一、排水系統(tǒng)加固機理
根據(jù)太沙基固結(jié)理論
固結(jié)時間與排水距離的平方成正比，縮短排水距離可大大縮短固結(jié)時間。
在地基中設(shè)置砂墊層及砂井等的目的就是為了增加排水途徑，縮短排水距離，從而加快軟弱土層的排水固結(jié)。
（一）瞬間加荷條件下固結(jié)度計算
對于在土層內(nèi)設(shè)置了砂井等豎向排水體的地基，它在荷載作用下，地基的固結(jié)屬于三維固結(jié)中的軸對稱問題。求解地基的固結(jié)度時，先分別求解在指定時間內(nèi)地基垂直向固結(jié)度和水平向固結(jié)度，然后加以綜合得出地基的總固結(jié)度。
1、豎向平均固結(jié)度uz可按太沙基固結(jié)理論計算。
如果考慮逐級加荷，則時間t從加荷歷時的一半起算。
2、根據(jù)barron的解法計算徑向平均固結(jié)度ur
式中 th ——水平向固結(jié)時間因數(shù)，
ch ——水平固結(jié)系數(shù)，
kh ——水平滲透系數(shù)(cm/s)
f——與n有關(guān)的系數(shù)，
n——井徑比，n =de/dw ，一般取為4～12。
3.砂井的平均固結(jié)度為
4.影響砂井固結(jié)度的因素
（1）若軟粘土層較厚，砂井未能打穿軟土層，應(yīng)考慮其對固結(jié)度的影響；
（2）砂井中的砂料對滲流有阻力，會產(chǎn)生水頭損失，應(yīng)考慮井阻作用。
（3）采用機械施工方式，會對周圍土產(chǎn)生擾動，對井壁產(chǎn)生涂抹作用而降低徑向滲透性。
（二）逐漸加荷條件下地基固結(jié)度的計算
式中 qi—— 第i級荷載的加荷速率；
∑△p——各級荷載的累加值；
ti-1、ti——分別為第i級荷載加載的起始和終止時間（從零點起算），當計算第i級荷載等速加荷過程中時間t的固結(jié)度時，則ti改用t。
二、加壓系統(tǒng)
（一）堆載預(yù)壓加固機理
堆載預(yù)壓法是在建筑物施工前，在地基表面分級堆土或加其它荷重，使地基土壓密、沉降、固結(jié)，待達到預(yù)定的強度變形標準后再卸載，建造建（構(gòu)）筑物。從而提高地基強度和減少建筑物建成后的沉降量。
加固機理1——減小地基工后沉降：
初次加載曲線，在外加荷載△σ′＝σ1′－σ0′作用下，土樣孔隙比減小了△e；卸荷再壓縮之后，孔隙比減小量為△e′，遠小于△e，表明大部分壓縮變形（ △e－ △e′）都在預(yù)先施壓過程中消除了。
加固機理2——提高土體強度：
預(yù)壓后，土體處于超固結(jié)狀態(tài)，其抗剪強度要比處于正常固結(jié)狀態(tài)時的強度高。
1、堆載方式
堆載預(yù)壓處理地基有兩種方法。
（1）等載預(yù)壓：預(yù)壓荷載與永久荷載相等。
此時，地基的最終沉降量由兩部分組成：
式中 st——預(yù)壓期所產(chǎn)生的沉降或被消除的沉降；
sr——殘留沉降。
實踐證明，預(yù)壓的效果與預(yù)壓時間有關(guān)，時間越長，消除的沉降st越大，殘留沉降sr越小。因此，預(yù)壓時間取決于永久荷載對殘留沉降的要求而定。
（2）超載預(yù)壓：預(yù)壓荷載大于永久荷載的情況。
采用超載預(yù)壓處理軟弱地基，其處理效果更好。
原因：
（1）經(jīng)過超載預(yù)壓后，當土層所受過的固結(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)粘土層將處于超固結(jié)狀態(tài)，其壓縮性將進一步降低；
