结系数),
——每一个砂井有效影响范围的直径；
——砂井直径。
2)逐渐加荷条件下地基固结度的计算
以上计算固结度的理论公式都是假设荷载是一次瞬间加足的。实际工程中，荷载总是分级逐渐施加的。因此，根据上述理论方法求得固结时间关系或沉降时间关系都必须加以修正。修正的方法有改进的太沙基法和改进的高木俊介法。
a、改进的太沙基法 对于分级加荷的情况，太沙基的修正方法是假定：
(a)每一级荷载增量所引起的固结过程是单独进行的，与上一级荷载增量所引起的固结度完全无关；
(b)总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加；
(c)每一级荷载增量在等速加荷经过时间的固结度与在/2时的瞬时加荷的固结度相同，也即计算固结的时间为/2。
(d)在加荷停止以后，在恒载作用期间的固结度，即时间大于（此处为的加载期）时的固结度和在时瞬时加荷后经过时间的固结度相同；
(e)所算得的固结度仅是对本级荷载而言，对总荷载还要按荷载的比例进行修正。
对多级等速加荷，修正通式为：
(4.2.2-1)
式中 ——多级等速加荷，时刻修正后的平均固结度；
——瞬时加荷条件的平均固结度；
、——分别为每级等速加荷的起点和终点时间（从时间0点起算）。当计算某一级加荷期间的固结度时，则改为；
——第级荷载增量，如计算加荷过程中某一时刻的固结度时，则用该时刻相对应的荷载增量。
b、改进的高木俊介法 该法是根据巴伦理论，考虑变速加荷使砂井地基在辐射向和垂直向排水条件下推导出砂井地基平均固结度的，其特点是不需要求得瞬时加荷条件下地基固结度，而是可直接求得修正后的平均固结度。修正后的平均固结度为：
(4.2.2-2)
式中 —— 时多级荷载等速加荷修正后的平均固结度（%）；
——各级荷载的累计值；
——第级荷载的平均加速度率（kPa/d）；
、——分别为各级等速加荷的起点和终点时间（从零点起算），当计算某一级等速
加荷过程中时间的固结度时，则改为；
、——见表4.2.2-1。
c、影响砂井固结度的几个因素
(a)关于初始孔隙水压力。
(b)关于涂抹作用。
(c)关于砂料的阻力。
d、地基土抗剪强度增长的预估
在预压荷载作用下，随着排水固结的进程，地基土的抗剪强度就随着时间而增长；另一方面，剪应力随着荷载的增加而加大，而且剪应力在某种条件（剪切蠕动）下，还能导致强度的衰减。因此，地基中某一点在某一时刻的抗剪强度可表示为：
(4.2.2-3)
式中 ——地基中某点在加荷之前的天然地基抗剪强度。用十字板或无侧限抗压强
度试验、三轴不排水剪切试验测定；
——由于固结而增长的抗剪强度增量；
——由于剪切蠕动而引起的抗剪强度衰减量。
考虑到由于剪切蠕动所引起强度衰减部分目前尚难提出合适的计算方法，故该式为：
(4.2.2-4)
式中是考虑剪切蠕变及其它因素对强度影响的一个综合性的折减系数。值与地基土在附加剪应力作用下可能产生的强度衰减作用有关，根据国内有些地区实测反算的结果，值为0.8～0.85。如判断地基土没有强度衰减可能时，则=1.0。
(4.2.2-5)
(2)堆载预压法设计
堆载预压法设计包括加压系统和排水系统的设计。加压系统主要指堆载预压计划以及堆载材料的选用；排水系统包括竖向排水体的材料选用、排水体长度、断面、平面布置的确定。
1)加压系统设计
堆载预压，根据土质情况分为单级加荷和多级加荷；根据堆载材料分为自重预压、加荷预压和加水预压。
堆载一般用填土、砂石等散粒材料；油罐通常利用灌体充水对地基进行预压。对堤坝等以稳定为控制的工程，则以其本身的重量有控制地分级逐渐加载，直至设计标高。
由于软粘土地基抗剪强度低，无论直接建造建筑物还是进行堆载预压往往都不可能快速加载，而必须分级逐渐加荷，待前期荷载下地基强度增加到足已加下一级荷载时方可加下一级荷载。其计算步骤是，首先用简便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校核这一加荷计划下的地基的稳定性和沉降，具体计算步骤如下：
利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的荷载。对长条梯形填土，可根据Fellennius公式估算：
(4.2.2-6)
式中 ——安全系数，建议采用1.1～1.5;
——天然地基土的不排水抗剪强度(kPa)，由无侧限、三轴不排水试验或原位十字
板剪切试验测定；
