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黄泛区粉土地层堤顶道路设计要点研究

发表时间：2020/12/18 来源：《基层建设》2020年第24期作者：李亮1 马谦1 朱磊1

[导读] 摘要：根据黄泛区粉土地层堤顶道路主要病害及形成原因。针对路基土压实困难，强度低，水敏感性强的特点，提出相应处理措施。

        中牟黄河河务局河南省中牟县 451450
        摘要：根据黄泛区粉土地层堤顶道路主要病害及形成原因。针对路基土压实困难，强度低，水敏感性强的特点，提出相应处理措施。针对路基土强度折减效应，提出路面结构处理措施。并通过某实际堤顶路段维修改造为工程进行验证，为相似工程问题的解决提供参考
        关键词：黄泛区粉土；堤顶道路；维修养护
        1.引言
        水利设施作为国民经济发展的重要基础设施，在新中国成立后得到了蓬勃发展，仅2019年一年全国即落实水利建设资金7260亿元，开工重大水利工程23项。2020年全国水利工作会议指出，要聚焦防洪安全，加快水利基础设施建设。堤顶道路作为水利防洪设施的重要组成部分，为防汛抢险，沿岸巡查提供了极大的便利。但随着服役年限的增长及堤坝所处区域的不同，堤顶路面出现较多损害，致使道路使用寿命降低，维护费用增大，也给防洪抢险造成不便。因此，研究黄河冲击平原粉土区地层堤顶路面的病害原因及防治措施具有重要的理论和工程价值[1]。
        2.粉土区沥青道路的主要病害及原因
        黄河冲击平原粉土区主要位于河南、山东两省。粉土是是这两个地区路基的主要施工材料，但粉土是一种低塑性土，具有颗粒级配差、压实困难、水稳定性差的特点，其工程特性不稳定。在道路工程施工中，易造成不均匀沉降、承载力损失和横向变形，造成路面板的断裂、水损害等多种病害。
        多位学者[2]，[3]针对黄河冲击平原区沥青道路病害情况进行了调查。发现在黄河冲击平原区路面除了常见的坑槽、车辙和泛油病害外，黄泛区道路主要病害为：
        （1）裂缝：具体可分为由行车荷载引起的荷载型裂缝和不是由行车荷载引起的非荷载型裂缝。非荷载型裂缝主要表现为横向裂缝。荷载型裂缝主要表现为龟裂、网裂。（2）沉陷：主要是指路面表面的不均匀凹陷。形成沉陷的主要原因即为路基土的压实度不足。使路面产生纵横向的不均匀沉降和开裂。
        路基病害除了常见的路基边坡水毁、坡脚积水；路基沉降、路基塌陷、桥头跳车和涵洞积水。在堤顶道路修筑过程中，黄泛区粉土路基主要存在下列问题：
        （1）路基压实困难，强度低
        粉土中由于粉性颗粒含量极高，属于级配不良的工程材料。粉性颗粒在路基土中既无较好的粘聚性也无法起到骨架的作用；级配不良导致土颗粒之间没有更细的骨料来填充，难以形成结构性。因此，纯粉土路基施工中其压实度及强度难以满足规范要求的标准。
        （2）路基土水敏感性强
        堤坝外水位会随时间而产生变化，粉土毛细水效应明显，即水位在冲击平原和河床的作用下，会在短时间内使得粉土含水量增大，形成饱和土。而由于粉土本身工程特性不稳定，水敏感性较强，在水位变化较大时，会产生以下问题：①变形特性变化大。在含水量低时类似于砂土，在含水量高时偏向于黏土特性；②弹性模量变化大。在粉土中，水与土颗粒间的作用力占主导地位，含水量的增加会改变这种情况。粉土的强度会随着饱和度而变化，在不饱和条件下强度较大，而饱和条件下强度较低；③抗剪强度对含水量变化敏感。当粉土干燥时，其粘聚力与砂土相似，当粉土饱和时，由于水软化了土颗粒，会导致粘聚力下降。因此，粉土路基在水位影响的条件下会对路面产生不同的病害。路基土中水损害的主要来源如下图所示：

