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桥梁地基处理排水固结法

futao 拆除工程 2019-04-28 939 0
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桥梁地基处理排水固结法

一、排水固结法原理

工程实践表明,在饱和软黏土地基上加载后,孔隙中的水会慢慢排出,使孔隙比也随之减小,地基发生固结变形。同时,随着超静水压力逐渐消减,有效应力逐渐提高,地基土的承载力就逐渐提高,其三者有如下关系:

(10-7)式中:c'——某点的有效应力;o——某点的总应力;U——孔隙水压力。

通过试验得到的孔隙比e与固结压力a。的压缩曲线及抗剪强度与固结压力关系曲线,可明确分析出工作原理(图10-3)。设土样天然固结压力为6,其对应孔隙比为eo,曲线上是a点,当压力增加△o'固结终了时,对应曲线上为c点,孔隙比减小△e,与此同时,抗剪强度与固结压力成比例地由a点提高至c点。由此可知,土体在受压固结时,由于水的排出,孔隙比减小产生压缩,另一方面由于土的固结抗剪强度也得到提高。上述效果是由于孔隙中的水的排出,静水压力消减产生的。如从c点卸除压力Ao’,则土样发生膨胀,由c点经e点胀至/点,图中cef为卸载膨胀曲线,如从f点再加压△o’,土样会发生再压缩,沿虚线经g变化到c’,在图10-3b)中相应剪力强度曲线为fgc'。在图10-3a)中,再压缩曲线fgc',可清楚地看出,固结压力同样从a'%增加Ar',而孔隙比减小值为△e',可以看出,Ae’要比△e小得多。这说明,如果在拟建结构物地基上先加一个和结构物相同的压力进行预压,使土层固结(相当于压缩曲线上从a点变化到c点),然后卸除荷载(相当于膨胀曲线上由c点变化到f点),再建造结构物(相当于再压缩曲线上从f点变化到c'点),这样,结构物所引起的沉降即可大大减少。如果预压荷载大于结构物荷载,所谓超载预压,则效果更好。

图10-3排水固结法工作原理图

图10-3排水固结法工作原理图

以上为排水固结法的工作原理。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,如图10-4所示。

以下重点介绍最常用的砂井堆载预压排水固结法。

图10-4排水固结系统组成图

图10-4排水固结系统组成图

二、砂井堆载预压排水固结法

砂井堆载预压排水固结法如图10-5所示。

图10-5砂井预压排水图示

图10-5砂井预压排水图示

通过上层设砂垫层和砂井组成水平和竖向的排水通路,缩短排水距离,提高排水效果。

(一)砂井构造设计

砂井构造设计包括砂井深度、直径和间距、布置等内容,现简述如下。

1.砂井深度

当软土层不太厚时,应打穿软土层;当软土层较厚,地基中夹有砂层时,则应打到砂层;当软土层很厚又无砂夹层时,因附加应力的扩散作用,地基深处的附加压力很小,砂井的作用也很小,因此不必打穿整个压缩层,可采用试算法确定一个最经济的深度。其方法可先选定一个砂井深度、砂井直径和间距,通过沉降和固结度的计算,预计经过一段时间预压后可能剩留的沉降量,如这一沉降量不能满足结构物的要求,则另行选择砂井尺寸重新试算,直至满足要求为止。

2.砂井的直径和间距

砂井内填料宜用砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等,填料中含泥量不应大于5%,并不宜含有粒径大于50mm的粒料。砂井直径和间距主要取决于黏性土层的固结特性和施工方法、施工工期的要求。经研究比较,缩短砂井间距比增大砂井直径效果更好,所以,一般应采用“细而密”的方案。工程上常用的砂井直径可采用0.3~0.8m,需根据地基土质和成井设备确定。对饱和黏性土地基宜选用较大直径。

砂井挤密地基宽度应超出基础宽度,每边放宽宜为1~3排。砂井用于防止砂层液化时,每边放宽不宜小于处理深度的1/2,并不应小于5m;当可液化层上覆盖有厚度大于3m的非液化层时,每边放宽不宜小于液化层厚度的1/2,并不应小于3m。

3.砂井布置

砂井平面布置形式有等边三角形和正方形两种。当砂井为正方形排列时,砂井的有效排水范围为正方形;等边三角形排列时为六边形(图10-6),在实际进行固结计算时,简化为一个等面积圆。等效圆的直径d.与砂井间距l的关系如下,即:

