軟基處理新工藝地固件法施工技術

陳津生，刁 鈺，孫萬里，楊建勛

（1.天津鼎元軟地基科技發展股份有限公司，天津 300353；2.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；3.天津四建建筑工程有限公司，天津 300221）

軟弱地基處理在工程建設領域一直是值得探討的問題，傳統的淺層換填、水泥固化、水泥攪拌樁等處理方式存在工期長、成本高、砂土液化嚴重、機械無法進入的問題，施工難度大并且對于環境擾動比較大。

地固件法[1]是一種采用新型土工袋處理軟弱地基的工法，于2016年正式從日本引進，是基于傳統土工袋進行的技術改良。本文從工法簡介、試驗研究、工程實踐等方面介紹地固件法的應用。

1 工法簡介

1.1 地固件介紹

傳統土工袋[2]由于土體的剪切變形，在軟基之上較難維持自身形狀和抵抗自身的沉降；地固件法在內部增加導向架（小型地固件）或中心和四角8～12條桁架帶（大型地固件），形成內部約束，從而具有形狀保持的特點[3]。

地固件基于傳統土工袋，自身材料改良為超耐候聚丙烯，在袋內設計約束裝置，內部填充材料為級配良好的碎石（0～40 mm）或砂土以及固體建筑廢棄料，在起吊時下方形成圓錐形凹槽并能夠保持地固件整體形狀；地固件型號分為標準型和非標準型。見圖1和表1。

圖1 地固件構造

表1 標準型地固件尺寸

地固件法在日本已有近3 000成功案例，為工法的應用積累了大量寶貴的施工經驗及數據。該工法于2019年取得了日本沿海城市巖土工程關于道路通行穩定性的認證及土木工程建筑行業的工法認證。

1.2 應用領域

地固件法的應用場景比較廣泛，國外工程普遍應用于軟弱地基處理、污染物填埋（核污染土的處理）及建筑地基加固[4]；在國內處于推廣階段，應用領域主要包括：臨時道路的修建；基坑開挖時機械施工的下層軟基工作面加固，堆場地基處理，抗震地基加固；抗洪搶險工程的快速應用；公路、鐵路的地基加固，對于沉降和承載力要求較高工程，參與復合工法施工；多層民用建筑基礎。

1.3 地固件制作

包括產品制作和填充材料填充作業。產品制作為內部工廠提供，填充材料的作業施工依據施工場地的便利性選擇。

地固件填充流程按照標準化施工，包括型腔的制作、地固件填充時的袋體伸展、分層填充密實、封裝閉口、垂直起吊以及安全碼放。

1.4 施工

地固件法施工應滿足工程設計要求，施工過程做好施工管理及質量管理工作。具體操作[5]見圖2。

圖2 地固件法施工操作

1.5 施工特點

地固件法采用半裝配式施工，相比傳統工藝簡單快捷，主要施工特點有如下幾方面。

1）施工便捷化：邊填充邊鋪設，對于臨時路的修建可即鋪即用。

2）臨時工程的環保化：對于臨時工程，作業完成后，地固件可起吊回收，對土地不造成擾動污染。

3）經濟化施工：對于深厚軟基處理（5 m以上），地固件法相比樁體工藝可極大縮減成本（包含工期成本）。

4）快捷化施工：施工流程簡單，操作便捷，施工速度快。

2 工作機理

2.1 約束作用

為探究深埋狀態下承載力的極限，對單個地固件進行單軸抗壓試驗。填充材料為d50=0.8 mm、內摩擦角31.3°、級配良好的干砂及粒徑均勻（多為40 mm左右），內摩擦角43°的碎石。

試驗結果表明，對于標準型地固件，在上部荷載達到15 000 kN時，其承載力并未降低，地固件整體剛度隨上部荷載作用不斷增大，體現了地固件的約束作用；另外，在壓力荷載作用下，地固件存在顯著的應力不均勻現象，地固件中心處的干砂和碎石都出現了顆粒破碎現象，這也恰好證明了地固件的內外雙重約束作用，相比于傳統土工袋，受力機制更加復雜，導致其內部應力顯著不均勻。見圖3。

