粉土地区下穿道路路面结构与排水系统设计研究

２８　道路交通　城市道桥与防洪　２０１１年１１月第１１期　

粉土地区下穿道路路面结构与排水系统设计研究　

王萍　，吕新建　，徐永芝。，王有志　

１．山东三箭置业集团有限公司，山东济南２５０１００；２．山东省路桥集团有限公司，山东济南２５００２３　３．山东大学土建与水利学院，山东济南２５００６１）　

摘要：因路基填筑材料较差、道路结构与排水设计不合理或使用养护不当，粉土地区许多已建的公铁立交下穿道路在远未　达到结构设计基准期即出现破坏，严重影响了人们的出行和交通运输安全。该文在对粉土区下穿道路损坏机理进行分析基础　上，提出了下穿道路结构与路基排水的设计改进方案，经工程应用，效果良好，具有应用推广价值。　关键词：下穿道路；路基；排水；设计；荷泽市　中图分类号：Ｕ４１６．０２、Ｕ４１７．３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９—７７１６（２０１１）１１－００２８—０３　

０引言　

粉性土在黄河中下游地区和我国其它许多地　

方分布广泛。近年来，由于铁路和城市道路的高速　

发展，在粉土地区修建了大量的下穿铁路的立交　

桥『ｌＩ　３ｌ。在这些地区，受实际条件所限，立交桥下穿　

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，该地区粉土９９．１％的颗粒直径小　

于０．０７５　ｃｍ，不均匀系数ｃ　为３．９Ｏ，平均塑性指　

数Ｉ　为７．３，最大干密度为１．７３５　ｇ／ｃｍ　，最优含水　

量为１５．６％，ＣＢＲ值在２．４５左右，远低于路基设　

计规范『７】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。再加之路　

面结构及路基排水系统设计不尽合理，粉土地区　

许多已建下穿道路病害严重，出现路基掏空，路面　

唧泥、下沉、断板、裂缝及错台等现象『４１５＿，道路使　

用寿命大大缩短，危及铁路及道路行车安全『６＿。因　

此，粉土地区公铁立交桥设计除了主体工程要满　

足可靠性、安全性、耐久性要求之外，其下穿道路　

路面及路基排水设计也需要高度重视。本文在对　

粉土地区已建下穿道路的破坏机理进行研究基础　上，改进了下穿道路路面结构设计，提出了新的下　

穿道路路基排水方案。　

１下穿道路的破坏机理　

通过对山东菏泽市境内的京九铁路定陶段定　

丰路下穿桥、砀定路下穿桥及菏泽市区内的几座　

铁路下穿桥的调查，发现该地区下穿道路的主要　

病害有水泥混凝土路面唧泥、裂缝及断板、错台、　

坑洞、涨缝挤破、路面沉陷，部分地段路基还出现　

收稿日期：２０１１－０９—２４　基金项目：国家自然科学基金项目（５０７７９０３２）；山东省自然科学　基金项目（ＺＲ２０１０ＥＭ０２４）；中国博士后基金项目（２００９０４５１３３０）　作者简介：王萍（１９７９一），女，山东济南人，工程师，从事土木工程　施工技术与管理工作。　管涌。下面分别对这几种病害产生的原因和机理　

