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預(yù)壓法類型的基本概念原理
預(yù)壓法指的是為提高軟弱地基的承載力和減少構(gòu)造物建成后的沉降量，預(yù)先在擬建構(gòu)造物的地基上施加一定靜荷載，使地基土壓密后再將荷載卸除的壓實方法。
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。
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。
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。
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。
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：
(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%。
3.2 真空預(yù)壓法
真空預(yù)壓法處理地基必須設(shè)置排水豎井。設(shè)計內(nèi)容包括：豎井斷面尺寸、間距、排列方式和深度的選擇;預(yù)壓區(qū)面積和分塊大小;真空預(yù)壓工藝;要求達到的真空度和土層的固結(jié)度;真空預(yù)壓和建筑物荷載下地基的變形計算;真空預(yù)壓后地基土的強度增長計算等。
排水豎井的間距可按堆載預(yù)壓法確定。砂井材料應(yīng)選用中粗砂，其滲透系數(shù)應(yīng)大于1×10-2cm/s。處理范圍真空預(yù)壓區(qū)邊緣應(yīng)大于建筑物基礎(chǔ)輪廓線，每邊增加量不得小于3.0m。每塊預(yù)壓面積宜盡可能大且呈方形。
真空預(yù)壓的膜下真空度應(yīng)穩(wěn)定地保持在650 mmHg以上，且應(yīng)均勻分布，豎井深度范圍內(nèi)土層的平均固結(jié)度應(yīng)大于90%。當建筑物的荷載超過真空預(yù)壓的壓力，且建筑物對地基變形有嚴格要求時，可采用真空~堆載聯(lián)合預(yù)壓法，其總壓力宜超過建筑物的荷載。
對于表層存在良好的透氣層或在處理范圍內(nèi)有充足水源補給的透水層時，應(yīng)采取有效措施隔斷透氣層或透水層。
真空預(yù)壓地基最終豎向變形可按堆載預(yù)壓豎向變形量方法計算，其中ξ可取0.8~0.9，真空~堆載聯(lián)合預(yù)壓法以真空預(yù)壓為主時，ξ可取0.9。
真空預(yù)壓所需抽真空設(shè)備的數(shù)量，可按加固面積的大小和形狀、土層結(jié)構(gòu)特點，以一套設(shè)備可抽真空的面積為1000～1500m2確定。
4 施工
1. 堆載預(yù)壓法
堆載預(yù)壓法施工時，應(yīng)注意以下技術(shù)要點：
(1)塑料排水帶的性能指標必須符合設(shè)計要求。塑料排水帶在現(xiàn)場應(yīng)妥加保護，防止陽光照射、破損或污染，破損或污染的塑料排水帶不得在工程中使用。
(2)砂井的灌砂量，應(yīng)按井孔的體積和砂在中密狀態(tài)時的干密度計算，其實際灌砂量不 得小于計算值的95%;灌入砂袋中的砂宜用干砂，并應(yīng)灌制密實。
(3)塑料排水帶和袋裝砂井施工時，平均井距偏差不應(yīng)大于井徑，垂直度偏差不應(yīng)大于1.5%，深度不得小于設(shè)計要求。
(4)塑料排水帶和袋裝砂井砂袋埋入砂墊層中的長度不應(yīng)小于500mm。
(5)塑料排水帶施工所用套管應(yīng)保證插入地基中的帶子不扭曲。塑料排水帶需接長時， 應(yīng)采用濾膜內(nèi)芯帶平搭接的連接方法，搭接長度宜大于200mm。
(6)袋裝砂井施工所用套管內(nèi)徑直略大于砂井直徑。
2.真空預(yù)壓法
1)施工順序
(1)鋪設(shè)墊層;
