1、砂井排水固結法處理軟土地基一、前言云南省地處高原，地形多為山嶺重丘，溝谷切割深，地質變化復雜。 不多的平地多為山谷盆地及山間洼地，這些地區是地表水常年匯積的地 方，因排水差、沖積物多年淤積及耕種等因素影響而形成軟土地基。軟土 地基因內聚力小、抗剪強度低、天然含水量高、 可壓縮性大等特點而成為 公路修建中令人頭疼的問題， 處理不好， 將會嚴重影響后續的路面基層和 面層的施工，產生路面沉陷、裂縫等病害，嚴重影響和降低公路的使用性 能，造成巨大的經濟損失。近年來， 高速公路的建設在云南省得到了長足的發展。 因受地形的限 制及高速公路本身高標準的技術要求， 它將不可避免地通過軟土地區。 從 而使軟土處

2、治成為每條高速公路修建中都會遇到的問題， 引起了廣大建設 者的高度重視。軟土處治方法很多，概括地講，有置換法、強夯法、排水固結法（袋 裝砂井、塑料排水板） 、木樁擠密法、振沖碎石樁、爆擴碎石樁、深層攪 拌法等。具體采用哪一種方法，要根據工程實際，結合軟土深度、面積大 小、當地可用材料、經濟適用性等多方面綜合比較后，再確定選用方案， 以取得最佳使用效果。本文介紹排水固結法處理地基的原理、 設計計算、施工工藝，對砂井 抗滑穩定性、一般砂井的施工工藝提出改進措施。二、排水固結法概述1、排水固結法的原理 飽和軟粘土地基在荷載作用下， 孔隙中的水被慢慢地排出， 孔隙體積慢慢地減小，地基發生固結變形。同時

3、，隨著超靜水壓力逐漸消散，有效 應力逐漸提高，地基土的強度逐漸增長。現以圖 1為例作一說明。當土樣 的天然固結壓力為時，其孔隙比為，在坐標上其對應的點為 A點，當壓力增加，固結終了時變為C點，孔隙比減小，曲線ABC稱為壓縮曲線。與此同時，抗剪強度與固結壓力成為比例地由 A點提高到C點。所以，土體在受壓固結時， 面孔隙比減小產生壓縮，一方面 強度也得到提高。如從C點卸除 ，則土樣發生膨脹，圖中CEF 荷膨脹曲線，如從F點再加壓厶 土樣發生再壓縮，沿虛線變化到 相應的強度包絡線如圖下部所 從再壓縮曲線FGU可清楚地看 固結壓力同樣從、:增加、， 隙比減小值為 ， 比小 多。如果在建筑場地先加上一個

4、 部建筑物相同的壓力進行預壓， 層固結，然后卸除荷載，再建造 物，建筑物所引起的沉降即可大 小。如果預壓的荷載比建筑物荷 大，即超載預壓，那效果更好。圖i排水固結法 增大地基土密度的原理一方抗剪壓力為卸，C,其 示。 出， 而孔得 和上 使土 建筑 大減載 因經過超載預壓，當土層的固結壓力大于使用荷載下的固結壓力時，原來正常 固結粘土層將處于超固結狀態，而使土層在使用荷載下的變形大為減小。土層的排水固結效果和它的排水邊界條件有關。根據固結理論，粘性 土固結所需的時間和排水距離的平方成正比， 土層越厚，固結延續的時間 越長。為了加速土層的固結，最有效的方法是增加土層的排水途徑，縮短 排水距離。砂

5、井、塑料排水板等豎向排水體就是為此目的而設置的，如圖 2所示，這時土層中的孔隙水主要從水平向通過砂井和部分從豎向排出。砂井縮短了排水距離，因而大大加速了地基的固結速率， 這一點無論從理 論上還是工程實踐上都得到了證實在荷載作用下，土層的固結過程就是孔隙水壓力消散和有效應力增加 的過程。如地基內某點的總應力為，有效應力為、，孔隙水壓力為J， 則三者有以下關系：(31)用填土等外加荷載對地基進行預壓，是通過增加總應力并使孔隙水壓力消散來增加有效應力的方法。d圖2排水法的原理()豎向排水情況；(b)砂井地基排水情況2、排水固結法的應用自從我國在50年代起使用普通砂井法處理地基，排水固結法在我國 得到

6、了飛速發展。在70年代發展成袋裝砂井法，1980年開始應用真空預 壓法，1981年應用塑料排水帶法處理軟土地基。由于砂井排水法對軟土 地基的處理具有質量可靠、施工方便、工效高、工程造價低等優點，從而 在我國東南沿海和內陸地區廣泛應用。3、排水固結法的適用條件排水固結法適用于處理厚度較大的飽和軟土和沖填土地基，該法是對 天然地基或先在地基中設置砂井等豎向排水體，然后利用建筑物本身重量 分級逐漸加載，或是在建筑物建造以前，在場地先行加載預壓，使土體中的孔隙水排出，逐漸固結，地基發生沉降，同時強度逐步提高的方法。所 以排水固結法需要有較長的預壓時間和荷載條件及土石方搬運機械。三、設計所需的土工資料在

