杭州德勝東路重載交通條件下的潮濕路基設計探討

楊紹猛，潘 昊，王 毅

（1.上海市政工程設計研究總院集團 浙江市政設計院有限公司，浙江 杭州 310000；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 290000）

杭州德勝東路重載交通條件下的潮濕路基設計探討

楊紹猛1，潘 昊2，王 毅1

（1.上海市政工程設計研究總院集團 浙江市政設計院有限公司，浙江 杭州 310000；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 290000）

以杭州德勝東路的改造提升工程為依托，通過分析德勝東路上重載交通的工作區影響深度，提出潮濕低路堤情況下城市重載交通的路基路面設計應對方案。就地取材設置40 cm水泥土換填層及碎石墊層，有效地解決了重載交通需要的路基強度問題和潮濕路基的水穩性問題，為杭州市東部區域城市道路在重載交通條件下的設計提供理論和實踐依據。

道路改造；重載交通；工作區深度；潮濕低路堤；水泥土換填；碎石墊層

1 概述

杭州市德勝快速路是杭州市“四縱五橫二繞”城市快速路網中最重要的“一橫”，是連接市區、下沙副城以及江東新城的交通大動脈。德勝東路地面道路始建于2005年，且沿線很多區塊正處在城市建設開發過程中，重型交通荷載密集，經過6年時間運營，路基路面已破壞較嚴重，行駛舒適性差，需要對現狀道路進行大修，并進行快速化改造提升，提升后斷面規模為“高架雙向6車道快速路主線+地面雙向6車道輔道”，其中高架主線禁止貨車通行，地面道路以城市主干路標準進行設計，是貨車通行的主通道，如圖1所示。

圖1 德勝東路道路改造提升標準橫斷面（單位：m）

本文研究重點是作為城市主干路的地面道路部分，為了使這次提升改造工程取得良好的效果，對德勝東路現狀道路展開了全面調查。調查內容包括交通量、交通組成、路面狀況指數、基層取芯、地質及地下水等。

（1）交通量及交通特性

德勝東路現狀實測雙向高峰小時交通量為4 486 pcu/h，設計年限內一條車道累積軸載為2.0× 107pcu，屬于特重交通，設計彎沉值為21（0.01 mm）。同時，德勝東路兩側物流企業眾多，大車∶小車為0.3∶0.7。根據調查顯示，德勝東路上8 t以上的車輛普遍存在超載現象，平均超載車輛占全部重車的40%以上，最大超載為額定荷載的300%左右，大都超過60%以上(車輛中以運渣土、建筑材料等重物為主)，是典型的重載交通道路。由于車輛超限、超載的情況嚴重，使得德勝東路在使用6年后路基路面破壞嚴重，大大縮短了使用壽命并造成較大的經濟損失和不良的社會影響。

（2）現狀路面狀況調查

德勝東路現狀路面狀況調查綜合分級等級劃分見表1。

表1 現狀路面狀況調查表

（3）基層取芯檢測

對整條道路進行鉆孔取芯成果顯示：主車道共鉆孔取芯126只孔，其中三渣混合料芯樣松散無法測量高度的有71只，占比56%；其余55只芯樣基層成板塊厚度在10～390 mm之間，多集中在200 mm左右，占比46%。基層總體上呈現松散或部分松散狀態。

（4）地基土物理力學參數及地下水調查

經詳勘揭示該工程場地系錢塘江口近代沖海積沉積的粉砂性土地層，其中地基持力層為②砂質粉土層，層厚約6～8 m，該層土強度指標較高，天然含水量ω=25.6%，凝聚力c=6.5 kPa，內摩擦角φ=27°，承載力[σ]=90 kPa，其下土層物理及力學性質均較好。沿線擬建場地地下水性質屬松散孔隙型潛水，主要賦存在①填土層及②砂質粉土層中；地下水位埋深秋冬季為1.40～3.20 m，春夏季雨水充沛時在地表下0.5～1.0 m，且雨季積水嚴重。年水位變幅約為1～3 m。結合水位埋深及道路平均路面標高，德勝東路屬于IV區潮濕路基，全線干濕路基實際占比見表2。

表2 德勝東路干濕路段類別比重表

以上調查結果表明：現狀德勝東路交通量大且超載嚴重，建設區內地下水位高，屬于潮濕低路堤，整條道路路面狀況較差，路基松散破壞較嚴重，必須進行大修或整體改造。

2 路基破壞原因分析

根據上述的調查分析結果，認為導致現狀德勝東路路面破毀最主要的原因有如下幾個方面：

（1）重載交通引起的路面結構破壞。通常在重載交通條件下，道路路基的結構響應明顯不同于非重載交通，路基處理不當或處理深度不夠而導致路基工作區遭到破壞，最終影響到路面結構質量。此時路基更容易出現沉陷、裂縫等病害，繼而導致瀝青路面出現龜裂、沉陷、翻漿、坑槽、松散等破損現象。德勝東路上存在大量超載、超限車輛，荷載作用超過了路基各層的強度，加速了路面結構層的破壞。

