2018年岩土工程师考试专业知识复习考点：预压法

2018年岩土工程师考试专业知识复习考点：预压法

　　预压法

　　2.1 基本概念

　　预压法包括堆载预压法和真空预压法。还可进行真空~堆载联合预压。

　　1. 堆载预压法

　　是指在建筑物或构筑物建造前，先在拟建场地上用堆土或其他荷重，施加或分级施加与 其相当的荷载，对地基土进行预压，使土体中孔隙水排出，孔隙体积变小，地基土压密，以增长土体的抗剪强度，提高地基承载力和稳定性;同时可减小土体的压缩性，消除沉降量以便在使用期间不致产生有害的沉降和沉降差。其中堆载预压法处理深度一般达10米左右。

　　由于软土的渗透性很小，土中水排出速率很慢，为了加速土的固结，缩短预压时间，常在土中打设砂井，作为土中水从土中排出的通道，使土中水排出的路径大大缩短，然后进行堆载预压，使软土中空隙水压力得以较快地消散，这种方法称为砂井堆载预压法。有时，也在土中插入排水塑料带，代替砂井。由于塑料排水带可采用专用向土中插入塑料排水带的插板机施工，施工速度很快，得到较多应用。

　　2.真空预压法

　　真空预压法是先在需加固的软土地基表面铺设一层透水砂垫层或砂砾层，再在其上覆盖一层不透气的塑料薄膜或橡胶布，四周密封好与大气隔绝，在砂垫层内埋设渗水管道，然后与真空泵连通进行抽气，使透水材料保持较高真空度，在土的孔隙水中产生负的孔隙水压力，将土中孔隙水和空气逐渐吸出，从而使土体固结。

　　因此，预压法(排水固结法)可用于解决地基的沉降和稳定问题。预压法须满足两个基本要素：即加荷系统和排水通道。加荷系统是地基固结所需的荷载;排水通道是加速地基固结的排水措施。加荷系统可有多种方式，如堆载、真空预压、降水以及联合预压等;排水通道可以利用地基中天然排水层，否则，可人为增设排水通道，如砂井(普通砂井或袋装砂井)、塑料排水板、水平砂垫层等。

　　2.2 适用范围

　　适用于淤泥、淤泥质土和冲填土等饱和粘性土地基。

　　2.2 加固机理

　　饱和软黏土地基在荷载作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙体积慢慢地减小，地基发生固结变形，同时，随着超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。所以，土体在受压固结时，一方面孔隙比减小产生压缩，一方面抗剪强度也得到提高。这说明，如果在建筑场地先加一个和上部建筑物相同的压力进行预压，使土层固结然后卸除荷载，再建造建筑物。这样，建筑物所引起的沉降即可大大减小。如果预压荷载大于建筑物荷载，即所谓超载预压，则效果更好，因为，经过超载预压，当土层的固结压力大于使用荷载下的固结压力时，原来的正常固结黏土层将处于超固结状态，而使土层在使用荷载下的变形大为减小。

　　在荷载作用下，土层的固结过程就是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为σ，有效应力为σ'，孔隙水压力为u，则三者有以下关系。

　　σ'=σ-u (3.2-1)

　　用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力σ并使孔隙水压力u消散来增加有效应力σ'的方法。降低地下水位和电渗排水则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，使黏土层产生固结压力。降低地下水位、真空预压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黏土地基。

　　【例题8】采用预压法使饱和软粘土产生压缩固结，其实质是( )。

　　A、粘土颗粒被压缩; B、孔隙中的水被压缩;

　　C、孔隙中的气体被压缩; D、孔隙中的水、气体被排出; 答案：D

　　【例题9】采用下列( )方法，使饱和软粘土产生压缩固结而土体又不会产生剪切破坏。

　　A、降低地下水位; B、真空预压; C、堆载预压; D、电渗法 答案：A、B、D

　　2.3 设计

　　用预压法处理地基应预先通过勘察查明土层在水平和竖直方向的分布和变化、透水层的 位置及水源补给条件等。应通过土工试验确定土的先期固结压力、孔隙比与固结压力关系、渗透系数、固结系数、三轴试验抗剪强度以及原位十字板抗剪强度等。

