土袋中变形模量增强的试验与力学机制分析

用简单的装土袋筑就更坚固的地基

当工程师在软弱或混合地层上修建大坝、道路或水库时，会担心土体在荷载作用下缓慢压缩并沉降。一种相对简单的技术——用坚固织物装填当地土石的土袋——能使地基的行为更像一张结实的床垫而非柔软的垫子。本研究不仅证明了土袋的有效性，还通过全尺度现场试验、实验室试验和统一的力学模型，解释了土袋为何能提高地基的刚度和可靠性。

什么是土袋及其重要性

土袋是由耐用的织物编制而成的袋子，通常为土工织物，填充土、砂或土–岩混合料并堆叠或铺设成层。与主要在一个平面起作用的平板加固材料不同，每个袋子将土料三维包裹，形成可以约束松散材料的“单元”。由于土袋可填充就地开挖的材料——甚至通常作为建筑废料处理的料——它们有望提供更经济、更可持续的地基方案。先前研究表明土袋能提高地基的承载能力，但工程师还需了解它们如何影响日常服务荷载下的变形：地基在正常荷载下会压缩多少。

在一个水电水库的实地试验

作者首先在中国江苏的一座抽水蓄能电站对土袋进行了试验，该水库底部由高度不均一的土–岩混合料构成。在几乎相同条件下准备了相邻的两块试验区：一块在夯实基底上铺设了单层大型土袋，另一块则未铺设土袋。经仔细压实后，使用钢板对每一区域逐步加载并测量地面沉降。按标准工程公式计算，铺设土袋的区段的变形模量——本质上是衡量地基抗压缩能力的指标——比未加固区高约23%。这证实了即便单层土袋也能明显加固薄弱地基，同时利用现场材料。

窥视袋内：统一的力学图景

为了理解每个袋子内部发生的过程，团队建立了一个应力—应变框架，将土与织物视为耦合系统。当垂直荷载压向袋体时，袋内土体倾向于向侧向膨胀。土工织物被拉伸并产生张力，反过来对土体施加侧向挤压力。从力学角度看，土体内的总应力等于外加荷载与来自袋体张力的额外约束应力之和。通过追踪这些应力如何演化，模型表明袋内土体在应力空间中走出与未加固土体不同的路径：它承受更高的整体约束，并在剪应力与法向力之间形成更有利的平衡。此种变化使土体远离早期破坏，进入一种“硬化”状态，能够在更少变形下承载更大荷载。

黏土、砂及袋体如何改变它们的行为

对填充黏土或砂的小型土袋进行的实验室压缩试验有助于验证模型并揭示不同土类的响应差异。对于黏土填充的土袋，随着软黏土变形且袋体鼓起，织物张力在低荷载下迅速上升，随后随着黏土与袋体变得更密实、更坚硬而增速放缓。当研究者将袋内黏土与在刚性圆筒中受相同垂直压力约束的黏土比较时，袋装黏土表现出更高的“预固结”应力水平——表明额外的约束将其推入更强、更致密的状态。砂填充的土袋表现则不同：由于砂体几乎无粘聚力，其应力路径最初接近破坏线，但砂粒与织物之间的摩擦以及砂在剪切下膨胀的倾向，帮助袋体动员出强有力的侧向张力。这种相互作用使砂体保持整体性并获得刚度，而不是迅速剪切破坏。

有多少刚化来自袋体

研究将刚化效应分为两部分：压缩下土体的自然致密化，以及由织物张力产生的额外刚化。对于黏土填充的土袋，织物约束贡献了袋内土体总变形模量的三分之一以上，尤其在低荷载且变形较大时更为显著。对于砂填充的土袋，来自袋体的附加模量较小——约15％左右——但仍然在防止剪切破坏并使砂在原本不稳定的条件下获得高强度方面至关重要。作者还给出了实用设计建议：采用拉长的袋形（长度至少为高度的四倍），根据袋体尺寸选择具有足够抗拉强度的织物，并在预夯过程中留出小间隙，以便在回填前袋体能膨胀并充分动员张力。

这对未来建筑的意义

用通俗的话说，这项研究表明土袋能使工程师将松散或混合的土料转化为更为刚实、可靠的地基“层”，而无需采用深桩或昂贵的进口骨料。土袋不仅仅是包裹土料——随着荷载增加，它们会主动挤压土体，引导内部力沿更安全的路径并从内部压实材料。通过量化现场性能与内部机制，研究为设计人员更自信地在大坝、堤坝、道路及其他基础设施中采用土袋提供了坚实依据，从而更好地利用当地土料、控制沉降并提高安全性。

引用: Liao, J., Song, Y., Tao, Y. et al. Experimental and mechanistic analysis of deformation modulus enhancement in soilbag. Sci Rep 16, 12646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43444-5

关键词: 土袋, 地基加固, 土工织物基础, 土–岩混合料, 土木基础设施