黄河冲淤积地区下穿道路损坏机理及设计改进方案研究

摘 要：下穿道路往往是现代城市交通的咽喉之处，一旦中断将严重影响人们的出行和交通运输。黄河冲淤积地区其土质主要成分为粉土，粉土是一种较差的筑路材料，早期修建的下穿公路由于道路设计不合理及使用养护不当，造成了大量的下穿道路在远未达到设计期限即出现破坏。本文对黄河冲淤积地区下穿道路损坏机理进行了深入研究并提出了设计改进方案，经工程应用，效果良好。

关键词：下穿；道路结构；裂缝；损坏；

中图分类号：G271 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-07-00-02

黄河冲淤积地区土的主要成分为水成粉土，粉土的塑性指数低，毛吸水上升高度大，容易使路基产生水份累积，造成严重的冬时冻胀，春时翻浆，道路病害情况严重。黄河冲淤积地区的下穿道路的底基层多以粉土作为路基土，根据相关试验测得的数据，该地区99.1%的粉土的颗粒直径小于0.075cm，不均匀系数Cu为3.90，平均塑性指数Ip为7.3，最优含水量为15.6%，最大干密度为1.735g/cm3，CBR值在2.45左右，远低于路基设计规范[1]最小强度的要求，施工时不易成型，路基压实度很难满足施工要求，水稳性较差，各种道路病害层出不穷，使得所建下穿道路的使用寿命大大缩短。本文对黄河冲淤积地区已建下穿道路的破坏机理进行了全面的研究，提出合理的设计方案，力图设计出强度高、稳定性和耐久性好的路基，改善行车环境，延长道路使用寿命，从而节约建设资金。

一、下穿道路的破坏机理

通过对荷泽境内的京九铁路定陶段定丰路下穿桥、砀定路下穿桥及荷泽市区内的几座铁路下穿桥的调查，发现该地区下穿道路的主要病害有唧泥、裂缝及断板、错台、坑洞、涨缝挤破、路面沉陷等破坏形式。下面分别对这几种病害产生的原因和机理进行分析。

（一）唧泥

下穿道路多采用水泥混凝土路面，因此路面必须设置间距较密的胀缝、缩缝及施工缝等，这些接缝成为路面最薄弱最易损坏的部位。在车辆荷载的重复作用下，面板接缝、裂缝及板边下部产生的水和细粒土混合物被挤出[2]形成唧泥。在轮载的频繁作用下，基层产生的塑性变形累积而同混凝土板脱离接触，水分沿缝隙下渗而积聚在脱空的空隙内，在轮载作用下这部分积水变成有压水并同基层内浸湿的细料混搅成泥浆，再沿缝隙喷溅出来。唧泥的出现使路面板边缘部分失去支撑，因而往往在离接缝1.5～1.8米处出现横向裂缝。随着唧泥现象的加重，导致板底脱空，改变了水泥混凝土面板原有的支撑条件，造成受力状态的改变，从而产生错台、脱空、板体下沉，严重时会发生断板，进而发展到面板破碎。

（二）裂缝

路面水沿裂缝渗入基层，降低基层的强度和稳定性，进一步引起唧泥和板的脱空，最终导致板体破坏，形成断板。因此，裂缝和断板也是黄河冲淤积地区下穿道路的最主要的病害之一。

裂缝所产生的原因是多种多样的，既包含基层（路基）的影响，更多的则是和路面混凝土材料、施工、养护过程及使用情况有关，主要是由于温度应力和荷载应力超过混凝土的抗拉强度，水泥混凝土路面板发生断裂并发展成断板。分析其破坏机理如下：

1、路面结构设计不合理

根据现行设计规范，路面厚度的设计依据是板纵缝边缘中部温度疲劳应力和荷载疲劳应力之和不超过路面混凝土的弯拉强度，而温度疲劳应力与板长关系密切，板长越大，则温度疲劳应力越大，路面厚度就应越大。根据美国的研究资料，路面的使用寿命与路面的厚度成5次方的关系，如果设计时交通量的调查不准确，路基、基层或垫层的回弹模量与材料的参数选择不当，均可能导致路面厚度设计过小，其后果为寿命缩短过早地出现开裂、断板。

2、行车超载

混凝土路面设计的一个重要参数为标准轴载作用次数，而超重轴载与标准轴载的换算系数成16次方的关系，数量级相当高。所以超重车是路面使用期间断板的一个非常主要的原因。

车辆超载对公路使用状况的影响可分为以下两个方面：一方面车辆超载增加了实际轴载的作用次数，另一方面，混凝土路面作为一种刚性路面，由于其抗弯拉强度比抗压强度低得多 因而在行车荷载作用下 当弯拉应力超过混凝土的极限弯拉强度时，混凝土板便会发生断裂破坏。车轮荷载作用于临界荷载位时（纵缝边缘中部），混凝土板产生的最大弯拉应力与轴载、板厚、地基和板的弹性模量有密切的关系，其关系式为：

