排水固结法的原理

4.1.1　排水固结法的原理

排水固结法是基于土的固结原理而发展起来的一种软土地基处理方法。根据固结理论，饱和软黏土地基在荷载作用下，孔隙水压力升高，随着孔隙水压力消散，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，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。

图4.1　排水固结法的原理

如图4.1所示，当土样的天然固结压力为σ₀′时，其孔隙比为e₀，在e～σ₀′坐标上其相应的点为A点，当压力增加Δσ′，固结终了时变为C点，孔隙比减小Δe，曲线ABC称为压缩曲线。与此同时，抗剪强度与固结压力成比例地由A点提高到C点。所以，土体在受压固结时，一方面孔隙比减小产生压缩，一方面抗剪强度得到提高。如从C点卸除压力Δσ′，则土样发生膨胀，图中CEF为卸荷膨胀曲线，如从F点再加压Δσ′，土样发生再压缩，沿虚线变化到C′，其相应的强度包络线如图下部所示。从再压缩曲线FGC′可清楚地看出，固结压力同样从σ₀′增加Δσ′，而孔隙比减小值为Δe′，Δe′比Δe小得多。因此，如果在工程场地先施加一个与上部建（构）筑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（相当于在膨胀曲线上由C点变化到F点）再建造建（构）筑物（相当于再压曲线上从F点变化到C′点），建（构）筑物所引起的沉降即可大大减小。如果预压的荷载比建（构）筑物荷载大，即超载预压，则效果更好。因经过超载预压，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。

土层的排水固结效果与土的特性和排水边界条件有关。如图4.2（a）所示的排水边界条件，即土层厚度相对荷载宽度（或直径）来说比较小，这时土层中的孔隙水向上下面透水层排出而使土层发生固结，这称为竖向排水固结。根据固结理论，黏性土固结所需的时间和排水距离的平方成正比，土层越厚，固结时间越长。因此为加速固结，可增加土层的排水途径，缩短排水距离。砂井、塑料排水板等竖向排水体就是为此目的而设置的，如图4.2（b）所示，这时土层中的孔隙水从水平向通过砂井再竖向排出。砂井缩短了排水距离，大大加速了地基的固结速率（或沉降速率）。

图4.2　排水固结法的原理

根据上述原理，排水固结法由排水系统和加压系统两部分共同组合而成。

（1）排水系统。设置排水系统的目的主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离。该系统是由水平排水垫层和竖向排水体构成的。当软土层较薄或土的渗透性较好而施工期较长时，可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层，然后加载，土层中的水竖向流入砂垫层而排出。当工程上遇到深厚的透水性很差的软黏土层时，可在地基中设置砂井等竖向排水体，地面连以排水砂垫层，构成排水系统。

砂井的应用首先是由美国工程师Daniel D.Moran于1925年提出，1926年获得专利。1934年在旧金山Oakland Bay大桥连接线道路软土地基处理中得到了第一次应用。最早的砂井直径较大，达0.4～0.6m，后来慢慢变小，最小的仅有0.05m。为防止缩径而发展起来的袋装砂井直径一般为0.12m。瑞典岩土工程研究院的Walter Kjellman等发明了纸板，并于1945年至1947年在瑞典斯德哥尔摩国际机场试验工程中进行了试验。由于纸板易损坏，1973年瑞典岩土工程研究院研制出了塑料排水板，这才使得该方法在工程中得到了迅速推广应用。

（2）加压系统。即是起固结作用的荷载，它使地基土的固结压力增加而产生固结。采用填土等外加荷载是通过增加总应力σ并使孔隙水压力u消散来增加有效应力σ′的方法，根据预压荷载的大小可分为欠载、等载、超载预压（图4.3）。高速公路、土坝等工程中，可利用其本身的重量分级逐渐施加，使地基土强度提高，以适应上部荷载的增加。真空预压是通过对覆盖于地面的密封膜下抽真空，在膜内外形成气压差，使黏土层产生固结压力对地基进行预压。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。降低地下水位法、真空预压法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。

图4.3　预压法示意图^［40］

按照使用目的，排水固结法可以解决以下两个问题：

（1）沉降问题。使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，满足建（构）筑物工后沉降要求。

（2）稳定问题。加速地基土抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性，保证建（构）筑物在施工和使用期间的稳定。