降低地下水位法在非洲道路施工中的應用

曾令軍

摘 要：非洲贊比亞恩多拉城市道路修建中的Mitengo-Kansenshi連接線跨越河灘兩側300多米，此跨越段地質為淤泥質土、粉質夾砂粘土，地下水豐富，填土厚度要求1 m～6 m。根據國內經驗，排水固結能有效解決此處軟土地基不穩定問題。但是受施工設備及材料影響，只能參照國內排水固結部分原理，處理此處軟土路基。經過技術方案、經濟方案比選，項目部選擇降低地下水位法成功處理此處軟基道路。項目建成通車2年后，兩條道路的瀝青路面均無出現因沉降而導致的路面裂縫，路堤整體穩定。降低地下水位法處理的軟基，很好的達到了設計、業主要求的質量標準并且取得了良好的經濟效益。

關鍵詞：軟基;降低地下水位法;排水固結;工程應用

0 引言

排水固結法是處理軟粘土基礎的有效方法之一。降低地下水位法是排水固結法中一種適用淺層軟基處理沙土、夾砂粘土簡單而有效的方法。在非洲施工中，特種設備、專用材料、石料開采等極其困難，降低地下水位法處理軟基在適當條件下的應用具有非常大的經濟價值。

1 工程概況

Mitengo-Kansenshi連接路是連接恩多拉市老城區與新規劃區的連接路，是項目唯一跨越河道且存在高填方的城市道路。道路總長2.463 km，道路等級為城市次干路，道路設計時速50 km/h，道路寬7.2 m，荷載等級為城市B級。

2 工程特點

此段路基位于河灘沖積層，地下水發育。地形起伏較大，填土較高，同時連接箱涵過渡段，對地基穩定性提出了較高要求。填土前需對軟土路基進行處理，防止路堤失穩。

經查驗此處地質資料及現場探測，地表1 m～2 m地質狀況為淤泥質土+粉質夾砂粘土，大部分為粉質夾砂粘土，透水性好。此填土段處于河灘處，地勢開闊，且總體地勢兩邊高，中間箱涵處最低。同時，河灘兩側開闊地帶為政府公共用地，具有通過地表開挖集水明溝來降低地下水位的充分條件。

3 施工技術方案

3.1 總體方案設計

贊比亞所處非洲中部，建筑市場不成熟，無處理軟土的各種設備及配套材料。拋片擠淤需要的片石需要20公里外石場購買，且價格高昂。項目部計劃借助排水固結中降低地下水位法及堆載預壓法部分原理對其進行處理。

降低地下水位法是指利用井點（集水明溝）降水，使地下水位下降，以增加土的自重應力，達到預壓加固的目的。由于地基土自重應力的增加，將導致地基發生附加沉降。降低地下水位，使地基中的軟土承受了相當于水位下降高度的水柱重量，因而地基產生固結。

按照軟基淺層處理的換填厚度要求，設置排水墊層。排水墊層兼作持力層的同時作為堆載預壓法中的堆載體，加速地基排水固結，增快基礎的沉降，加速基礎土的抗剪強度的增長，從而提高地基的承載力和穩定性。

3.2 總體方案流程

項目部計劃安排在贊比亞旱季中最干旱季節（10月）施工此處路基，經過雨季12月至來年2月雨水沉降期后再進行道路基層施工。

施工總體方案主要流程為：測量放線-明溝開挖-清表-排水墊層厚度設計-排水墊層施工-沉降穩定期-效果檢驗-正常填土施工。

3.3 測量放線、明溝開挖及清表

施工前，根據施工方案及路基設計表信息提前測設道路中線、道路兩邊排水明溝位置。

在邊溝外側鋪設沙礫便道，方便挖掘機提前開挖排水邊溝。開挖時，從河道位置往小里程/大里程方向（邊溝排水下游往上）開挖。

邊溝開挖一星期后，根據施工方案，使用小型長臂挖掘機進行清表，涌水、軟弱地段主要使用人工清理。清理完后人工輔助挖掘機整平。

3.4 排水墊層厚度設計

根據水下墊層設計要求，設置排水墊層厚度為100 cm。驗算厚度時，將路基近似看作條形基礎，以條形基礎地基承載力法驗算排水墊層厚度來確保有效性。墊層厚度的確定以墊層地面處自重壓力與附加應力之和不超過該處下臥層頂面地基深度修正后的容許承載力：

