CN101914882A - 高地下水位粉质土地区低路堤结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高地下水位粉质土地区低路堤结构及施工方法，低路堤由底向上依次为基底翻挖处理层、防渗垫层、路床、路面结构层组成，所述的防渗垫层厚度为30～40cm，为碎石、沙砾或者是掺加了4～5％的水泥或是石灰的处治土，防渗垫层高于天然地表；路床和路面结构层采用常规材料；在中央分隔带两侧各设有一个槽，槽的深度大于路面结构层的厚度，槽的宽度为0.3～0.45m，槽底直至路床层，在槽内填筑碎石或者砂砾，构成一道有反滤排水作用的排水墙，在排水墙底部设有横向排水管通向路基外侧。在进行低路堤施工时可以有效阻止毛细水上升、加速路基排水。

Description

高地下水位粉质土地区低路堤结构及施工方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，特别涉及一种高地下水位粉质土地区毛细水处治与低路堤的施工方法。

背景技术

路基作为路面的支承结构物，承受由路面传来的荷载，其强度、稳定性和耐久性直接影响路面的使用性。低路堤是指路堤高度小于重型汽车荷载作用下路基工作区深度的路基。高等级公路低路堤设计理念是一种全新的设计思想和方法，可以有效地节约不可再生土地资源、减少工程规模和工程难度，缩减工程数量进而节约造价。但是高地下水位地区尤其是粉质土分布地区，低路堤下毛细水的上升将引起路基土含水量的变化，影响路基路面的强度变形特性。近几年，随着低路堤理念的提出，工程设计中开始注意毛细水的影响问题，对于毛细水上升高度较高的路基土，设计中采用设置隔水层阻断毛细水上升的工程措施。但目前设计还停留在经验阶段，对高地下水位粉质土地区处治毛细水的方法、低路堤设计等缺乏系统的研究。

发明内容

为了解决现有技术存在的高地下水位粉质土地区毛细水上升影响低路堤的实施的问题，本发明提供了一种高地下水位粉质土地区低路堤结构及施工方法，在进行低路堤施工时可以有效阻止毛细水上升、加速路基排水。

本发明的技术方案为：一种高地下水位粉质土地区低路堤结构，低路堤由底向上依次为基底翻挖处理层、防渗垫层、路床、路面结构层组成，所述的防渗垫层厚度为30～40cm，为碎石、沙砾或者是掺加了4～5％的水泥或是石灰的处治土，防渗垫层高于天然地表；路床和路面结构层采用常规材料；

在中央分隔带两侧各设有一个槽，槽的深度大于路面结构层的厚度，槽的宽度为0.3～0.45m，槽底直至路床层，在槽内填筑碎石或者砂砾，构成一道有反滤排水作用的排水墙，在排水墙底部设有横向排水管通向路基外侧。

在防渗垫层上设有防渗土工布或复合土工膜。

基于权利要求1所述的高地下水位粉质土地区低路堤结构的施工方法，步骤为：

第一步，设置路基防渗垫层：在基底翻挖处理层上铺设30～40cm的防渗垫层；然后由底向上依次铺设路床及路面结构层，防渗垫层高于天然地表；

第二步，在中央分隔带设置排水墙：沿中央分隔带两侧各开挖一道槽，槽的深度大于路面结构层的厚度，槽的宽度为0.35～0.45m，槽底直至路床中，在槽内填筑碎石或者砂砾，构成一道有反滤排水作用的排水墙，从路基外侧向排水墙底部钻孔并安装横向排水管。

当地下水埋深在0.5～0.8m时，所述的防渗垫层为碎石或沙砾。

当地下水埋深在0.8～1.5m时，所述的防渗垫层为掺加4～5％的石灰或水泥的处治土。

所述的防渗垫层上设有防渗土工布或复合土工膜。

当下坡路段的中央分隔带尽头或交汇处的排水墙无法设置横向排水管时，抬高尽头或是交汇处的槽底的高程使水流反坡流动，汇流到前面的横向排水管进口处。

有益效果：

1.本发明在路基底部设置防渗垫层的方法有效阻止了毛细水的迁移，使路基土体处于干燥或中湿状态。

2.本发明通过在中央分隔带的两侧设置排水墙，通过横向排水管将中央分割带内部的水份排出，防止了中央分隔带的水份进入路基土，对路基土造成侵害。

3.在下坡路段时，当中央分隔带尽头或交汇处无法设置横向排水管时，本发明通过抬高尽头或是交汇处的槽底的高程使水流反坡流动，汇流到前面的横向排水管进口处，由前面的横向排水管排出路基。