7、進行排水固結法設計前，應進行詳細的勘探和土工試驗，以取得必 要的設計資料，以下項目的資料應特別加以重視。1、土層條件。通過適量的鉆孔繪制出土層剖面圖，采取足夠數量的 試樣以確定土的種類和厚度、土的成層厚度，透水層的位置，地 下水位的深度。2、固結試驗。固結壓力與孔隙比的關系、固結系數。3、軟粘土層的抗剪強度及沿深度的變化。4、砂井及砂墊層所用砂料的粒度分布、含泥量。對軟粘土，常規的土工試驗項目如表 1：表1軟粘土的常規土工試驗項目土的性質試驗內容試驗方法土的物 理性質稠度液限(L) 塑限(top) 塑性指數(Ip)液限試驗 塑限試驗含水量含水量() 飽和度(Sr)含水量試驗密度容重(r) 孔隙

8、比(f)容重試驗滲透性滲透系數(k)滲透試驗土的力 學性質壓縮固結系數(CV,Ch) 壓縮指數(CC)6 C或總Igd曲線固結試驗強度粘聚力(C)內磨擦角(半)不排水抗剪強度(Cu) 有效抗剪強度(申)直剪試驗二軸試驗無側限抗壓強度試 驗十字板剪切試驗二軸試驗四、設計計算1砂井布置砂井直徑和間距砂井的直徑和間距主要取決于土的固結特性和施工期限的要求。從原則上講為達到同樣的固結度，縮短砂井間距比增加砂井直徑效果要好，即 “細而密”比“粗而稀”為佳。砂井直徑一般為300400mm袋裝砂井直徑70120mm工程上常用的井距，一般為砂井直徑的 68倍，袋裝 砂井一般為1530倍。設計時，可先假定井距，

9、再計算地基固結度，若 不能滿足要求，則可縮小井距或延長施工期。砂井深度砂井深度主要根據土層的分布、 地基中附加應力大小、施工期限和條 件及地基穩定性等因素確定。 當軟土層不厚、底部有透水層時，砂井應盡可能穿透軟土層。 當深厚的壓縮土層間有砂層或砂透鏡體時，砂井應盡可能打至砂層 或砂透鏡體，而采用真空預壓時應盡量避免砂井相連接， 以免影響真空效 對于無砂層的深厚地基則可根據其穩定性及建筑物在地基中造成 的附加應力與自重應力之比值確定（一般為 0.10.2 ）。 若砂層中存在承壓水，由于承壓力的長期作用，粘土中就存在超孔 隙水壓力，這對粘性土固結和強度增長都是不利的， 所以宜將砂井打到砂 層，利用

10、砂井加速承壓水的消散。 按穩定性控制的工程，如路堤、土壩、岸坡、堆料等，砂井深度應 通過穩定分析確定，砂井長度應大于最危險滑動面的深度。 按沉降控制的工程，砂進長度可從壓載后的沉降量滿足上部建筑物 容許的沉降量來確定。砂井長度一般為1025m砂井排列砂井在平面上可布置成正三角形或正方形，以正三角形排列較為緊湊 和有效。等效圓的直徑de與砂進間距I的關系如下：-1.0501de =4| =1.128等邊三角形排列時(4 1)正方形排列時(4 2)砂井布置范圍砂井的布置范圍一般比建筑物基礎稍大為好。 這是因為在基礎以外一定范圍內，地基中仍然產生由于建筑物荷載而引起的壓應力和剪應力。如能加速基礎外地

11、基土的固結，對提高地基的穩定性和減小側向變形以及由 此引起的沉降均有好處。一般可由基礎的輪廓線向外增大約24m砂料制作砂井的砂宜用中粗砂，砂的粘徑必須能保證砂井具有良好的透水 性。砂井的粒度不要被粘土顆粒堵塞。砂應是潔靜的，不應有草根等雜物， 其含泥量不能超過3%砂墊層砂墊層應形成一個連續的、有一定厚度的排水層，以免地基沉降時被切斷而使排水通道堵塞。陸上施工時，砂墊層厚度一般為0.5m左右；水下施工時，一般為1m左右。如砂料缺乏，可采用連通砂井的縱橫砂溝代 替整片砂墊層。砂井布置如圖37砂井墊層2、制定分層預壓計劃利用地基的天然地基土抗剪強度計算第一級容許施加的荷載pl對長條形填土，可根據Fe