进行分析。　

１．１唧泥　

下穿道路多采用水泥混凝土路面，为减小混　

凝土的温度变形和便于施工，路面必须设置间距　

较密的胀缝、缩缝及施工缝。接缝部位的基层在轮　

载的频繁作用下产生累积的塑性变形与混凝土板　

脱离接触形成空隙，路面水分沿缝隙下渗而积聚　

在空隙内，如果路基排水不畅，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，形成唧泥［８１。　

１．２裂缝与断板　

随着唧泥发展，混凝土板底脱空。水泥混凝土　

面板原有的支撑条件和受力状态发生了变化，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。　

另外，裂缝及断板的产生还与路面混凝土材　

料、施工、养护过程及使用情况有关，主要是由于　

路面结构设计不合理、行车超载，混凝土面板的温　

度应力和荷载应力超过混凝土的受拉强度，水泥　

混凝土路面板发生断裂并发展成断板。　

１．３管涌　

管涌是下穿道路常见的病害。在下穿道路地　

下水的渗流过程中，土基中的细小颗粒随着渗水　

在大颗粒间的孔隙中移动，在路基中形成一条管　

状通道，在渗流逸出处冲进渗管。粉土地区下穿道　

路的最低点附近的土质粉土或粉砂土居多，在汛　

期高水位时渗水流经粉土层后压力损失很小，再　

加上传统的反滤层不能有效地保护路基土，在汛　

期高水位情况下，地下排水设施如盲管附近的土　

层就会渗水流进渗沟而被排到泵站。渗管附近的　

土基逐渐被淘空，导致下穿道路的基础承载力下　

降，在行车荷载的频繁作用下，导致水泥混凝土路　

面产生大面积沉降，下穿桥的挡土墙产生严重变　２０１１年１１月第１１期　城市道桥与防洪　道路交通　２９　

形甚至断裂。　

２改进的下穿道路路面结构与排水系统设　

计方案　

２．１唧泥的预防措施　

唧泥危害巨大，可导致错台、脱空、断板等损　

坏，应尽量采取措施来避免和减少唧泥发生。根据　

对唧泥产生的原因和机理的分析，要避免或者减　

少唧泥，可采取以下几个方面的措施。　

２．１．１改善基层材料性能　

路面板下的粉土和粉砂土路用性能较差是唧　

泥产生的一个主要原因，因此改善基层材料性能　

是预防发生道路唧泥现象的根本措施。由于菏泽　

地区属于黄河冲淤积平原，当地缺乏良好的粒料　

和碎石，只能使用细粒土含量很高的稳定土作为　

底基层。可以通过在粉土中掺加无机结合料形成　

半刚性材料从而提高土的强度、刚度和稳定性。这　

些无机结合料主要是石灰和水泥。　

２．１．２优化接缝处理　

下穿道路的水泥混凝土路面横向缩缝要设置　

传力杆，这样能够降低板边弯沉和温度翘曲变形，　提高接缝传递荷载能力。为预防和减轻水泥混凝　

土路面水损害发生，要选择优良的接缝板和填缝　

料，尽可能消除路表水的人渗。　

２．２裂缝（断板）的预防措施　

减少裂缝及断板的主要预防措施如下：　

（１）在混凝土材料方面，采用级配好的集料，　

低水灰比，适量掺加外加剂，减少混凝土的收缩；　

（２）严格控制基层施工质量，保证基层压实度　

和材料配比；　

（３）严格控制混凝土施工质量，根据混凝土材　

料和环境温湿度选择合适的切缝时机；　

（４）严格控制行车超载。　

２．３管涌的预防措施　

２．３．１采用先进的排水材料　

下穿道路的地下排水系统以往大多采用预制　

水泥混凝土管外包裹棕皮的方案。棕皮这种材料　

孑Ｌ隙分布不均匀，很难过滤粉砂土，不宜继续使　

用。可用透水性土工布【２】【９】【ｌｏ】【　圾软式透水管【ｌ２Ｊ【　】　

等土工合成材料结合来代替传统的水泥混凝土管　

外包棕皮的排水结构。　

２．３．２改进地表水与地下水的排除方案　

为了施工的方便，传统的下穿道路排水方案　

通常是将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，将水集中排到泵站里，　

然后再排出泵站。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。为克服这一弊端，应将地下水和路面水由两个　

