黃河沖淤積地區(qū)下穿道路損壞機理及設計改進方案研究

摘 要：下穿道路往往是現代城市交通的咽喉之處，一旦中斷將嚴重影響人們的出行和交通運輸。黃河沖淤積地區(qū)其土質主要成分為粉土，粉土是一種較差的筑路材料，早期修建的下穿公路由于道路設計不合理及使用養(yǎng)護不當，造成了大量的下穿道路在遠未達到設計期限即出現破壞。本文對黃河沖淤積地區(qū)下穿道路損壞機理進行了深入研究并提出了設計改進方案，經工程應用，效果良好。

關鍵詞：下穿；道路結構；裂縫；損壞；

中圖分類號：G271 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-07-00-02

黃河沖淤積地區(qū)土的主要成分為水成粉土，粉土的塑性指數低，毛吸水上升高度大，容易使路基產生水份累積，造成嚴重的冬時凍脹，春時翻漿，道路病害情況嚴重。黃河沖淤積地區(qū)的下穿道路的底基層多以粉土作為路基土，根據相關試驗測得的數據，該地區(qū)99.1%的粉土的顆粒直徑小于0.075cm，不均勻系數Cu為3.90，平均塑性指數Ip為7.3，最優(yōu)含水量為15.6%，最大干密度為1.735g/cm3，CBR值在2.45左右，遠低于路基設計規(guī)范[1]最小強度的要求，施工時不易成型，路基壓實度很難滿足施工要求，水穩(wěn)性較差，各種道路病害層出不窮，使得所建下穿道路的使用壽命大大縮短。本文對黃河沖淤積地區(qū)已建下穿道路的破壞機理進行了全面的研究，提出合理的設計方案，力圖設計出強度高、穩(wěn)定性和耐久性好的路基，改善行車環(huán)境，延長道路使用壽命，從而節(jié)約建設資金。

一、下穿道路的破壞機理

通過對荷澤境內的京九鐵路定陶段定豐路下穿橋、碭定路下穿橋及荷澤市區(qū)內的幾座鐵路下穿橋的調查，發(fā)現該地區(qū)下穿道路的主要病害有唧泥、裂縫及斷板、錯臺、坑洞、漲縫擠破、路面沉陷等破壞形式。下面分別對這幾種病害產生的原因和機理進行分析。

（一）唧泥

下穿道路多采用水泥混凝土路面，因此路面必須設置間距較密的脹縫、縮縫及施工縫等，這些接縫成為路面最薄弱最易損壞的部位。在車輛荷載的重復作用下，面板接縫、裂縫及板邊下部產生的水和細粒土混合物被擠出[2]形成唧泥。在輪載的頻繁作用下，基層產生的塑性變形累積而同混凝土板脫離接觸，水分沿縫隙下滲而積聚在脫空的空隙內，在輪載作用下這部分積水變成有壓水并同基層內浸濕的細料混攪成泥漿，再沿縫隙噴濺出來。唧泥的出現使路面板邊緣部分失去支撐，因而往往在離接縫1.5～1.8米處出現橫向裂縫。隨著唧泥現象的加重，導致板底脫空，改變了水泥混凝土面板原有的支撐條件，造成受力狀態(tài)的改變，從而產生錯臺、脫空、板體下沉，嚴重時會發(fā)生斷板，進而發(fā)展到面板破碎。

（二）裂縫

路面水沿裂縫滲入基層，降低基層的強度和穩(wěn)定性，進一步引起唧泥和板的脫空，最終導致板體破壞，形成斷板。因此，裂縫和斷板也是黃河沖淤積地區(qū)下穿道路的最主要的病害之一。

裂縫所產生的原因是多種多樣的，既包含基層（路基）的影響，更多的則是和路面混凝土材料、施工、養(yǎng)護過程及使用情況有關，主要是由于溫度應力和荷載應力超過混凝土的抗拉強度，水泥混凝土路面板發(fā)生斷裂并發(fā)展成斷板。分析其破壞機理如下：

1、路面結構設計不合理

根據現行設計規(guī)范，路面厚度的設計依據是板縱縫邊緣中部溫度疲勞應力和荷載疲勞應力之和不超過路面混凝土的彎拉強度，而溫度疲勞應力與板長關系密切，板長越大，則溫度疲勞應力越大，路面厚度就應越大。根據美國的研究資料，路面的使用壽命與路面的厚度成5次方的關系，如果設計時交通量的調查不準確，路基、基層或墊層的回彈模量與材料的參數選擇不當，均可能導致路面厚度設計過小，其后果為壽命縮短過早地出現開裂、斷板。

2、行車超載

混凝土路面設計的一個重要參數為標準軸載作用次數，而超重軸載與標準軸載的換算系數成16次方的關系，數量級相當高。所以超重車是路面使用期間斷板的一個非常主要的原因。

車輛超載對公路使用狀況的影響可分為以下兩個方面：一方面車輛超載增加了實際軸載的作用次數，另一方面，混凝土路面作為一種剛性路面，由于其抗彎拉強度比抗壓強度低得多 因而在行車荷載作用下 當彎拉應力超過混凝土的極限彎拉強度時，混凝土板便會發(fā)生斷裂破壞。車輪荷載作用于臨界荷載位時（縱縫邊緣中部），混凝土板產生的最大彎拉應力與軸載、板厚、地基和板的彈性模量有密切的關系，其關系式為：