12、lle nius公式估算：P15.52CUK(49式中 k 安全系數，建議采用1.11.5Cu 天然地基土的不排水抗剪強度(4 4) 計算第一級荷載下地基強度增長值，提高以后的地基強度為CU1 :Cu1 Cu：Cu)式中ACu為P1作用下地基因固結而增長的強度為考慮剪切蠕動的強度折減系數Cu與土層的固結度有關，一般可先假定一固結度，通常可假設為70% n =0.9“sin cos1 +si nCukU、1(4 5)式中 厶，一荷載所引起的地基中某一點的最大主應力增量，按彈性理論公式計算k 有效內磨擦角的函數 KKU 地基中某點的固結度 計算P1作用下達到所確定固結度所需要的時間， 根據假定的固

13、結度U(4 6)Urz =1 _(1 _Uz)(1 _Ur)(4 7)UzU r =1 - exp(-8F（n）CHt)2 1丿de(4 8)F(n )=22nln(n) n -123n2 -14n2(4 9)8兀=12 exp(-兀411聯合求解出所需的時間t根據第二步所得到的地基強度CU1計算第二級所能施加荷載P2 依次可計算出以后各級荷載和停歇時間。確定初步的加荷計劃。3、地基固結度計算根據改進的太沙基法，對多級等速加荷，地基固結度如下式:nUt八1廳宀）、爲(410)式中：Ut 多級等速加荷，t時刻修正后的平均固結度Urz 瞬間加荷條件的平均固結度Tn 4,Tn 分別為每級等速加荷的起

14、點和終點時間二Pn 第n級荷載增量4、地基強度增長的預計地基中某一點在某一時間的抗剪強度f可表示為f = f。 fc - Jf.（411）式中：-f0 地基中某點在加荷之前的天然抗剪強度-fc 由于固結而增長的抗剪強度增量f.由于剪切蠕動而引起的抗剪強度衰減量由于剪切蠕動所引起強度衰減部分，目前尚難提出合適的計算方法,.f =r(.f。？血)(412)故該式改為:式中n為一個綜合性的折減系數，與地基土在附加剪應力作用下可能產生的強度衰減作用有關，根據國內有些地區實測反算的結果，n值為0.8 0.85 o對正常固結飽和粘土fc =- 1U t(4 13)式中k-有效內摩擦角的函數，sin cos

15、 1 +si n匯i 荷載所引起的地基中某一點的最大主應力增量U t地基中某點的固結度5、穩定分析圖4為軟粘土地基上路堤斷面的穩定分析示意圖 滑動力矩：BR、W W sin：IL Ai(414)式中 W ,WJ分別為土條基部分及填土部分的重量:i 土條底面與水平角M 抗二 M 抗 Ab M 抗 bc (4 15)/ a Z y/ / 、 /r.1-1圖4路堤穩定分析圖C、Wji sin-：B在地面交地基部分抗滑力矩:M 抗 Ab 二 RA釘 Wj cos： tan I WU(Usos：冷 tan : J(413式中Cu ,九一不排水剪求得的強度指標u 固結不排水剪求得的內磨擦角U平均固結度壩體

16、部分抗滑力矩：C M Lc 二 mR CjiWucos： jtan(417)B式中m 壩體抗滑力矩折減速系數，可采用0.60.8強度指標折減系數，可采用0.5Cu , ；：u 壩體土抗剪強度指標最終抗滑穩定安全系數計算式為：B_Z Culi +Wrco(i tanu +WjU cosotjtancu】K = M 抗=A h m 滑BC冃二 W- W i sin : i 二 Wji sin ： iABCmCuh Wi cos i tanBbC7 W- Wu i sin 冷二 Wu sin ：AB(4 18) 以上抗滑穩定安全系數計算都不考慮砂井的因素，這是因為傳統的砂井只考慮排水固結作用，而不考

17、慮其加筋作用。其實由于砂井的存在，地基的抗滑穩定性將會提高，尤其是袋裝砂井和塑料排水板，砂袋和排水板的抗拉能力對地基的抗滑起一定的作用。M抗二M抗AbM抗BC M抗砂井(419)砂井的抗滑力矩：nM抗砂井=R1 Si cost(420)i =1式中S 砂袋或排水板產生的拉力9 砂井與滑動圓弧在砂井處切線的夾角 n 滑動圓弧穿過砂井數此時抗滑穩定安全系數為：nR S cosrK 二 Kh 亠M滑所增加安全系數為(421)n Si cosyi AC(4 22) W i sin 一：Wji sin 一：AB6、沉降計算若忽略次固結沉降，最終沉降 KK為:S：二 Sd Sc(423)式中 Sd 瞬時沉

