土壤加固：已成为必不可少的技术

  得益于技术革新，现在可以做到在各种土地上修建建筑物。无论是简单还是极其复杂的建筑结构，都需要工程师运用专业知识对土壤进行分析、研究、加固和固结。为了在室内完成建筑物基础的设计，岩土工程师需要先探测确定土壤的性质。虽然大众往往觉察不到土壤被加固，但是该项工作是在任何机械性质不良的土壤上修筑建筑物的基石。当前土壤加固技术正朝着提供更经济、更环保的技术解决方案的方向发展。

  随着人口数量的增长和人类活动范围的扩大，对低质量土地开发的必要性越来越高。由于机械性能差，某些类型的土地一直未被利用，这些土地必须先对其加固处理，才能确保其支撑的建筑物和土木工程基础设施的稳定性。土壤加固工程位于地下，外行人往往难以觉察，但实际上土壤加固技术应用非常普遍，就在我们的日常生活之中（如地基、挡土墙、路堤以及铁道等）。在被划分为不可用于建筑工程的土地区上建设基础设施，通常不仅是一项技术挑战，更是战略、经济以及环境等方面的真正挑战。例如：

• 让高速线路（HSL）穿过压缩性地基区可能比改道的经济性更佳（例如，穿越法国多尔多涅省的SEA HSL），
• 在港口建造仓库，而该地区的土壤受沿海地质的作用具有高压缩性（如勒阿弗尔港），
• 在海洋中的人工岛上建造机场（如日本的神户机场）。

1. 适用于复杂的土壤和各种应用环境的技术

  土壤是一种复杂的材料，包括密实度不同的矿物骨架（mineral skeleton）和分布其间的孔隙，空气和水能在孔隙中自由流动。土壤颗粒有些是岩石的破碎形成的，如大小各异的卵石、砾石、砂砾或粉粒；也有些来源于某些岩石的化学风化，这个过程形成了的微小的黏粒。水分很容易在渗水性土壤（例如卵石、砾石和沙子）中流动，但在低渗透性或甚至不透水土壤（例如粉质和黏质土）中，情况大不相同：水在黏土中的流动速率是在砾石中的100万分之一。此外，受水分入渗、干旱或地震等外部应力的作用，土壤的机械性能可能会发生变化，不再适合其设计的用途。

  由于土壤和建筑物的类型不同，因此需要选择适合于土壤性质及其环境的土壤加固方案。迄今为止，如何找到合适的方案依然是个十分复杂的问题，正如现存的历史遗迹所证明的那样（例如比萨斜塔）。目前主要采用两种技术提高土壤的力学性能：改变土壤的内部结构和向土壤中添加筋材（inclusions）。土壤机械性能改良技术能提高土壤的密实度，具体而言包括降低孔隙度的固化（consolidation）技术，如对水分饱和的土壤施加过载压力，使水分在土壤沉降过程中逐渐排出；或者对振动土壤，使土壤颗粒重新排列，密实度提高（如强夯技术〔dynamic compaction technique〕，将15至150吨的物体从20至40米的高空坠落，其冲击力可能使10米深度内的土壤紧实化）。土壤加固技术包括向土壤中加入垂直或水平加固单元，所有这些技术的目标是确保建筑物不出现过度的形变或失稳。

2. 多种多样的解决方案

  常用的土壤加固技术要么是向土体中垂直楔入筋材，这些筋材或者部分露出地表，或者全部隐藏于地下（图1）；要么是采用水平配筋（条状、板状、或蜂窝状结构等）以及或短或长的纤维重塑和加固土体，建造挡土墙（图2）。