4.本发明通过将防渗垫层设置在高于天然地表的位置，可以使防渗垫层阻隔和疏导的水份通过边坡与护坡通道直接排入边沟，将地下水引入地表排水系统中。

附图说明

图1为现有技术的路基截面示意图。

图2为本发明的低路堤结构截面示意图。

图3为路面+路床+路基防渗层的低路堤结构截面示意图。

图4为路基防渗层+上路堤+路床+路面的低路堤结构截面示意图。

其中，1为路面结构层中的基层和面层，2为路面结构层中的垫层，3为路床，4为路基防渗层，5为路面，6为上路堤，7为地面线。

具体实施方式

下面结合实例对高地下水位粉质土地区毛细水处治与低路堤设计方法作进一步说明。

本发明的高地下水位粉质土地区低路堤结构及施工方法的原理及主要实现手段为：

1、高地下水位粉质土地区低路堤毛细水处治方法

由于毛细水的迁移对土质路基会产生严重病害，必须阻断毛细水迁移的路径，才能保证路基的稳定，从而降低路堤的填筑高度，本发明首先对路基底部进行特殊的设计和处理，使路基土体处于干燥或中湿状态。

(1)设置防渗垫层

本发明中所谓的防渗垫层4，是设置在低路堤之中的结构层，厚度为30～40cm，它的主要作用是阻隔水份毛细上升进入路基的路床土壤中，防止路基含水量增大，影响路基结构强度和整体稳定性。它的作用类似于路面结构层中的垫层2，但是与路面结构层中的垫层2相比有两个重要的区别。首先，在位置和具体作用上两者完全不同，如图1所示：路面结构层由面层、基层1及垫层2组成，其中的垫层2位于基层之下，是路面结构层的一个组成部分，它的主要作用是保证水份不会由路基土壤进入其上部的基层和面层1，确保基层和面层1的强度和稳定性，垫层2主要可以采用碎石、砂砾等无结合性粒料。而本发明的路基防渗层4如图2所示，则位于人工填筑的路堤下部也就是路床3的下面，天然地基表面的基底翻挖处理层之上，主要作用是保证地下高水位或者路基两侧的河流、池塘和灌溉用水不会经由地下迁移进入路基，确保其上的路基土的含水量不会过大、影响强度和稳定性。其次，是两者的受力状况完全不同。基层是路面结构层中的主要承重层，而位于其下的垫层2除了主要承受车辆荷载的垂直应力并将其分散，还要承受车轮的动应力，所以其既受静载还受动载，既受垂直应力还有一定的振动应力，受力状况复杂。而位于路堤底部的路基防渗垫层4，由于距路基顶面较深，可以认为其主要承受路基上部结构的垂直重力。

路基防渗垫层根据地下水位等环境情况的不同，所选用的材料也不同。当地下水位相对较高，采取低路堤设计方案时，可在路基底部的天然地表上的基底翻挖处理层上填筑一定厚度的碎石或砂砾等无结合性粒料作为路基防渗垫层，同时可在该层上部铺设一层防渗土工布或土工膜，以阻止毛细水的上升，最终达到疏水和隔水的效果。本发明中对不同材料进行的研究表明：当地下水位相对较高时，采用碎石和粗沙砾组成的路基防渗垫层对毛细水的隔绝效果非常明显。

当地下水位相对较低，采取低路堤设计方案时，可在路基底部的天然地表上的基底翻挖处理层上填筑一定厚度的掺加了4～5％的石灰或水泥等无机结合料的处治土，形成不透水、抗冲刷同时具有一定强度的路基防渗垫层。根据工程实际需要，可选择在该层上部铺设一层防渗土工布或土工膜，防止毛细水侵入上部路基。本发明中对不同材料进行的研究表明：当地下水位相对较低时，采用掺加了石灰或水泥等无机结合料的处治土对于隔绝毛细水上升具有一定的效果，防渗垫层有较明显的削弱毛细水上升作用。掺加了石灰或水泥等无机结合料的防渗垫层处理路堤的中心竖向位移值完全可以满足规范要求，因此石灰和水泥可作为对毛细水进行处治时采用的材料。

本发明中处治毛细水所设置的隔水垫层的位置和要求符合交通部《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2006第4.2.5规定，路基设置的垫层材料本身的强度必须满足承载力的要求以及《公路路基施工技术规范》JTGF10-2006第4.1.2规定：垫层一般是掺加水泥或石灰煤渣稳定类分层进行填筑的要求。