（2）采用超載預(yù)壓還可以達到消除殘留沉降和次固結(jié)沉降的目的，使sr=0，即在使用期幾乎沒有沉降發(fā)生。
堆載預(yù)壓時，是通過增加地基中的總應(yīng)力σ，并使孔隙水壓力u消散來增加有效應(yīng)力σ′的，地基中孔隙水的排出使由于形成了超孔隙水壓力使得水得以排出，地基產(chǎn)生固結(jié)，因而稱為正固結(jié)。
2.地基土抗剪強度增長值的預(yù)估
當軟弱地基天然強度較低時，必須限制加載速率以利用前期荷載使地基排水固結(jié)，提高強度來適應(yīng)下一級加載，避免由于荷載過大地基強度不足引起地基土失穩(wěn)。因此，在進行設(shè)計時，需要預(yù)測抗剪強度在加載過程中的增長情況，以便合理確定預(yù)壓加載速率。
地基中某一點在某時刻的抗剪強度τf可表示為：
式中 τf0——地基中某點在加荷之前的天然地基抗剪強度。用十字板或無側(cè)限抗壓強度試驗、三軸不排水剪切試驗測定；
△τfc——由于排水固結(jié)而增長的抗剪強度；
△τfτ——由于剪切蠕動而引起的抗剪強度衰減量。
由于剪切蠕動所引起的強度衰減部分目前尚未提出合適的計算公式，因此實用上地基的抗剪強度可用下式計算：
式中 η——考慮剪切蠕變及其它因素對強度影響的一個綜合性折減系數(shù)，可取0.9～0.95，若判斷地基土沒有強度衰減可能時，則η＝1.0。
強度增量△τfc的計算方法目前常用有以下兩種：
（1）有效應(yīng)力法
由于
故
（2）有效固結(jié)壓力法
《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》推薦采用此方法。其計算式為：
式中 △σz——預(yù)壓荷載引起的該點的豎向附加應(yīng)力。
排水固結(jié)的設(shè)計理論著重于：
（1）逐漸加載條件下固結(jié)度的修正計算；
（2）地基強度增長的預(yù)計和與其相應(yīng)的穩(wěn)定性分析方法；
（3）最終沉降量與沉降隨時間發(fā)展的推算以及根據(jù)現(xiàn)場觀測資料反算土的力學(xué)性質(zhì)指標等。
（二）真空預(yù)壓加固機理
真空預(yù)壓法是以大氣壓力作為預(yù)壓荷載。先在需加固的軟土地基表面鋪設(shè)一層透水砂墊層，再在其上覆蓋數(shù)層不透氣的塑料薄膜或橡膠布，四周密封，與大氣隔絕。在砂墊層內(nèi)埋設(shè)排水管道，然后與真空泵連通，進行抽氣，使透水材料保持較高的真空度，在土體孔隙水中產(chǎn)生負的孔隙水應(yīng)力，將土中孔隙水和空氣逐漸吸出，從而使土體固結(jié)。
1、加固機理
真空預(yù)壓法的加固機理主要反映在下面三個方面：
（1）土中水排出：真空預(yù)壓在抽氣前，薄膜內(nèi)外均承受一個大氣壓pa的作用，抽氣后薄膜內(nèi)形成一個壓力差：首先使砂墊層，其次是砂井中的氣壓降到pv，使薄膜緊貼砂墊層，這個壓差稱之為“真空度”。
砂墊層中形成的真空度，通過垂直排水通道逐漸向下延伸，同時，真空度又由垂直排水通道向其四周的土體傳遞與擴散，引起土中孔隙水壓力降低，形成負的超靜孔隙水壓力。從而使土體孔隙中的氣和水由土體向垂直排水通道發(fā)生滲流，最后由垂直排水通道匯至地表砂墊層中被泵抽出。
（2）有效應(yīng)力增加：地下水在上升的同時，形成排水體附近的真空負壓，使土體內(nèi)的孔隙水壓形成壓差，促使土中的孔隙水壓力不斷下降，地基有效應(yīng)力不斷增加，從而使土體固結(jié)；同時抽氣后土體中水位降落，也會增加有效應(yīng)力。