圖3 地固件填料破碎圖像

相比于傳統土工袋僅有的基布約束，地固件內部的桁架吊帶約束增加其內部受力機制的復雜性，荷載作用下的內部應力出現不均勻。

2.2 柔性保形

地固件自身的材料為柔性，由于內部填充料及桁架約束作用，使其在荷載作用下保持一定的形狀，區別于傳統土工袋的柔性不保形、荷載作用下易變性及混凝土構件的保形但無法自動調節；在外部荷載作用下，通過自身的調節作用，自適應性地傳遞荷載；軟弱地基鋪設時，土體進入地固件下方錐形槽內，有利于進一步提高地基承載力。見圖4。

圖4 軟弱地基上地固件受力變形

2.3 排水成殼

施工時，強制加壓地固件以及鋪設完成后對其振夯碾壓，下部的超孔隙水壓力會通過地固件自身的排水特性而消散，下部土體固結形成硬殼層，從而提高地基承載力。

2.4 應力擴散

地固件本身特性類似墊層處理軟弱地基，對上部荷載起到擴散作用，地固件自身的基布和吊帶形成的約束增加其擴散性能，擴散角度遠大于散體材料墊層的擴散角。見圖5。

圖5 地固件擴散形式

單層多個地固件施工，上部荷載作用范圍覆蓋地固件一半寬度時，則認為整個地固件起到擴散作用；少于一半寬度時，按照實際范圍進行計算。多層鋪設時，將上部壓力擴散寬度作為下層的荷載作用范圍，按照相同原則計算出最下層壓力擴散寬度b。

2.5 填料耗能

地固件內部填充材料在上部荷載作用下，由于袋體基布和吊帶的約束，增大了顆粒之間的互相摩擦，地固件透水的特性可消減地基液化，起到排水減壓的作用。

采用振動臺模擬振動試驗，試驗對象為地固件與混凝土，開始試驗一段時間后，地固件四周沒有溢出大量水，也并無傾斜現象發生；混凝土在試驗振動過程中，四周水開始溢出，混凝土被淹沒。這是由于地固件內部的散體材料在袋體約束下的互相摩擦削弱振動能量，使得地固件具有良好的隔振和抗液化能力。見圖6。

圖6 地固件與混凝土振動臺模型試驗

2.6 試驗驗證

為驗證地固件的作用效果，在深厚的淤泥質地基上進行地固件和鋼板的加載試驗。試驗地層為深厚淤泥質黏土，呈現褐灰色、流塑、厚層狀、高壓縮性、土質不均，局部為淤泥或淤泥質粉質黏土、干強度高、韌性高、物理力學性質差。地固件和等尺寸鋼板（1.5 m×1.5 m×0.1 m）鋪設于軟弱地基上，上部加載5 t荷載，監測四角點沉降和中心點之下1、2、3 m孔壓。見圖7。

圖7 軟弱地基上地固件與鋼板加載試驗

荷載作用下，鋼板初始孔壓大于地固件；地固件的孔隙水壓力消散程度明顯大于鋼板，這是由于地固件的排水特性，其下方土體固結，提高地基承載力。見圖8。

圖8 軟弱地基上地固件和鋼板加載試驗超孔隙水壓力變化

鋼板的最大沉降為地固件的6倍且發生傾斜，差異沉降為地固件的25倍，說明地固件的柔性保形作用。見圖9。

圖9 軟弱地基上地固件和鋼板加載試驗沉降變化

3 工程應用

3.1 工程概況

場地上部擬修建拱橋，需承受施工荷載，土體含水率近60%，地基液化嚴重，施工機械無法進入現場，挖掘機作業時下沉過半，6 m長鋼板下沉埋沒，無法進行連續施工。見圖10。

圖10 施工場地狀況

3.2 地固件法施工及效果

采取地固件法處理，按照流程進行順序施工，拱橋底部地基加固范圍約24 m×15 m，工后預載600 t荷載進行承載力檢測，最大沉降為1.9 cm，滿足工程要求。見圖11。

圖11 沉降檢測

4 結論

1）地固件受內外約束，強度高，可用于填埋工程。

2）地固件自身既有排水及壓力擴散特性，可應用于軟弱地基處理。

3）填充料顆粒的摩擦耗能，可應用于減震工程。

4）與傳統軟弱地基處理工法相比，經濟優勢非常明顯；對于臨時道路的應用，二次回收可帶來環保性能和成本效益；對于永久基礎加固的使用處于研究推廣階段，需進一步的研討。□■