淺談改擴建路基路面設(shè)計優(yōu)化研究

馮凌

摘要 為了提升改擴建公路設(shè)計水平，文章以某地方公路工程為研究對象，闡述了路基擴寬后不均勻沉降的控制要點，并對新地基加固參數(shù)進行優(yōu)化，同時從路面結(jié)構(gòu)、路面排水兩方面探討了路面拼接的優(yōu)化方法，研究成果可為類似的公路改擴建設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 改擴建；不均勻沉降；路面拼接；設(shè)計優(yōu)化；工程實例

中圖分類號 U416.02文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0117-03

0 引言

隨著經(jīng)濟快速增長，公路建設(shè)里程逐年增加，交通量也越來越大。原有的公路因交通規(guī)劃、投資金額、設(shè)計思路、施工技術(shù)等方面的限制，經(jīng)過長時間運營后出現(xiàn)裂縫、車轍、坑槽等病害，影響了行車安全性和舒適性。為了提高公路的通行能力和服務(wù)水平，需對公路進行改擴建處理，否則可能導(dǎo)致交通擁堵現(xiàn)象頻發(fā)，甚至造成嚴重的安全事故。路基路面工程是公路改擴建工程的主體工程，其設(shè)計質(zhì)量會直接影響工程造價及公路建設(shè)水平[1]。因此，進一步研究改擴建路基路面設(shè)計優(yōu)化方法具有重要的工程意義。

1 工程概況及拼寬方式選擇

1.1 項目現(xiàn)狀

該文研究對象為公路工程，原設(shè)計速度為80 km/h，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為一級公路、雙向四車道，設(shè)計荷載為公路I級，路基寬25.5 m，路面為瀝青混凝土路面，厚68 cm，路面結(jié)構(gòu)組合為4 cm細粒式AC-13C+5 cm中粒式AC-20C+7 cm細粒式AC-25+18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm石灰土基層。經(jīng)過長時間運營和交通量的增加，公路的通行能力和服務(wù)水平下降，擬對路基路面進行改擴建。

1.2 自然環(huán)境

公路所在位置屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，多年平均降雨量在768～853.3 mm，且以短時強降雨為主。由地勘資料可知，公路沿線地勢平臺，地基土從上至下分別為粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土，不同土體的物理力學(xué)參數(shù)如下：粉土容重17.3 kN/m³、黏聚力15.8 kPa、內(nèi)摩擦角18.6°；粉砂容重19.5 kN/m³、黏聚力20.5 kPa、內(nèi)摩擦角22.7°；粉質(zhì)黏土容重19.5 kN/m³、黏聚力25 kPa、內(nèi)摩擦角27°。

1.3 拼寬方式選擇

目前，公路工程改擴建方案有整體拼寬和新建分離兩類[2]。整體拼寬又分為單側(cè)拼寬、雙側(cè)拼寬等方案，其中新建分離就是新建一條與老路并行的路，施工簡單、對舊路交通擾動小，但造價高；單側(cè)拼寬是在公路一側(cè)的拆遷征地受到限制時使用，只對公路一側(cè)拼寬可增大施工作業(yè)面，便于施工質(zhì)量控制，但道路中線改變，需將中央分隔帶拆除重建；雙側(cè)拼寬是在公路兩側(cè)對稱拼寬，不均勻沉降控制效果好，且道路中心線基本不變，不需拆除中央分隔帶，但施工作業(yè)面狹窄。綜合考慮施工成本、施工質(zhì)量及現(xiàn)場征拆情況，該項目擬采用單側(cè)拼寬方案，在公路右兩側(cè)拼寬兩個車道，將四車道路基路面改建成6車道，如圖1所示。

2 改擴建路基工程優(yōu)化設(shè)計要點

2.1 改擴建路基需解決的關(guān)鍵問題

由圖1可知：公路路基擴寬后由舊路堤、舊地基、新路堤、新地基四部分組成，不同部分的沉降變形特點差異明顯。公路經(jīng)過長期使用，舊路堤和舊地基的沉降可認為已經(jīng)完成。但路基擴寬后，新填筑土體的重力會在舊地基和新地基下方產(chǎn)生附加應(yīng)力，但新地基下的附加應(yīng)力大于舊地基，故新舊路基之間的沉降是不均勻的。如果新舊路基之間的不均勻沉降過大，容易造成加寬路基失穩(wěn)或路面大面積損壞。因此，路基擴寬的關(guān)鍵是控制新舊路基之間的不均勻沉降，即減小新地基下的沉降量。

