排水固结法加固原理是什么？

一、排水系统加固机理

根据太沙基固结理论

固结时间与排水距离的平方成正比，缩短排水距离可大大缩短固结时间。

在地基中设置砂垫层及砂井等的目的就是为了增加排水途径，缩短排水距离，从而加快软弱土层的排水固结。

（一）瞬间加荷条件下固结度计算

对于在土层内设置了砂井等竖向排水体的地基，它在荷载作用下，地基的固结属于三维固结中的轴对称问题。求解地基的固结度时，先分别求解在指定时间内地基垂直向固结度和水平向固结度，然后加以综合得出地基的总固结度。

1、竖向平均固结度Uz可按太沙基固结理论计算。

如果考虑逐级加荷，则时间t从加荷历时的一半起算。

2、根据Barron的解法计算径向平均固结度Ur

式中 TH ——水平向固结时间因数，

CH ——水平固结系数，

KH ——水平渗透系数(cm/s)

F——与n有关的系数，

n——井径比，n =de/dw ，一般取为4～12。

3.砂井的平均固结度为

4.影响砂井固结度的因素

（1）若软粘土层较厚，砂井未能打穿软土层，应考虑其对固结度的影响；

（2）砂井中的砂料对渗流有阻力，会产生水头损失，应考虑井阻作用。

（3）采用机械施工方式，会对周围土产生扰动，对井壁产生涂抹作用而降低径向渗透性。

（二）逐渐加荷条件下地基固结度的计算

式中 qi—— 第i级荷载的加荷速率；

∑△p——各级荷载的累加值；

Ti-1、Ti——分别为第i级荷载加载的起始和终止时间（从零点起算），当计算第i级荷载等速加荷过程中时间t的固结度时，则Ti改用t。

二、加压系统

（一）堆载预压加固机理

堆载预压法是在建筑物施工前，在地基表面分级堆土或加其它荷重，使地基土压密、沉降、固结，待达到预定的强度变形标准后再卸载，建造建（构）筑物。从而提高地基强度和减少建筑物建成后的沉降量。

加固机理1——减小地基工后沉降：

初次加载曲线，在外加荷载△σ′＝σ1′－σ0′作用下，土样孔隙比减小了△e；卸荷再压缩之后，孔隙比减小量为△e′，远小于△e，表明大部分压缩变形（ △e－ △e′）都在预先施压过程中消除了。

加固机理2——提高土体强度：

预压后，土体处于超固结状态，其抗剪强度要比处于正常固结状态时的强度高。

1、堆载方式

堆载预压处理地基有两种方法。

（1）等载预压：预压荷载与永久荷载相等。

此时，地基的最终沉降量由两部分组成：

式中 st——预压期所产生的沉降或被消除的沉降；

sr——残留沉降。

实践证明，预压的效果与预压时间有关，时间越长，消除的沉降st越大，残留沉降sr越小。因此，预压时间取决于永久荷载对残留沉降的要求而定。

（2）超载预压：预压荷载大于永久荷载的情况。

采用超载预压处理软弱地基，其处理效果更好。

原因：

（1）经过超载预压后，当土层所受过的固结压力大于使用荷载下的固结压力时，原来的正常固结粘土层将处于超固结状态，其压缩性将进一步降低；

（2）采用超载预压还可以达到消除残留沉降和次固结沉降的目的，使sr=0，即在使用期几乎没有沉降发生。

堆载预压时，是通过增加地基中的总应力σ，并使孔隙水压力u消散来增加有效应力σ′的，地基中孔隙水的排出使由于形成了超孔隙水压力使得水得以排出，地基产生固结，因而称为正固结。

2.地基土抗剪强度增长值的预估

当软弱地基天然强度较低时，必须限制加载速率以利用前期荷载使地基排水固结，提高强度来适应下一级加载，避免由于荷载过大地基强度不足引起地基土失稳。因此，在进行设计时，需要预测抗剪强度在加载过程中的增长情况，以便合理确定预压加载速率。

