降低地下水位法在非洲道路施工中的應(yīng)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(xiàn)跨越河灘兩側(cè)300多米，此跨越段地質(zhì)為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)夾砂粘土，地下水豐富，填土厚度要求1 m～6 m。根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，排水固結(jié)能有效解決此處軟土地基不穩(wěn)定問(wèn)題。但是受施工設(shè)備及材料影響，只能參照國(guó)內(nèi)排水固結(jié)部分原理，處理此處軟土路基。經(jīng)過(guò)技術(shù)方案、經(jīng)濟(jì)方案比選，項(xiàng)目部選擇降低地下水位法成功處理此處軟基道路。項(xiàng)目建成通車(chē)2年后，兩條道路的瀝青路面均無(wú)出現(xiàn)因沉降而導(dǎo)致的路面裂縫，路堤整體穩(wěn)定。降低地下水位法處理的軟基，很好的達(dá)到了設(shè)計(jì)、業(yè)主要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：軟基;降低地下水位法;排水固結(jié);工程應(yīng)用

0 引言

排水固結(jié)法是處理軟粘土基礎(chǔ)的有效方法之一。降低地下水位法是排水固結(jié)法中一種適用淺層軟基處理沙土、夾砂粘土簡(jiǎn)單而有效的方法。在非洲施工中，特種設(shè)備、專(zhuān)用材料、石料開(kāi)采等極其困難，降低地下水位法處理軟基在適當(dāng)條件下的應(yīng)用具有非常大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 工程概況

Mitengo-Kansenshi連接路是連接恩多拉市老城區(qū)與新規(guī)劃區(qū)的連接路，是項(xiàng)目唯一跨越河道且存在高填方的城市道路。道路總長(zhǎng)2.463 km，道路等級(jí)為城市次干路，道路設(shè)計(jì)時(shí)速50 km/h，道路寬7.2 m，荷載等級(jí)為城市B級(jí)。

2 工程特點(diǎn)

此段路基位于河灘沖積層，地下水發(fā)育。地形起伏較大，填土較高，同時(shí)連接箱涵過(guò)渡段，對(duì)地基穩(wěn)定性提出了較高要求。填土前需對(duì)軟土路基進(jìn)行處理，防止路堤失穩(wěn)。

經(jīng)查驗(yàn)此處地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，地表1 m～2 m地質(zhì)狀況為淤泥質(zhì)土+粉質(zhì)夾砂粘土，大部分為粉質(zhì)夾砂粘土，透水性好。此填土段處于河灘處，地勢(shì)開(kāi)闊，且總體地勢(shì)兩邊高，中間箱涵處最低。同時(shí)，河灘兩側(cè)開(kāi)闊地帶為政府公共用地，具有通過(guò)地表開(kāi)挖集水明溝來(lái)降低地下水位的充分條件。

3 施工技術(shù)方案

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

贊比亞所處非洲中部，建筑市場(chǎng)不成熟，無(wú)處理軟土的各種設(shè)備及配套材料。拋片擠淤需要的片石需要20公里外石場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)，且價(jià)格高昂。項(xiàng)目部計(jì)劃借助排水固結(jié)中降低地下水位法及堆載預(yù)壓法部分原理對(duì)其進(jìn)行處理。

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

按照軟基淺層處理的換填厚度要求，設(shè)置排水墊層。排水墊層兼作持力層的同時(shí)作為堆載預(yù)壓法中的堆載體，加速地基排水固結(jié)，增快基礎(chǔ)的沉降，加速基礎(chǔ)土的抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。

3.2 總體方案流程

項(xiàng)目部計(jì)劃安排在贊比亞旱季中最干旱季節(jié)（10月）施工此處路基，經(jīng)過(guò)雨季12月至來(lái)年2月雨水沉降期后再進(jìn)行道路基層施工。

施工總體方案主要流程為：測(cè)量放線(xiàn)-明溝開(kāi)挖-清表-排水墊層厚度設(shè)計(jì)-排水墊層施工-沉降穩(wěn)定期-效果檢驗(yàn)-正常填土施工。

3.3 測(cè)量放線(xiàn)、明溝開(kāi)挖及清表

施工前，根據(jù)施工方案及路基設(shè)計(jì)表信息提前測(cè)設(shè)道路中線(xiàn)、道路兩邊排水明溝位置。

在邊溝外側(cè)鋪設(shè)沙礫便道，方便挖掘機(jī)提前開(kāi)挖排水邊溝。開(kāi)挖時(shí)，從河道位置往小里程/大里程方向（邊溝排水下游往上）開(kāi)挖。

