預(yù)壓法 3.2.1 基本概念

　　預(yù)壓法包括堆載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法。還可進行真空~堆載聯(lián)合預(yù)壓。

　　1. 堆載預(yù)壓法

　　是指在建筑物或構(gòu)筑物建造前，先在擬建場地上用堆土或其他荷重，施加或分級施加與 其相當?shù)暮奢d，對地基土進行預(yù)壓，使土體中孔隙水排出，孔隙體積變小，地基土壓密，以增長土體的抗剪強度，提高地基承載力和穩(wěn)定性;同時可減小土體的壓縮性，消除沉降量以便在使用期間不致產(chǎn)生有害的沉降和沉降差。其中堆載預(yù)壓法處理深度一般達10米左右。

　　由于軟土的滲透性很小，土中水排出速率很慢，為了加速土的固結(jié)，縮短預(yù)壓時間，常在土中打設(shè)砂井，作為土中水從土中排出的通道，使土中水排出的路徑大大縮短，然后進行堆載預(yù)壓，使軟土中空隙水壓力得以較快地消散，這種方法稱為砂井堆載預(yù)壓法。有時，也在土中插入排水塑料帶，代替砂井。由于塑料排水帶可采用專用向土中插入塑料排水帶的插板機施工，施工速度很快，得到較多應(yīng)用。

　　2.真空預(yù)壓法

　　真空預(yù)壓法是先在需加固的軟土地基表面鋪設(shè)一層透水砂墊層或砂礫層，再在其上覆蓋一層不透氣的塑料薄膜或橡膠布，四周密封好與大氣隔絕，在砂墊層內(nèi)埋設(shè)滲水管道，然后與真空泵連通進行抽氣，使透水材料保持較高真空度，在土的孔隙水中產(chǎn)生負的孔隙水壓力，將土中孔隙水和空氣逐漸吸出，從而使土體固結(jié)。

　　因此，預(yù)壓法(排水固結(jié)法)可用于解決地基的沉降和穩(wěn)定問題。預(yù)壓法須滿足兩個基本要素：即加荷系統(tǒng)和排水通道。加荷系統(tǒng)是地基固結(jié)所需的荷載;排水通道是加速地基固結(jié)的排水措施。加荷系統(tǒng)可有多種方式，如堆載、真空預(yù)壓、降水以及聯(lián)合預(yù)壓等;排水通道可以利用地基中天然排水層，否則，可人為增設(shè)排水通道，如砂井(普通砂井或袋裝砂井)、塑料排水板、水平砂墊層等。

　　3.2.2 適用范圍

　　適用于淤泥、淤泥質(zhì)土和沖填土等飽和粘性土地基。

　　3.2.2 加固機理

　　飽和軟黏土地基在荷載作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙體積慢慢地減小，地基發(fā)生固結(jié)變形，同時，隨著超靜孔隙水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基土的強度逐漸增長。所以，土體在受壓固結(jié)時，一方面孔隙比減小產(chǎn)生壓縮，一方面抗剪強度也得到提高。這說明，如果在建筑場地先加一個和上部建筑物相同的壓力進行預(yù)壓，使土層固結(jié)然后卸除荷載，再建造建筑物。這樣，建筑物所引起的沉降即可大大減小。如果預(yù)壓荷載大于建筑物荷載，即所謂超載預(yù)壓，則效果更好，因為，經(jīng)過超載預(yù)壓，當土層的固結(jié)壓力大于使用荷載下的固結(jié)壓力時，原來的正常固結(jié)黏土層將處于超固結(jié)狀態(tài)，而使土層在使用荷載下的變形大為減小。

　　在荷載作用下，土層的固結(jié)過程就是孔隙水壓力消散和有效應(yīng)力增加的過程。如地基內(nèi)某點的總應(yīng)力為σ，有效應(yīng)力為σ'，孔隙水壓力為u，則三者有以下關(guān)系。

　　σ'=σ-u (3.2-1)

　　用填土等外加荷載對地基進行預(yù)壓，是通過增加總應(yīng)力σ并使孔隙水壓力u消散來增加有效應(yīng)力σ'的方法。降低地下水位和電滲排水則是在總應(yīng)力不變的情況下，通過減小孔隙水壓力來增加有效應(yīng)力的方法。真空預(yù)壓是通過覆蓋于地面的密封膜下抽真空，使膜內(nèi)外形成氣壓差，使黏土層產(chǎn)生固結(jié)壓力。降低地下水位、真空預(yù)壓和電滲法由于不增加剪應(yīng)力，地基不會產(chǎn)生剪切破壞，所以它適用于很軟弱的黏土地基。

　　【例題8】采用預(yù)壓法使飽和軟粘土產(chǎn)生壓縮固結(jié)，其實質(zhì)是( )。

　　A、粘土顆粒被壓縮; B、孔隙中的水被壓縮;