等边三角形排列时

d.=/231=1.0501

(10-8)正方形时d。=/41=1.128/(10-9)显然,等边三角形的排列比较紧凑,实际工程中较常采用。


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图10-6砂井平面布置

4.排水砂垫层

一般在砂井顶面应铺设排水砂垫层,以连通砂井引出从土层排入砂井的渗流水。其厚度一般为0.3~0.5m(水下砂垫层厚度为1.0m左右)。如砂料缺乏时,可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。

在此还要说明,砂井预压法也适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等的饱和黏性土地基。砂井预压法主要有普通砂井、袋装砂井和塑料排水板等。普通砂井直径可取d。=0.3~

0.5m,袋装砂井直径可取d。=0.07~0.10m。塑料排水板的当量换算直径可按下式计算:

D.=c3

(6+8)(10-10)T式中:D,——塑料排水板的当量换算直径;x——换算系数,无试验资料时,可取x=0.75~1.00;b——塑料排水板的宽度;6——塑料排水板的厚度。

(二)砂井地基固结度计算

固结度的计算是砂井地基设计中一个很重要的内容。只有知道各级荷载下不同时间的固结度,才可推算出地基强度增长情况及加荷期间地基的沉降量,从而确定相应的加载计划和预压荷载的期限。砂井地基的固结理论都是假定荷载是瞬时加载,实际上分级加载可在此基础上进行修正。

图10-7砂井柱体影响计算图

图10-7砂井柱体影响计算图

1.瞬间加荷条件下砂井地基固结度计算

砂井有效排水影响范围以圆柱体代替(图10-7),以圆柱坐标表示,设任意点(r,z)处的孔隙水压为u,并考虑水平向渗透系数K,和竖向渗透系数K,不等,则固结微分方程为:

Ou=C2u+C(O2u:1.u)(10-11)

Bt""a2TCh(ar2Tr or)

式中:t——时间;C.——竖向固结系数;C——径向固结系数(或称水平向固结系数)。假定荷载是均布的;土体仅有竖向压密度时,土

的压缩系数和渗透系数是常数;土体完全饱和,加荷开始时,荷载所引起的全部应力由孔隙水承担。将式

(10-10)用分离变量法分离为竖向固结和径向固结两个微分方程,如式(10-12)所示,根据边界条件分别求解,最后再求出竖向和径向排水联合作用时整个砂井影响范围内土柱体的平均总固结度。

n=co(10-12a)at"az2

au2=C1ou.1.3.)(10-12b)

at\ar2'r orl

(1)竖向排水平均固结度

对于土层为双面排水条件时,某一时间竖向固结度的计算式如下:

7=181e要2r7,(10-13)Tn=1,3…mf(10-14)

7.=常

式中:m——正奇数(m=1,3,5…);U.——竖向排水平均固结度(%);e——自然对底数,取e=2.718;T.——竖向固结时间因数;t——固结时间(s);H——土层的竖向排水距离(m),双面排水时H为土层厚度的一半,单面排水时为土层厚度。

当U.>30%时,可采用下式计算:

=18er(10-15)T与T,关系曲线如图10-8所示。

(2)径向排水固结度

8Th U.=1-e(10-16)


图10-8双面排水可。与7,关系曲线

图10-8双面排水可。与7,关系曲线

T.=e

·t(10-17)n23n2-1

(10-18)F(n)=+1nn-

n2-14n2式中:T——径向固结时间因数;C1——径向固结系数;t——时间;n——井径比(n=d/d)。

井径比n与F(n)的关系可查表。径向平均固结度U,与T,及n的关系曲线如图10-9所示。

图10-97,与7、n的关系曲线

图10-97,与7、n的关系曲线

(3)总固结度

砂井地基总的平均固结度U。是由竖向排水和径向排水所引起的,总的平均固结度按下式计算:

7=1-(1-7)(1-7)(10-19)当砂井未打穿整个压缩土层时,总平均固结度可按下式计算:

可=nU.+(1-7)(10-20)H

(10-21)