2.2 不均勻沉降控制要點分析

根據(jù)相關(guān)研究成果，路基沉降由路堤填料自身壓縮和地基土沉降兩部分組成，故設(shè)計人員可從路堤填料壓實和地基土加固兩方面來控制新舊路基不均勻沉降。

2.2.1 路堤壓實

改擴建公路的新路基填料最大粒徑、CBR等物理力學(xué)性能參數(shù)宜與老路基保持一致。路基填料選定后要控制其壓實度滿足設(shè)計文件要求，設(shè)計文件未明確時，可參考現(xiàn)行規(guī)范。該項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為一級公路，根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015），其填料壓實度應(yīng)滿足：上路床（0～0.3 m）≥96%、下路床（0.3～0.8 m）≥96%、上路堤（0.8～1.5 m）≥96%、下路床（＞1.5 m）≥96%。對于填土較高的路基，可分層補壓，補壓后的壓實度可比上述壓實標(biāo)準(zhǔn)提高1%～2%[3]。

大量工程實踐表明，擴寬路基的壓實度主要取決于壓實寬度和壓實遍數(shù)。為了保證壓實質(zhì)量，路基要進行超寬30 cm填筑，不得“貼坡”處理。同時，路基壓實遍數(shù)不宜過多或過少。壓實遍數(shù)較小，壓實度不滿足設(shè)計要求。反之，對路基壓實度的提升幅度較小，經(jīng)濟性差。該文基于試驗段數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了不同壓實遍數(shù)下的路基壓實度，試驗結(jié)果見圖2。

圖2試驗結(jié)果表明，新填筑路基的壓實度會隨著壓實遍數(shù)的增加而增加，但增加速率逐漸變小。壓實遍數(shù)為5遍、10遍、15遍、20遍、25遍、30遍時，路基壓實度分別為81%、88%、93%、96%、97%、97.5%。以路基壓實5遍所對應(yīng)的壓實度為基準(zhǔn)，壓實度增長值分別為7%、5%、1%、0.5%。當(dāng)路基壓實遍數(shù)小于20，壓實度快速增加；當(dāng)壓實遍數(shù)超過20，壓實度變化趨勢較小。由此可知，擴寬路基在壓實期間，不可過分提高壓實遍數(shù)。

2.2.2 一般地基處理

對于一般地基，擴寬路基在填筑前要先對地基進行清表，清表厚度宜結(jié)合現(xiàn)場情況取20 cm或30 cm。由《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）可知，基底壓實度不宜小于90%，可用沖擊壓路機進行壓實。為了保證壓實質(zhì)量，壓實寬度要超出坡腳之外至少1 m。如果路基距離建筑物、管線等較近，可開挖減震溝以減小地基碾壓能量對建筑物、管線等的影響。

2.2.3 特殊地基處理

對于軟弱土路段，為了減小新舊路基之間的不均勻沉降，可采用換填法、強夯法、水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁等方法對新地基進行處理，具體處理方法應(yīng)綜合考慮地質(zhì)情況、地材分布、工期、造價等因素選擇。

（1）換填法：將新地基下方承載力差的軟弱土挖除，回填強度高的粗粒料，適用于軟弱土厚度較薄（小于3 m）的路段，具體施工步驟如下：清表→挖除軟弱土→回填粗粒→分層壓實→檢測驗收。換填法要結(jié)合地勘單位所提供的地質(zhì)縱斷面圖確定換填厚度，確保換填厚度≥軟弱土厚度，并明確待回填粗集料的最大粒徑、抗壓強度等，不得盲目參考其他項目的設(shè)計參數(shù)。

（2）強夯法：將夯錘提升到某一高度后自由下落，利用夯錘沖擊力加固軟弱土，提高其承載能力。由《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D300—2015）可知，強夯法對軟弱土地基的有效加固深度d可通過試夯或公式（1）計算：

水泥攪拌樁；利用專用設(shè)備將水泥粉體或漿液注入軟弱土中，形成樁體和復(fù)合地基。根據(jù)施工工藝不同，水泥攪拌樁包括粉噴樁和高壓旋噴樁兩類。粉噴樁施工時要安排專門人員記錄樁體噴粉量，當(dāng)實際噴粉量＜設(shè)計值，可整樁復(fù)打；同時，高壓旋噴樁則重點關(guān)注水泥漿液的配合比、放置時間、噴漿速等。