　　对重要工程，应预先在现场选择试验区进行预压试验。在预压过程中应进行竖向变形、侧向位移、孔隙水压力等项目的观测以及原位十字板剪切试验。根据试验区获得的资料分析 地基的处理效果，与原设计预估值进行比较，对设计做必要的修正，并指导全场的设计和施 工。

　　【例题10】用预压法处理地基时，应通过土工试验确定土指标有( )。

　　A、先期固结压力; B、渗透系数; C、固结系数、 D、含水量;

　　E、压缩系数; F、三轴试验抗剪强度 答案：A、B、C、F

　　3.1 堆载预压法

　　对深厚软粘土地基，应设置塑料排水带或砂井等排水竖井。当软土厚度不大或软土层含较多薄粉砂夹层，且固结速率能满足工期要求时，可不设置排水竖井。

　　堆载预压法处理地基的设计应包括以下内容：

　　选择塑料排水带或砂井，确定其断在面尺寸、间距、排列方式和深度;确定预压区范围、预压荷载大小、荷载分级、加载速率和预压时间;计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定和变形。

　　1. 竖向排水体的设计

　　竖向排水体包括塑料排水板、砂井等，设计内容包括深度、间距、直径、平面布置和表面砂垫层材料及厚度等。

　　(1)深度 排水竖井的深度应根据建筑物对地基的稳定性、变形要求和工期要求确定，对以地基抗滑稳定性控制的工程，竖井深度至少应超过最危险滑动面2.0m。对以变形控制的建筑，竖井深度应根据在限定的预压时间内需要完成的变形量控制，竖井应穿透受压土层。仅从地基的固结要求考虑，砂井深度应根据土层条件、附加应力分布、施工因素等确定 。一般尽可能打至下面的透水层或砂类透镜体;但黏土层很厚而透水层很深时则应以沉降所要求的处理深度来决定;可先初定一个深度待固结计算后再作调整。

　　(2)直径 排水竖井分为普通砂井、袋装砂井和塑料排水带，普通砂井直径可取300~500mm，袋装砂井直径可取70~120mm，塑料排水带的当量换算直径可按下式计算：

　　【例题11】某塑料排水板的宽度为100mm，厚度为5mm，则其当量直径为( )。

　　A、105mm; B、95mm; C、66.9mm; D、25.2mm; 答案：C

　　(3)间距与井径比

　　由固结度可见，井径比n愈小，固结愈快。因而砂井直径一定时，可以采用小的砂井间距，但是若间距太少则砂井数目就要增加，涂抹作用和扰动影响也就会增加。设计时，竖井的间距可按井径比n选用(n=de/dw，dw为竖井直径，对排水板可取dw=dp)。排水板和袋装砂井可按n=15~22选用，普通砂可按n=6~8选用。

　　(4)平面排列

　　砂井的平面布置常用有三角形和正方形两种形式，平面上圆的等效直径de与砂井间距 的关系为：

　　等边三角形排列 de=1.05 (3.2-2)

　　正方形排列 de=1.13 (3.2-3)

　　(5)砂垫层、砂料选用

　　应在砂井或排水板顶部铺设砂垫层并且要很好的交叉“搭接”。砂垫层的厚度在陆地上 约0.5~0.8m，水下1~2m，铺设范围要超出建筑物的底面。砂源如果不足，可用排水砂沟代替砂垫层。

　　砂井和砂垫层属人工增设的排水通道，因而须有良好的排水性能，一般选择洗净中砂、中粗砂;砾砂或矿渣材料也可应用。砂井和砂垫层材料的含泥量应小于3%。

　　2.预压荷载设计、荷载分级、加载速率和预压时间;

　　(1) 确定预压区范围

　　预压荷载顶面的范围应等于或大于建筑物基础外缘所包围的范围。

　　(2)预压荷载、加载速率

　　预压荷载大小应根据设计要求确定。对于沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理，超载量大小应根据预压时间内要求完成的变形量通过计算确定，并宜使预压荷载下受压土层各点的有效竖向应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加应力。

