排水固结法在软土地基处理中的应用

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【摘要】本文着重阐述了排水固结法软基处理的基本机理与施工要点，通过对其组成与分类及基本机理特点进行分析和比较，给出了其各自基本施工工艺及施工要点。根据其各自基本机理给出各自的适用不同地质范围，并针对其施工效果提出了有效的监测方法、标准及手段。

【关键词】排水固结法 软土地基 应用

1 前言

随着社会的发展和科技的进步，我国港口与航道工程建设能力和水平也取得了巨大的提升，使得港航工程领域无论从船舶、机械设备，还是施工管理与技术和施工工艺都发生了创造性的变化。尤其是近几年来港航工程建设面向大型化、深水化、外海化的发展，使得大部分后方场地陆域部分都是通过吹填经软基处理后形成，因此软基处理的施工技术和施工工艺及施工材料在港航工程中得到广泛应用。

本文根据日照岚山港区30万吨级矿石码头后方堆场工程，参考相关专业知识，对本工程中所使用的软基处理方法-----排水固结法进行分析和探讨，希望能为类似工程项目的软基处理提供有效的指导和帮助。

2 定义

排水固结法是通过加压使饱和软土中的孔隙水排出，使土体密实，消除沉降，从而提高土体密实度和强度的一种加固方法。

3 分类及组成

排水固结法分为堆载预压法、真空预压法及真空预压联合堆载预压法。由排水系统和加压系统组成，图示如下：

砂垫层

水平排水体 砂沟

土工织物

排水系统

普通砂井

袋装砂井

垂直排水体 塑料排水板

绳索

排水固结法

加外荷载

（增加总应力）------堆载预压等

加压系统 降低孔隙水压力

（不增加总应力）----真空预压等

加外荷又

降低孔隙水压力-----真空预压联合堆载预压

4 机理和使用范围

排水固结法的机理是通过排水系统在加压系统作用下使空隙水排出，孔隙水压力降低并转化为有效应力的增加，导致土体固结消除沉降提高密实度和强度，从而有效的提高地基承载能力和减少沉降量。有效应力增加随加固方法不同而异，以土中任一点M应力状态为代表，有效应力表达式如下：

----地基内M点原有总应力

----地基内M点原有有效应力

----M点深度

----地基内M点原有孔隙水压力

=

----水重度

----大气压力

----土的浮重度

4.1 机理

4.1.1 堆载预压法加固机理

堆载预压法是通过加外荷载增加土体内的总应力，使土体内产生附加应力，当t=0时，由孔隙水承担，= +，排水固结后，转化为有效应力，=+，此时，孔隙水压力与加固前的相同。有效应力原理表达式如下：

+=（+）+

特点：增加外荷载 排水固结 增加有效应力

4.1.2 真空预压法加固机理

真空预压法是不增加土体内的总应力，而是于加固土体表面及周边铺密封膜，在与大气隔绝的情况下抽真空，膜下大气压力降至，土中M点降至。压差，经砂垫层、砂井、排水板等孔隙通道，通过流体作用于孔隙水上，从而降低土体内的孔隙水压力，土体中孔隙水在原有的孔隙水压力与经过真空度所形成的压差作用下，产生渗流，使土体排水固结，此时孔隙水压力降至，有效应力增加至。有效应力原理表达式如下：

特点：不增加总应力、降低中的大气压力 排水固结 增加有效应力

4.1.3 真空预压联合堆载预压法加固机理

真空预压联合堆载预压法是既增加总应力，又降低土体内的空隙水压力。虽这两者增加有效应力的原理和途径不同，但是由有效应力的原理可知，两者对有效应力的增加是叠加关系。有效应力原理表达式如下：

+=（+）+=

4.2 适用范围和特点

4.2.1 堆载预压法适用范围和特点

堆载预压法适用于淤泥质土、淤泥、一般软粘土和冲填土，特别是堆载料可就近取得的大面积软基处理；

特点：施加外荷后，使地基产生附加剪应力，对稳定不利，需根据稳定分析，分级加载，加固区有侧向挤出需要大量堆载料，一堆一卸费时费工。

4.2.2 真空预压法适用范围和特点

真空预压法适用于在加固区能形成稳定负压边界条件的软土地基，特别适用与超软地基及邻近危险边坡地带的软基处理。

特点：地基内不增加总应力，可以一次有真空至最大值。因没有侧向挤出，且有侧向压缩，至土体的抗剪强度始终大于剪应力。不需堆载材料，节省加固的投资、时间和能源，可文明施工。特别是加固超软基和渗透系数小的地基，更能发挥其优越性。

4.2.3 真空预压联合堆载法适用范围和特点

真空预压联合堆载法适用于一般软粘土、超软土，且固结压力要求高、加固时间要求段的工程，两者必须同时作用，效果才能叠加。

5 施工工艺和施工要点

5.1施工工艺

堆载预压法施工工艺如下：

铺设砂垫层----打设竖向排水通道（塑料排水板或袋装砂井）----分级堆载预压----卸载。

真空预压法施工工艺如下：

铺设编织布----铺设竹竿---铺设荆笆（或竹笆）----铺设土工布-----铺设砂垫层---打设竖向排水通道（塑料排水板或袋装砂井）----铺设水平排水管系----安装射流泵及出膜装置----打设黏土帷幕墙、挖密封沟----铺膜（两层）、覆水----抽气-----卸载。