(2)排水措施

低路堤排水应采取防、排、疏相结合的综合措施，设置完整、通畅的排水系统，并与路面、桥涵、隧道等排水设施衔接配合，其中中央分隔带和设计中防渗部位的排水是关键。

1)设置中央分隔带防排水

中央分隔带是公路中排水问题最大的部位，中央分隔带内部的水份会进入路基土，对路基的含水量产生严重的影响，所以必须对中央分隔带进行防排水处理。

本发明考虑到中央分隔带不可能全线挖除重设，所以在保留原中央分隔带的情况下采用在中央分隔带两侧加设排水墙排除积水的方法。具体做法是沿中央分隔带两侧各开挖一道狭窄而深的槽，槽的宽度为0.35～0.45m，槽的深度大于路面结构层的厚度，槽底直至路基土中。当槽段开挖完毕后，在槽内填筑碎石或者砂砾，筑成一道有反滤排水作用的排水墙。从路基外侧向排水墙底部钻孔并安装横向排水管，通过此横向排水管将排水墙底部的水份排出路基。

本发明对于中央分隔带尽头积水的排放采取的措施如下：在下坡路段，当中央分隔带遇到桥梁等建筑物时或当分离式路基交汇时，如果按路线的纵坡设置中央渗沟、排水沟或排水管，就会产生中央分隔带或分道交汇处尽头处产生积水的问题。此时，可以采用以下解决方法：①对于在尽头或交汇处的排水墙不好设置横向排水管的情况如桥台处，可抬高尽头处开挖的槽的底板高程，使水流反坡流动，汇流到前面的排水墙底设置的横向排水管的进口，通过横向排水管进口流入边沟；②对于在尽头或交汇处的排水墙好设置横向排水管的情况，可在尽头或交汇处设置横向排水管，使中央分隔带或绿化带的水流或渗水从尽头或交汇处的横向排水管排出；总而言之，在中央分隔带或绿化带的最低处应保证有横向排水管。

2)防渗垫层内部排水措施

为保证路基内部水份疏导排入地表排水系统，本发明的防渗垫层设置于天然地表以上。这样防渗垫层就可以将阻隔和疏导的水份通过边坡与护坡道直接排入边沟，将地下水引入地表排水系统。如果布设位置过低，则无法与地表排水系统衔接；如果布设位置过高，则无法充分发挥其阻隔毛细水功效。

本发明中路基防渗垫层设置为有一定横坡的形式，这样有利于水份的排出。且每隔一定距离设置一个出水口，使排出的水分可以通过路基边坡、护坡道最终流入边沟。2、高地下水位粉质土地区低路堤结构的断面型式

本发明中根据公路所在的地区气候、水文特点及工程地质条件，结合路基高度，提出高地下水位粉质土地区低路堤结构断面型式。

(1)路基填土高度较低路段采用防渗垫层结构断面型式

设置防渗垫层排水、防毛细水的路基结构断面：路基结构一般由基底翻挖处理层+防渗垫层+路床+路面结构层组成。路基中部厚度根据填土高度确定，路基底部在基底翻挖处理层上设置防渗垫层，厚度宜为30～40cm，采用碎石或粗沙砾填筑，且上面宜铺设防渗土工布或复合土工膜进一步隔绝水份。

(2)路基填土高度较高路段采用防渗垫层结构断面型式

设置防渗垫层的路基结构断面一般为基底翻挖处理层+防渗垫层+路床+路面结构层组成，路基中部厚度根据填土高度确定，路基底部宜采用防渗垫层，厚度宜为30cm～40cm，可采用掺加4％～6％的无机结合料石灰或水泥的处治土作为防渗垫层，防渗垫层顶面应铺设防渗土工布或复合土工膜。路床可以采用常规的掺加一定比例的外掺剂(比如石灰)的方法进行处理。如果填土较高，上路堤部分可掺加少比例的外掺剂(比如石灰)或直接填筑素土。

本发明在对路基的毛细水上升高度、影响因素以及路基在毛细水作用下的强度变形特性等研究的基础上，综合考虑地区气候特征、水文地质、地基土质等条件，充分考虑路基土在强度与变形方面的要求，提出高地下水位粉质土地区低路堤结构及施工方法，对于毛细水处治达到了较好的效果。

