地固件工法的巧用剖析

趙鑫 李辰然 孫宇翔 朱文順

摘要：我國對軟土地基處理方面仍存在許多缺陷，從傳統的土工袋加固地基到新研發的地固件工法加固地基，我國軟土地基承載力不足的問題得到有效地解決。本文首先介紹地固件工法的研究背景，著重研究地固件工法的作用機理。并針對國內外地固件工法的發展狀況，對地固件工法的發展前景與創新完善提出一定的建議。

關鍵詞：地固件工法;內部約束;地基加固;軟土地基

1.研究背景及簡介

從戰爭時期人們將砂石類土裝入袋中，形成土袋用來堆砌戰壕，發展至將砂石類土加工為袋裝砂井應用于軟土地基的排水固結。人們對土工袋的特性認識不斷加深，而地固件工法則是地基加固構件的簡稱，是一種創新式的土工袋，初次由天津鼎元軟地基科技發展股份有限公司首次從日本引進的新地基加固工法。

該工法在傳統土工袋的基礎上，在土工袋的內部添加了部分小型導向架和一些高強桁架帶。在外力作用，袋內土顆粒不但受到土工袋基布的張力約束作用，同時受到桁架帶等地固件的內部約束。因此地固件能夠在軟土地基中保持外觀形狀，并有效地抵制自身沉降。

地固件的一般尺寸為1.5m×1.5m×0.4m[1]。其制作流程大致分為如下幾個階段：

地固件制作完成后，通過自身的閉合帶上方的吊環吊裝應用于施工場地。并且在起吊完成后，應該在地固件上施加預壓力，以加速完成主固結沉降并達到夯實排水的目的。

2.作用機理及特點

2.1力學機理

根據試驗研究表明，添加地固件的土工袋在外力作用下，土工袋體首先發生壓縮變形。但由于內部高強桁架帶的約束作用，袋體的伸長量并不顯著，而土工袋所受到的張力作用施加于土顆粒表面約束土體。由牛頓摩擦定律（為土顆粒所受到的摩擦力，為土顆粒之間的內摩擦系數，為土顆粒表面所受到的法向壓力）可得土顆粒之間的摩擦力增大;再根據莫爾-庫倫強度理論：可得土工袋內部土體的極限抗剪承載力也隨之提高。

由相關研究表明，其實地固件在外力作用下相當于在土工袋內部的土體中增加了一個附加的內聚力，并根據土袋內部的極限平衡條件[2]可求得此值如公式（1）：

式中為土工袋的張力及地固件的內部約束作用所產生的附加內聚力;

為考慮地固件內部形式的放大系數;為外力作用下土工袋的張力;

分別為土工袋的寬和高;為被動土壓力系數，其值為。

2.2應力擴散機理

在軟土地基中，地固件的鋪設等效為墊層的作用。但是由于地固件內部設置了多條高強度桁架帶約束內部土體，導致其計算墊層作用時的擴散角是要偏大的。通過應力擴散機理可知，若對土層計算沉降時采用分層總和法，每層土上的附加應力是相對正常情況下是較低的，這同樣保證了地固件工法在保證地基承載力的同時，能夠有效地控制軟土地基的沉降量。

2.3“剛柔并濟”作用

在地基處理及基礎設計的過程中，必須考慮地基、基礎和上部結構三者的相互作用。剛性基礎雖然具有非常強大的抗彎剛度，能夠保持承受荷載后不發生撓曲變形，但在軟土地基中采用例如混凝土構件等剛性基礎，則會由于荷載的不均勻性，導致基礎繞一定方向產生旋轉，從而造成不均勻沉降，導致建筑物或構筑物的失穩破壞。而地固件的內部增加剛性吊帶能夠保證其內部的剛性，而地固件是由土工袋內裝填土骨料而成，其本身為柔性構件。地固件的創新之處在于結合了剛性構件和柔性構件各自的長處，使地固件在軟土地基上不但能夠隨地基變形而均勻沉降，還能夠保持自身的形狀，自適應能力很強。

2.4減振耗能機理

除此之外，地固件加固[3]后的土工袋還具有良好的減振耗能作用。地固件在連續反復的振動荷載下，土工袋產生張力引起袋內的土顆粒發生相互錯動，而地固件的約束和土工袋內土顆粒的摩擦使振動能量逐漸衰減，從而達到良好的減振效果。此外根據相關研究，地固件在垂直方向的減振效果較為顯著，在水平方向幾乎不存在減振效果。

3.國內外發展狀況

3.1地固件工法在中國的應用狀況

我國的杭州至紹興城際鐵路工程萬繡路車輛基底中SG-8段，該地地基為含水量超過70%的軟土地基。當時施工時恰逢雨季，造成了嚴重的施工難題，工程技術人員采用地固件法進行地基處理后，并對加固后的地基堆載預壓，經現場檢驗滿足地基承載力要求，并且最大沉降量未超過允許沉降量。總體上我國在地固件的運用上還處于初步試用階段，未大范圍地推廣與運用。

3.2地固件工法在日本的應用狀況

日本是目前全球在地固件技術運用最為成熟的國家，由于其地區的地質問題比較突出且具有代表性。其應用領域主要為通過地固件加固房屋基礎地基、加固公路路基、構筑擋墻等。并且向地固件中添加較大比例的粗骨料，這樣不但能夠由于粗顆粒之間間隙大，消除土壤中的毛細水作用，以達到防止凍融[4]的目的，還能夠適當地減少基礎埋深從而節約工程投資。

此外日本還將地固件工法與環境巖土方面相結合，將核廢棄物和焚燒廢棄物采用地固件裝填并且分層填埋，這同樣也體現出了地固件內部充填物的材料無限制，可以是各種土和各種建筑物的廢棄渣料的特性。

3.3地固件工法在其他國家的應用狀況

除此之外，地固件工法在其他國家也有初步的嘗試。例如孟加拉國PADMA大橋的巖土工程勘察項目，其便運用地固件工法對地基加固;中緬戰略鐵路計劃中同樣運用地固件工法以提高地基承載力。

4.發展前景與未來展望

地固件在我國仍處于初步研發階段，針對我國地固件工法的運用情況與涵蓋范圍，我國應該從地固件內部的桁架帶布置形式更深一步去研究不同的布置形式對前述附加內聚力數值的影響情況。還應該深入研究地固件的布置間距是否對減振效果存在影響。除此之外，更應從日本應用的實例中吸取經驗。例如從環境巖土方面與環保方面去改良土工袋的材料，制造出能夠抗太陽光紫外線老化的編織土工袋，以保證其的耐久性。同樣在制造工藝與作用機理的深入研究下，也應該完善施工技術的標準化，使施工過程規范化。

參考文獻：

[1]刁鈺，陳津生，王立祥，孫萬里，高振洲，田衛國.地固件工法與實踐[J].地基處理，2020，2（03）：264-270.

[2]劉斯宏，汪易森.土工袋技術及其應用前景[J].水利學報，2007（S1）：644-648.

[3]畢鑫洋.土工袋地基處理加固技術發展前景[J].山西建筑，2016，42（31）：80-81.

[4]李卓，劉斯宏，王柳江，張凱，孔維耀.凍融循環作用下土工袋凍脹量和融沉量試驗[J].巖土力學，2013，34（09）：2541-2545.