二、 堆载预压法设计
堆载预压法（Preloading）是在建筑物建造以前，在建 筑场地进行加载预压，使地基的固结沉降基本完成并提高 地基土强度的方法。
堆载预压法是以事先完成的沉降和由于固结使地基强
度增长的两个要素为目标的，这种加固方法成立的背景， 是以具有饱和粘性土地基由于固结而增加强度，以及所谓 一旦地基固结沉降，即使卸掉荷载实际上也不恢复原来状 态这两种条件而构成的。
5.14Cu p1 γD K 5.52Cu p1 K
《土力学》（陈仲颐编） P282
③对长条形填土，可根据Fellenius公式估算，即：
（2）计算第一级荷载下地基强度增长值。
f ( f f )
1 0 c
f — p1作用下，经过一段时间 ，地基中某点的抗剪强 度；
系统组成——排水系统 Vertical Wick Drains
Vertical Wick Drains
水平排水体
Horizontal Drains
水平排水体
Horizontal Drains
系统组成——加压系统
堆载
桥头高填土堆载预压
场地高填土堆载预压
临时填土堆载预压
系统组成——加压系统
（二） 砂井地基固结度的计算
砂井地基的固结度计算一般先假设荷载是瞬时施加的，然后
根据实际情况进行修正。 1．瞬时加荷条件下砂井地基固结度的计算 1940~1942年，巴伦（Barron）根据太沙基固结理论，提出砂井
的设计计算方法。
固结微分方程： 上式可分解为：
u 2u 2u 1 u cv 2 c H ( 2 ) t z r r r
采用竖向排水固结与不采用竖向排水固结的实测沉降-时间曲线对比
不排水-等载预压排水-超载预压排水的沉降曲线
稳定问题 (stabilization problems)
地基间歇式加荷的应力路径
竖向排水提高边坡稳定性
系统组成——排水系统
系统组成——排水系统 Wick Drains
材料
sand
gravel
第二节
加固机理
排水垫层
水平排水盲沟
竖向排水体 加 固 软 土 层
1、排水固结法的原理
如上图所示，在建筑物修建前，通过排水 固结方法，施加△σ‘的固结压力，土样压缩曲
线为abc ，从a 点到c 点，孔隙比变化量为△e 。
卸除固结压力△σ‘，土样沿卸荷曲线cef回弹到f 点。再修建建筑物，相当于沿 fgc’ 的再压缩曲
1
f — 地基土天然抗剪强度；
0
Δ τ f c — 该点由于固结而增长的 强度，通常取固结度为 70%时强度增长值； 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 。
（3） 计算p1作用下达到所定固结度所需要的时间。 达到某一固结度所需时间可根据固结度与时间的关系求得。这 一步计算的目的是确定第一级荷载停歇的时间，亦即第二级荷载开 始施加的时间。 （4） 根据第2步所得到的地基强度τf1计算第二级所能施加的荷载p2。 即
2 (1 U rz )
2．逐渐加荷条件下地基固结度的计算 以上计算固结度的理论公式都是假设荷载是一次瞬间加足的。实际
工程中，荷载总是分级逐渐施加的。因此，根据上述理论方法求得的固结
时间关系或沉降时间关系都必须加以修正。目前常用的有改进的太沙基法 和曾国熙提出的改进的高木俊介法， （1）改进的太沙基法
堆载预压法的设计内容： （ 1 ）选择竖向排水体，确定其尺寸、间距、排列方式和 深度；
（2）确定预压荷载的大小、范围、速率和预压时间；
（3）计算地基的固结度、强度增长； （4）进行稳定性和变形计算。
1.堆载预压的计算步骤
（1） 利用地基的天然抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1。 ①斯开普顿极限荷载半经验公式 《土力学地基基础》 P177
p2
5.52 f K
1
同样求出在 p2作用下地基固结度达 70 ％时的强度以及所需时间， 然后计算第三级所能施加的荷载。依次可计算出以后各级荷载和停 歇时间，初步的加荷计划也就确定下来。
（5）对按以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载下地基的稳定 性验算。如稳定性不满足，则调整加荷计划。
（6） 计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。 这一项计算的目的在于确定预压荷载卸除的时间，这时地基在 预压荷载下所完成的沉降量已达设计要求，所剩留的沉降为建筑物
间(t- Ti/2)的固结度相同；
e、所算得的固结度仅是对本级荷载而言，对总荷载还要按荷载的比 例进行修正。 对多级等速加荷，修正通式为：
U t U
/ 1
n
T T rz ( t n 1 n ) 2
Δ pn Δ p