地基中某一点在某时刻的抗剪强度τf可表示为：

式中 τf0——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；

△τfc——由于排水固结而增长的抗剪强度；

△τfτ——由于剪切蠕动而引起的抗剪强度衰减量。

由于剪切蠕动所引起的强度衰减部分目前尚未提出合适的计算公式，因此实用上地基的抗剪强度可用下式计算：

式中 η——考虑剪切蠕变及其它因素对强度影响的一个综合性折减系数，可取0.9～0.95，若判断地基土没有强度衰减可能时，则η＝1.0。

强度增量△τfc的计算方法目前常用有以下两种：

（1）有效应力法

由于

故

（2）有效固结压力法

《建筑地基处理技术规范》推荐采用此方法。其计算式为：

式中 △σz——预压荷载引起的该点的竖向附加应力。

排水固结的设计理论着重于：

（1）逐渐加载条件下固结度的修正计算；

（2）地基强度增长的预计和与其相应的稳定性分析方法；

（3）最终沉降量与沉降随时间发展的推算以及根据现场观测资料反算土的力学性质指标等。

（二）真空预压加固机理

真空预压法是以大气压力作为预压荷载。先在需加固的软土地基表面铺设一层透水砂垫层，再在其上覆盖数层不透气的塑料薄膜或橡胶布，四周密封，与大气隔绝。在砂垫层内埋设排水管道，然后与真空泵连通，进行抽气，使透水材料保持较高的真空度，在土体孔隙水中产生负的孔隙水应力，将土中孔隙水和空气逐渐吸出，从而使土体固结。

1、加固机理

真空预压法的加固机理主要反映在下面三个方面：

（1）土中水排出：真空预压在抽气前，薄膜内外均承受一个大气压pa的作用，抽气后薄膜内形成一个压力差：首先使砂垫层，其次是砂井中的气压降到pv，使薄膜紧贴砂垫层，这个压差称之为“真空度”。

砂垫层中形成的真空度，通过垂直排水通道逐渐向下延伸，同时，真空度又由垂直排水通道向其四周的土体传递与扩散，引起土中孔隙水压力降低，形成负的超静孔隙水压力。从而使土体孔隙中的气和水由土体向垂直排水通道发生渗流，最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被泵抽出。

（2）有效应力增加：地下水在上升的同时，形成排水体附近的真空负压，使土体内的孔隙水压形成压差，促使土中的孔隙水压力不断下降，地基有效应力不断增加，从而使土体固结；同时抽气后土体中水位降落，也会增加有效应力。

（3）封闭气泡排出，土的渗透性加大：当饱和土体中含有少量封闭气泡时，在正压作用下，封闭气泡会堵塞孔隙，使土的渗透性降低，固结过程减慢。但在真空吸力下，封闭气泡被吸出，从而使土体渗透性提高，固结加快。

土体和砂井间的压差，开始时为（pa－pv），随着抽气时间的增长，压差逐渐变小，最终趋向于零，此时渗流停止，土体固结完成。所以真空预压过程，实质是利用大气压差作为预压荷载，使土体逐渐排水固结的过程。

真空预压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，这种方法和降水预压一样都是在负超孔隙水压力下排水固结，因而称为负压固结。

真空预压法能取得相当于78～92kPa的等效荷载堆载预压法的效果。

2、堆载预压与真空预压在加固机理方面区别

堆载预压法，土体中的总应力是增加的，真空预压，总应力保持不变；

堆载预压法中，土体孔隙中形成的孔隙水压力增量是正值，即超静水压力是正值；真空预压法中，土体孔隙中形成的孔隙水压力增量是负值。

堆载预压法中，土体有效应力的增长是通过正的超静孔隙水压力的消散来实现的，而真空预压法中，土体有效应力的增长是靠负的超静孔隙水压力的形成来实现的。

堆载预压法中，土体加固后形成的有效应力与上部施加的荷载大小有关，并且在垂直向和水平向上大小一般是不同的；真空预压法中土体有效应力的增加具有最大值，理论上最大为一个大气压，一般都低于此值，由于有效应力的增加依赖于孔隙水压力的降低来实现。所以，土体加固过程中有效应力增加值在垂直、水平及其他各方向上是相同的。

3、真空预压法的优点及缺点

（1）不需要大量堆载，可省去加载和卸载工序，节省大量材料、能源和运输能力，缩短预压时间；

（2）真空法所产生的负压使地基土的孔隙水加速排出，可缩短固结时间；同时由于孔隙水排出，渗流速度增大，地下水位降低，由渗流力和降低水位引起的附加应力也随之增大，提高了加固效果；负压可通过管路传到任何场地，适应性强；

（3）孔隙渗流水的流向及渗流力引起的附加应力均指向被加固土体，周围土体向预压区移动使整个加固地基呈收缩的趋势；

（4）适用于超软粘土以及边坡、码头等地基稳定性要求较高的工程地基加固，土愈软，加固效果愈明显；

（5）真空预压加固地基影响范围广而深；

（6）无噪声、无振动、无污染，可做到文明施工。

缺点：工序复杂，工程费用较高，预压效果受到一定局限，预压区周边效果相对较差，同时由于真空抽水最大高度为10m，因而当淤泥层厚度小于8m时预压效果较好，厚度超过8m则有所减弱，厚度越大越明显。

4、真空预压法适用范围

真空预压法适用于能在加固区形成（包括采取措施后形成）负压边界条件的饱和均质粘性土及含薄层砂夹层的粘性土，特别适于新吹填土、超软粘土地基的加固。

但不适用于表层存在良好透气层或在加固范围内有较厚透水层并有充足水源补给的地基。