2.1. 土壤原位加固

  最古老的土壤原位加固技术是采用木桩将建筑物的荷载分配或传递到更大面积或更抗压的土壤上。在法国的贝奈斯村（安德尔-卢瓦尔省）附近挖掘出来了一条可追溯到公元前8年的罗马时期的道路遗迹，该道路穿过一个潮湿的山谷，长度超过了200 m，路基由约30 cm厚的“石质台阶”（硅质石块）砌成。路基的两侧铺设石块，在石块之间有深深埋入沙质土壤中的石桩。现在总共残留有27根木桩，其中一些木桩仍然与石块紧密相连。这些橡木桩平均长1 m，直径30 cm。为了方便砸入，木桩的下端都削成了倾面。在这里还发现了3组密集排列的木桩，每组由相距1.60至1.70 m的两根构成，反映了当时已经产生了使用刚性竖向构件的创新做法，将刚性竖向筋单元等间距插入地下，上部与一层石块连接，通过石块将施加到路面的荷载重新分配，一部分落在垂直构件的顶部，另一部分则分布到垂直单元之间的土壤中。这个实例也正是目前所有加筋土结构的通行原则：都是包括一个规则分布的刚性竖向植筋网络和一个水平的颗粒层的荷载分配构造。

  根据压缩土的厚度不同，桩的长度和作用也不同。当性能较差的土层较薄时，可以将桩的底部锚定到稳定的土层中，这样桩的顶部所受的力可通过桩直接传递到下部的稳定层（桩锚）；而当性能差的土层较厚时，可楔入足够长的桩，使建筑物施加在桩头上的全部载荷通过桩与土壤之间的摩擦力分散开（图3）。

  对上述基本方法进行了多方面改变，发展出了旨在大幅降低表土沉降的很多新技术，例如：

• 刚性混凝土加筋，向土壤中钻孔（通过旋转或振动作用）直达支撑土层，在钻具抽出的同时使混凝土在重力作用下从下部注入孔中；
• 铺碴，无疑是最灵活的方法，将无黏性的颗粒状材料铺置于地表，在后续车辆通行时逐渐压实；
• 喷射灌浆柱，在钻孔中通过高压射流使土体高度破碎化，将破碎的土壤与自硬化浆液混合，使之在土壤中形成柱状筋条；
• 混合土柱，在土体中将土壤与粘合剂（干柱）或浆液（湿柱）原位混合，搅拌形成圆形立柱。

  刚性植筋由于良好的经济性和易于实施而成为了应用最广泛的加固技术，它可以通过增加颗粒垫层或在建筑物下面设置加筋垫层来提高加固效果。该技术可以将传递到压缩土的垂直载荷限制在合理的范围内，通过荷载传递机制将建筑物的垂直荷载引导到桩上，同时最大限度地减少可能影响桩群稳固性的水平荷载分量（图4）。

  从环境保护的角度来看，这些解决方案很有意义，它们不需要在原地挖掘土壤，从而减少了材料运输过程中的环境污染和移动受污染土壤的风险。土工合成材料〔土木工程中使用的塑料、透水性（土工织物或相关产品）或不透水性（土工膜）等合成材料〕可发挥不同的功能：隔离、保护、加固、排水、过滤、密封、抗侵蚀等。在铺碴的加固工程中使用这些材料，可以降低石碴层的厚度，减少对“昂贵”材料的需求。

2.2. 填方加固

  将土壤与添加物混合或土壤与添加物以交替成层的方式来加固填方并不是什么新鲜事。早在公元前2100年，美索不达米亚地区花费大量人力、物力建造的金字形金字形神塔，就添加了稻草编织物来加固。在乌鲁克建造的第一座金字形神塔是后续几十年来该地区所有台阶式塔的原型，其中保存最完好的是乌尔塔庙（距今3000年）。此后加固技术发生了许多变化，尤其是发展出了新的加固类型。

  1957年，法国土壤强化公司（Terre Armée）[2]创始人亨利·维达尔在沙滩上发表了一个声明：当你踏上一堆沙子时，沙堆会坍塌，沙粒向四面八方散开；但如果往沙子里插入几排松针，那么即使你施加很大的力，整个结构仍然会保持稳定。亨利·维达尔将这个理念发展成了一种建造挡土墙的新型加固技术，后来进一步发展出了多种样式，如：