圖2-5 混凝土板彎拉應力隨軸載變化圖

通過計算并分析水泥混凝土路面最大彎拉應力隨軸載變化曲線圖可以得出如下結論：水泥混凝土路面板的最大彎拉應力隨著軸載的增加而增加，當軸載增加到一定量時，水泥混凝土路面板的最大彎拉應力將超過其設計彎拉強度而遭到破壞，從圖2-5中可以看出，當軸載達到397 KN 時，水泥混凝土路面板的最大彎拉應力將達到4.5 Mpa，即混凝土面板將在此荷載的一次作用下而出現極限應力破壞。

3、管涌

管涌又稱潛蝕、流土，是指在下穿道路地下水的滲流過程中，土基中的細小顆粒在大顆粒間的孔隙中移動，形成一條管狀通道，最后土粒在滲流逸出處沖進滲管的一種現象。管涌的發(fā)展，以流土最為迅速。隨著地下水位的上升，涌水量加大，挾帶出砂粒增多。一般來說，黃河沖淤積地區(qū)下穿道路的最低點附近的土質絕大多數是粉土或粉砂土等，在汛期高水位時由于滲水流經粉土層后壓力損失很小，加上傳統(tǒng)的反濾層不能有效保護路基土時，。在汛期高水位情況下，地下排水設施如盲管附近的土層（粉砂土或粉土）就會滲水流進滲溝而被排到泵站，使得滲管附近的土基被淘空，導致下穿道路的基礎不穩(wěn)，在行車荷載的頻繁作用下，造成水泥混凝土路面大面積沉降以及下穿橋的擋土墻嚴重變形甚至斷裂。

二、改進的設計方案

（一）唧泥的預防措施

如上所述，唧泥可導致錯臺、脫空、斷板等損壞，危害巨大，應在設計和施工中盡量采取措施來避免和減少。根據對唧泥產生的原因和機理的分析，總結出要避免或者減少唧泥，應從以下幾個方面采取措施：

1、選擇適宜的基層材料，提高其抗沖刷能力

下穿路面板體下存在松散細粒土是唧泥產生的一個主要原因，因此選擇適宜的基層材料是預防唧泥現象的根本措施。由于菏澤地區(qū)屬于黃河沖淤積平原，當地缺乏粒料和碎石，只能使用細粒土含量很高的穩(wěn)定土作為底基層，為克服粉土的弊端，綜合提高土的強度、剛度和穩(wěn)定性，通常通過在粉土中摻加無機結合料形成半剛性材料從而提高粉土的路用性能。我國使用較多的無機結合料是石灰和水泥，在國外應用較多的是水泥土。對粉土這種特殊土也可以使用土壤加固劑提高其路用性能。

2、優(yōu)化接縫處理

對于下穿道路的水泥混凝土路面橫向縮縫設置傳力桿，可以降低板邊彎沉和溫度翹曲變形，增加接縫傳荷能力，消除路表水的入滲，是預防和減輕水泥混凝土路面水損害發(fā)生的有效的措施之一。另外，應該通過對接縫材料及裂縫處理等方面的研究，選擇優(yōu)良的接縫板和填縫料，盡可能防止雨水滲入。

（二）裂縫（斷板）的預防措施

由于混凝土路面裂縫的產生受到多種因素的影響，其施工質量也需要根據氣候、施工條件等實行綜合控制，所以對于裂縫及斷板的主要預防措施如下：

1、合理選擇混凝土原材料；2、嚴格控制基層施工質量；3、嚴格控制混凝土施工質量。控制混凝土施工質量可從以下幾個方面入手：（1） 混凝土生產控制；（2） 采用混凝土真空脫水技術；（3） 選擇適宜的切縫時間；（4）加強養(yǎng)護。4、嚴格控制行車超載。

（三）管涌的預防措施

1、采用先進的排水材料：

下穿橋的地下排水系統(tǒng)以往大多采用鉆孔水泥混凝土管外包裹綜皮的方案，綜皮這種材料很難過濾粉砂土，所以必須采用新的排水材料，如土工布及軟式透水管等土工合成材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水泥混凝土管。

2、改進地下水的排除方案：

傳統(tǒng)的排除地下水的方案為了施工的方便，通常是將下穿道路的路面排水系統(tǒng)的排水管道跟地下排水系統(tǒng)的排水管道連接在一起，將水集中排到泵站。當遇到大到暴雨時，由于雨水過大，雨水會沿著路面排水管倒灌到地下排水系統(tǒng)，倒灌的雨水加劇了地下滲管周圍路基的淘空程度，為了避免這種弊端，應將地下水和路面集水由兩個排水系統(tǒng)將單獨的排除到泵站中去。

三、結語

通過對黃河沖淤積地區(qū)下穿道路結構損壞機理研究，提出了防止道路過早破壞的改進方案。該方案在京九鐵路定陶段公鐵下穿立交橋的引道工程中得到實際應用，通車一年來，該下穿公路道路結構無任何裂縫及錯臺、唧泥等病害，效果良好。

參考文獻：

[1]中華人民共和國交通部頒布.公路路基設計規(guī)范（JTG D30-2004）[S].人民交通出版社，2004年

[2]肖蓋民，唐凜，王族友.水泥混凝土路面唧泥與壓漿發(fā)生的再認識[J].華東公路.2001，20（6）：20-22