　　C、孔隙中的氣體被壓縮; D、孔隙中的水、氣體被排出; 答案：D

　　【例題9】采用下列( )方法，使飽和軟粘土產(chǎn)生壓縮固結(jié)而土體又不會產(chǎn)生剪切破壞。

　　A、降低地下水位; B、真空預(yù)壓; C、堆載預(yù)壓; D、電滲法 答案：A、B、D

　　3.2.3 設(shè)計

　　用預(yù)壓法處理地基應(yīng)預(yù)先通過勘察查明土層在水平和豎直方向的分布和變化、透水層的 位置及水源補給條件等。應(yīng)通過土工試驗確定土的先期固結(jié)壓力、孔隙比與固結(jié)壓力關(guān)系、滲透系數(shù)、固結(jié)系數(shù)、三軸試驗抗剪強度以及原位十字板抗剪強度等。

　　對重要工程，應(yīng)預(yù)先在現(xiàn)場選擇試驗區(qū)進行預(yù)壓試驗。在預(yù)壓過程中應(yīng)進行豎向變形、側(cè)向位移、孔隙水壓力等項目的觀測以及原位十字板剪切試驗。根據(jù)試驗區(qū)獲得的資料分析 地基的處理效果，與原設(shè)計預(yù)估值進行比較，對設(shè)計做必要的修正，并指導(dǎo)全場的設(shè)計和施 工。

　　【例題10】用預(yù)壓法處理地基時，應(yīng)通過土工試驗確定土指標有( )。

　　A、先期固結(jié)壓力; B、滲透系數(shù); C、固結(jié)系數(shù)、 D、含水量;

　　E、壓縮系數(shù); F、三軸試驗抗剪強度 答案：A、B、C、F

　　3.2.3.1 堆載預(yù)壓法

　　對深厚軟粘土地基，應(yīng)設(shè)置塑料排水帶或砂井等排水豎井。當軟土厚度不大或軟土層含較多薄粉砂夾層，且固結(jié)速率能滿足工期要求時，可不設(shè)置排水豎井。

　　堆載預(yù)壓法處理地基的設(shè)計應(yīng)包括以下內(nèi)容：

　　選擇塑料排水帶或砂井，確定其斷在面尺寸、間距、排列方式和深度;確定預(yù)壓區(qū)范圍、預(yù)壓荷載大小、荷載分級、加載速率和預(yù)壓時間;計算地基土的固結(jié)度、強度增長、抗滑穩(wěn)定和變形。

　　1. 豎向排水體的設(shè)計

　　豎向排水體包括塑料排水板、砂井等，設(shè)計內(nèi)容包括深度、間距、直徑、平面布置和表面砂墊層材料及厚度等。

　　(1)深度 排水豎井的深度應(yīng)根據(jù)建筑物對地基的穩(wěn)定性、變形要求和工期要求確定，對以地基抗滑穩(wěn)定性控制的工程，豎井深度至少應(yīng)超過最危險滑動面2.0m。對以變形控制的建筑，豎井深度應(yīng)根據(jù)在限定的預(yù)壓時間內(nèi)需要完成的變形量控制，豎井應(yīng)穿透受壓土層。僅從地基的固結(jié)要求考慮，砂井深度應(yīng)根據(jù)土層條件、附加應(yīng)力分布、施工因素等確定 。一般盡可能打至下面的透水層或砂類透鏡體;但黏土層很厚而透水層很深時則應(yīng)以沉降所要求的處理深度來決定;可先初定一個深度待固結(jié)計算后再作調(diào)整。

　　(2)直徑 排水豎井分為普通砂井、袋裝砂井和塑料排水帶，普通砂井直徑可取300~500mm，袋裝砂井直徑可取70~120mm，塑料排水帶的當量換算直徑可按下式計算：

　　【例題11】某塑料排水板的寬度為100mm，厚度為5mm，則其當量直徑為( )。

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

　　(3)間距與井徑比

　　由固結(jié)度可見，井徑比n愈小，固結(jié)愈快。因而砂井直徑一定時，可以采用小的砂井間距，但是若間距太少則砂井數(shù)目就要增加，涂抹作用和擾動影響也就會增加。設(shè)計時，豎井的間距可按井徑比n選用(n=de/dw，dw為豎井直徑，對排水板可取dw=dp)。排水板和袋裝砂井可按n=15~22選用，普通砂可按n=6~8選用。

　　(4)平面排列

　　砂井的平面布置常用有三角形和正方形兩種形式，平面上圓的等效直徑de與砂井間距 的關(guān)系為：

　　等邊三角形排列 de=1.05 (3.2-2)

　　正方形排列 de=1.13 (3.2-3)

