[科普中国]-排水固结法

原理作用

排水固结的原理是地基在荷载作用下，通过布置竖向排水井（砂井或塑料排水带等），使土中的孔隙水被慢慢排出，孔隙比减小，地基发生固结变形，地基土的强度逐渐增长。

排水固结法主要用于解决地基的沉降和稳定问题。为了加速固结，最有效的办法就是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离，设置竖向排水井（砂井或塑料排水带），以加速地基的固结，缩短预压工程的预压期，使其在短时期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成；并加速地基土抗剪强度的增长，使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载增长的速率，以保证地基的稳定性。

排水固结法适用于处理饱和和软弱土层，但对渗透性极低的泥炭土要慎重对待。

按照采用的各种排水技术措施的不同，排水固结法可分为以下几种方法。

方法堆载预压法在建筑场地临时堆填土石等，对地基进行加载预压，使地基沉降能够提前完成，并通过地基土固结提高地基承载力，然后卸去预压荷载建造建筑物，以消除建筑物基础的部分均匀沉降，这种方法就成为堆载预压法。

一般情况是预压荷载与建筑物荷载相等，但有时为了减少再次固结产生的障碍，预压荷载也可大于建筑物荷载，一般预压荷载的大小约为建筑物荷载的1.3倍，特殊情况则可根据工程具体要求来确定。

为了加速堆载预压地基固结速度，常与砂井法同时使用，称为砂井堆载预压法。

沙井法适用于渗透性较差的软弱粘性土，对于渗透性良好的砂土和粉土，无需用砂井排水固结处理地基；含水平夹砂或粉砂层的饱和软土，水平向透水性良好，不用砂井处理地基也可获得良好的固结效果。

真空预压法真空预压指的是砂井真空预压。即在粘土层上铺设砂垫层，然后用薄膜密封砂垫层，用真空泵对砂垫及砂井进行抽气，产生负压，使地下水沿竖向排水路径排出地表，加速地基排水固结。亦即真空预压是在总压力不变的条件下，使孔隙水压力减小、有效应力增加而使土体压缩和强度增长。

降水预压法即用水泵抽出地基地下水来降低地下水位，减少孔隙水压力，使有效应力增大，促进地基加固。

降水预压法特别适用于饱和粉土及饱和细砂地基。

电渗排水法即通过电渗作用可逐渐排出土中水。在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水从阳极流向阴极，然后将水从阴极排除，而不让水在阳极附近补充，借助电渗作用可逐渐排除土中水。在工程上常利用它降低粘性土中的含水量或降低地下水位来提高地基承载力或边坡的稳定性。

降水预压法和电渗排水法目前应用还比较少。

组成排水固结法由排水系统和加压系统两部分共同组成。排水固结系统由竖向排水体和水平排水体构成，主要作用是改变地基的排水边界条件，缩短排水距离和增加孔隙水排出的途径。当软土层靠近地表且较薄、或土的渗透性好且施工周期较长时，可在地面铺设一定厚度的砂垫层，不设竖向排水通道。土中的孔隙水在外荷载作用下排至砂垫层，从而产生固结。若软土层较厚时，为加快排水固结，应在地基中设置砂井等竖向排水体，与水平砂垫层一起构成排水系统。加压系统是指对地基施加的荷载布置。

排水系统与加压系统总是联合使用的。如果只设置排水系统，不施加固结压力，土中的孔隙水没有压差，不会发生渗透固结，强度不会提高。如果只施加固结压力，不设置排水体，孔隙水就很难排出来，地基土的固结沉降就需要较长的时间。因此，要保证排水固结法的加固效果，从施工角度考虑，主要做好以下三个环节：铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加固结压力。

排水固结法一般适用于饱和软黏土、吹填土、松散粉土、新近沉积土、有机质土及泥炭土地基。

流程1、砂垫层施工

砂垫层的功能就是在预压施工中，从土体进入垫层的渗透水快速排出，达到土层固结的作用。砂垫层质量将对加固效果与预压时间起到决定性的作用。选用级配相应的中粗砂，作为砂垫层材料，可确保砂垫层具有良好的渗透性。在施工应用中，应确保其含泥量在5%以下，不能混入杂质与有机质。在确定砂垫层厚度时，应及时排出土层内的渗透水，一般控制在30厘米到50厘米之间，可以起到持力层的作用。

