降低地下水位法在非洲道路施工中的应用

曾令军

摘 要：非洲赞比亚恩多拉城市道路修建中的Mitengo-Kansenshi连接线跨越河滩两侧300多米，此跨越段地质为淤泥质土、粉质夹砂粘土，地下水丰富，填土厚度要求1 m～6 m。根据国内经验，排水固结能有效解决此处软土地基不稳定问题。但是受施工设备及材料影响，只能参照国内排水固结部分原理，处理此处软土路基。经过技术方案、经济方案比选，项目部选择降低地下水位法成功处理此处软基道路。项目建成通车2年后，两条道路的沥青路面均无出现因沉降而导致的路面裂缝，路堤整体稳定。降低地下水位法处理的软基，很好的达到了设计、业主要求的质量标准并且取得了良好的经济效益。

关键词：软基;降低地下水位法;排水固结;工程应用

0 引言

排水固结法是处理软粘土基础的有效方法之一。降低地下水位法是排水固结法中一种适用浅层软基处理沙土、夹砂粘土简单而有效的方法。在非洲施工中，特种设备、专用材料、石料开采等极其困难，降低地下水位法处理软基在适当条件下的应用具有非常大的经济价值。

1 工程概况

Mitengo-Kansenshi连接路是连接恩多拉市老城区与新规划区的连接路，是项目唯一跨越河道且存在高填方的城市道路。道路总长2.463 km，道路等级为城市次干路，道路设计时速50 km/h，道路宽7.2 m，荷载等级为城市B级。

2 工程特点

此段路基位于河滩冲积层，地下水发育。地形起伏较大，填土较高，同时连接箱涵过渡段，对地基稳定性提出了较高要求。填土前需对软土路基进行处理，防止路堤失稳。

经查验此处地质资料及现场探测，地表1 m～2 m地质状况为淤泥质土+粉质夹砂粘土，大部分为粉质夹砂粘土，透水性好。此填土段处于河滩处，地势开阔，且总体地势两边高，中间箱涵处最低。同时，河滩两侧开阔地带为政府公共用地，具有通过地表开挖集水明沟来降低地下水位的充分条件。

3 施工技术方案

3.1 总体方案设计

赞比亚所处非洲中部，建筑市场不成熟，无处理软土的各种设备及配套材料。抛片挤淤需要的片石需要20公里外石场购买，且价格高昂。项目部计划借助排水固结中降低地下水位法及堆载预压法部分原理对其进行处理。

降低地下水位法是指利用井点（集水明沟）降水，使地下水位下降，以增加土的自重应力，达到预压加固的目的。由于地基土自重应力的增加，将导致地基发生附加沉降。降低地下水位，使地基中的软土承受了相当于水位下降高度的水柱重量，因而地基产生固结。

按照软基浅层处理的换填厚度要求，设置排水垫层。排水垫层兼作持力层的同时作为堆载预压法中的堆载体，加速地基排水固结，增快基础的沉降，加速基础土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。

3.2 总体方案流程

项目部计划安排在赞比亚旱季中最干旱季节（10月）施工此处路基，经过雨季12月至来年2月雨水沉降期后再进行道路基层施工。

施工总体方案主要流程为：测量放线-明沟开挖-清表-排水垫层厚度设计-排水墊层施工-沉降稳定期-效果检验-正常填土施工。

3.3 测量放线、明沟开挖及清表

施工前，根据施工方案及路基设计表信息提前测设道路中线、道路两边排水明沟位置。

在边沟外侧铺设沙砾便道，方便挖掘机提前开挖排水边沟。开挖时，从河道位置往小里程/大里程方向（边沟排水下游往上）开挖。

边沟开挖一星期后，根据施工方案，使用小型长臂挖掘机进行清表，涌水、软弱地段主要使用人工清理。清理完后人工辅助挖掘机整平。

3.4 排水垫层厚度设计

根据水下垫层设计要求，设置排水垫层厚度为100 cm。验算厚度时，将路基近似看作条形基础，以条形基础地基承载力法验算排水垫层厚度来确保有效性。垫层厚度的确定以垫层地面处自重压力与附加应力之和不超过该处下卧层顶面地基深度修正后的容许承载力：

其中，为垫层底面处土的自重压力值;为垫层底面处深度修正后的地基承载力特征值;为相应荷载效应标准组合时垫层底面处的附加压力值。

道路路基近似看成条形基础后：

其中，为相应荷载效应标准组合时基础底面处的平均压力值;为基础底面处土的自重压力值;z为基础底面下垫层的厚度;θ为垫层的压力扩散角。

3.4.1 取换填厚度1.0 m，计算垫层顶面处基底压力

其中：车辆荷载为BZZ-100，结构层厚度0.5 m，路面宽7.2 m，平均填土高4.5 m（扣除结构层后），边坡坡度1：2，结构层比重24，路堤比重18;代入计算：

结构层荷载=（（7.2+7.2+0.5*2*2）*0.5/2）*24=98.4

路堤荷载=（（（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 计算垫层底面处的自重应力

其中b=;θ=30;

。

代入计算：

3.4.3 下卧层验算

验算结果符合设计要求，故垫层厚度取100 cm。

3.5 排水垫层施工

经现场试验测得原地面承载力过小，排水垫层无法使用机械分堆摊铺法进行垫层施工。沙砾垫层材料选择从两边高处以路基倾填方式进行摊铺。倾填时人工配合铲车施工。

3.6 排水固结效果检验

为检测垫层沉降情况，项目部在离框架涵两侧25 m位置即在小里程K2+118断面、大里程K2+163断面各设置3处沉降观测桩（A1/2/3及A1’/2’3’）。

排水垫层自2019年10月施工，同月结束。观测数据从10月开始记录至2020年5月结束（其中12月至第二年2月为赞比亚雨季）。经过分析沉降与时间关系的曲线数据（s-t表）表明，沉降在雨季后的3月份趋于稳定。平均沉降量23 cm。经试验检测，排水垫层承载力符合基底填筑要求。

4 降低地下水位法施工注意事项

4.1 加强排水及降水

在施工前，详细调查周边地形、水系走向，设计合理排水方法采取明沟、盲沟等综合排水措施。

4.2 选择合理的施工顺序

提前谋划设备进出场通道、材料通道及堆放位置。施工时合理安排人员对地表加强警戒，赞比亚设备救援困难，因极力防止施工中设备沉陷而造成巨大经济损失。

4.3 选择合理施工季节

选择赞比亚雨季前的旱季施工，雨季前施工完毕后经過雨水的冲刷能较好的检验施工效果，且3个多月的雨季能使填土得到充分沉降。

4.4 加强雨季前道路防护

严格按照施工方案要求做道路横坡。在边缘处设置临时拦水带及临时急流槽。

5 结语

降低水位法是排水固结处理软基中最简单有效方法，特别适合在非洲高原这种粉质夹砂粘土中施工。平坦开阔地带利用明沟排水，在狭窄地带利用盲沟排水均简单易行。非洲市场缺少软基处理材料、特种设备且交通运输极为不便，在此情况下降低水位法处理软基具有无可比拟的经济优势。通过现场Metengo-Kansenshi道路开挖明沟排水及后续穿越盐碱地带的Nelson Mandela道路盲沟排水的成功应用，很好的验证了降低水位法在处理类似软基中的有效性，对非洲高原类似施工提供经济而有效的工程参考。

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