市政道路改擴建路面結構分析

錢曉丹

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海201206）

1 引言

隨著城市化進程的推進，市政道路已經成為城市發展的主要基調和重要內容，成為城市化進程不可或缺的組成部分。市政道路設計是城市規劃的主要部分，隨規劃理念的不同，城市道路設計的方式和手段也不相同。根據我國的基本國情和經濟發展狀況，城市規劃以及市政道路設計時應注重“以人為本”，做到可持續發展[1]。規劃設計中應體現城市對空間環境的要求以及城市道路發展與環境相協調的理念。柯文豪[2]通過有限元分析路面力學響應進行了相應分析，研究結果表明，搭接寬度越長，應力的分布就會越均勻。李金龍[3]通過對路面的沉降進行有限元分析，結果表明路基沉降主要為填土裂縫，產生縱縫的主要原因是壓實度不夠。石海麗[4]對拼寬路的拼接面進行有限元分析，最終得出地基發生沉降是造成道路沉降差異的主要原因。通過以上內容分析可知，改擴建路面結構的分析仍然存在不足。本文在前人的基礎上進行深入分析，具有一定的理論意義。

2 工程現狀

本文所依托工程為某市區的市政道路，該道路的交通等級為重交通，設計年限為15年。

2.1 填方路基處理

該市政道路存在較少的高填方路段，一般路基的填方高度小于1 m，路基處理的主要方式：舊路基進行支擋結構的拆除與削坡處理，使坡率大于1.5。路基每填高0.5 m設置1道土工格柵，該結構主要目的是減少路基的沉降。填方地段應加強排水布置，防止雨季對填方道路帶來侵蝕的危害。

2.2 舊路全部挖除

重要路段要對管線進行調整，增加使用年限。因此，在進行改擴建時應對該段進行大修，對舊路面進行挖除，對埋設于路基中的管線進行重新布設，然后進行壓實回填。在原有道路上進行兩側擴寬輔路，擴寬距離分別為5.5 m，新建路面采用瀝青路面。

2.3 舊路修復

在進行路面修整前，應對路面結構進行探測，當路面指標狀況（PCI）得分＜40時，對損壞嚴重的路面鑿除，路基進行開挖，增加相應結構層厚度來解決底板脫空問題，最后進行瀝青面層加鋪。

當路面指標狀況（PCI）得分為40~85時，可以對混凝土進行換板處理后再加鋪瀝青面層。

當路面指標狀況（PCI）得分＞85時，且舊路面具有一定的使用價值時，可以對舊路面進行碎石化處理，使舊路面的混凝土作為新路面的基層使用。

2.4 加鋪瀝青層

舊路的路面結構較為完整，損壞程度較小時，可以通過在原混凝土路面上直接加鋪瀝青混凝土，實現路面結構的“白改黑”，使路面結構的適用性增強，改善路面性能[5]。

3 路面擴建方案

3.1 路面單側擴建

當舊路路面結構的破損程度較低，強度較高時，可以對舊路直接進行利用，擴寬段與原路面結構直接進行拼接，當道路擴建受到地形或用地條件限制時，拼寬方式只能采用單側拼寬。

3.2 單側加鋪新路面

當舊路路面結構的破損程度較高，強度較低時，可以對舊路路面板進行破碎，再鋪1層碎石層作為底基層，此時當舊路與拼接路受條件限制時，采用單側拼寬的方式。

3.3 路面雙側擴建

當舊路路面結構的破損程度較低，強度較高時，可以對舊路直接進行利用，擴寬段在原路面結構兩側進行雙側拼寬，或者為達到設計要求必須進行雙側拼寬。

3.4 挖除舊路、單側擴建新路面

該方案是在3.1方案的條件基礎上將全部路面結構挖除，然后，對設計要求的道路寬度進行重新鋪設。

4 路面病害及治理

4.1 路面病害

4.1.1 新舊路基變形不協調

道路在進行改擴建前舊路已經使用數年，由于地基自身的沉降和行車荷載的作用，已經形成了固結沉降，路基基本處于穩定狀態。拼寬路段施工完畢后要經歷幾個沉降期，且會產生較大程度的沉降量。

新舊路基之間在剛度和強度上存在較大差異，填方段該問題尤其明顯。道路改擴建與新建的時間不同，所以在選擇填料時也不相同，因此，會造成新舊道路存在強度上的差異。

4.1.2 新建路邊坡穩定性問題

對于路基新建段會存在一定問題，高填方或者陡坡的邊坡穩定性存在一定危險。新建路基坡腳的沉降量與道路中線的沉降量差異較大，邊坡可能存在滑動面，容易出現道路邊坡滑塌。

4.2 病害治理

4.2.1 選擇合理設計方案

通過對國內外資料研究發現，設計方案的合理性能很大程度上減少新舊路基的不均勻沉降以及防止邊坡出現失穩病害。所以設計方案的合理性對于工程造價和道路使用壽命至關重要。我國對于設計方案的措施有：避開不穩定路段，減少路基搭接，合理選擇加寬形式；對路基設計進行優化，如削坡處理、加土工格柵、加筋等；對軟土路基進行相應處理，對處理方案進行設計，如采用CFG樁、粉噴樁等[6]。