2、袋装砂井施工

砂井（直径30到50厘米）、袋装砂井（7到12厘米）及塑料排水板是构成竖向排水体的主要组成部分。因袋装砂井具有较小的断面，体积较小，施工方便及成本低等优势，在公路工程软土路基处理中得到了广泛地应用。依据排水要求，应确保袋装砂井编织袋具有不错的透水性，避免漏失袋内砂。在袋装砂井材料选用中，应确保袋子具有较高的抗拉强度，通常情况下，其纵向抗拉强度在18.KN/M的范围内，抗拉纵向延伸率必须控制在17.6%左右，确保其能够对袋内砂的重量与弯曲出现的拉力进行最大限度地承受，同时具备良好的抗老化能力与抗腐蚀能力。现阶段，应用最多的就是聚丙烯编织袋。相比砂的渗透系数，这种袋子的渗透系数要高出一些。在袋装砂井施工中，一般选用中、粗砂作为施工材料，这种材料具有较高渗水率，粒径在0.5毫米以上的砂总量必须超过材料的一般，同时应严格控制其含泥量，一般在3%以下。其施工工艺如下所述：

（1）场地清理及放样

在公路工程软基排水固结技术施工中应及时平整与清理施工场地。将地面积水在施工前期及时排出，同时应进行路面硬化处理，并确保工程便道的畅通性。在确定施工位置时，应严格遵循相关设计规定进行，确保其偏差在2厘米以下。应准确测量与记录场地高程，并遵循图纸要求利用全站仪进行准确放样测量，同时施工人员必须定期进行复核。在基底回填中，先沿坡脚线向外侧筑草袋围堰，台阶开挖施工应在陡于1:5的基面横坡部分路段进行，一般在1米到2米之间进行台阶宽度的控制，台阶顶面在进行反向横坡设置时，应确保其坡度为2%到4%之间。在清理与回填基底时，应在基面进行0.3%坡度的留设，这样可以为基面或砂垫层排水提供方便

（2）砂井就位与压管

完成基底作业后，可以进行砂井机与套管就位。就位砂井机后，应确保导轨、套管管身与地面呈垂直状态，并与桩位对准，垂直度误差在1.5%的合理范围内进行有效控制，并遵循相应长度在套管上将标尺位置划出，进而达到砂井入土深度有效控制的目的。不能出现弯曲套管、内壁不光滑、毛刺等现象，8厘米到10厘米作为管径控制的合理范围。完成砂井机就位工作后，应及时将砂井机压力装置与激振器启动，慢慢将套管振动压入软土内，确保压力的均匀性。压管作业必须不间断向下压，不能出现起管在压入等现象。当压管与风化岩层接近时，要对套管下沉速度加以重视，如下沉速度逐渐变慢后，必须准确计量套管入土的长度，保证风化岩层内套管长度在50厘米以上。

（3）填砂袋

利用入口滚轮砂袋快速平稳地向套管口边送入，同时将袋尾拉起，并通过激振器将套管提升，当高度升至0.5米时，将砂袋放开，向孔底进行放置。在套管内放置砂袋时，应避免砂袋扭结、缩颈等情况的出现。拔管施工中应确保砂袋不被带出或砂袋不出现破损情况。当出现问题后，应对其原因进行认真分析，必须及时清理拔管带出的土，已经形成的砂浆口必须确保其能够与砂垫层相互贯通，施工过程中要真实记录每根砂井的灌砂量。

3、预压系统施工

预压荷载是排水固结法的重要组成部分，它促使颗粒间自由水排出的动力。预压的实施，主要体现在分级加荷，每级加荷的稳定性依赖于前一级预压后强度的提高。为加速地基固结，堆载预压与沙砾垫层及袋装砂井相结合对基底进行处理。为保证施工的安全与进度，设置观测断面，观测沉降和位移，以指导施工。每个观测电面设置5个观测点和两个水准点。路基填筑前，按设计要求对清理好的地表上于路中心、左右路肩安装沉降板；同时在路堤坡脚外1米埋设位移观测桩。预压期内，应按规定进行沉降观测。路堤沉降变形达到设计预期值后才能铺筑路面，并将超出路床以上多余土卸载，将路堤整修到路床面标高和满足压实要求1。