（3）封閉氣泡排出，土的滲透性加大：當飽和土體中含有少量封閉氣泡時，在正壓作用下，封閉氣泡會堵塞孔隙，使土的滲透性降低，固結(jié)過程減慢。但在真空吸力下，封閉氣泡被吸出，從而使土體滲透性提高，固結(jié)加快。
土體和砂井間的壓差，開始時為（pa－pv），隨著抽氣時間的增長，壓差逐漸變小，最終趨向于零，此時滲流停止，土體固結(jié)完成。所以真空預(yù)壓過程，實質(zhì)是利用大氣壓差作為預(yù)壓荷載，使土體逐漸排水固結(jié)的過程。
真空預(yù)壓是在總應(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，這種方法和降水預(yù)壓一樣都是在負超孔隙水壓力下排水固結(jié)，因而稱為負壓固結(jié)。
真空預(yù)壓法能取得相當于78～92kpa的等效荷載堆載預(yù)壓法的效果。
2、堆載預(yù)壓與真空預(yù)壓在加固機理方面區(qū)別
堆載預(yù)壓法，土體中的總應(yīng)力是增加的，真空預(yù)壓，總應(yīng)力保持不變；
堆載預(yù)壓法中，土體孔隙中形成的孔隙水壓力增量是正值，即超靜水壓力是正值；真空預(yù)壓法中，土體孔隙中形成的孔隙水壓力增量是負值。
堆載預(yù)壓法中，土體有效應(yīng)力的增長是通過正的超靜孔隙水壓力的消散來實現(xiàn)的，而真空預(yù)壓法中，土體有效應(yīng)力的增長是靠負的超靜孔隙水壓力的形成來實現(xiàn)的。
堆載預(yù)壓法中，土體加固后形成的有效應(yīng)力與上部施加的荷載大小有關(guān)，并且在垂直向和水平向上大小一般是不同的；真空預(yù)壓法中土體有效應(yīng)力的增加具有最大值，理論上最大為一個大氣壓，一般都低于此值，由于有效應(yīng)力的增加依賴于孔隙水壓力的降低來實現(xiàn)。所以，土體加固過程中有效應(yīng)力增加值在垂直、水平及其他各方向上是相同的。
3、真空預(yù)壓法的優(yōu)點及缺點
（1）不需要大量堆載，可省去加載和卸載工序，節(jié)省大量材料、能源和運輸能力，縮短預(yù)壓時間；
（2）真空法所產(chǎn)生的負壓使地基土的孔隙水加速排出，可縮短固結(jié)時間；同時由于孔隙水排出，滲流速度增大，地下水位降低，由滲流力和降低水位引起的附加應(yīng)力也隨之增大，提高了加固效果；負壓可通過管路傳到任何場地，適應(yīng)性強；
（3）孔隙滲流水的流向及滲流力引起的附加應(yīng)力均指向被加固土體，周圍土體向預(yù)壓區(qū)移動使整個加固地基呈收縮的趨勢；
（4）適用于超軟粘土以及邊坡、碼頭等地基穩(wěn)定性要求較高的工程地基加固，土愈軟，加固效果愈明顯；
（5）真空預(yù)壓加固地基影響范圍廣而深；
（6）無噪聲、無振動、無污染，可做到文明施工。
缺點：工序復(fù)雜，工程費用較高，預(yù)壓效果受到一定局限，預(yù)壓區(qū)周邊效果相對較差，同時由于真空抽水最大高度為10m，因而當淤泥層厚度小于8m時預(yù)壓效果較好，厚度超過8m則有所減弱，厚度越大越明顯。
4、真空預(yù)壓法適用范圍
真空預(yù)壓法適用于能在加固區(qū)形成（包括采取措施后形成）負壓邊界條件的飽和均質(zhì)粘性土及含薄層砂夾層的粘性土，特別適于新吹填土、超軟粘土地基的加固。
但不適用于表層存在良好透氣層或在加固范圍內(nèi)有較厚透水層并有充足水源補給的地基。