地固件工法的巧用剖析

赵鑫 李辰然 孙宇翔 朱文顺

摘要：我国对软土地基处理方面仍存在许多缺陷，从传统的土工袋加固地基到新研发的地固件工法加固地基，我国软土地基承载力不足的问题得到有效地解决。本文首先介绍地固件工法的研究背景，着重研究地固件工法的作用机理。并针对国内外地固件工法的发展状况，对地固件工法的发展前景与创新完善提出一定的建议。

关键词：地固件工法;内部约束;地基加固;软土地基

1.研究背景及简介

从战争时期人们将砂石类土装入袋中，形成土袋用来堆砌战壕，发展至将砂石类土加工为袋装砂井应用于软土地基的排水固结。人们对土工袋的特性认识不断加深，而地固件工法则是地基加固构件的简称，是一种创新式的土工袋，初次由天津鼎元软地基科技发展股份有限公司首次从日本引进的新地基加固工法。

该工法在传统土工袋的基础上，在土工袋的内部添加了部分小型导向架和一些高强桁架带。在外力作用，袋内土颗粒不但受到土工袋基布的張力约束作用，同时受到桁架带等地固件的内部约束。因此地固件能够在软土地基中保持外观形状，并有效地抵制自身沉降。

地固件的一般尺寸为1.5m×1.5m×0.4m[1]。其制作流程大致分为如下几个阶段：

地固件制作完成后，通过自身的闭合带上方的吊环吊装应用于施工场地。并且在起吊完成后，应该在地固件上施加预压力，以加速完成主固结沉降并达到夯实排水的目的。

2.作用机理及特点

2.1力学机理

根据试验研究表明，添加地固件的土工袋在外力作用下，土工袋体首先发生压缩变形。但由于内部高强桁架带的约束作用，袋体的伸长量并不显著，而土工袋所受到的张力作用施加于土颗粒表面约束土体。由牛顿摩擦定律（为土颗粒所受到的摩擦力，为土颗粒之间的内摩擦系数，为土颗粒表面所受到的法向压力）可得土颗粒之间的摩擦力增大;再根据莫尔-库伦强度理论：可得土工袋内部土体的极限抗剪承载力也随之提高。

由相关研究表明，其实地固件在外力作用下相当于在土工袋内部的土体中增加了一个附加的内聚力，并根据土袋内部的极限平衡条件[2]可求得此值如公式（1）：

式中为土工袋的张力及地固件的内部约束作用所产生的附加内聚力;

为考虑地固件内部形式的放大系数;为外力作用下土工袋的张力;

分别为土工袋的宽和高;为被动土压力系数，其值为。

2.2应力扩散机理

在软土地基中，地固件的铺设等效为垫层的作用。但是由于地固件内部设置了多条高强度桁架带约束内部土体，导致其计算垫层作用时的扩散角是要偏大的。通过应力扩散机理可知，若对土层计算沉降时采用分层总和法，每层土上的附加应力是相对正常情况下是较低的，这同样保证了地固件工法在保证地基承载力的同时，能够有效地控制软土地基的沉降量。

2.3“刚柔并济”作用

在地基处理及基础设计的过程中，必须考虑地基、基础和上部结构三者的相互作用。刚性基础虽然具有非常强大的抗弯刚度，能够保持承受荷载后不发生挠曲变形，但在软土地基中采用例如混凝土构件等刚性基础，则会由于荷载的不均匀性，导致基础绕一定方向产生旋转，从而造成不均匀沉降，导致建筑物或构筑物的失稳破坏。而地固件的内部增加刚性吊带能够保证其内部的刚性，而地固件是由土工袋内装填土骨料而成，其本身为柔性构件。地固件的创新之处在于结合了刚性构件和柔性构件各自的长处，使地固件在软土地基上不但能够随地基变形而均匀沉降，还能够保持自身的形状，自适应能力很强。

2.4减振耗能机理

除此之外，地固件加固[3]后的土工袋还具有良好的减振耗能作用。地固件在连续反复的振动荷载下，土工袋产生张力引起袋内的土颗粒发生相互错动，而地固件的约束和土工袋内土颗粒的摩擦使振动能量逐渐衰减，从而达到良好的减振效果。此外根据相关研究，地固件在垂直方向的减振效果较为显著，在水平方向几乎不存在减振效果。

3.国内外发展状况

3.1地固件工法在中国的应用状况

我国的杭州至绍兴城际铁路工程万绣路车辆基底中SG-8段，该地地基为含水量超过70%的软土地基。当时施工时恰逢雨季，造成了严重的施工难题，工程技术人员采用地固件法进行地基处理后，并对加固后的地基堆载预压，经现场检验满足地基承载力要求，并且最大沉降量未超过允许沉降量。总体上我国在地固件的运用上还处于初步试用阶段，未大范围地推广与运用。

3.2地固件工法在日本的应用状况

日本是目前全球在地固件技术运用最为成熟的国家，由于其地区的地质问题比较突出且具有代表性。其应用领域主要为通过地固件加固房屋基础地基、加固公路路基、构筑挡墙等。并且向地固件中添加较大比例的粗骨料，这样不但能够由于粗颗粒之间间隙大，消除土壤中的毛细水作用，以达到防止冻融[4]的目的，还能够适当地减少基础埋深从而节约工程投资。

此外日本还将地固件工法与环境岩土方面相结合，将核废弃物和焚烧废弃物采用地固件装填并且分层填埋，这同样也体现出了地固件内部充填物的材料无限制，可以是各种土和各种建筑物的废弃渣料的特性。

3.3地固件工法在其他国家的应用状况

除此之外，地固件工法在其他国家也有初步的尝试。例如孟加拉国PADMA大桥的岩土工程勘察项目，其便运用地固件工法对地基加固;中缅战略铁路计划中同样运用地固件工法以提高地基承载力。

4.发展前景与未来展望

地固件在我国仍处于初步研发阶段，针对我国地固件工法的运用情况与涵盖范围，我国应该从地固件内部的桁架带布置形式更深一步去研究不同的布置形式对前述附加内聚力数值的影响情况。还应该深入研究地固件的布置间距是否对减振效果存在影响。除此之外，更应从日本应用的实例中吸取经验。例如从环境岩土方面与环保方面去改良土工袋的材料，制造出能够抗太阳光紫外线老化的编织土工袋，以保证其的耐久性。同样在制造工艺与作用机理的深入研究下，也应该完善施工技术的标准化，使施工过程规范化。

参考文献：

[1]刁钰，陈津生，王立祥，孙万里，高振洲，田卫国.地固件工法与实践[J].地基处理，2020，2（03）：264-270.

[2]刘斯宏，汪易森.土工袋技术及其应用前景[J].水利学报，2007（S1）：644-648.

[3]毕鑫洋.土工袋地基处理加固技术发展前景[J].山西建筑，2016，42（31）：80-81.

[4]李卓，刘斯宏，王柳江，张凯，孔维耀.冻融循环作用下土工袋冻胀量和融沉量试验[J].岩土力学，2013，34（09）：2541-2545.