真空预压地基处理技术及设计要求

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：真空预压适用于处理以黏性土为主的软弱地基。表5.10-2 α、β值一级或多级等速加荷条件下，考虑涂抹和井阻影响时竖井穿透受压土层地基的平均固结度可按式计算，其中，。预压荷载大小应根据设计要求确定。预压荷载顶面的范围应不小于建筑物基础外缘的范围。

《地处规范》指出：预压地基是在地基上进行堆载预压或真空预压，或联合使用堆载和真空预压，形成固结压密后的地基。预压地基适用于处理淤泥质土、淤泥、冲填土等饱和黏性土地基。真空预压适用于处理以黏性土为主的软弱地基。当存在粉土、砂土等透水、透气层时，加固区周边应采取确保膜下真空压力满足设计要求的密封措施。对塑性指数大于25且含水量大于85%的淤泥，应通过现场试验确定其适用性。加固土层上覆盖有厚度大于5m以上的回填土或承载力较高的黏性土层时，不宜采用真空预压加固。

在饱和黏性土地基上施加荷载，由于渗透系数很低，因此孔隙水排出速率缓慢，孔隙体积缓慢减少，地基发生固结变形，在此过程中，孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐增长，地基强度逐渐增大。因此，地基经预压处理后，其上所建建筑物的沉降将大大减小，承载力有所增大。

根据固结理论，土层的排水固结效果与地基的排水边界密切相关，达到同样固结度，固结所需的时间与土层最大排水距离的平方成正比。因此，软黏土层越厚，固结所需要的时间越长。当天然软黏土层很厚时，为了加快固结速度，最为有效的方法是增加排水途径、缩短排水距离，如在地基中设置排水砂井或塑料排水带等竖向排水体，使土层中的孔隙水主要通过竖向排水通道排出，是预压法中常采用的方法。此时砂井（袋装砂井或塑料排水带）的作用就是增加排水通道，缩短预压工程的预压时间，在短时间内达到较好的固结效果。下面主要介绍堆载预压法和真空预压法。

1.堆载预压法

《地处规范》规定：对深厚软黏土地基，应设置塑料排水带或砂井等排水竖井。当软土层厚度较小或软土层中含较多薄粉砂夹层，且固结速率能满足工期要求时，可不设置排水竖井。

堆载预压法处理地基的设计应包括下列内容：

1）选择塑料排水带或砂井，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度；

2）确定预压区范围、预压荷载大小、荷载分级、加载速率和预压时间；

3）计算堆载荷载作用下地基土的固结度、强度增长、稳定性和变形。

排水竖井分普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。普通砂井直径可取300～500mm，袋装砂井直径可取70～120mm。塑料排水带的当量换算直径可按式（5.10-4）计算

式中 d_p——塑料排水带当量换算直径（mm）；

b——塑料排水带宽度（mm）；

δ——塑料排水带厚度（mm）。

排水竖井的平面布置可采用等边三角形或正方形排列。竖井的有效排水直径d_e与间距l的关系为

等边三角形排列 d_e=1.05l

正方形排列 d_e=1.13l

排水竖井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。设计时，竖井的间距可按井径比n选用（n=d_e/d_w，d_w为竖井直径，对塑料排水带可取d_w=d_p）。塑料排水带或袋装砂井的间距可按n=15～22选用，普通砂井的间距可按n=6～8选用。

排水竖井的深度应符合如下规定：

1）根据建筑物对地基的稳定性、变形要求和工期确定；

2）对以地基抗滑稳定性控制的工程，竖井深度应大于最危险滑动面2.0m；

3）对以变形控制的建筑，竖井深度应根据在限定的预压时间内需完成的变形量确定。竖井宜穿透受压土层。

（1）固结度计算一级或多级等速加载条件下，当固结时间为t时，对应总荷载的地基平均固结度可按式（5.10-5）计算

式中 ——t时间地基的平均固结度；

——第i级荷载的加载速率（kPa/d）；

∑Δp——各级荷载的累加值（kPa）；

T_i-1、T_i——第i级荷载加载的起始和终止时间（从零点起算）（d），当计算第i级荷载加载过程中某时间t的固结度时，T_i改为t；

α、β——参数，根据地基土排水固结条件按表5.10-2采用，对竖井地基，表中所列β为不考虑涂抹和井阻影响的参数值。

当排水竖井采用挤土方式施工时，应考虑涂抹对土体固结的影响。当竖井的纵向通水量q_w与天然土层水平向渗透系数k_h的比值较小，且长度又较长时，尚应考虑井阻影响。瞬时加载条件下，考虑涂抹和井阻影响时，竖井地基径向排水平均固结度可按下式计算

