旧路加宽综合处治方案设计的几点考虑(1)

论文作者：孙四平 侯芸 郭忠印 张艳 张树山 仝运涛

摘要：旧路加宽改造对提高既有道路等级和改善路网结构具有较高的技术经济价值。在旧路加宽改造工程的方案设计时需进行多方案的比选，同时必须综合分析各方案的地基沉降、路基稳定性、路基静载压缩变形、以及路基土行车荷载作用塑性累积变形等造成的路基表面的不均匀变形，以便采取可靠而有效的综合处治方案。

关键词：旧路加宽 土工合成材料 不均匀变形；

随着国民经济的快速发展，道路交通运量迅猛增长，既有公路、城市道路等旧路加宽加铺改造工程也随着大量的付诸实施。对旧路进行加宽加铺改造时要特别注意：①新旧路基间的不均匀沉降以及新路基的塑性累积变形对路面结构响应的影响，②新旧路基间的刚度差异对路面结构响应的影响，③面层反射裂缝的防治等。为此，在旧路加宽改造工程的实施之前必须进行先期的方案试验研究。通常可采用软弱地基处理、基底清淤换填、旧路路堤台阶开挖、土工合成材料加筋垫层和加筋土路堤、土工织物防渗和排水、改良土高强路堤和轻质路堤、铺设土工合成材料防裂层或增大加铺层厚度等工程技术措施。本文结合大齐（大庆～齐齐哈尔）公路加宽改造工程的实施，提出旧路加宽综合处治方案设计时的几点考虑。

1. 大齐试验路路基加宽方案设计的比选

1.1 大齐试验路的基本概况

1.2 大齐试验路路基加宽方案设计

根据大齐路现有路况、水文地质条件和可用的地方材料，综合考虑各种因素对路基刚度差异、不均匀沉降、侧向滑移和防水防渗的影响。经技术经济分析，分别在单侧和双侧加宽地段各选择了一个试验路段，共设计了7种方案进行试验研究。其中，单侧加宽试验路位于K74+600～K74+900，共3种方案；双侧加宽试验路位于K96+100～K96+400，共4种方案。

1.2.1 基本处治措施

⑴ 基底清淤与换填

⑵ 台阶开挖与构筑

1.2.2 旧路路基单侧加宽方案

方案一(S

1)：二灰填筑方案，即：基底换填天然砂砾+土工网+天然砂砾+粉质土+土工网+粉质土+二灰。

在路基顶面以下1.0m范围内采用粉煤灰∶熟石灰=0.9∶0.1(质量比)的比例均匀拌和后填筑，以构成轻质路堤。二灰作为轻质路堤填料具有很好的工程性质：其后期强度高、整体稳定性好，能够有效地减小新旧路基间的刚度差；其自重荷载小，能有效地减小路堤因自重荷载作用而产生的压缩变形，对确保路基的容许工后沉降非常有利。

方案二(S

2)：三层土工网方案，即：基底换填天然砂砾+土工网+天然砂砾+粉质土+土工网+粉质土+土工网+粉质土。

土工合成材料（本试验路用土工网）加筋路堤不仅可以增强新旧路基间的整体稳定性，而且还可以使新加宽路基的强度和刚度得到很大的提高，从而可有效地减小新旧路基间的刚度差异。土工合成材料还具有减小新加宽路基的不均匀沉降和侧向位移的作用，从而使得路基横断面上的沉降趋于均匀。

方案三(S

3)：两层土工网方案，即：基底换填天然砂砾+土工网+天然砂砾+粉质土+土工网+粉质土。

根据工程实践经验，当路堤填方高度低于4.0m时，在新加宽路基中可只铺设2层土工网。但考虑到行车荷载在新旧路基结合部的局部荷载作用和路基顶部可能产生的滑动对路面的剪切作用，故在S2方案中铺设了3层土工网以进行对比试验。