其中，為墊層底面處土的自重壓力值;為墊層底面處深度修正后的地基承載力特征值;為相應荷載效應標準組合時墊層底面處的附加壓力值。

道路路基近似看成條形基礎后：

其中，為相應荷載效應標準組合時基礎底面處的平均壓力值;為基礎底面處土的自重壓力值;z為基礎底面下墊層的厚度;θ為墊層的壓力擴散角。

3.4.1 取換填厚度1.0 m，計算墊層頂面處基底壓力

其中：車輛荷載為BZZ-100，結構層厚度0.5 m，路面寬7.2 m，平均填土高4.5 m（扣除結構層后），邊坡坡度1：2，結構層比重24，路堤比重18;代入計算：

結構層荷載=（（7.2+7.2+0.5*2*2）*0.5/2）*24=98.4

路堤荷載=（（（7.2+0.5*2*2）+（7.2+0.5*2*2）+4.5*2

*2））*4.5 /2*18=1 474.2

3.4.2 計算墊層底面處的自重應力

其中b=;θ=30;

。

代入計算：

3.4.3 下臥層驗算

驗算結果符合設計要求，故墊層厚度取100 cm。

3.5 排水墊層施工

經現場試驗測得原地面承載力過小，排水墊層無法使用機械分堆攤鋪法進行墊層施工。沙礫墊層材料選擇從兩邊高處以路基傾填方式進行攤鋪。傾填時人工配合鏟車施工。

3.6 排水固結效果檢驗

為檢測墊層沉降情況，項目部在離框架涵兩側25 m位置即在小里程K2+118斷面、大里程K2+163斷面各設置3處沉降觀測樁（A1/2/3及A1’/2’3’）。

排水墊層自2019年10月施工，同月結束。觀測數據從10月開始記錄至2020年5月結束（其中12月至第二年2月為贊比亞雨季）。經過分析沉降與時間關系的曲線數據（s-t表）表明，沉降在雨季后的3月份趨于穩定。平均沉降量23 cm。經試驗檢測，排水墊層承載力符合基底填筑要求。

4 降低地下水位法施工注意事項

4.1 加強排水及降水

在施工前，詳細調查周邊地形、水系走向，設計合理排水方法采取明溝、盲溝等綜合排水措施。

4.2 選擇合理的施工順序

提前謀劃設備進出場通道、材料通道及堆放位置。施工時合理安排人員對地表加強警戒，贊比亞設備救援困難，因極力防止施工中設備沉陷而造成巨大經濟損失。

4.3 選擇合理施工季節

選擇贊比亞雨季前的旱季施工，雨季前施工完畢后經過雨水的沖刷能較好的檢驗施工效果，且3個多月的雨季能使填土得到充分沉降。

4.4 加強雨季前道路防護

嚴格按照施工方案要求做道路橫坡。在邊緣處設置臨時攔水帶及臨時急流槽。

5 結語

降低水位法是排水固結處理軟基中最簡單有效方法，特別適合在非洲高原這種粉質夾砂粘土中施工。平坦開闊地帶利用明溝排水，在狹窄地帶利用盲溝排水均簡單易行。非洲市場缺少軟基處理材料、特種設備且交通運輸極為不便，在此情況下降低水位法處理軟基具有無可比擬的經濟優勢。通過現場Metengo-Kansenshi道路開挖明溝排水及后續穿越鹽堿地帶的Nelson Mandela道路盲溝排水的成功應用，很好的驗證了降低水位法在處理類似軟基中的有效性，對非洲高原類似施工提供經濟而有效的工程參考。

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