图2-5 混凝土板弯拉应力随轴载变化图

通过计算并分析水泥混凝土路面最大弯拉应力随轴载变化曲线图可以得出如下结论：水泥混凝土路面板的最大弯拉应力随着轴载的增加而增加，当轴载增加到一定量时，水泥混凝土路面板的最大弯拉应力将超过其设计弯拉强度而遭到破坏，从图2-5中可以看出，当轴载达到397 KN 时，水泥混凝土路面板的最大弯拉应力将达到4.5 Mpa，即混凝土面板将在此荷载的一次作用下而出现极限应力破坏。

3、管涌

管涌又称潜蚀、流土，是指在下穿道路地下水的渗流过程中，土基中的细小颗粒在大颗粒间的孔隙中移动，形成一条管状通道，最后土粒在渗流逸出处冲进渗管的一种现象。管涌的发展，以流土最为迅速。随着地下水位的上升，涌水量加大，挟带出砂粒增多。一般来说，黄河冲淤积地区下穿道路的最低点附近的土质绝大多数是粉土或粉砂土等，在汛期高水位时由于渗水流经粉土层后压力损失很小，加上传统的反滤层不能有效保护路基土时，。在汛期高水位情况下，地下排水设施如盲管附近的土层（粉砂土或粉土）就会渗水流进渗沟而被排到泵站，使得渗管附近的土基被淘空，导致下穿道路的基础不稳，在行车荷载的频繁作用下，造成水泥混凝土路面大面积沉降以及下穿桥的挡土墙严重变形甚至断裂。

二、改进的设计方案

（一）唧泥的预防措施

如上所述，唧泥可导致错台、脱空、断板等损坏，危害巨大，应在设计和施工中尽量采取措施来避免和减少。根据对唧泥产生的原因和机理的分析，总结出要避免或者减少唧泥，应从以下几个方面采取措施：

1、选择适宜的基层材料，提高其抗冲刷能力

下穿路面板体下存在松散细粒土是唧泥产生的一个主要原因，因此选择适宜的基层材料是预防唧泥现象的根本措施。由于菏泽地区属于黄河冲淤积平原，当地缺乏粒料和碎石，只能使用细粒土含量很高的稳定土作为底基层，为克服粉土的弊端，综合提高土的强度、刚度和稳定性，通常通过在粉土中掺加无机结合料形成半刚性材料从而提高粉土的路用性能。我国使用较多的无机结合料是石灰和水泥，在国外应用较多的是水泥土。对粉土这种特殊土也可以使用土壤加固剂提高其路用性能。

2、优化接缝处理

对于下穿道路的水泥混凝土路面横向缩缝设置传力杆，可以降低板边弯沉和温度翘曲变形，增加接缝传荷能力，消除路表水的入渗，是预防和减轻水泥混凝土路面水损害发生的有效的措施之一。另外，应该通过对接缝材料及裂缝处理等方面的研究，选择优良的接缝板和填缝料，尽可能防止雨水渗入。

（二）裂缝（断板）的预防措施

由于混凝土路面裂缝的产生受到多种因素的影响，其施工质量也需要根据气候、施工条件等实行综合控制，所以对于裂缝及断板的主要预防措施如下：

1、合理选择混凝土原材料；2、严格控制基层施工质量；3、严格控制混凝土施工质量。控制混凝土施工质量可从以下几个方面入手：（1） 混凝土生产控制；（2） 采用混凝土真空脱水技术；（3） 选择适宜的切缝时间；（4）加强养护。4、严格控制行车超载。

（三）管涌的预防措施

1、采用先进的排水材料：

下穿桥的地下排水系统以往大多采用钻孔水泥混凝土管外包裹综皮的方案，综皮这种材料很难过滤粉砂土，所以必须采用新的排水材料，如土工布及软式透水管等土工合成材料来代替传统的水泥混凝土管。

2、改进地下水的排除方案：

传统的排除地下水的方案为了施工的方便，通常是将下穿道路的路面排水系统的排水管道跟地下排水系统的排水管道连接在一起，将水集中排到泵站。当遇到大到暴雨时，由于雨水过大，雨水会沿着路面排水管倒灌到地下排水系统，倒灌的雨水加剧了地下渗管周围路基的淘空程度，为了避免这种弊端，应将地下水和路面集水由两个排水系统将单独的排除到泵站中去。

三、结语

通过对黄河冲淤积地区下穿道路结构损坏机理研究，提出了防止道路过早破坏的改进方案。该方案在京九铁路定陶段公铁下穿立交桥的引道工程中得到实际应用，通车一年来，该下穿公路道路结构无任何裂缝及错台、唧泥等病害，效果良好。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通部颁布.公路路基设计规范（JTG D30-2004）[S].人民交通出版社，2004年

[2]肖盖民，唐凛，王族友.水泥混凝土路面唧泥与压浆发生的再认识[J].华东公路.2001，20（6）：20-22