（2）道路結構層的水穩定性破壞。德勝東路建設場地內地下水位過高，雨季路面積水嚴重，路面積水經受車輛荷載和溫度脹縮的反復作用，極易水損害形成坑槽；路基處于過濕或潮濕狀態，對路基強度和穩定性也造成非常不利影響。

（3）地下管線對結構層強度的不利影響。德勝東路紅線范圍內有大量的地下管線，部分管線如雨污水管道等由于受管位布置空間不足的影響，只能布置在機動車道下。由于管道溝槽及檢查井塢塝回填時施工面相對狹小，極易造成回填土壓實度不夠，從而影響局部的路面結構強度，出現強度不足和不均勻沉降現象，導致路面結構由點到面的破壞。

目前，國內外在公路行業對重載交通條件下潮濕地基的路基路面設計的研究積累了較為豐富的經驗，一般通過加高路堤來解決地下水位高帶來的潮濕路堤的影響，通過加厚結構層來適應重載交通的影響。但城市道路不同于公路，很多公路上的成功做法并不適合城市道路，主要是因為：（1）城市道路由于城市規劃標高的限制，路基填土高度一般很難滿足路基設計的最小填土高度的要求，路基處于潮濕狀態很難通過填高路堤的方式解決；（2）城市道路建設周期比較短，周邊建筑物密集，地下管線多，許多適合公路的地基處理及路基填筑方法不能在城市道路中采用，導致重載交通動應力影響范圍內路堤強度不足；另外，我國現行的規范對城市道路的路基路面設計雖然已有一些基本要求，但其深度和廣度還遠遠不夠，需要從技術、經濟、運營管理等多角度進行分析研究，同時制定的設計方案要充分考慮上述因素并尋求一個平衡點。

3 重載交通工作區深度及處理措施分析

關于道路行車荷載引起的動響應的影響深度從目前國內現有文獻來看，通過現場動應力測試得到的影響深度一般在1.5～2.5 m。隨著車重的增加，同一深度處動應力明顯增加，當某一深度處附加動土應力為自重應力的1/5～1/10時，可以看作是交通荷載對路堤的影響深度，重載的影響深度約為2.5 m[1，2]，設計中需考慮提高重載交通工作區深度范圍內的路基壓實度和路基強度。

從組成路面結構層材料的模量及厚度等各因素的正交試驗結果分析[3]可得出，各因素對路表彎沉的影響按從大到小順序為:土基模量＞基層厚度＞底基層厚度＞上面層厚度＞中面層厚度＞下面層厚度＞基層模量＞底基層模量＞下面層模量＞中面層模量＞上面層模量，各參數對底基層層底拉應力的影響程度為：底基層模量＞底基層厚度＞土基模量＞基層厚度＞基層模量。所以，在重載作用下，為保證路面的路表彎沉值小于設計彎沉值、基層層底拉應力小于允許拉應力，最直接和有效的途徑就是提高土基模量。受規劃控制標高的限制，德勝東路無法通過填高路堤來滿足重載交通工作區深度，只能從提高土路基模量入手。

針對上述分析，結合該工程地質中②層砂質粉土情況，進行了水泥處治土回彈模量試驗。現場試驗以設計路床頂標高處向下超挖40 cm，然后在超挖的砂質粉土里摻6%的水泥均勻拌合，回填碾壓，壓實度為96%。采用承載板法測試水泥土換填路基土回彈模量，試驗結果見表3。

表3 水泥土換填墊層回探模量試驗

取浸濕狀態的回彈模量代表值115 MPa為以下路面結構計算參數。

4 路面結構層計算分析

根據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2006）推薦結構層及組合設計，綜合考慮當地實際情況，決定路面結構面層采用三層式瀝青混凝土面層。表面層采用SBS改性瀝青的SMA-13瀝青瑪蹄脂混合料，中面層采用 SBS改性瀝青的AC-20C中粒式密級配瀝青混凝土，下面層采用AC-25C粗粒式密級配瀝青混凝土，基層采用4%～5%水泥穩定碎石，墊層采用級配碎石（對比分析時再加上水泥土層）。

（1）路表計算彎沉值

式中:ls為路表計算彎沉值；P、δ為輪胎接地壓強（MPa）和當量圓半徑，cm；αc為理論彎沉系數；F為彎沉綜合修正系數；E0為土基回彈模量，MPa。

（2）計算容許拉應力

式中：σm為結構層底面計算點的拉應力，MPa；σR為路面結構層的容許拉應力，MPa；σsp為對水泥穩定類材料為齡期90 d的劈裂強度（MPa）對二灰穩定類、石灰穩定類材料為齡期180 d的劈裂強度，MPa；Ks為抗拉強度結構系數。