　　(5)砂墊層、砂料選用

　　應(yīng)在砂井或排水板頂部鋪設(shè)砂墊層并且要很好的交叉“搭接”。砂墊層的厚度在陸地上 約0.5~0.8m，水下1~2m，鋪設(shè)范圍要超出建筑物的底面。砂源如果不足，可用排水砂溝代替砂墊層。

　　砂井和砂墊層屬人工增設(shè)的排水通道，因而須有良好的排水性能，一般選擇洗凈中砂、中粗砂;礫砂或礦渣材料也可應(yīng)用。砂井和砂墊層材料的含泥量應(yīng)小于3%。

　　2.預(yù)壓荷載設(shè)計、荷載分級、加載速率和預(yù)壓時間;

　　(1) 確定預(yù)壓區(qū)范圍

　　預(yù)壓荷載頂面的范圍應(yīng)等于或大于建筑物基礎(chǔ)外緣所包圍的范圍。

　　(2)預(yù)壓荷載、加載速率

　　預(yù)壓荷載大小應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求確定。對于沉降有嚴格限制的建筑，應(yīng)采用超載預(yù)壓法處理，超載量大小應(yīng)根據(jù)預(yù)壓時間內(nèi)要求完成的變形量通過計算確定，并宜使預(yù)壓荷載下受壓土層各點的有效豎向應(yīng)力大于建筑物荷載引起的相應(yīng)點的附加應(yīng)力。

　　加載速率應(yīng)根據(jù)地基土的強度確定。當天然地基土的強度滿足預(yù)壓荷載下地基的穩(wěn)定性要求時，可一次性加載，否則應(yīng)分級逐漸加載，待前期預(yù)壓荷載下地基土的強度增長滿足下一級荷載下地基的穩(wěn)定性要求時方可加載。

　　分級加壓荷載確定

　　1) 利用地基的天然抗剪強度計算第一級容許施工的荷載p1。對長條梯形填土，可根據(jù)Fellenius公式估算：

　　p1=5.52cu/K (3.2-4)

　　式中：cu—天然地基不排水抗剪強度。由無側(cè)限、三軸不排水剪試驗或原位十字板剪切試驗測定。

　　K—安全系數(shù)，建議采用1.1~1.5。

　　2)計算第一級荷載下地基強度增長值。

　　在P1荷載下，經(jīng)過一段時間預(yù)壓地基強度會提高，提高以后的地基強度為cu1

　　cu1= (cu+ c'u) (3.2-5)

　　式中 c'u—P1作用下地基因固結(jié)而增長的強度，它和土層的固結(jié)度有關(guān)，一般可先假定一固結(jié)度例如可假設(shè)為70%，然后求出強度增量 c'u

　　—考慮剪切蠕動的強度折減系數(shù)�？扇�0.75～0.90，剪應(yīng)力大取低值，反之取高值。

　　3)計算p1作用下達到所定固結(jié)度所需要的時間。

　　達到某一固結(jié)度所需要的時間可根據(jù)固結(jié)度與時間的關(guān)系求得。這一步計算的目的在于確定第一級荷載停歇時間，亦即第二級荷載開始施加的時間。

　　4)根據(jù)第二步所得到的地基強度cul計算第二級所能施加的荷載p2,p2近似地按下式估算， p2=5.52cul/K (3.2-6)

　　同樣求出在p2作用下地基固結(jié)度達70%時的強度，以及所需的時間，然后計算第三級所能施加的荷載，依次計算出以后各級荷載和停歇時間。初步的加荷計劃也就確定下來。

　　5)對按以上步驟確定的加荷計劃進行每一級荷載下地基的穩(wěn)定性驗算。如穩(wěn)定性不 滿足，則調(diào)整加荷計劃。

　　6)計算預(yù)壓荷載下地基的最終沉降量，和預(yù)壓期間的沉降量。這一項計算的目的在于確定預(yù)壓荷載卸除的時間，這時地基在預(yù)壓荷載下所完成的沉降量已達設(shè)計要求，所剩余的沉降是建筑物所允許的。

　　3.地基固結(jié)度、強度計算、抗滑穩(wěn)定和變形

　　(1) 平均固結(jié)度計算

　　一級或多級等速加載條件下，t時間對應(yīng)總荷載的地基平均固結(jié)度可按下式計算：

　　(3)變形計算

　　預(yù)壓荷載下地基的最終豎向變形量可按下式計算：

　　500mm。砂墊層砂料宜用中粗砂，黏粒含量不宜大于3%，砂料中可混有少量粒徑小于50mm的礫石。砂墊層的干密度應(yīng)大于1.5g/cm3，其滲透系數(shù)宜1×10-2cm/s。

　　在預(yù)壓區(qū)邊緣應(yīng)設(shè)置排水溝，在預(yù)壓區(qū)內(nèi)宜設(shè)置與砂墊層相連的排水盲溝。砂井的砂料應(yīng)選用中粗砂，其粘粒含量不應(yīng)大于3%。