式中 ——固结时间t时竖井地基径向排水平均固结度；

k_h——天然土层水平向渗透系数（cm/s）；

k_s——涂抹区土的水平向渗透系数（cm/s），可取；

s——涂抹区直径与竖井直径的比值，可取s=2.0～3.0，对中等灵敏度黏性土取低值，对高灵敏度黏性土取高值；

L——竖井深度（cm）；

q_w——竖井纵向通水量，为单位水力梯度下单位时间的排水量（cm³/s）。

表5.10-2 α、β值

一级或多级等速加荷条件下，考虑涂抹和井阻影响时竖井穿透受压土层地基的平均固结度可按式（5.10-5）计算，其中，。

对排水竖井未穿透受压土层的情况，竖井范围内土层的平均固结度和竖井底面以下受压土层的平均固结度，以及通过预压完成的变形量均应满足设计要求。

预压荷载大小应根据设计要求确定。对于沉降有严格限制的建筑，可采取超载预压法处理，超载量大小应根据预压时间内要求完成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应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加应力。

预压荷载顶面的范围应不小于建筑物基础外缘的范围。

加载速率应根据地基土的强度确定。当天然地基土的强度满足预压荷载下地基的稳定性要求时，可一次性加载，如不满足应分级逐渐加载，待前期预压荷载下地基土的强度增长满足下一级荷载下地基的稳定性要求时方可加载。

（2）抗剪强度计算计算预压荷载下饱和黏性土地基中某点的抗剪强度时，应考虑土体原来的固结状态。对正常固结饱和黏性土地基，某点某一时间的抗剪强度可按式（5.10-7）计算

τ_ft=τ_f0+Δσ_z·U_ttanφ_cu （5.10-7）

式中 τ_ft——t时刻该点土的抗剪强度（kPa）；

τ_f0——地基土的天然抗剪强度（kPa）；

Δσ_z——预压荷载引起的该点的附加竖向应力（kPa）；

U_t——第t时刻该点土的固结度；

φ_cu——三轴固结不排水压缩试验求得的土的内摩擦角（°）。

（3）最终变形量计算预压荷载下地基的最终竖向变形量可按式（5.10-8）计算

式中 s_f——最终竖向变形量（cm）；

e_0i——第i层中点土自重应力所对应的孔隙比，由室内固结试验e—p曲线查得；

e_1i——第i层中点土自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比，由室内固结试验e—p曲线查得；

h_i——第i层土层厚度（m）；(https://www.chuimin.cn)

ξ——经验系数可按地区经验确定。无经验时对正常固结饱和黏性土地基可取ξ=1.1～1.4，荷载较大或地基软弱土层厚度大时应取较大值。

变形计算时，可取附加应力与土自重应力的比值为0.1的深度作为压缩层的计算深度。

【例5.10-7】、【例5.10-8】某建筑地基的地层为淤泥质黏土，固结系数c_V=1.8×10^-3 cm²/s，c_h=2.9×10^-3cm²/s，受压土层厚20m，袋装砂井直径为70mm，袋装砂井为等边三角形排列，间距l=1.4m，深度H=20m，砂井底部为不透水层，砂井打穿受压土层。预压荷载总压力p=100kPa，分两级等速加载，如图5.10-3所示。

【例5.10-7】地基堆载预压120d后，不考虑竖井井阻和涂抹影响时地层的平均固结度与下列哪项数值最接近？

（A）0.895 （B）0.935

（C）0.958 （D）0.965

答案：（B）

解答：由于砂井底部为不透水层，则受压土层平均固结度包括两部分，即径向排水平均固结度和向上竖向排水平均固结度。根据多级等速加荷条件下固结度的计算公式（5.10-5）

图5.10-3 【例5.10-7】、【例5.10-8】图

由于袋装砂井为等边三角形布置，所以砂井的有效排水圆柱体直径为

d_e=1.05l=1.05×140cm=147cm

井径比n=d_e/d_w=147/7=21，则有

第一级荷载加荷速率为

第二级荷载加荷速率为

则预压120d后的总平均固结度为

【例5.10-8】水平向渗透系数k_h=1×10^-7cm/s，砂料渗透系数k_w=2×10^-2cm/s，涂抹区的渗透系数k_s=k_h/5，取s=2，地基堆载预压100d后，考虑竖井井阻和涂抹影响时地层的平均固结度与下列哪项数值最接近？

（A）0.895 （B）0.843 （C）0.792 （D）0.761

答案：（D）

解答：袋装砂井纵向通水量

q_w=k_w·πd²_w/4=（2×10^-2×3.14×7²/4）cm³/s=0.769cm³/s

采用式（5.10-6b）～式（5.10-6e）

代入式（5.10-5）计算

【例5.10-9】某建筑场地，受压土层为淤泥质黏土层，其厚度为10m，其底部为不透水层。场地采用排水固结法进行地基处理，竖井采用塑料排水带并打穿淤泥质黏土层，预压荷载总压力为70kPa，场地条件及地基处理示意如图5.10-4a所示，加荷过程如图5.10-4b所示。试问，加荷开始后100d时，淤泥质黏土层平均固结度U_t与下列何项数值最为接近？

提示：不考虑竖井井阻和涂抹的影响；F_n=2.25；β=0.0244（1/d）。