真空预压联合堆载预压法施工工艺如下：

铺设编织布----铺设竹竿---铺设荆笆（或竹笆）----铺设土工布-----铺设砂垫层---打设竖向排水通道（塑料排水板或袋装砂井）----铺设水平排水管系----安装射流泵及出膜装置----打设黏土帷幕墙、挖密封沟----铺膜（两层）、覆水----抽气、排水-----分级堆载预压----卸载。

5.2施工要点

5.2.1在加固面积很大时，如采用真空预压或堆载预压、真空预压联合堆载预压，而且堆载料比较充足的情况下，为加快加固进度和减少搭接区加固效果差的结合带，分区的面积应尽可能大。

5.2.2在刚吹填不久的软土或超软土上（承载力很小）铺设砂垫层时，为减小对表面土的扰动和施工方便，一般是先铺设脚手板作为车道板，铺设复合垫层时，先铺编织布、竹竿、荆笆或竹笆、土工布，再在其上铺脚手板作为车道板，后根据土质情况选用人力车或载重小的翻斗车铺填砂及渣石，按照设计回填速率回填一定厚度并具备一定承载力后，更换载重量较大的自卸车回填石渣。

5.2.3为了监控施工和优化设计，在施工全过程中必须进行观测。检测项目包括：总沉降、分层沉降、孔隙水压和侧向变形。从铺设水平排水系统、打设竖向排水系统前开始，直至卸载后，整个加固过程中，按照拟定的时间间隔进行观测、记录、绘制曲线和分析数据，并及时提供给设计。设计根据现场收集数据调整施工。

5.2.4打设袋砂井或塑料排水板，打设施工机具有履带式挖掘机改装的打设机和轻便的轨道式的门式打设机，应根据加固区土质不同类型选用。后者下铺枕木，可扩散应力而适应软土地基强度大的特点。

打设袋砂井时，当导管打至预定标高后从导管顶部送料口送入砂袋，边送料边抖动，使砂在其自重的作用下充满砂袋，以免出现缩颈或断井现象。砂井灌砂率，对于套管法砂井不得小于设计的85%，对于袋装砂井不得小于设计的95%。袋砂井打设前，砂袋宜用干砂灌制，应达到密实状态，砂袋入井下沉时不得发生扭结、缩颈或断井现象。

打设塑料排水板时，在导管末下沉前，从导管的顶部送料口送入塑料排水板，板末端出导管后，用铁管卡将其扣在导管低端，待导管打至预定标高后，从顶部剪断排水板。

袋砂井和塑料排水板打设后，至少外露砂垫层顶面50cm。打设孔周边塌陷的斗状坑应及时用砂填满，以确保其水平排水系统通畅，通视避免抽真空时该斗坑处下陷。

袋砂井宜用中粗砂，含泥量应小于5%。塑料排水板应符合设计要求，施工质量符合现行行业标准有关规定。

5.2.5竖向排水系统打设后，地基土在自重和砂垫层或复合垫层作用下，排水固结，即可产生一定数值的沉降量。因此，在打设竖向排水系统之前，应测原地基表面的高程，并以此作为计算总沉降量的基准。

5.2.6抽真空密封膜应采用抗老化性能好、韧性好、抗刺穿能力强的不透气塑料膜。铺膜前要认真清理平整砂垫层，拣除贝壳及带尖角石子，填平打设竖向排水通道时留下的孔洞。一般采用两层膜，每层膜铺好后要认真检查和修补破损处，符合要求后再铺下一层。在满足真空度要求的条件下，应连续抽气，当沉降稳定后，方可停泵卸载。密封膜材质及热合缝搭接应符合设计要求。

6 施工监测和效果检验

地基加固效果的检验包括，一是，根据现场观测资料评定残余沉降，二是，现场强度检验。现场强度检验项目有，1，原位试验---十字板和静力触探，及静力荷载试验。2室内土工试验----钻取原状土样，在室内进行物理力学指标检验，配合现场检验综合评价加固效果。

为检验堆载预压法的施工质量和预压效果，地基预压前应在地表设置沉降盘，埋设孔隙水压力仪，分层沉降仪等，在预压期间应每天进行沉降、位移、孔隙水等的观测，并及时整理绘制变形与时间、孔隙水压力与时间的关系曲线。推算地基的最终沉降，确定不同时间的固结度和相应的沉降，以分析加固效果并为确定卸载时间提供依据。

真空预压法的施工监测与效果检验，除按堆载预压法的规定执行外，尚应测量泵上及膜下真空度，并应在真空预压加固区边缘埋设测斜仪，测量土体的侧向位移。

对以地基稳定为控制因素的重要工程，应在预压区内选择代表性位置预留孔位，在加载不同阶段进行十字板剪切原位试验和钻取土样进行室内试验，验算地基的抗滑稳定性。

工程结束后应进行静力触探，十字板剪切试验和室内土工试验，必要时尚应进行现场荷载试验。