软基处理新工艺地固件法施工技术

2021-11-08陈津生孙万里杨建勋

天津建设科技 2021年5期

关键词：工法土工固件

陈津生，刁钰，孙万里，杨建勋

（1.天津鼎元软地基科技发展股份有限公司，天津 300353；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072；3.天津四建建筑工程有限公司，天津 300221）

软弱地基处理在工程建设领域一直是值得探讨的问题，传统的浅层换填、水泥固化、水泥搅拌桩等处理方式存在工期长、成本高、砂土液化严重、机械无法进入的问题，施工难度大并且对于环境扰动比较大。

地固件法[1]是一种采用新型土工袋处理软弱地基的工法，于2016年正式从日本引进，是基于传统土工袋进行的技术改良。本文从工法简介、试验研究、工程实践等方面介绍地固件法的应用。

1 工法简介

1.1 地固件介绍

传统土工袋[2]由于土体的剪切变形，在软基之上较难维持自身形状和抵抗自身的沉降；地固件法在内部增加导向架（小型地固件）或中心和四角8～12条桁架带（大型地固件），形成内部约束，从而具有形状保持的特点[3]。

地固件基于传统土工袋，自身材料改良为超耐候聚丙烯，在袋内设计约束装置，内部填充材料为级配良好的碎石（0～40 mm）或砂土以及固体建筑废弃料，在起吊时下方形成圆锥形凹槽并能够保持地固件整体形状；地固件型号分为标准型和非标准型。见图1和表1。

图1 地固件构造

表1 标准型地固件尺寸

地固件法在日本已有近3 000成功案例，为工法的应用积累了大量宝贵的施工经验及数据。该工法于2019年取得了日本沿海城市岩土工程关于道路通行稳定性的认证及土木工程建筑行业的工法认证。

1.2 应用领域

地固件法的应用场景比较广泛，国外工程普遍应用于软弱地基处理、污染物填埋（核污染土的处理）及建筑地基加固[4]；在国内处于推广阶段，应用领域主要包括：临时道路的修建；基坑开挖时机械施工的下层软基工作面加固，堆场地基处理，抗震地基加固；抗洪抢险工程的快速应用；公路、铁路的地基加固，对于沉降和承载力要求较高工程，参与复合工法施工；多层民用建筑基础。

1.3 地固件制作

包括产品制作和填充材料填充作业。产品制作为内部工厂提供，填充材料的作业施工依据施工场地的便利性选择。

地固件填充流程按照标准化施工，包括型腔的制作、地固件填充时的袋体伸展、分层填充密实、封装闭口、垂直起吊以及安全码放。

1.4 施工

地固件法施工应满足工程设计要求，施工过程做好施工管理及质量管理工作。具体操作[5]见图2。

图2 地固件法施工操作

1.5 施工特点

地固件法采用半装配式施工，相比传统工艺简单快捷，主要施工特点有如下几方面。

1）施工便捷化：边填充边铺设，对于临时路的修建可即铺即用。

2）临时工程的环保化：对于临时工程，作业完成后，地固件可起吊回收，对土地不造成扰动污染。

3）经济化施工：对于深厚软基处理（5 m以上），地固件法相比桩体工艺可极大缩减成本（包含工期成本）。

4）快捷化施工：施工流程简单，操作便捷，施工速度快。

2 工作机理

2.1 约束作用

为探究深埋状态下承载力的极限，对单个地固件进行单轴抗压试验。填充材料为d50=0.8 mm、内摩擦角31.3°、级配良好的干砂及粒径均匀（多为40 mm左右），内摩擦角43°的碎石。

试验结果表明，对于标准型地固件，在上部荷载达到15 000 kN时，其承载力并未降低，地固件整体刚度随上部荷载作用不断增大，体现了地固件的约束作用；另外，在压力荷载作用下，地固件存在显著的应力不均匀现象，地固件中心处的干砂和碎石都出现了颗粒破碎现象，这也恰好证明了地固件的内外双重约束作用，相比于传统土工袋，受力机制更加复杂，导致其内部应力显著不均匀。见图3。

图3 地固件填料破碎图像

相比于传统土工袋仅有的基布约束，地固件内部的桁架吊带约束增加其内部受力机制的复杂性，荷载作用下的内部应力出现不均匀。

2.2 柔性保形

地固件自身的材料为柔性，由于内部填充料及桁架约束作用，使其在荷载作用下保持一定的形状，区别于传统土工袋的柔性不保形、荷载作用下易变性及混凝土构件的保形但无法自动调节；在外部荷载作用下，通过自身的调节作用，自适应性地传递荷载；软弱地基铺设时，土体进入地固件下方锥形槽内，有利于进一步提高地基承载力。见图4。

图4 软弱地基上地固件受力变形

2.3 排水成壳

施工时，强制加压地固件以及铺设完成后对其振夯碾压，下部的超孔隙水压力会通过地固件自身的排水特性而消散，下部土体固结形成硬壳层，从而提高地基承载力。

2.4 应力扩散

地固件本身特性类似垫层处理软弱地基，对上部荷载起到扩散作用，地固件自身的基布和吊带形成的约束增加其扩散性能，扩散角度远大于散体材料垫层的扩散角。见图5。

图5 地固件扩散形式

单层多个地固件施工，上部荷载作用范围覆盖地固件一半宽度时，则认为整个地固件起到扩散作用；少于一半宽度时，按照实际范围进行计算。多层铺设时，将上部压力扩散宽度作为下层的荷载作用范围，按照相同原则计算出最下层压力扩散宽度b。

2.5 填料耗能

地固件内部填充材料在上部荷载作用下，由于袋体基布和吊带的约束，增大了颗粒之间的互相摩擦，地固件透水的特性可消减地基液化，起到排水减压的作用。

采用振动台模拟振动试验，试验对象为地固件与混凝土，开始试验一段时间后，地固件四周没有溢出大量水，也并无倾斜现象发生；混凝土在试验振动过程中，四周水开始溢出，混凝土被淹没。这是由于地固件内部的散体材料在袋体约束下的互相摩擦削弱振动能量，使得地固件具有良好的隔振和抗液化能力。见图6。

图6 地固件与混凝土振动台模型试验

2.6 试验验证

为验证地固件的作用效果，在深厚的淤泥质地基上进行地固件和钢板的加载试验。试验地层为深厚淤泥质黏土，呈现褐灰色、流塑、厚层状、高压缩性、土质不均，局部为淤泥或淤泥质粉质黏土、干强度高、韧性高、物理力学性质差。地固件和等尺寸钢板（1.5 m×1.5 m×0.1 m）铺设于软弱地基上，上部加载5 t荷载，监测四角点沉降和中心点之下1、2、3 m孔压。见图7。