                                                           图1 路基水来源示意[4]
        3.处理措施
        3.1.土层亲水特性的确定：
        由上节可知，路基土强度对路面结构至关重要，因此在黄河冲击平原区进行堤顶道路设计时，应首先进行地层土亲水特性的试验，获得各项指标后结合路基土和路面结构处理措施进行相关设计。可根据《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）进行土层压实试验、渗透试验、毛细管试验和弹性模量试验。
        3.2.路基土的改良：
        针对黄泛区粉土路基改良加固的措施有很多，其主要的加固思路即是在路基土中掺入不同的固化剂，以对土的工程特性进行改良。其中效果较好且成本较低的方法主要有：（1）加入木质素。Kong[5]在地基中加入木质素，并通过室内试验研究了掺入木质素后粉土的压实性能、抗压强度和水稳定性。试验表明，粉土稳定后其抗压强度会随着木质素含量和养护龄期的增加而增大，且木质素能够有效改善粉土的水稳定性。（2）加入盐。Jin[6]针对无盐粉土和含盐量为3%的粉土进行了冻融循环、振动三轴试验和超声波波速试验。发现含盐粉土具有更好的水稳定性。（3）加入水泥。Lu[7]以无锡粉土为试验对象，研究了在路基中加入水泥后在不同稳定剂、不同龄期条件下的强度变化。试验表明，水泥用量对粉土强度提高影响最大，固化土强度随着水泥含量的增加而线性增大。
        3.3.路面结构的改良：
        针对路面结构的改良方法有两种思路，一种是沿用路基改良的方法，在路面结构中加入固化剂。汪益敏[8]在地基中加入离子土固化剂（ISS），通过室内试验研究了土加固后的强度特性、压实特性、水稳定性。试验表明经过ISS加固后，承载力、耐久性、水稳定性等具有较大提高。
        另一种思路是考虑路基强度折减效应对路面结构进行重新设计。一些学者[2]，[3]针对路基土含水量变化条件下路基强度的变化规律进行了研究。进行了不同含水量条件下粉土回弹模量和不固结不排水试验。研究表明：（1）路面弯沉值会随路基强度减小而增加，随荷载的增加而增加；（2）路面结构层受力会随强度减小而增大。对半刚性基层的影响最大，会产生塑性应变，从而使路面结构趋于破坏。因此，可采提高面层厚度或改变基层刚度的方法来解决由路基强度衰减造成的问题。
        4.工程实例验算
        河南省中部某市年平均降水量685.4mm，年平均气温为14.2°C。某堤顶路段由于服役年限较长，路面已多处破损，决定进行重修，道路基本情况为：根据实测调查统计，初始年大型客车和货车双向年平均日交通量为82辆/日。故在设计时，其路面设计交通荷载等级为轻交通荷载等级。
        路基土处理方式为掺灰换填，路面结构的设计思路为考虑路基土强度折减效应，加大基层厚度。
        4.1设计弯沉值和容许拉应力计算
        路面设计弯沉值为28.7mm，结构层及容许拉应力如表1所示：
        4.2新建路面结构厚度计算
        通过设计人员对路面层机构的调整，最终的路面结构设计结果为：

图2 路面层结构示意
表1 结构层和容许拉应力

表2 结构层应力计算

4.3 交工验收弯沉值和层底拉应力计算
通过计算可得，路面各结构层的交工验收弯沉值分别为：

路基顶面交工验收弯沉值为

路面结构层地面最大拉应力分别为：

        满足规范标准。
        5.结论
        堤顶道路作为水利防洪设施的重要组成部分，黄河冲击平原粉土区由于独特的地层条件，在道路设计中应予以关注。本文简要介绍了黄河冲击平原粉土区堤顶道路主要病害及原因、处理措施，并通过具体工程实例进行验证，为相似工程问题的解决提供参考。
        参考文献
        [1]ng W, Wang L, Xiong H, et al. A review and perspective for research on moisture damage in asphalt pavement induced by dynamic pore water pressure[J]. Construction and Building Materials, 2019, 204: 631-642.
        [2]燕. 基于路基强度衰减条件下的路面结构力学分析及典型结构的推荐[D]. 山东大学, 2009.
        [3]仓. 粉土地区路基路面病害调查与防治对策研究[D]. 山东: 山东大学, 2006.
        [4]华. 强度衰减路基稳定性及其路面结构力学响应研究[D]. 中国矿业大学, 2011.
        [5]ng X , Song S , Wang M , et al. Experimental Research of Low Liquid Limit Silt Stabilized by Lignin in the Flooding Area of Yellow River[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2019, 37(6):5211-5217.
        [6]n Q , Zheng Y J , Cui X Z , et al. Evaluation of dynamic characteristics of silt in Yellow River Flood Field after freeze-thaw cycles[J]. 2020.
        [7] X, Cui M, Wang P, et al. Application in cement soil of stabilizer in silt soft soil of Wuxi in China[J]. Journal of Coastal Research, 2018 (83): 316-323.
        [8]敏, 张丽娟, 陈页开, 等. 离子土固化剂加固堤坝道路路面的路用性能[J]. 华南理工大学学报 (自然科学版), 2006, 34(9): 56-61.