1.2.3 旧路路基双侧加宽方案

方案一(D

1)：粉质土填筑方案，即：基底换填天然砂砾+粉质土+不透水土工布+粉质土+不透水土工布。

在粉质土路堤的内部和顶面各铺设一层不透水土工布，可起加筋和隔离防渗的作用。由于不透水土工布的加筋作用可增强新旧路基间的整体稳定性好，减小路基的不均匀沉降；由于不透水土工布的隔离防渗作用，可防止垫层砂砾料的陷入，并能防止雨水浸入对路基的破坏，同时也可在一定的程度上减少路堤自身的压缩变形。

方案二(D

2)：粉煤灰填筑方案，即：基底换填天然砂砾+粉煤灰+二灰+不透水土工布。

D2方案的地质条件相对较差，采用粉煤灰+二灰的轻质填料填筑路堤，不仅可以降低新路堤自重，减小路堤的压缩变形，而且还可以提高新路堤的强度和刚度，并可减小路基在行车荷载作用下的塑性累积变形。轻质填料路堤同时起到了减小新旧路基间刚度差异和不均匀沉降的作用，从理论分析和工程实践上来看，是旧路加宽方案中较为理想的一种综合处治措施。

方案三(D

3)：砂砾填筑方案，即：自基底换填至整个路堤全填天然砂砾。

由于天然砂砾的渗水性填料，可以很好地将浸入路堤中的雨水排出，同时天然砂砾也具有很高的强度和刚度，有利于减小新旧路基间的刚度差，并可减小路基在行车荷载作用下的塑性累积变形。但天然砂砾由于自重较大，使得地基和路堤可能在自重荷载作用下产生较大的沉降和压缩变形，从而造成新旧路基间较大的不均匀沉降。

方案四(D

4)：二灰填筑方案，即：基底换填天然砂砾+粉质土+二灰+不透水土工布。

D4方案的地质条件相对较好，采用粉质土+二灰的半轻质路堤，可使高新路堤的强度和刚度得到部分提高，并能减小一部分路堤的压缩变形和塑性累积变形，可作为与其它加宽处治方案的对比试验。

2. 旧路加宽的地基沉降与路基稳定性分析

在旧路加宽改造中，地基沉降和路基稳定性分析无疑是非常重要的。沉降的处理就是在路基施工过程中加速因新修路基而引起的地基沉降，或者采取有效措施控制路基由于剪切变形而产生的侧向位移，从而减小路基的工后沉降。对于稳定性的处理则必须增大新修路堤及地基的强度，提高其抗剪切变形的能力。

由均质粘性土填筑的路堤的稳定性根据Fellenius滑动圆弧法进行分析，路堤坍塌破坏时，其滑动面为一曲面，假定其为圆弧形，圆弧滑动面的位置用4.5H法确定。土工合成材料的加筋作用按在常规的圆弧稳定分析方法中增加一个拉力的办法进行考虑，把加筋力作为水平力施加于滑动土体，来计算其稳定性和确定加筋层数。

在旧路加宽改造工程中，由于新旧路基的固结程度不同，将会导致路基的横向不均匀沉降，从而造成路面的开裂破坏。因此，必须准确掌握加宽路基的最终沉降量及固结度，并验算其剩余沉降量是否满足工后沉降量的要求。在沉降分析中，可假定旧路路基下的地基已趋于完全固结，采用分层总和法计算新加宽部分路基的地基总沉降量。

3. 旧路加宽的路基土压缩变形分析

路基土在其自重和路面结构等静荷载作用下的变形主要表现为土体的压缩变形，可通过室内试验测定土的相应变形指标，选取适宜的力学模型采用有限元法分析路基土的应力状态，从而得到路基与地基的总变形量、不均匀变形量、不均匀变形范围以及变形与时间的变化关系等控制指标。