• 等间距水平放置金属平板（加筋）或合成材料进行加固。
• 土工合成材料层加固（图5）。

  这两种样式在垂直立面都没有支撑结构，而垂直立面具有防侵蚀功能。值得注意的是，这两种样式基础结构的稳定性是由对抗土体变形的筋单元来确保的，通过筋单元与土壤间的摩擦力来加固。这种支撑本身在设计上是革命性的，因为加固土体提供了自身的稳定性，所以无需建造阻止土体移动的挡土墙——支撑墙或悬臂墙。悬臂墙是一种钢筋混凝土支撑墙，由桩基和墙体组成。与传统的挡土墙相比，悬臂墙的优势在于桩基后部的浇筑板有助于提升其自身的稳定性（图6）。

  这些技术之所以被广泛使用，是因为它们占地面积小，并且能用于崎岖不平和难以进入的地区（图7）。其模块化构造使之能和谐地融入当地景观中，有些外露表面可以用植被覆盖，使挡土墙几乎难以觉察。

  此外，有时也会采用添加短或长纤维的方法加固土体，但是应用极少（图8）。使用时将纤维与土壤均匀混合，起到局部加固的作用。除其它用途外，还可以利用土壤/纤维混合物能消散能量的性质，将其用于降低气罐爆炸的损害程度。在这里，纤维与土壤颗粒之间的摩擦或者在长纤维将土壤颗粒拉固等作用也是加固的基础。

3. 复杂的作用机制

  实际上，在这些加固技术中土壤和加强筋之间存在复杂的相互作用机制，需要某些简化的假设才能通过分析或数值计算进行建模。应当记住的是，土壤与加强筋之间的界面区域是将土壤的应力传递给加强筋的首要媒介，如果这个界面绝对光滑，那么就不能传递应力，加固效果为零。

  怎么理解这个界面（interface）呢？界面的厚度为零或者仅有几个土壤颗粒厚，通过界面土壤的应力传递到加强筋上。要使摩擦力最大化，界面处加强筋和土壤之间必须产生显著的相对位移（根据加强筋材料的不同，至少几毫米，甚至几厘米）。界面的粗糙程度影响可以传递的力的大小。通常采用被称为库仑摩擦角的物理量来表征界面性质。交替式荷载（交替出现相对正位移与负位移）下应力的强度和方向不断变化，因而很难预测周期性荷载变化（如风作用于风力发电机、汽车或火车反复通行、周期性的冰冻/解冻和土壤膨胀/收缩等）时的加固效果。

  那么筋材（inclusions）呢？虽然它们的作用是显而易见的，那就是加固土壤，但是它们的作用方式有时候很复杂，一种情形非常不同于另一种情形。土工合成纤维和合成布主要受拉力（无压缩或弯曲力）。有一定弯曲刚度的土工格栅筋材同时承受拉力和弯曲力（垂直于土工格栅平面的力）。桩型的竖向加筋主要通过压缩力起作用，只有少数工艺允许存在水平作用力。

  至于土壤，其行为随时间可能发生复杂的变化。例如，在桩筋网格中存在一种称之为“穹顶效应（vault effect）”的机制，将负荷从软弱地基转移到抵抗力更强的地点。

4. 先进技术仍在发展中

  优化这些技术和降低生产成本仍然是一个挑战，需要全世界的研究人员参与。最新的技术、新的加固材料、不断变化的气候和土壤条件都是必须不断重新考虑的新因素。幸运的是，调查能力也在同步发展，尤其是在调查规模方面。虽然传统工程的计算方法已经得到了广泛的测试和验证，但在复杂的情况下，工程人员越来越多地使用先进的数值模型。计算机性能的指数增长使得几年前不可能实现的计算在今天得以进行。