邊溝開(kāi)挖一星期后，根據(jù)施工方案，使用小型長(zhǎng)臂挖掘機(jī)進(jìn)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(jī)整平。

3.4 排水墊層厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)水下墊層設(shè)計(jì)要求，設(shè)置排水墊層厚度為100 cm。驗(yàn)算厚度時(shí)，將路基近似看作條形基礎(chǔ)，以條形基礎(chǔ)地基承載力法驗(yàn)算排水墊層厚度來(lái)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(yīng)力之和不超過(guò)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(yīng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)墊層底面處的附加壓力值。

道路路基近似看成條形基礎(chǔ)后：

其中，為相應(yīng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)基礎(chǔ)底面處的平均壓力值;為基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值;z為基礎(chǔ)底面下墊層的厚度;θ為墊層的壓力擴(kuò)散角。

3.4.1 取換填厚度1.0 m，計(jì)算墊層頂面處基底壓力

其中：車(chē)輛荷載為BZZ-100，結(jié)構(gòu)層厚度0.5 m，路面寬7.2 m，平均填土高4.5 m（扣除結(jié)構(gòu)層后），邊坡坡度1：2，結(jié)構(gòu)層比重24，路堤比重18;代入計(jì)算：

結(jié)構(gòu)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(jì)算墊層底面處的自重應(yīng)力

其中b=;θ=30;

。

代入計(jì)算：

3.4.3 下臥層驗(yàn)算

驗(yàn)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，故墊層厚度取100 cm。

3.5 排水墊層施工

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得原地面承載力過(guò)小，排水墊層無(wú)法使用機(jī)械分堆攤鋪法進(jìn)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(jìn)行攤鋪。傾填時(shí)人工配合鏟車(chē)施工。

3.6 排水固結(jié)效果檢驗(yàn)

為檢測(cè)墊層沉降情況，項(xiàng)目部在離框架涵兩側(cè)25 m位置即在小里程K2+118斷面、大里程K2+163斷面各設(shè)置3處沉降觀(guān)測(cè)樁（A1/2/3及A1’/2’3’）。

排水墊層自2019年10月施工，同月結(jié)束。觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)從10月開(kāi)始記錄至2020年5月結(jié)束（其中12月至第二年2月為贊比亞雨季）。經(jīng)過(guò)分析沉降與時(shí)間關(guān)系的曲線(xiàn)數(shù)據(jù)（s-t表）表明，沉降在雨季后的3月份趨于穩(wěn)定。平均沉降量23 cm。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，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(xiàng)

4.1 加強(qiáng)排水及降水

在施工前，詳細(xì)調(diào)查周邊地形、水系走向，設(shè)計(jì)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(shè)備進(jìn)出場(chǎng)通道、材料通道及堆放位置。施工時(shí)合理安排人員對(duì)地表加強(qiáng)警戒，贊比亞設(shè)備救援困難，因極力防止施工中設(shè)備沉陷而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

4.3 選擇合理施工季節(jié)

選擇贊比亞雨季前的旱季施工，雨季前施工完畢后經(jīng)過(guò)雨水的沖刷能較好的檢驗(yàn)施工效果，且3個(gè)多月的雨季能使填土得到充分沉降。

4.4 加強(qiáng)雨季前道路防護(hù)

嚴(yán)格按照施工方案要求做道路橫坡。在邊緣處設(shè)置臨時(shí)攔水帶及臨時(shí)急流槽。

5 結(jié)語(yǔ)

降低水位法是排水固結(jié)處理軟基中最簡(jiǎn)單有效方法，特別適合在非洲高原這種粉質(zhì)夾砂粘土中施工。平坦開(kāi)闊地帶利用明溝排水，在狹窄地帶利用盲溝排水均簡(jiǎn)單易行。非洲市場(chǎng)缺少軟基處理材料、特種設(shè)備且交通運(yùn)輸極為不便，在此情況下降低水位法處理軟基具有無(wú)可比擬的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)Metengo-Kansenshi道路開(kāi)挖明溝排水及后續(xù)穿越鹽堿地帶的Nelson Mandela道路盲溝排水的成功應(yīng)用，很好的驗(yàn)證了降低水位法在處理類(lèi)似軟基中的有效性，對(duì)非洲高原類(lèi)似施工提供經(jīng)濟(jì)而有效的工程參考。

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