　　加载速率应根据地基土的强度确定。当天然地基土的强度满足预压荷载下地基的稳定性要求时，可一次性加载，否则应分级逐渐加载，待前期预压荷载下地基土的强度增长满足下一级荷载下地基的稳定性要求时方可加载。

　　分级加压荷载确定

　　1) 利用地基的天然抗剪强度计算第一级容许施工的荷载p1。对长条梯形填土，可根据Fellenius公式估算：

　　p1=5.52cu/K (3.2-4)

　　式中：cu—天然地基不排水抗剪强度。由无侧限、三轴不排水剪试验或原位十字板剪切试验测定。

　　K—安全系数，建议采用1.1~1.5。

　　2)计算第一级荷载下地基强度增长值。

　　在P1荷载下，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cu1

　　cu1= (cu+ c'u) (3.2-5)

　　式中 c'u—P1作用下地基因固结而增长的强度，它和土层的固结度有关，一般可先假定一固结度例如可假设为70%，然后求出强度增量 c'u

　　—考虑剪切蠕动的强度折减系数。可取0.75～0.90，剪应力大取低值，反之取高值。

　　3)计算p1作用下达到所定固结度所需要的时间。

　　达到某一固结度所需要的时间可根据固结度与时间的关系求得。这一步计算的目的在于确定第一级荷载停歇时间，亦即第二级荷载开始施加的时间。

　　4)根据第二步所得到的地基强度cul计算第二级所能施加的荷载p2,p2近似地按下式估算， p2=5.52cul/K (3.2-6)

　　同样求出在p2作用下地基固结度达70%时的强度，以及所需的时间，然后计算第三级所能施加的荷载，依次计算出以后各级荷载和停歇时间。初步的加荷计划也就确定下来。

　　5)对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，则调整加荷计划。

　　6)计算预压荷载下地基的最终沉降量，和预压期间的沉降量。这一项计算的目的在于确定预压荷载卸除的时间，这时地基在预压荷载下所完成的沉降量已达设计要求，所剩余的沉降是建筑物所允许的。

　　3.地基固结度、强度计算、抗滑稳定和变形

　　(1) 平均固结度计算

　　一级或多级等速加载条件下，t时间对应总荷载的地基平均固结度可按下式计算：

　　(3)变形计算

　　预压荷载下地基的最终竖向变形量可按下式计算：

　　500mm。砂垫层砂料宜用中粗砂，黏粒含量不宜大于3%，砂料中可混有少量粒径小于50mm的砾石。砂垫层的干密度应大于1.5g/cm3，其渗透系数宜1×10-2cm/s。

　　在预压区边缘应设置排水沟，在预压区内宜设置与砂垫层相连的排水盲沟。砂井的砂料应选用中粗砂，其粘粒含量不应大于3%。

　　3.2 真空预压法

　　真空预压法处理地基必须设置排水竖井。设计内容包括：竖井断面尺寸、间距、排列方式和深度的选择;预压区面积和分块大小;真空预压工艺;要求达到的真空度和土层的固结度;真空预压和建筑物荷载下地基的变形计算;真空预压后地基土的强度增长计算等。

　　排水竖井的间距可按堆载预压法确定。砂井材料应选用中粗砂，其渗透系数应大于1×10-2cm/s。处理范围真空预压区边缘应大于建筑物基础轮廓线，每边增加量不得小于3.0m。每块预压面积宜尽可能大且呈方形。

　　真空预压的膜下真空度应稳定地保持在650 mmHg以上，且应均匀分布，竖井深度范围内土层的平均固结度应大于90%。当建筑物的荷载超过真空预压的压力，且建筑物对地基变形有严格要求时，可采用真空~堆载联合预压法，其总压力宜超过建筑物的荷载。