计算第一级荷载下地基强度增长值。在荷载作用下，经过一段时间预压地基强度会提高，提高以后的地基强度为，
(4.2.2-7)
式中为作用下地基因固结而增长的强度。它与土层的固结度有关，一般可先假定一固结度，通常可假定为70%，然后求出强度增量。为考虑剪切蠕动的强度折减系数。
计算作用下达到所确定固结度与所需要的时间。
根据第二步所得到的地基强度计算第二级所施加的荷载。
(4.2.2-8)
按以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载下地基的稳定性验算。如稳定性不满足要求，则调整加荷计划。
计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。
2)排水系统设计
a、竖向排水体材料选择
竖向排水体可采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。若需要设置竖向排水体长度超过20m，建议采用普通砂井。
b、竖向排水体深度设计
竖向排水体深度主要根据土层的分布、地基中附加应力大小、施工期限和施工条件以及地基稳定性等因素确定。
(a)当软土层不厚、底部有透水层时，排水体应尽可能穿透软土层；
(b)当深厚的高压缩性土层间有砂层或砂透镜体时，排水体应尽可能打至砂层或砂透镜体。而采用真空预压时应尽量避免排水体与砂层相连接，以免影响真空效果；
(c)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)；
(d)按稳定性控制的工程，如路堤、土坝、岸坡、堆料等，排水体深度应通过稳定分析确定，排水体长度应大于最危险滑动面的深度。
(e)按沉降控制的工程，排水体长度可从压载后的沉降量满足上部建筑物容许的沉降量来确定。
竖向排水体长度一般为10～25m。
c、竖向排水体平面布置设计
普通砂井直径一般为200mm～500mm，井径比为6～8。
袋装砂井直径一般为70mm～100mm，井径比为15～30。
塑料排水带常用当量直径表示，塑塑料排水带宽度为，厚度为，则换算直径可按下式计算:
(4.2.2-9)
式中为换算系数，一般=0.75～1.0。塑料排水带尺寸一般为100mm×4mm，井径比为15～30。
竖向排水体直径和间距主要取决于土的固结性质和施工期限的要求。排水体截面大小只要能及时排水固结就行，由于软土的渗透性比砂性土为小，所以排水体的理论直径可很小。但直径过小，施工困难，直径过大对增加固结速率并不显著。从原则上讲，为达到同样的固结度，缩短排水体间距比增加排水体直径效果要好，即井距和井间距关系是“细而密”比“粗而稀”为佳。
竖向排水体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，为简化起见，巴伦建议每个砂井的影响范围由多边信改为由面积与多边形面积相等的圆来求解。
正方形排列时：
正三角形排列时：
式中 ——每一个砂井有效影响范围的直径;
——砂井间距。
竖向排水体的布置范围一般比建筑物基础范围稍大为好。扩大的范围可由基础的轮廓线向外增大大约2～4m。
d、砂料设计
制作砂井的砂宜用中粗砂，砂的粒径必须能保证砂井具有良好的透水性。砂井粒度要不被粘土颗粒堵塞。砂应是洁净的，不应有草根等杂物，其含泥量不能超过3%。
e、地表排水砂垫层设计
为了使砂井排水有良好的通道，砂井顶部应铺设砂垫层，以连通各砂井将水排到工程场地以外。砂垫层采用中粗砂，含泥量应小于3%。
砂垫层应形成一个连续的、有一定厚度的排水层，以免地基沉降时被切断而使排水通道堵塞。陆上施工时，砂垫层厚度一般取0.5m左右；水下施工时，一般为1m左右。砂垫层的宽度应大于堆载宽度或建筑物的底宽，并伸出砂井区外边线2倍砂井直径。在砂料贫乏地区，可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。
(3)现场监测设计
堆载预压法现场监测项目一般包括地面沉降观测、水平位移观测和孔隙水压力观测，如有条件可径向地基中深层沉降和水平位移观测。根据工程经验，提出如下控制要求：对竖井地基，最大竖向变形量每天不应超过15mm，对天然地基，最大竖向变形量每天不应超过l0mm；边桩水平位移每天不应超过5mm；地基中孔压不得超过预压荷载的50～60%，并且应根据上述观察资料综合分析、判断地基的稳定性。预压荷载的卸荷时间一般控制在固结度为85%左右。