式中 U t ' —多级等速加荷，t时刻修正后的平均固结度； U rz —瞬时加荷条件的平均固结度； Tn-1、Tn—分别为每级等速加荷的起点和终点时间（从时间0点起 算）。当计算某一级加荷期间t时刻的固结度时，则改为t； Δ pn—第n级荷载增量，如计算加荷过程中某一时刻t的固结度 时，则用该时刻相对应的荷载增量。 ∑Δp—各级荷载的累积值。
方法作如下假定：
a、每一级荷载增量Δpi所引起的固结过程是单独进行的，与上一级荷载增 量所引起的固结度无关； b、总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加； c、每一级荷载增量Δpi等速加荷经过时间t的固结度与在t/2时的瞬时加荷 的固结度相同，也即计算固结的时间为t/2。
d、在加荷停止以后，在恒载作用期间的固结度，即时间t大于Ti （此处Ti为pi的加载期）时的固结度和在Ti/2时瞬时加荷pi后经过时
加压系统
排水系统
排水固结法的种类 根据排水系统和加压系统的不同，排水固结法可分为
堆载预压法、砂井(包括袋装砂井、塑料排水板等)堆载预压
法、真空预压法、降低地下水位法和电渗法。 堆载预压法和砂井堆载预压法唯一的区别在于：前者 的排水系统以天然地基土层本身为主；而后者在天然地基 中还人为地增设了诸如砂井等排水系统。
法。降低地下水位和电渗排水法是总应力不变 ,减少孔隙 水压力来增加有效应力σ’的方法。
2、排水固结法的应用范围
用于处理淤泥质土、淤泥、泥炭土和冲填土等饱和软粘土地 基，是十分有效的方法。 按照使用目的可以解决两个问题
沉降问题
稳定问题
沉降问题 (settlement problems)
采用竖向排水固结与不采用竖向排水固结的实测沉降-时间曲线对比
真空预压
Vacuum Consolidation
第三节 排水固结法设计计算
一、 设计前应取得的资料
1. 进行场地勘察，查明土层在水平和竖直方向的分布和变化、透水层的
位置及水源补给条件、地下水深度等
2. 进行室内土工试验，确定土的固结系数、孔隙比和固结压力关系、 三轴试验抗剪强度等 3.进行原位十字板剪切试验，确定各土层十字板抗剪强度。
1．砂井直径和间距 常采用“细而密”原则。 一般砂井直径：300~400mm；间距：6~8倍井径。 袋装砂井直径：70~120mm；间距：15~30倍井径。
2．砂井长度 根据现场各种因素定。（土层厚度、有无透水层、压缩层厚度、承压
水、稳定控制、沉降控制量等）一般10~25米。
3．砂井排列
正三角形排列
p1
5 B D Cu（ 1 0.2 ）（1 0.2 ） D K A B
K—安全系数，建议采用1.1～1.5； Cu—天然地基土的不排水抗剪强度（kPa）； D—基础埋置深度（m）； A、B—分别为基础的长边和短边（m）； γ —基底标高以上土的重度（kN/m3）。
②对饱和软粘土也可采用下式计算：
u z 2u z Cv t z 2
ur 2ur 1 ur Ch ( 2 ) r r t r
根据卡里罗理论：任意一点的孔隙水压力u有如下关系：
u ur u z u0 u0 u0
用固结度表示为：
1 U rz (1 U r )(1 U z )
（1）竖向固结度由太沙基一维理论计算。
丹尼尔.莫兰（Daniel.E.Moran）最早（1925年）将垂直砂井用于 土的深层加固，1926年获得专利。
Sand Drains
（一）砂井设计
砂井地基的设计工作即为选择适当的砂井长度、直径、间距、以及 形成有效的砂井排水系统所需的材料、砂垫层厚度等，以及地基在批载
预压过程中，在预期的时间内，达到所需要的固结度(通常定为80％)。
正方形排列
排水路径
l
de
de
l
4. 砂井的布置范围:
大出基础轮廓线2~4m。
5. 砂料： 宜选用中粗砂，其含泥量不能超过3%。 6. 砂垫层 在砂井顶面应铺设排水砂垫层，以连接砂井，引出从上层排入砂井的
渗流水。砂垫层的厚度一股为 0.3~0.5m(水下砂垫层厚度为 1.0m左右) 。
如砂料缺乏，可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层。
的沉降在预压期间基本完成或大部分完成，保证建筑物在使用
期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时可增加地基土的抗剪 强度，提高地基的承载力和稳定性。
排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的。
普通砂井
竖向排水体
排水系统
袋装砂井 塑料排水带
水平排水体——砂垫层
排水固结
加压系统
堆载法 真空法 降低地下水位法 电渗法 联合法
所允许的。
2. 超载预压
实际工程中还往往采用超载预压方法来消除主固结沉降，以缩短 预压时间。预压期间任一时刻地基沉降量可表示为：
st sd Ut sc ss
式中 St—时间t时地基的沉降量（mm）； Sd—瞬时沉降量（mm）；
U t—t时刻地基的平均固结度；