軟基處理新工藝地固件法施工技術(shù)

陳津生，刁 鈺，孫萬里，楊建勛

（1.天津鼎元軟地基科技發(fā)展股份有限公司，天津 300353；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)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(shè)領(lǐng)域一直是值得探討的問題，傳統(tǒng)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(yán)重、機械無法進入的問題，施工難度大并且對于環(huán)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(tǒng)土工袋進行的技術(shù)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(yīng)用。

1 工法簡介

1.1 地固件介紹

傳統(tǒng)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(nèi)部增加導(dǎo)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(nèi)部約束，從而具有形狀保持的特點[3]。

地固件基于傳統(tǒng)土工袋，自身材料改良為超耐候聚丙烯，在袋內(nèi)設(shè)計約束裝置，內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)型和非標(biāo)準(zhǔn)型。見圖1和表1。

圖1 地固件構(gòu)造

表1 標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用積累了大量寶貴的施工經(jīng)驗及數(shù)據(jù)。該工法于2019年取得了日本沿海城市巖土工程關(guān)于道路通行穩(wěn)定性的認(rèn)證及土木工程建筑行業(yè)的工法認(rèn)證。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

地固件法的應(yīng)用場景比較廣泛，國外工程普遍應(yīng)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(nèi)處于推廣階段，應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(fù)合工法施工；多層民用建筑基礎(chǔ)。

1.3 地固件制作

包括產(chǎn)品制作和填充材料填充作業(yè)。產(chǎn)品制作為內(nèi)部工廠提供，填充材料的作業(yè)施工依據(jù)施工場地的便利性選擇。

地固件填充流程按照標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)滿足工程設(shè)計要求，施工過程做好施工管理及質(zhì)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(tǒng)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(shè)，對于臨時路的修建可即鋪即用。

2）臨時工程的環(huán)?；簩τ谂R時工程，作業(yè)完成后，地固件可起吊回收，對土地不造成擾動污染。

3）經(jīng)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(tài)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(nèi)摩擦角31.3°、級配良好的干砂及粒徑均勻（多為40 mm左右），內(nèi)摩擦角43°的碎石。

試驗結(jié)果表明，對于標(biāo)準(zhǔn)型地固件，在上部荷載達(dá)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(xiàn)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(yīng)力不均勻現(xiàn)象，地固件中心處的干砂和碎石都出現(xiàn)了顆粒破碎現(xiàn)象，這也恰好證明了地固件的內(nèi)外雙重約束作用，相比于傳統(tǒng)土工袋，受力機制更加復(fù)雜，導(dǎo)致其內(nèi)部應(yīng)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(tǒng)土工袋僅有的基布約束，地固件內(nèi)部的桁架吊帶約束增加其內(nèi)部受力機制的復(fù)雜性，荷載作用下的內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)不均勻。

2.2 柔性保形

地固件自身的材料為柔性，由于內(nèi)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(qū)別于傳統(tǒng)土工袋的柔性不保形、荷載作用下易變性及混凝土構(gòu)件的保形但無法自動調(diào)節(jié)；在外部荷載作用下，通過自身的調(diào)節(jié)作用，自適應(yīng)性地傳遞荷載；軟弱地基鋪設(shè)時，土體進入地固件下方錐形槽內(nèi)，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(shè)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(jié)形成硬殼層，從而提高地基承載力。

2.4 應(yīng)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(yuǎn)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(rèn)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(shè)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(nèi)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(xiàn)象發(fā)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(nèi)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(zhì)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(zhì)黏土，呈現(xiàn)褐灰色、流塑、厚層狀、高壓縮性、土質(zhì)不均，局部為淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、干強度高、韌性高、物理力學(xué)性質(zhì)差。地固件和等尺寸鋼板（1.5 m×1.5 m×0.1 m）鋪設(shè)于軟弱地基上，上部加載5 t荷載，監(jiān)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(jié)，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(fā)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(yīng)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(yán)重，施工機械無法進入現(xiàn)場，挖掘機作業(yè)時下沉過半，6 m長鋼板下沉埋沒，無法進行連續(xù)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(yù)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(jié)論

1）地固件受內(nèi)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(yīng)用于軟弱地基處理。

3）填充料顆粒的摩擦耗能，可應(yīng)用于減震工程。

4）與傳統(tǒng)軟弱地基處理工法相比，經(jīng)濟優(yōu)勢非常明顯；對于臨時道路的應(yīng)用，二次回收可帶來環(huán)保性能和成本效益；對于永久基礎(chǔ)加固的使用處于研究推廣階段，需進一步的研討?！酢?/p>