实施例1

以下以南通地区204国道扩建工程如皋段RG7标段的实施为例具体说明本发明。

南通地区位于长江三角洲堆积平原区。地质勘察查明：南通地区204国道扩建工程如皋段RG7标段所处区域均为近代沉积软土层，上层以粉性土为主，大多为灰黄、黄灰色、灰色的含砂低液限粉质土及粉土质砂，下层以粉粘性土为主。在K821+880处设置水位观测孔表明：地下水位标高的平均值为4.55m，距离原地面高度为0.47m。

(1)低路堤下毛细水处治方法

由于地下水位较浅，路堤处于毛细水的影响范围之内，路堤底部为采用粗沙砾填筑的防渗垫层，用来较好的排水。

(2)低路堤填土高度设计

根据《公路自然区划标准》(JTJ 003-86)规定：江苏南通地区的自然区划为长江下游平原润湿区Ⅳ1区，对于粉质土ω_c1、ω_c2、ω_c3为中湿、潮湿和过湿状态的分界稠度分别为0.96、0.89、0.73。根据室内试验、现场试验以及数值分析的研究，按照路基临界高度由

确定，式中

—土的稠度；ω_L—土的液限；ω_P—土的塑限；ω—在最不利季节，路床顶部下80cm深度内土的平均含水量。通过计算得到采用粗砂砾或碎石作为防渗垫层材料处治毛细水的路基临界高度在0.3～0.4m。

结合国内相关工程经验和南通地区的交通荷载状况，并考虑路基路面协调作用，南通地区高等级公路的路基工作区深度设定为1.5～2.0m。

防渗垫层的厚度为30cm，所采用的粗砂垫层材料的抗压回弹模量是路基填土或灰土抗压回弹模量的数倍，可设定为4，在进行路基工作区深度计算中考虑到垫层材料抗压回弹模量变化引起的影响。路面结构层换算为路基土层的当量厚度的方法，可根据《岩土工程勘察设计手册》中的换算公式：

$Z_e=h_i\sqrt[m]{\frac{E_i}{E_0}}$

式中Z_e为每一结构层厚度换算成当量土层的厚度，h_i为每一结构层的厚度，E_i为每一结构层的设计抗压回弹模量，E₀为路基的设计抗压回弹模量，m参照《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)提供的底基层与基层材料之间当量厚度的换算公式取值为3.0。经过计算：采用粗砂毛细水处治措施下的路基工作区深度为1.3m左右。

防洪高度根据《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)和《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)规定，高速公路路基设计洪水频率为1/100。

根据上述分析：南通地区地质情况以及公路建设中对原地面的压实等情况，处治后的低路堤最小填土高度为1.0m。

(3)路堤断面结构

设置防渗垫层的路堤结构断面如图3所示，由基底翻挖处理层+防渗垫层+路床+路面结构层组成。路堤底部采用粗砂填筑防渗垫层，厚度为30cm，防渗垫层顶面铺设防渗土工布或复合土工膜。施工时，下挖至路床底标高后再下挖40cm进行掺6％石灰处理为基底翻挖处理层，然后上面依次为防渗垫层、路床、路面结构层。

(4)排水措施

1)中央分隔带设置排水墙防排水

将中央分隔带两侧各加设排水墙排除积水。中央分隔带两侧各开挖深槽，槽的宽度为0.35～0.45m，槽的深度大于路面结构层的厚度，此处的深度设计为0.6m，槽底直至路基土中，在槽内填筑砂砾，筑成一道有反滤排水作用的排水墙。从路基外侧向排水墙底部钻孔并安装横向排水管，通过此横向排水管将排水墙底部的水份排出路基。

中央分隔带尽头积水的排放：在下坡路段，当中央分隔带或中央绿化带遇到桥梁等建筑物时或当分离式路基交汇时，在尽头或交汇处无法设置横向排水管，如遇到桥台处，此时，可以抬高尽头处的排水沟、排水管、渗沟的底板高程，使水流反坡流动，通过排水墙底部汇流到前面的排水墙中的横向排水管进口处再排出。

中央分隔带最低处应保证有横向排水管。

2)防渗垫层内部的排水

在本发明中防渗垫层设置于天然地表以上，可以将阻隔和疏导的水份通过边坡与护坡道直接排入边沟，将地下水引入地表排水系统。防渗垫层有一定横坡的形式，这样有利于水份的排出。且每隔一定距离设置一个出水口，使排出的水份可以通过路基边坡、护坡道最终流入边沟。

实施例2

以江苏徐(州)宿(迁)高速公路K7+860～K9+500段的实施为例具体说明本发明。

项目地处苏北平原东北部，地貌单元为冲洪积平原及山前残坡积地地貌单元，形成以低液限粉土、低液限粘土为主的地层。尤其是废黄河黄泛平原表层，低液限粉土和粉细砂所占比例较大，而且多处于松散状态，沿线地下水位为地下0.7～1.8m，水位较高，中细砂处于饱和状态。