4.2.2 加強施工管理與控制

施工質量控制：路基在壓實過程中新舊路基拼接地方應進行相應處理，制訂合理的施工計劃，減少對舊路基的擾動。

4.2.3 加強后期維護

由于擴寬段存在工后沉降現象，使橫向應力大于縱向應力，因此，道路在拼接部位會產生縱向裂縫。在雨水作用下裂縫發展會越來越大，因此，對產生裂縫的部位應進行灌漿處理，增加結構強度。

5 路面結構分析

5.1 方案一

5.1.1 墊層彈性模量

墊層的彈性模量在進行確定時應對荷載應力與附加應力進行綜合考慮。通過規范可知，碎石墊層的彈性模量取值范圍為200~250 MPa，4%~7%的石灰土彈性模量取值范圍為200~350 MPa，通過對比分析，取墊層模量值為250 MPa。

5.1.2 基層厚度確定

基層的厚度對路面結構的影響程度較大。本文通過對厚度進行初步擬定，確定范圍為18~42 cm，然后，利用軟件ABAQUS進行建模，來獲得荷載在不利位置和正常位置的最大應力值和彎沉值，以及計算厚度增加4 cm，應力值和彎沉值的降低率。通過對模型進行分析可知，基層厚度由34 cm增加到38 cm時，最大應力值降低了8%~9%。通過對結果進行分析可知，基層厚度的取值應≥36 cm，根據施工條件可知，基層單層厚度控制在20 cm內，且鋪設分2層進行。因此，本文確定基層厚度為36 cm。

5.1.3 水泥混凝土面層確定

文章通過對溫度應力、荷載應力、沉降附加應力的組合值進行分析來確定面層的厚度，當組合值中不考慮沉降附加應力時，厚度值為25 cm時，能滿足設計要求。當差異沉降為11 cm時，面板厚度取值為28 cm，該值變化說明方案一的拼接方式中新舊路面結合較弱。

5.2 方案二

5.2.1 新舊路基連接

路面整體性能的提高可以有效降低荷載應力值，因此，本文采用的方式為：將原路面面板進行碎石化處理，然后加鋪碎石，最后將原路與擴建路同時進行鋪筑。通過對路面進行分析可知，該方案路面結構中最不利位置仍然出現在擴寬段。根據方案的設計方法對結構的應力值進行組合。

新舊路基在結合部位的拉應力取最大值時，沉降差為1 cm，拉應力數值達到0.459 3 MPa（見圖1），且該數值會隨著面層結構厚度的增加而降低，因此，新舊路基連續時，最大沉降差的范圍為3~5 cm。

圖1 最大拉應力圖

5.2.2 新舊路基不連接

當新舊路基之間不進行連接時，同樣進行組合設計，路面面層厚度取值為24 cm、26 cm、28 cm時，分析荷載應力、溫度翹曲應力、沉降附加應力的變化值。依據相關規范對分析值乘以系數，進行組合計算，從而獲得最大沉降值。將計算結果與新舊路基連接的計算結果對比發現：當路基連續、面板厚度為24 cm時，最大沉降為不連續時的2倍。附加應力為不連續時的3倍。

5.3 方案三

方案三是在方案一的基礎上進行參數調整得到，將方案一的擴寬寬度減少到原來的一半，同歸分析可知：擴寬的寬度減小，荷載的應力值大幅降低。因此，對疲勞應力進行計算時應選取舊路極限位置的數據。

5.4 方案四

該方案路基采用連接的方式，路面盡心整體鋪筑，對該結構進行模型建立來分析荷載應力、附加應力的變化情況。不同位置最大應力變化如圖2所示。

通過圖2可以分析出：結構面板厚度為22 cm時，最大拉應力和最大切應力數值變化較為明顯，隨后變化趨于平穩。通過與方案一中的荷載應力對比發現：面板厚度大于22 cm時，彎沉值大幅降低。該現象表明，當路面整體性能提高時，路面擴散荷載能力也提高，從而使荷載影響降低。

圖2 最大應力值變化圖

通過對應力值組合表明，整體鋪筑的方案會導致不均勻沉降，附加應力的大幅度增加，最大橫向拉應力顯著提高。因此，該方式的適合范圍為：新舊路基差異沉降＜3 cm，厚度的取值宜控制在22 cm。

6 結語

本文通過對市政道路改擴建的路面結構進行分析得出以下結論：

1）路面擴寬的方案有單側擴建、單側加鋪新路面、雙側擴建、挖除舊路、單側擴建新路面等。

2）改擴建路面存在的主要病害有：新舊路基變形不協調、新建路邊坡穩定性不足。主要治理措施有：選擇合理設計方案、加強施工質量管理與控制、加強后期養護。

3）通過對4種方案進行綜合分析可知，拓寬路段應增設墊層，模量取值應＞200 MPa，建議模量取值范圍為200~350 MPa，基層厚度應＞36 cm，建議厚度取值范圍為38~40 cm。