擬定路面材料設計參數值及彎沉和拉應力對比計算成果見表4。

表4 路面材料設計參數及計算成果表

通過有無40 cm水泥土換填層的對比計算結果可以看出：

（1）兩種方案的結構層設計對應的計算彎沉值均大于設計彎沉值（0.21 mm），滿足設計年限內路面結構強度的需要；

（2）有40 cm水泥換填土層比沒有該層對于瀝青面層彎沉值最大降低27.2%（層底拉應力為負值不做對比分析），基層頂面彎沉下降30.5%，層底拉應力降幅9.8%，但土路基頂面彎沉值降幅46%，改善效果明顯；

（3）增設40 cm水泥換填層對降低各層彎沉值和拉應力很有必要。

5 針對性的路基及路面結構層設計方案

（1）路基設計方案

結合上述對比分析結論，考慮到重載交通對結構層強度的需要及防治潮濕路基地下水上升對路基穩定性的不利影響，充分利用砂質粉土層水泥土的改良性能，在設計路床標高以下超挖換填40 cm 6%水泥土，然后再設置30 cm碎石墊層和碎石盲溝以隔斷和排除地下水，達到提高路基土強度和干燥路基的目的。為了進一步隔離和疏干地下水，在碎石墊層下設置排水盲溝（盲溝水直接排入雨水系統），并在碎石墊層頂面鋪設土工布隔滲層，如圖2所示。

圖2 路基換填及潮濕路基處理

（2）新建道路結構層設計

綜上所述，新建道路結構層設計從上到下布置如下：

面層：4 cm SMA-13瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SBS改性瀝青）+5 cm中粒式改性瀝青混凝土（AC-20C，SBS改性瀝青）+7 cm粗粒式瀝青混凝土（AC-25C），相鄰面層間設置粘結層；

封層：0.6 cm乳化瀝青稀漿封層；

基層：20 cm水泥穩定碎石（4.0 MPa/7 d）上基層+20 cm水泥穩定碎石（3.0 MPa/7 d）下基層；

墊層：30 cm級配碎石墊層；

其下是40 cm水泥土（水泥摻量6%）+壓實土路基（40 MPa）。

（3）路面檢查井防不均勻沉降措施

為了保證布置在機動車道下雨水檢查井塢塝回填質量，回填料采用碎石砂，密實度為0.96；同時為了減少檢查井與路面間不均勻沉降對路面的不利影響，該工程中采用了防沉降檢查井，改變以往檢查井上部荷載由井筒承受為路基承受，井座與井筒間預留15 cm變形空間，使井蓋基礎與路基協調變形、沉降一致，如圖3所示。

圖3 檢查井防沉降處理圖（單位：cm）

6 結語

德勝東路快速化改造提升工程目前已竣工2年了，雖然交通量大，超重超載現象依然嚴重，但地面道路狀況總體良好，達到了工程預期目標。通過該工程案例總結如下：

（1）對德勝東路現場進行深入調研，找出路面破壞的主要原因，再通過研究重載交通作用下的路基工作區深度及處理方法，得出符合該工程實際的40 cm水泥土換填方案。

（2）道路結構層設計有效地結合了重載交通和潮濕路基兩個主要方面，通過路基水泥土換填及碎石墊層及盲溝的設置，有效地解決了重載交通需要的路基強度問題和潮濕路基的水穩性問題，具有一定的工程指導意義。

（3）40 cm水泥土換填實際增加費用單價為：18元/m2，以較小的投入取得了較大的社會和經濟效益。杭州市從江干區到下沙及大江東的東部片區的大部分區域地質情況都比較接近，淺層都分布有砂質粉土層，充分利用該層就地拌合成水泥土回填以提高路基強度的做法應值得借鑒和推廣。

[1]仇敏玉，俞亞南.道路行車荷載影響深度分析 [J].巖土力學，2010,31(6):1822-1826.

[2]李洪亮，王曉華，沈可.天津濱海新區重載交通工作區深度的分析[J].土木工程學報，2011，44（增刊）：158-161.

[3]曹夢醒.天津集疏港道路重載瀝青路面結構研究[D].西安：長安大學，2008.

[4]JTG D50—2006，公路瀝青路面設計規范[S].

《中華人民共和國水污染防治法》進行二次修正

6月27 日，第十二屆全國人民代表大會常務委員會第二十八次會議通過了《關于修改〈中華人民共和國水污染防治法〉的決定》（第二次修正）。新修訂的《中華人民共和國水污染防治法》更加明確了各級政府的水環境質量責任，實施總量控制制度和排污許可制度，加大農業面源污染防治以及對違法行為的懲治力度。決定自2018年1月1日起施行。

U416.1

B

1009-7716（2017）08-0055-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.033

2017-04-06

楊紹猛（1973-），男，湖北廣水人，高級工程師，從事城市道路工程設計工作。