(2)打設(shè)豎向排水通道;
(3)在砂墊層表面鋪設(shè)安裝傳遞真空壓力及抽氣集水用的濾水管;挖壓膜溝;
(4)鋪設(shè)塑料膜，封壓膜溝;
(5)安裝射流泵、連接管路;
(6)布設(shè)沉降桿、抽氣、觀測。
2)其他技術(shù)要點
(1)真空預(yù)壓的抽氣設(shè)備宜采用射流真空泵，空抽時必須達到95kPa以上的真空吸力， 真空泵的設(shè)置應(yīng)根據(jù)預(yù)壓面積大小和形狀、真空泵效率和工程經(jīng)驗確定，但每塊預(yù)壓區(qū)至少 應(yīng)設(shè)置兩臺真空泵。
(2)真空管路的連接應(yīng)嚴格密封，在真空管路中應(yīng)設(shè)置止回閥和截門。水平向分布濾水管可采用條狀、梳齒狀及羽毛狀等形式，濾水管布置宜形成回路。濾水管應(yīng)設(shè)在砂墊層中，其上覆蓋厚度100～200mm的砂層。濾水管可采用鋼管或塑料管，外包尼龍紗或土工織物等濾水材料。水管在預(yù)壓過程中應(yīng)能適應(yīng)地基變形。
(3)密封膜應(yīng)采用抗老化性能好、韌性好、抗穿刺性能強的不透氣材料。密封膜熱合時宜采用雙熱合縫的平搭接，搭接寬度應(yīng)大于15mm。密封膜宜鋪設(shè)三層，膜周邊可采用挖溝埋膜、平鋪并用黏土覆蓋壓邊、圍埝溝內(nèi)及膜上覆水等方法進行密封。
3.真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法
采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法時，應(yīng)先抽真空，當真空達到設(shè)計要求并穩(wěn)定后，再進行堆 載，并繼續(xù)抽氣，堆載時需在膜上鋪設(shè)土工編織布等保護材料。
5 質(zhì)量檢驗
1.施工質(zhì)量檢驗
(1)塑料排水帶必須在現(xiàn)場隨機抽樣送往實驗室進行性能指標的測試，其性能指標包括縱向通水量、復(fù)合體抗拉強度、濾膜抗拉強度、濾膜滲透系數(shù)和等效孔徑等。
(2)對不同來源的砂井和砂墊層砂料，必須取樣進行顆粒分析和滲透性試驗。
(3)對于以抗滑穩(wěn)定控制的重要工程，應(yīng)在預(yù)壓區(qū)內(nèi)選擇代表性地點預(yù)留孔位，在加載不同階段進行原位十字板剪切試驗和取土進行室內(nèi)土工試驗。
(4)對預(yù)壓工程，應(yīng)進行地基豎向變形、側(cè)向位移和孔隙水壓力等項目的監(jiān)測。
(5)真空預(yù)壓工程除應(yīng)進行地基變形、孔隙水壓力的監(jiān)測外，尚應(yīng)進行膜下真空度和地下水位的量測。
2. 竣工驗收
(1)排水豎井處理深度范圍內(nèi)和豎井底面以下受壓土層，經(jīng)預(yù)壓所完成的豎向變形和平均固結(jié)度應(yīng)滿足設(shè)計要求。
(2)應(yīng)對預(yù)壓的地基土進行原位十字板剪切試驗和室內(nèi)土工試驗。必要時，尚應(yīng)進行現(xiàn)場載荷試驗，試驗數(shù)量不應(yīng)少于3點。
拓展
又稱預(yù)壓加固法。在建筑物的軟土地基上，預(yù)先堆放足夠的堆石或堆土等重物，對地基預(yù)壓使土壤固結(jié)、密實以加固地基的工程措施。是軟基處理的一種。達到預(yù)壓標準后，撤去重物，開挖地基，再修筑建筑物或閘壩，以減小建筑物沉陷，提高地基承載力及建筑物的穩(wěn)定性。預(yù)壓堆土高度應(yīng)使其荷重大于建筑物的荷重方為可靠，但不能超過地基的承載力。堆土要分層、間歇地進行，待地基固結(jié)、沉陷、穩(wěn)定后再堆下一層，一般施工約需半年時間。在高含水量的黏土中，為縮短預(yù)壓施工時間，可在地基中設(shè)置砂井排水，以加速黏土固結(jié)過程。
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