  经典的工程计算方法是将土壤作为连续体，采用有限元法或有限差分法，可以用数值法求解微分方程和偏微分方程。将研究的环境划分为不同的场域（由节点元构成的网格），分别求解问题的方程。网格尺寸、元的种类和模型的选择决定了解的准确性。这些方法可以把每个筋材、每个筋材与土壤的界面都考虑进去，并设置相关土壤性质的取值范围，得到与实际相当吻合的计算结果。

  我们是否可以梦想建立一个将每一个土壤颗粒和每一个筋材都考虑进去的数字模型呢？回答是可以，而且事实上已经有人在这么考虑了，由接触动力学或分子动力学发展出的离散数字方法（discrete digital method）就是这一思想的基础。把要研究的环境中的切分为一组不同形状、独立的颗粒，它们在接触点上发生相互作用，其行为受牛顿第二定律支配。这类相互作用通常只需要很少的参数进行描述，并且可以应用于多种研究领域。与连续模型不同，这类模型非常适合研究中介质的强形变、开裂和断裂。利用这类模型，对每一颗土壤颗粒都可以考虑其形状及其与筋材之间的相互作用，用很少的参数实现对土壤和筋材行为的有效模拟。这类模型对于理解土壤与筋材界面以及土壤内部微域上的作用机制非常有潜力，因而在研究中得到了广泛的应用。但是其复杂的技术原理和难以承受的计算时间，目前很少用于建筑或者局部建筑工程的模拟计算。未来几十年内，计算时间或将不再是一个障碍。

  那么实验人员呢？随着仪器技术和传感器的不断发展，他们的重要性也在下降。现在已经可以获得过去难以想象的数据量，从而可以更好地了解加固的机理。目前，正在使用先进的仪器对小型或集中式实验室模型和和全尺寸工程进行广泛的研究。

5. 监测加固工程

  加固工程是技术复杂的工程，特别是在它们引起的经济和环境挑战十分严重的情况下，必须随着使用时间的延长加以监测。可以在工程设计阶段就，可以在工程设计阶段就加入仪表自控，以便在施工建造时控制工程的状态并验证其尺寸是否与设计相符；在某些情况下，仪表自控可以用来优化建筑工程的尺寸，即工程测量的观察法。基于仪表自控，工程设计和维护中的结构健康监测（SHM，Structural Health Monitoring）技术可以预测岩土结构的损坏情况，以防止事故的发生。在统计处理系统的支持下，SHM还可以延长工程的使用年限，降低维护成本。除了检查程序以外，该方法还可以在加固工程的使用期内对其进行自动化的、有计划的监测。得益于市场上出现的新一代传感器（特别是光纤测量）以及汇集于自动数据采集中心的先进通信和测量传输手段，SHM技术正在快速发展。

6. 未来会怎样？

  我们所知道的是，人类生来就有征服的欲望，他们会在任何可能的地方定居下来，特别是在迄今为止被认为是难以进行工程施工的地区，如在海床上。随着环境关注度的日益增加，我们将使用更经济、更生态的新技术。为此，研究人员正在开发数值模拟和实验之间的耦合方法，以便深入理解土壤行为和土壤-筋材界面过程，从而得到土壤加固优化解决方案。随着岩土检测技术的发展，上文提到的观察法也会有新的用武之地。最后，人类可能会利用细菌等意想不到的新盟友，例如，我们已经用细菌来提高地基的承载能力（生物钙化技术）和清除污染。土壤加固的前途非常光明！

 

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参考资料及说明

[1] Armater: http://enka-solutions.com/en/home/

[2] Armed Land: http://www.terre-armee.fr/TA/wtaf_fr.nsf

[3] Texsol: http://www.eiffageinfrastructures.com/home/produits/texsol.html

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译者：陈炀          审校：崔骁勇          责任编辑：胡玉娇

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附加信息

陈炀：中国科学院大学，生命科学学院，研究生

崔骁勇：中国科学院大学，生命科学学院，教授