　　对于表层存在良好的透气层或在处理范围内有充足水源补给的透水层时，应采取有效措施隔断透气层或透水层。

　　真空预压地基最终竖向变形可按堆载预压竖向变形量方法计算，其中ξ可取0.8~0.9，真空~堆载联合预压法以真空预压为主时，ξ可取0.9。

　　真空预压所需抽真空设备的数量，可按加固面积的大小和形状、土层结构特点，以一套设备可抽真空的面积为1000～1500m2确定。

　　2.4 施工

　　1. 堆载预压法

　　堆载预压法施工时，应注意以下技术要点：

　　(1)塑料排水带的性能指标必须符合设计要求。塑料排水带在现场应妥加保护，防止阳光照射、破损或污染，破损或污染的塑料排水带不得在工程中使用。

　　(2)砂井的灌砂量，应按井孔的体积和砂在中密状态时的干密度计算，其实际灌砂量不 得小于计算值的95%;灌入砂袋中的砂宜用干砂，并应灌制密实。

　　(3)塑料排水带和袋装砂井施工时，平均井距偏差不应大于井径，垂直度偏差不应大于1.5%，深度不得小于设计要求。

　　(4)塑料排水带和袋装砂井砂袋埋入砂垫层中的长度不应小于500mm。

　　(5)塑料排水带施工所用套管应保证插入地基中的带子不扭曲。塑料排水带需接长时， 应采用滤膜内芯带平搭接的连接方法，搭接长度宜大于200mm。

　　(6)袋装砂井施工所用套管内径直略大于砂井直径。

　　2.真空预压法

　　1)施工顺序

　　(1)铺设垫层;

　　(2)打设竖向排水通道;

　　(3)在砂垫层表面铺设安装传递真空压力及抽气集水用的滤水管;挖压膜沟;

　　(4)铺设塑料膜，封压膜沟;

　　(5)安装射流泵、连接管路;

　　(6)布设沉降杆、抽气、观测。

　　2)其他技术要点

　　(1)真空预压的抽气设备宜采用射流真空泵，空抽时必须达到95kPa以上的真空吸力， 真空泵的设置应根据预压面积大小和形状、真空泵效率和工程经验确定，但每块预压区至少 应设置两台真空泵。

　　(2)真空管路的连接应严格密封，在真空管路中应设置止回阀和截门。水平向分布滤水管可采用条状、梳齿状及羽毛状等形式，滤水管布置宜形成回路。滤水管应设在砂垫层中，其上覆盖厚度100～200mm的砂层。滤水管可采用钢管或塑料管，外包尼龙纱或土工织物等滤水材料。水管在预压过程中应能适应地基变形。

　　(3)密封膜应采用抗老化性能好、韧性好、抗穿刺性能强的不透气材料。密封膜热合时宜采用双热合缝的平搭接，搭接宽度应大于15mm。密封膜宜铺设三层，膜周边可采用挖沟埋膜、平铺并用黏土覆盖压边、围埝沟内及膜上覆水等方法进行密封。

　　3.真空—堆载联合预压法

　　采用真空—堆载联合预压法时，应先抽真空，当真空达到设计要求并稳定后，再进行堆 载，并继续抽气，堆载时需在膜上铺设土工编织布等保护材料。

　　2.5 质量检验

　　1.施工质量检验

　　(1)塑料排水带必须在现场随机抽样送往实验室进行性能指标的测试，其性能指标包括纵向通水量、复合体抗拉强度、滤膜抗拉强度、滤膜渗透系数和等效孔径等。

　　(2)对不同来源的砂井和砂垫层砂料，必须取样进行颗粒分析和渗透性试验。

　　(3)对于以抗滑稳定控制的重要工程，应在预压区内选择代表性地点预留孔位，在加载不同阶段进行原位十字板剪切试验和取土进行室内土工试验。

　　(4)对预压工程，应进行地基竖向变形、侧向位移和孔隙水压力等项目的监测。

　　(5)真空预压工程除应进行地基变形、孔隙水压力的监测外，尚应进行膜下真空度和地下水位的量测。

　　2. 竣工验收

　　(1)排水竖井处理深度范围内和竖井底面以下受压土层，经预压所完成的竖向变形和平均固结度应满足设计要求。

　　(2)应对预压的地基土进行原位十字板剪切试验和室内土工试验。必要时，尚应进行现场载荷试验，试验数量不应少于3点。

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