加载预压法处理地基的设计应包括下列内容:
(一)竖向排水体尺寸
1.砂井或塑料排水带直径
砂井直径主要取决于土的固结性和施工期限的要求。砂井分普通砂井和袋装砂井,普通砂井直径可取 300~500mm,袋装砂井直径可取 70~100mm。塑料排水带的作用及设计计算方法与砂井相同。塑料排水带的当量换算直径可按下式计算:
式中 D p ——塑料排水带当量换算直径;
α ——换算系数,无试验资料时可取 α =0.75~1.00;
b ——塑料排水带宽度;
δ ——塑料排水带厚度。
2.砂井或塑料排水带间距
砂井或塑料排水带的间距可根据地基土的固结特性和预定时间内所要求达到的固结度确定。通常砂井的间距可按井径比 n ( n = d e / d w , d e 为砂井的有效排水圆柱体直径, d w 为砂井直径)确定。普通砂井的间距可按 n =6~8选用;袋装砂井或塑料排水带的间距可按 n =15~20 选用。
3.砂井排列方式
砂井的平面布置可采用等边三角形或正方形排列。一根砂井的有效排水圆柱体的直径 d e 和砂井间距 s 的关系按下列规定取用:
等边三角形布置 d e =1.05 s
正方形布置 d e =1.13 s
4.砂井深度
砂井的深度应根据建筑物对地基的稳定性和变形要求确定。对以地基抗滑稳定性控制的工程,砂井深度至少应超过最危险滑动面2m。对以沉降控制的建筑物,如压缩土层厚度不大,砂井宜贯穿压缩土层;对深厚的压缩土层,砂井深度应根据在限定的预压时间内消除的变形量确定,若施工设备条件达不到设计深度,则可采用超载预压等方法来满足工程要求。
若软土层厚度不大或软土层含较多的薄粉砂夹层,预计固结速率能满足工期要求时,可不设置竖向排水体。
(二)确定加载的数量、范围和速率
1.加载数量
预压荷载的大小,应根据设计要求确定,通常可与建筑物的基底压力大小相同。对于沉降有严格限制的建筑,应采用超载预压法处理地基,超载数量应根据预定时间内要求消除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压力等于或大于建筑荷载所引起的相应点的附加压力。
2.加载范围
加载的范围不应小于建筑物基础外缘所包围的范围,以保证建筑物范围内的地基得到均匀加固。
3.加载速率
加载速率应与地基土增长的强度相适应,待地基在前一级荷载作用下达到一定的固结度后,再施下一级荷载,特别是在加荷后期,更需严格控制加荷速率。加荷速率应通过对地基抗滑稳定计算来确定,以确保工程安全。但更为直接而可靠的方法是通过各种现场观测来控制,边桩位移速率应控制在3~5mm/d;地基竖向变形速率不宜超过10mm/d。
(三)计算地基的固结度、强度增长、抗滑稳定和变形
1.地基固结度
在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:
式中 U t —— t 时间地基的平均固结度;
q i ——第 i 级荷载的加载速率;
∑Δ p ——各级荷载的累加值;
T i -1 、 T i ——分别为第 i 级荷载的起始和终止时间(从零点起算),当计算第 i 级荷载过程中某时间 t 的固结度时, T i 改为 t ;
α 、 β ——参数,按表2-2-3采用。
表2-2-3 α 、 β 值
注: C v ——土的竖向排水固结系数;
C h ——土的水平排水固结系数;
H ——土层竖向排水距离,双面排水时, H 为土层厚度的一半,单面排水时, H 为土层厚度;
H 1 ——砂井深度;
H 2 ——砂井以下压缩土层厚度;
n ——井径比。
对长径比(长度与直径之比)大、井料渗透系数又较小的袋装砂井或塑料排水带,应考虑井阻作用。当采用挤土方式施工时,尚应考虑土的涂抹和扰动影响。考虑井阻、涂抹和扰动影响后,按(2-2-2)式计算的砂井地基平均固结度应乘以折减系数,其值通常可取 0.80~0.95。
2.抗滑稳定
预压荷载下,正常固结饱和粘性土地基中某点任意时间的抗剪强度可按下式计算:
式中 τ ft —— t 时刻,该点土的抗剪强度;
τ fo ——地基土的天然抗剪强度,由十字板剪切试验测定;
Δ τ fc ——该点土由于固结而增长的强度;
Δ σ z ——预压荷载引起的该点的附加竖向压力;
U t ——该点土的固结度;
φ cu ——三轴固结不排水试验求得的土的内摩擦角;
η ——土体由于剪切蠕动而引起强度衰减的折减系数,可取0.75~0.90,剪应力大取低值,反之则取高值。
3.竖向变形
预压荷载下地基的最终竖向变形量可按下式计算:
式中 s f ——最终竖向变形量;
e o i ——第 i 层中点土自重压力所对应的孔隙比,由室内固结试验所得的孔隙比 e 和固结压力 p (即 e ~ p )关系曲线查得;
e li ——第 i 层中点土自重压力和附加压力之和所对应的孔隙比,由室内固结试验所得的 e ~ p 关系曲线查得;
h i ——第 i 层土层厚度;
ξ ——经验系数,对正常固结和轻度超固结粘性土地基可取 ξ =1.1~1.4,荷载较大,地基土较软弱时取较大值,否则取较小值。
变形计算时,可取附加压力与自重压力的比值为0.1的深度作为受压层深度的界限。
(四)水平排水垫层
预压法处理地基时,为了使砂井排水有良好的通道,必须在地表铺设排水砂垫层,其厚度宜大于400mm,以连通各砂井将水引到预压区以外。
砂垫层砂料宜用中粗砂,含泥量应小于5 %,砂料中可混有少量粒径小于50mm的石粒。砂垫层的干密度应大于1.5t/m 3 。
在预压区中宜设置与砂垫层相连的排水盲沟,并把地基中排出的水引出预压区。
真空预压法设计包括下列内容:
1.竖向排水体尺寸
采用真空预压法处理地基必须设置砂井或塑料排水带。竖向排水体可采用直径为700mm的袋装砂井,也可采用普通砂井或塑料排水带。砂井或塑料排水带的间距可按照加载预压法设计的砂井或塑料排水带间距选用。砂井深度应根据设计要求在预压期间完成的沉降量和拟建建筑物地基稳定性的要求,通过计算确定。砂井的砂料应采用中粗砂,其渗透系数 k 宜大于1×10 -2 cm/s。
2.预压区面积和分块大小
采用真空预压处理地基时,真空预压的总面积不得小于建筑物基础外缘所包围的面积,每块预压面积宜尽可能大且相互连接,因为这样可加快工程进度和消除更多的沉降量。两个预压区的间隔也不宜过大,需根据工程要求和土质决定,一般以2~6m较好。
3.膜内真空度
真空预压效果与密封膜下所能达到的真空度大小关系极大。当采用合理的施工工艺和设备时,真空预压的膜下真空度应保持在600mmHg以上,相当于80kPa的真空压力,此值可作为最小膜下设计真空度。
4.平均固结度
加固区压缩土层的平均固结度应大于80 %。
5.变形计算
先计算加固前建筑物荷载下天然地基的沉降量,再计算真空预压期间所完成的沉降量,两者之差即为预压后在建筑物使用荷载下可能发生的沉降。预压期间的沉降可根据设计所要求达到的固结度推算加固区所增加的平均有效应力,从固结度—有效应力曲线上查出相应的孔隙比进行计算。