超載預壓

超載預壓法是處理軟粘土地基的有效方法之一。屬於堆載預壓法的一種，即在被加固地基上採用堆載達到施加預壓目的的排水固結方法，當預壓荷載大於使用荷載時，稱為超載預壓法。

基本介紹

• 中文名：超載預壓
• 外文名：surcharge preloading
• 處理：軟粘土地基
• 對象：地基
• 學科：建築

理論

定義

載入預壓利用臨時堆填土石等方法對地基載入預壓，達到預先完成部分或大部分地基沉降，增強地基抗剪強度，並通過地基土固結提高地基承載力，然後撤除荷載，再建造建築物，預壓荷載大於建築物荷載時稱為超載預壓，超載預壓可減少由於次固結而產生的沉降。最常用的堆載材料是土或砂石料，也可採用其他原料。

超載預壓法

加固機理

套用原理是有效應力原理與固結理論。

軟土層在荷載作用下，土中孔隙水慢慢排出，孔隙體積不斷減小，地基發生固結變形，同時隨著超靜孔隙水壓力的逐漸消散，土的有效應力增大，地基強度逐步增長。土層的排水固結效果與其排水邊界有關，根據太沙基一維固結理論，土層固結所需時間與排水距離的平方成正比，因此可用增加土層的排水途徑、縮短排水距離的辦法來加速土層的固結。

堆載預壓法原理示意圖

設計計算

設計內容

（1）、確定豎向排水體，確定其斷面尺寸、間距、排列方式和深度。

（2）、確定排水砂墊層材料和厚度。

（3）、確定預壓區範圍、預壓荷載大小（大於建築物自重）、荷載分級、載入速率和預壓時間。

（4）、計算地基土的固結度、強度增長，進行穩定性和變形驗算。

計算要點

1、排水體的尺寸、間距、排列方式和深度取決於土層的固結特性和施工期限的要求，應使有效範圍內的水均通過位於其中的排水體排出。

2、超載大小，應視要求的參與沉降量和固結度而定。

3、在軟弱地基上超載預壓，會在土體中產生剪應力，當剪應力大於土體抗剪強度時，土體發生破壞。因此，超載預壓過程應分級加荷，等到前期荷載作用下地基強度增加到足以滿足下一級荷載時，方施加下一級荷載，直至設計荷載。

4、預壓時間根據計算所得預壓荷載下地基的最終沉降量、預壓期間的沉降量和剩餘沉降量確定。不但與固結度、超載比和載入計畫有關，而且與初始有效應力和黏塑性指數也有關。算例表明,針對特定的載入方案,受軟土地基強度增長規律的影響，超載預壓存在最短持續時間。對次固結變形顯著的軟土地基，按純主固結理論計算的持續時間過小，考慮次固結沉降後無法滿足工後沉降的要求；而按有效應力面積比法計算持續時間時有時會出現固結度大於1.0的錯誤，應全面考慮主固結和次固結的沉降特性才能合理地確定超載預壓的持續時間。

通常認為，對大面積場地堆載，當壓縮土層的平均固結度達到下式要求時即可卸載：

(1)

式中　Sf為使用荷載下土層的最終主固結變形；Ssc為場地使用期間的次固結變形； Sfts為使用荷載及超載共同作用下土層的最終主固結變形。用式(1)的平均固結度進行卸載控制，應慎重考慮以下問題：(1)當受壓土層的平均固結度達到式(1)要求時，在使用荷載下地基仍有可能產生主固結變形。其原因是：由於土的性質和排水條件不同，即使滿足式(1)，受壓土層內超靜孔隙水壓力也可能沒有充分消散，在使用荷載下，它將繼續產生主固結變形。(2)套用式(1)可能產生這樣的情況，對於次固結變形較大的土，如果超載不太大，可能出現Sf+Ssc>Sfts的現象，這時固結度>1，這是不可能的。(3)用式(1)進行卸載控制難以預測超載卸除後地基的後續沉降情況。實際上，超載卸除後的變形包括主固結變形，吸水膨脹變形，次固結變形和次回脹變形。當超載足夠大，超載時間足夠長，超載卸除後地基在很長時間內以回脹變形為主。如果合理地選擇超載比及超載作用時間，就會使回脹變形(包括吸水膨脹與次回脹)與固結變形(包括主固結與次固結)在建築物使用期內達到總體上的相對平衡。

超載預壓法的傳統設計計算方法對超載比的大小和超載作用時間的長短，即超載預壓的閾值問題並沒有很好地解決。

實驗研究

根據實驗研究所得結論：

(1)超載預壓的效果反映在卸載後沉降的大小，亦即後續變形的大小，而後續變形的大小對一定的場地來說與超載量及超載作用下地基所達到的平均固結度有關。

(2)從試驗結果看，超載比較小時，隨著超載比增加，最佳超載作用時間急劇下降；當超載比增加到一定程度後，超載比對最佳超載作用時間的影響將大大減弱，最佳超載作用時間隨著超載比的增加將趨於某一定值。因此在工程上，超載比不宜過大，過大效果並不顯著，造成浪費，且必須以地基的穩定為前提。

施工方法

該方法廣泛套用於我國沿海平原和內陸湖泊沉積地區的軟土地基加固，積累了豐富施工經驗。

施工過程分為排水體施工與加壓系統施工。排水體的施工分為水平排水體施工和豎向排水體施工。

超載預壓的材料一般以散料為主，如石料、砂、磚等，大面積施工時通常採用自卸汽車與推土機聯合作業。對超軟地基，第一級荷載宜用輕型機械作業或人工作業。

施工過程中應注意：（1）載入面積要足夠大，載入頂面積不小於建築物底面積，載入底面積適當擴大以保證範圍內的地基得到均勻加固。（2）載入要求嚴格控制加荷速率，保證各級荷載下地基的穩定性，同時避免部分堆載過高而引起的地基局部破壞。（3）對超軟黏性土地基，荷載的大小、施工工藝更要精心設計，以避免對土的擾動和破壞。

質量檢驗

施工過程後，需對土層進行質量檢驗和檢測，主要包括現場檢驗和竣工質量檢驗。

現場檢驗包括：（1）孔隙水壓力觀測。在超載預壓工程中，一般在場地中央、載物坡頂處及載物坡腳處不同深度設定孔隙水壓力觀測儀器。根據測點孔隙水壓力—時間變化曲線反算土的固結係數，推算該點不同時間的固結度、強度增長，從而確定下一級施加荷載的大小。根據測點孔隙水壓力—荷載的關係曲線判斷該點是否達到屈服狀態，來控制加荷速率。（2）沉降觀測。這是地基工程中最重要最基本的觀測項目之一。超載預壓工程的地面沉降應沿場地對稱軸線上設定，場地中心、坡頂、坡腳和場外10m範圍內均需設定地面沉降標，以掌握整個場地的沉降情況和場地周圍地面隆起情況。需觀測荷載作用範圍內地基的總沉降、荷載外地面沉降或隆起、分層沉降以及沉降速率等。（3）水平位移觀測。包括邊樁水平位移和沿深度的水平位移，是控制預壓加荷的重要手段之一。地表水平位移標一般由木樁或混凝土製成，布置在預壓場地的對稱軸線上和場地邊線不同距離處。（4）地基土物理力學指標檢測。

竣工質量檢驗：（1）排水豎井處理深度範圍內和豎井底面以下受壓土層，經預壓所完成的豎向變形和平均固結度應滿足設計要求。（2）應對預壓的地基土進行原位十字板剪下試驗和室內土工試驗，必要時，尚應進行現場載荷試驗，試驗數量不應少於3點。