(1)低路堤下毛细水处治方法

该低液限粉土地区地下水埋深0.7～1.8m，路堤处于毛细水的影响范围之内，在路基底部设置一层隔水垫层，垫层主要采用掺加石灰无机结合料，形成不透水、抗冲刷同时具有一定强度的结构层。

(2)低路堤填土高度设计

根据《公路自然区划标准》(JTJ 003-86)规定：江苏宿迁地区的自然区划为长江下游平原润湿区Ⅳ1a区，对于粉质土ω_c1、ω_c2、ω_c3为中湿、潮湿和过湿状态的分界稠度分别为0.96、0.89、0.73。根据室内试验、现场试验以及数值分析的研究，通过计算得到采用石灰(养护)作为防渗垫层材料处治毛细水的路基临界高度在0.4～0.5m。

结合国内相关工程经验和宿迁地区的交通荷载状况，并考虑路基路面协调作用，宿迁地区高等级公路的路基工作区深度设定为1.4～1.8m。

防渗垫层的厚度为30cm，经过计算：采用石灰处治毛细水的路基工作区深度为1.5m左右。

防洪高度根据《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)和《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)规定，高速公路路基设计洪水频率为1/100。

根据上述分析：该地区地质情况以及公路建设中对原地面的压实等情况，处治后的低路堤最小填土高度可取为1.2m。

(3)路堤断面结构

该路堤断面采用防渗层的结构型式如图4所示，为：一般基底翻挖处理层+防渗层+上路堤+路床+路面组成。路基中部厚度根据填土高度确定，路基底部采用厚度为35cm掺加5％石灰处治土的防渗层，防渗层顶面应铺设防渗土工布或复合土工膜。下挖至路床底标高后再下挖40cm进行掺4％石灰处理。

(4)排水措施

中央分隔带设置排水墙防排水和防渗垫层内部排水的设置措施同上。

Claims (7)

1.一种高地下水位粉质土地区低路堤结构，其特征在于，低路堤由底向上依次为基底翻挖处理层、防渗垫层、路床、路面结构层组成，所述的防渗垫层厚度为30～40cm，为碎石、沙砾或者是掺加了4～5％的水泥或是石灰的处治土，防渗垫层高于天然地表；路床和路面结构层采用常规材料；

在公路的中央分隔带两侧各设有一个槽，槽的深度大于路面结构层的厚度，槽的宽度为0.3～0.45m，槽底直至路床层，在槽内填筑碎石或者砂砾，构成一道有反滤排水作用的排水墙，在排水墙底部设有横向排水管通向路基外侧。

2.如权利要求1所述的高地下水位粉质土地区低路堤结构，其特征在于，在防渗垫层上设有防渗土工布或复合土工膜。

3.基于权利要求1所述的高地下水位粉质土地区低路堤结构的施工方法，其特征在于，步骤为：

第一步，设置路基防渗垫层：在基底翻挖处理层上铺设30～40cm的防渗垫层；然后由底向上依次铺设路床及路面结构层，防渗垫层高于天然地表；

第二步，在中央分隔带设置排水墙：沿中央分隔带两侧各开挖一道槽，槽的深度大于路面结构层的厚度，槽的宽度为0.35～0.45m，槽底直至路床中，在槽内填筑碎石或者砂砾，构成一道有反滤排水作用的排水墙，从路基外侧向排水墙底部钻孔并安装横向排水管。

4.如权利要求3所述的高地下水位粉质土地区低路堤结构的施工方法，其特征在于，当地下水埋深在0.5～0.8m时，所述的防渗垫层为碎石或沙砾。

5.如权利要求3所述的高地下水位粉质土地区低路堤结构的施工方法，其特征在于，当地下水埋深在0.8～1.5m时，所述的防渗垫层为掺加4～5％的石灰或水泥的处治土。

6.如权利要求3所述的高地下水位粉质土地区低路堤结构的施工方法，其特征在于，所述的防渗垫层上设有防渗土工布或复合土工膜。

7.如权利要求3所述的高地下水位粉质土地区低路堤结构的施工方法，其特征在于，当下坡路段的中央分隔带尽头或交汇处的排水墙无法设置横向排水管时，抬高尽头或是交汇处的槽底的高程使水流反坡流动，汇流到前面的横向排水管进口处。

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