7=,+H品

式中:H,——砂井部分土层厚度;H,——砂井以下压缩层范围内土层厚度。

一般要求在不太长的时间内,地基土能达到80%以上的固结度。

2.逐渐加荷条件下地基固结度的计算

以上计算固结理论的公式都是假设荷载是一次瞬间加足的。在实际工程中,荷载总是分级施加的,因此,根据上述理论方法求得的固结时间关系或沉降时间关系都必须加以修正。一般用以下两种修正公式。

(1)改进的太沙基法

识=学(-么号a)·%

(1022)式中:U.——多级等速加荷,t时刻修正后的平均固结度;U.——瞬间加荷条件的平均固结度;t-1、—分别为每级等速加荷的起点和终点时间(从0时间算起),当计算某一级荷载加荷时间t时刻的固结度时,则t。改为t;Ap.——第n次荷载增量;Ap——各级荷载的累加值。

(2)改进的高木俊介法

:=学我。[(7.-T.1)-ge8(%-c…)](10-23)式中:q。——第n次荷载的加荷速率;T.1、T——分别为第n次荷载起始和终止时间,当计算第n次荷载加荷过程中时间t的固结度时,将T改用t;

α、B——参数,对不同排水条件的参数可按表10-4计算。

不同排水条件的固结度计算公式表10-4

α、B——参数,对不同排水条件的参数可按表10-4计算。  不同排水条件的固结度计算公式表10-4

三、其他方法简介(一)真空预压法

真空预压法(图10-10)是在需要加固的软黏土地基内设置砂井(或袋装砂井)或塑料排水板,然后在地面铺设砂垫层。施工时在砂垫层上铺三层比垫层面积稍大的塑料薄膜,四周埋入沟槽中,填黏土封闭;模的四周设高度为0.4~0.6m的土围堰,堰内灌水封闭;膜内砂垫层中设有真空滤管,构成网络管路和控制系统,采用真空泵或射流真空泵进行真空抽气,将膜内空气排出,这样就在密封膜的内外产生一个气压差U4,这个气压差即变成作用于地基上的荷载,相当于堆载预压。

图10-10真空预压法示意图

图10-10真空预压法示意图

同时,真空所产生的负压加速地基土的孔隙水的排出,由于孔隙水排出过程渗流速度的增大,由渗流力引起的附加应力也随之增大,提高了加固速度和效果。随着膜内真空压力逐渐提高,土的排水固结程度也提高,一般要使膜内形成水银柱600mm的负压,相当于堆载预压强度为70kPa。当达到预定真空度后,可采取自动控制间隔抽气措施,直到达到80%固结度为止。

抽真空前,土中的有效应力等于自重压力,抽真空后,土体固结完成时,真空压力完全转化为有效应力。

由以上可知,真空预压不需要堆载,省去大量加载和卸载工序;预压控制简单易于操作,便于大面积施工;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,所以土体加固过程中侧向变形很小,不会发生剪切破坏,非常适用于软弱黏性土的加固。

(二)电渗固结法

电渗固结法利用电场作用使土中的水从阳极流向阴极的现象,这种现象称为电渗,如将水在阴极排除而在阳极不予补充,土就会固结并引起土的压缩,达到提高承载力和减少压缩变形的目的。也可以利用电场作用,使化学物质(溶液、胶体)定向流动,胶结土粒而达到地基加固目的。

电渗固结法可分为铝电极法和通电注液法两种。前者用铝棒作为插入土中的电极材料,利用电渗现象产生脱水作用,在排水固结的同时,电解后的铝离子沉淀至土粒孔隙中,与土紧密结合,也起着固结作用。后者是人工在电极附近注入各种固化剂,利用电渗现象使固化剂分散到土粒孔隙中,以达到固结土体的目的。

该方法主要适用于饱和粉土或粉质黏土。工程上也常用于降低黏土中的含水率或地下水

位来提高土坡或基抗边坡的稳定性。也可配合堆载预压加速饱和黏性土地基固结,提高强度等。

(三)降低地下水位法

降低地基中的地下水位,地基中的软弱土层就相当承受了下降水位高度的水柱重量的附加应力,从而产生固结。一般采用井点法排水来降低水位,其原理可参考第三章第五节基坑排水有关内容。

一般井点降水结合堆载预压其效果更为显著。多用于砂或砂质土,或在软黏土层上存在砂或砂质土的情况;对于深厚的软黏土层,为加速其固结,往往设置砂井并采用井点法降低地下水位。


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