（3）預(yù)應(yīng)力混凝土管樁：根據(jù)抗彎性能不同，可將管樁劃分成A型、AB型、B型、C型，對應(yīng)的有效預(yù)應(yīng)力是4.0 MPa、5.0 MPa、8.0 MPa、10.0 MPa。管樁的樁長要穿透軟弱土層至少1 m，樁間距需根據(jù)路基工后沉降確定，宜取2.5～3.0 m。同時，為了增強樁體作用，可在樁頂設(shè)一層30～50 cm的碎石或砂礫墊層[4]。需注意，管樁不需驗算復(fù)合地基承載力，只需驗算單樁豎向承載力設(shè)計值R。

2.3 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析

2.3.1 未加固前新舊路基沉降變化規(guī)律

該文利用有限元軟件ABAQUS建立計算模型，分析了該公路拼寬后各監(jiān)測點的沉降，計算步驟如下：將CAD圖紙導(dǎo)入ABAQUS軟件中建立模型→輸入路基及地基土的計算參數(shù)→初始地應(yīng)力（彈性求解法、彈塑性求解法）→輸入模型所受荷載→定義模型邊界條件（底部約束x、y、z方向的位移，左、右兩側(cè)約束x方向位移，路基頂面不約束）→模型網(wǎng)格劃分（采用C3D8RP單元，網(wǎng)格尺寸取0.5 m）→沉降計算→導(dǎo)出計算結(jié)果[5]，見表1。

由表1可知：距離老路中心越遠，新舊路基差異沉降越大，但變化速率逐漸變慢。當(dāng)距老路中心＜12 m，不均勻沉降增加較快；當(dāng)距老路中心≥12 m，不均勻沉降變化不明顯，此外，新舊路基最大不均勻沉降大概出現(xiàn)在新填筑路基的中心位置，達到了5.2 cm。

2.3.2 水泥攪拌樁加固參數(shù)優(yōu)化

由前述可知，新舊路基之間的不均勻沉降過大，擬采用水泥攪拌樁進行加固處理，水泥攪拌樁原設(shè)計參數(shù)如下：樁徑0.5 m、樁長10 m、樁間距1.5 m，梅花形布樁。隨后，擬利用ABAQUS軟件對水泥攪拌樁樁長進行優(yōu)化設(shè)計，計算了樁長為6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m時新舊路基的最大不均勻沉降值，如圖3所示。

圖3計算結(jié)果表明：隨著樁長的增加，新舊路基之間的不均勻沉降逐漸減小。當(dāng)樁長從6 m增加至12 m，新舊路基之間的不均勻沉降分別減小了1.1 cm、1.0 cm、0.3 cm、0.2 cm、0.1 cm、0.1 cm。如果以新舊路基不均勻沉降≤4 cm為控制標(biāo)準(zhǔn)，水泥攪拌樁樁長取8 m，即單根水泥攪拌樁的樁長優(yōu)化2 m，可大幅度地減小工程造價。

3 改擴建路面工程優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)

改擴建公路的路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化可從兩個方面著手[6]：一方面，優(yōu)化路面厚度。即將公路交通量調(diào)查數(shù)據(jù)換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載，利用HPDS軟件計算不同路面結(jié)構(gòu)度厚度下路面的層底拉應(yīng)力，以優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)層厚度；另一方面，改擴建公路的路面拼接前要先分層開挖臺階，再回填路面材料。此時，可優(yōu)化臺階開挖寬度，以減小路面銑刨工程量。

3.2 優(yōu)化路面排水

改擴建公路的新舊路面拼接位置容易產(chǎn)生排水不暢問題，使雨水在路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部積聚，此時可設(shè)置路面內(nèi)部排水系統(tǒng)，以盡快滲進路面內(nèi)部的雨水排出到公路用地界外。結(jié)合類似項目經(jīng)驗，可在舊路邊緣設(shè)置1道縱向碎石盲溝，并每隔10～20 m設(shè)置一道橫向排水管，將碎石盲溝的雨水排出路基范圍以外。在降雨量較大的區(qū)域，可在新建路面下鋪一層排水墊層。

4 結(jié)論

該文依托某地方公路改擴建工程，分析了拓寬路基的不均勻沉降控制要點及擴寬路面的拼接、排水方法，得到了以下幾個結(jié)論：

（1）公路改擴建方案有新建分離、單側(cè)拼寬、雙側(cè)拼寬等，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合項目實際情況科學(xué)選擇。

（2）擴寬路基優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵是控制路基壓實度、選擇經(jīng)濟合理的地基處理方法，以降低工程造價。

（3）改擴建公路的路面受力復(fù)雜，設(shè)計時應(yīng)分層開挖臺階拼接，優(yōu)化設(shè)計厚度，并在新舊路面結(jié)合處設(shè)置路面內(nèi)部排水系統(tǒng)，以快速將雨水排出到公路用地界外。

參考文獻

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