18、降量Sc 固結沉降量壓縮固結沉降KK為:nSc =、i三(424)式中第i層中點之土自重應力所對應的孔隙比1i 第i層中點之土自重應力和附加應力之和相對應的孔隙比hi 第i層的厚度 n 壓縮土層總數 瞬時沉降為：Sd二CdPbW(425)式中p 均布荷載b荷載面積寬度Cd 考慮荷載面積形狀和沉降計算點位置的系數E一土的彈性模量和泊松比最終S：的計算計算S時，由于其中的彈性模量和泊松比不易準確判定， 影響計算的 精確度。根據國內外建筑物實測沉降資料的分析結果，可將式(4-19 )改 寫為：SmSc( 426)式中m為考慮地基剪切變形及其他影響因素的綜合性經驗系數，通常取 m=1.1 1.4在荷載

19、作用下地基的沉降隨時間的發展可用下式計算St =Sd UtSc(4 27)式中St 時間地基的沉降量Ut 時間地基的平均固結度對于一次瞬間加荷或一次等速加荷結束后任何時間的地基沉降量，可將上式改寫為：St (m -1 Ut) Sc(4 28)對于多級等速加荷的情況-pt-1St =行一1)+5 足(4 29)式中Pt 時間的累計荷載:巾一總的累計荷載五、施工方法1、施工準備19施工時，應清除干凈砂井頂面的淤泥和雜物，并對場地進行整平，以利砂井排水。2、水平排水墊層施工排水砂墊層目前有四種施工方法（1）、當地基表層有一定厚的硬殼層，其承載力較好，能承載通常的 運輸機械時，一般采用機械分堆攤鋪法，

20、即先堆成若干砂堆， 然后用機械 或人工攤平。（2）、當硬殼層承載力不足時，一般采用順序推進攤鋪法。（3）、當軟土地基表面很軟，如新沉積或新吹填不久的超軟地基， 首 先要改善地基表面的持力條件，使其能承載施工人員或輕型運輸工具。（4）盡管對超軟地基礎表面采取了加強措施， 但持力條件仍然很差， 一般對不能承載輕型機械情況下，通常要用人工或輕便機械順序推進鋪設。不論采用何種施工方法，都應避免對軟土表層的過大擾動， 以免造成 砂和淤泥混合，影響墊層的排水效果。3、豎向排水體施工袋裝砂井是普通砂井的改良和發展，基本上解決了大直徑砂井中所存 在的問題，使砂井的設計和施工更加科學化， 是一種比較理想的豎向排

21、水 體。（1）、施工機具現在國內外均有專用的施工設備，一般為導管式的震動打設機械，各 類機械性能如表2表2打設機械性能打設機械 型號行進方式打設動力接地壓力KN/m、施工程序袋裝砂井的施工程序包括立位、 整理樁尖、沉入導管、將砂袋放入導 管、往管內灌水、拔管等。 、施工中注意的問題 定位要準確，砂井垂直度要好。 砂料含泥量要小，一般含泥量要求小于 3%打設深度m打設效率m/臺班SSD20 型寬履帶震動錘10201500IJB 16步履震動錘5010151000門架軌道震動錘2310151000履帶吊機震動錘100121000 袋中砂宜用風干砂，并應灌制密實。 聚丙烯編織袋在施工時應避免太陽光長

22、時間直接照射。 砂袋入口處的導管口應裝設滾輪，避免砂袋被掛破漏砂。 施工中要經常檢查樁尖與導管口的密封情況，避免導管內進泥 過多，影響加固深度。 確定袋裝砂井施工長度時，應考慮袋內砂體積減小，袋裝砂井 在孔內的彎曲、超深以及伸入水平排水墊層內的長度等因素， 避免砂井全部深入孔內，造成與水平排水墊層不連接。（4）、預壓荷載的施工 利用建筑物本身重量對地基加壓是一種經濟而有效的方法。 此法一般 應用于以地基的穩定性為控制條件，能適應較大變形的建筑物。對路堤、 土壩等建筑物，由于填土高、荷載大，地基的強度不能滿足快速填筑的要 求，工程上都采用嚴格控制加荷速率、 逐層填筑的方法來確保地基的穩定 性。六、砂井施工工藝提出改進措施1加設素土墊層砂井排水固結法加固厚度較大的軟土地基具有良好的效果， 參照砂井 排水固結的實例， 在預壓結束后， 地基固結度一般達到 90%以上，路基沉 降量達到1m,有些甚至達到2m,由于沉降量大，水平排水墊層比地面低， 而且沉降不均勻，路基中心沉降比路基邊緣小， 使水平排水墊層成鍋底狀， 增加排水的困難， 為使水平排水墊層排水墊層排水順利， 應在鋪設水平排 水墊層前，在原地面上填筑素土墊層，并呈雙向橫坡布置， 方便水平排水 墊層排水。2用土工聚合物代替砂料某些地區嚴重缺乏砂井排水固結法所需的中粗砂， 運輸困難