排水系统分别排除到泵站中去。　

３工程应用　

临商路（山东临清市至河南商丘）定陶绕城线　

公铁立交段（京九铁路）是原临商公路定陶城区改　

线段设计的预留部分，桩号范围Ｋ２＋５９５～　

Ｋ３＋２２５，下穿公路引道范围为Ｋ２＋６４５　Ｋ３＋１７５，　

总长为５３０　ｍ。设计中采用了如下方案。　

３．１底基层的设计　

菏泽地区的土为塑性指数不大于ｌＯ的为粉　

土，简单地增加石灰掺量，石灰土强度也不一定有　

明显的提高，相反，当石灰土中游离态的石灰质过　

多时强度反而会下降。而在路基材料中掺入适量　

石粉，较易达到设计强度要求且能降低工程造价。　

实际施工时，先预抛片石，再在２０　ｅｍ深路基范围　

内，掺加生石灰粉和石粉后压实。这种软基处理方　

法，可以提高土基的强度和稳定性。　

３：２基层和面层的设计　

通过对菏泽地区已建下穿立交桥下穿道路使用　

现状的调查，新的路基建设方案为：先做２×１６　ｅＩ＇１＂１　

级配碎石底基层，再做２　Ｘ　１５　ｅｍ水泥稳定碎石基　

层，最后修筑面层，面层为２６　ｅｍ厚，弯拉强度为　

５．０　ＭＰａ水泥混凝土。鉴于粉土地区土基稳定性　

差，强度较低，为防止路基不均匀沉降，在铁路框　

架桥两侧各１００　ｍ范围内，顺下穿道路方向，面　

层底部埋设钢筋网进行特殊加固。　

３．３渗沟的设计　

地下排水系统采用土工布包裹软式透水管的　

设计方案（见图１、图２），在四周设置不同粒径的　

滤料层。土工布这种材料具有良好的过滤作用，能　

使水自由流过而几乎不需压力，但又能有效地阻　

止土壤颗粒的渗入。软式透水管起到排放渗透水、　

降低和控制地下水位的作用。　

图１横向渗沟的横断面图（单位：ｃｍ）

　３０　道路交通　城市道桥与防洪　２０１１年１１月第ｌｌ期　

ｌ曼；　Ｑ　Ｉ　

图２纵向渗沟的横断面图【单位：ｃｍ）　

（１）横向渗沟坡度等于快车道路面横向坡度即　

２％，倾向集水井一侧。基坑尺寸为６０　ｃｍ×６０　ｃｍ的　

正方形断面。基坑底标高与快车道路面顶标高差值　

不低于２　ｍ。　

图１中：Ｉ为粒径３—６　ｍｍ的中粗砂，厚度为　

１０　ｃｍ；１Ｉ为１７１．５　ｇ／ｍ　厚的透水土工布；１１Ｉ为粒径　

３　６　ｍｍ中粗砂，厚度１５　ｃｍ；ＩＶ为直径１００　ｍｍ软　

式透水管。　

（２）纵向渗沟坡度等于快车道路面的纵向坡　

度，基坑尺寸为１２０　ｃｍ×１２０　ｃｍ的矩形断面。基坑　

底标高与快车道路面标高差值不小于２．２　ｍ。　

图２中：Ｉ为粒径３～６　ｍｍ的中粗砂，厚度为　

１０　ｃｍ；ＩＩ为１７１．５　ｇ／ｍ　厚的透水土工布；ＩＩＩ为粒径　

３　６　ｍｍ中粗砂，厚度５　ｃｍ；ＩＶ为粒径２Ｏ～４０　ｍｍ　

大卵石或碎石，厚度３０　ｃｍ；Ｖ为粒径３～６　ｍｍ的中　

粗砂，厚度为５　ｃｍ；ＶＩ为直径２００　ｍｍ软式透水管。　

３．４系统集水与排水　

排水系统设计为地面排水系统和地下排水系　

统，两个排水系统集水是分开的，但最终流人泵站　

集中排水。当泵站内集水井积水达到设置的排水　

水位时，电机自动启动，泵站自动排水。泵站排出　

的水通过外部设置的直径为１　ｍ钢筋混凝土管　

排至沟渠或河道内。　

地面排水系统是雨水通过混凝土路面两边与　

挡土墙结合的三角形沟槽，流至路线最低处所设　

置的进水口然后再通过钢筋混凝土管流至泵站集　

水井。　

地下排水系统设置方法为：在铁路桥两侧，以　

快车道中央为界，设置两条长度为８０　ｎｌ的纵向　

渗沟。纵向渗沟的挖深为２．２　Ｉ１３（指渗沟底部到路　

面层的距离），在两纵管之间设置横向渗沟，相邻　

横向渗沟的间距为１０　ｍ，以连接两纵向渗管并排　

除横向地下水，渗沟系统呈“井”字型布置。纵向　渗沟采用ｓＨ一２００软式透水管，横向渗管采用　

ｓＨ—ｌ００软式透水沟。纵向与横向软式透水管的　

管底距离路面不小于１．８　ｍ。下穿道路两侧渗沟　

中的地下水在下穿道路最低点处汇集，并由排水　

管导流到路边泵房集水井。慢车道地下水的排放　

也可参照这一方法设置。　

４结语　

（１）路基填筑材料差、路面及路基排水系统设　

计不合理，是造成粉土地区公铁立交桥下穿铁路　

道路路基掏空，路面唧泥、下沉、断板、裂缝及错　

台的主要原因。　

（２）公铁立交下穿公路的路面排水和路基排水　

应分开设计，集中排水。对于下穿公路的地下排水　

系统，可采用软式透水管作为渗沟的排水管道，外　

加中粗砂和土工布的新滤水方案来代替传统渗沟　

设置方法，粉土地区下穿道路路基排水系统设计　

应做到保土、透水和防淤堵。　

本文提出的下穿道路路面结构的改进措施和　

排水设计方案，在京九铁路定陶段公铁下穿立交