在路基土压缩变形的有限元法分析中，将新填筑的路基土视为弹塑性材料，采用邓肯非线性模型。而将旧路路基视为弹性材料，将土工织物视为线弹性材料，按平面应变问题求解。其中，路基和地基采用平面四边形等参单元、土工织物采用接触面单元、路面结构层采用弹性梁单元进行模拟，假定土工织物与土体的界面间无相对位移，采用如此所示的有限元分析模型。

4. 路基土在行车荷载作用下塑性累积变形的探索分析

路基土作为一种非线性弹-塑性变形体，在行车荷载作用下除产生弹性变形外，还会产生部分不可恢复的塑性变形。塑性变形会随着行车荷载作用而逐渐累积，在行车道中央轮迹带范围内的路基土所承受的荷载较大，荷载作用次数也较多，因此产生的塑性累积变形也较其它位置要大，从而导致路基的不均匀变形。

路基土塑性累积变形可采用如下的计算方法：①沿深度方向将路基土划分为若干个子层，运用三变量塑性应变方程分别计算各个子层的塑性应变；②根据路基土某一子层塑性应变的大小和厚度得出该层的塑性变形；③采用分层总和法将不同深度处各子层的塑性变形累加得到路基土顶面某一点处的塑性累积变形；④综合考虑水平方向不同位置荷载在同一计算点所引起的塑性变形的叠加，得出路基土顶面某一点的最终塑性累积变形。

因此，可采用如下的计算公式进行路基土的塑性累积变形的分析。

式中：δp——计算点处路基顶面总的塑性累积变形；

fj——第j个轴载作用位置，fj代表轴载在该位置出现的概率，共有p个作用位置；

δjp——第j个作用位置处的轴载在计算点处产生的塑性累积变形；

i——第i个计算子层，hI代表该子层的厚度，σis代表该子层土的静态抗压强度，共分n个子层；

εijp——处于j位置的轴载在第i个计算子层内产生的平均塑性应变；

σijd——处于j位置的轴载在第i个计算子层内产生的平均偏应力；

Ni——代表第l个车道累计标准轴载作用次数；

a，m，b——回归系数，称为永久变形参数。

计算深度取决于容许误差的大小，可通过控制应力比(σd/σs)的衰减程度来确定。如可采用应力比(σd/σs)的衰减至10%时的深度作为计算深度。如果取固定的计算深度和等层厚可使计算得到简化经过这样处理得出的计算结果仍能够满足要求。

5. 旧路加宽试验路的观测测试

在旧路加宽改造工程中需进行必要的现场观测测试，以便掌握地基和路基的沉降与变形，以及路基土体内应力状况。在试验路单侧加宽段的每个横断面均埋设了6对沉降板和土压力盒，双侧加宽段各埋设了5对沉降板和土压力盒。

沉降板的埋设位置是根据观测总沉降量、分层沉降量和横向不均匀沉降的要求来确定的。埋设在天然原地面的沉降板主要用来测量地基的沉降量；埋设在加宽路基不同高度上的沉降板，主要用来测量新路基自身的分层沉降量；埋设在新路基横断面表层不同位置的沉降板，主要用来测量新路基表层的横向不均匀沉降。

土压力盒均埋设在沉降板的一侧，可用来了解在路堤填筑过程中及路堤填筑完成后的土压力变化状况、沉降与土压力间的相互关系等。

6. 结束语

⑴ 旧路加宽处治的方案很多，各种方案都具其自身的优缺点和适用条件。在进行具体的方案设计时，要对各种方案进行充分的研究，然后综合考虑具体工程的地质条件、道路等级标准和使用要求、现场施工条件，以及对周围环境的影响等因素，选择最适宜的方案。

⑵ 理论分析计算可为方案设计提供可靠的依据。地基沉降和路基的稳定性分析，以及路基土的总变形量、不均匀变形量、不均匀变形范围等的分析计算，可为方案设计提供有效的参考指标。

⑶ 目前，大齐路尚未开放交通，所采用的加宽处治方案的技术经济效果有待证实。