城市道路結(jié)合處沉降原因及處治措施

聶亞杰

(中交四航局一公司，吉林 長春 130000）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市道路的負(fù)荷越來越大，加之超載超限時(shí)有發(fā)生，我國城市道路路面，尤其是高等級(jí)瀝青混凝土新老路面結(jié)合處的早期損壞現(xiàn)象非常嚴(yán)重[1]。綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，當(dāng)前采用的道路設(shè)計(jì)理論分析方法主要有三種：ANSYS分析的有限元法、PLAXIS分析下的模型試驗(yàn)法和反分析法。本文針對(duì)城市道路結(jié)合處常見的損害和作用機(jī)理，分析了道路結(jié)合處不均勻沉降的原因；從地基、路基、路面三個(gè)方面出發(fā)，提出了防治城市道路結(jié)合處損害的方法；在保證結(jié)合處結(jié)構(gòu)承載力的前提下，利用ANSYS分析方法，分析了采用臺(tái)階開挖并鋪設(shè)土格柵模型的理論效果，為今后城市道路結(jié)合處的設(shè)計(jì)和損害處理提供了理論依據(jù)。

1 城市道路結(jié)合處常見損害

與高速公路結(jié)合處的損害相比，城市道路結(jié)合處產(chǎn)生的損害相對(duì)較輕且種類較少，一般可分為路面損害和不均勻沉降兩種[2]。路面損害主要表現(xiàn)為橫向裂縫，雨水沿縫隙滲入路基，會(huì)導(dǎo)致半剛性基層剛度下降，使瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力急劇增加，誘發(fā)混凝土層的剪切破壞，路基損害后在新老路面產(chǎn)生滑移[3]。不均勻沉降主要出現(xiàn)在軟土基結(jié)合處，嚴(yán)重的沉降還會(huì)使結(jié)合處出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，如果不及時(shí)處理就會(huì)產(chǎn)生板塊斷裂，使裂縫加劇。圖1為某路段結(jié)合處錯(cuò)臺(tái)。

圖1 某路段結(jié)合處錯(cuò)臺(tái)

經(jīng)過大量的調(diào)研和分析得出，路面損害產(chǎn)生的原因有以下幾點(diǎn)[4]。

（1）城市道路的里程一般較長，新老路段的路基地質(zhì)條件可能存在差異，地質(zhì)條件的差異導(dǎo)致結(jié)合處沉降差異。

（2）新老路段的修建時(shí)間、路基填料材質(zhì)和結(jié)構(gòu)層厚度不同。老路段長期受到車輛載荷作用，其壓實(shí)度已經(jīng)接近飽和，因此不會(huì)再發(fā)生大規(guī)模沉降，但新路段仍存在可塑性，當(dāng)其所受載荷作用達(dá)到一定時(shí)間后勢必發(fā)生大規(guī)模沉降；

（3）城市道路結(jié)合處往往是修建過程中最難處理的部位，若結(jié)合處的結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度達(dá)不到要求，就會(huì)產(chǎn)生橫向裂縫。施工過程中沒有將新路段壓實(shí)到位、填筑速率過快、沒有做好防水等也會(huì)導(dǎo)致差異性沉降。

（4）城市道路的車輛載荷往往較大，新老路段結(jié)合處在車輛的反復(fù)碾壓下，強(qiáng)度和剛度一直下降，引起路面損害；另外，路面出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)后增大了行車阻力，過往車輛會(huì)給錯(cuò)臺(tái)一個(gè)切向沖擊力，再次加劇對(duì)結(jié)合處的損害程度。

2 沉降分析及處置辦法

城市道路結(jié)合處沉降由地基自身重力沉降和車輛載荷附加應(yīng)力沉降兩部分組成，本文將建立二維路基模型（見圖2），采用有限元法對(duì)沉降進(jìn)行分析。建模前做以下幾個(gè)假設(shè)：

（1）地基與路堤接觸面連續(xù)并且沒有滑移；

（2）忽略沉降時(shí)間的影響，車輛載荷一經(jīng)施加即產(chǎn)生沉降；

（3）地基底面不存在豎直方向的變形，側(cè)面無水平方向的變形；

（4）認(rèn)為老路段沉降已經(jīng)形成，將新路段沉降量作為結(jié)合處沉降差異量大小。

圖2 有限元法計(jì)算模型

城市道路大修往往有工期緊張、施工場地有限、施工條件復(fù)雜等特點(diǎn)，從目前高速公路處理新老路段結(jié)合處的方法來看，城市道路結(jié)合處的地基處治辦法主要有：輕質(zhì)材料法、排水固結(jié)法、復(fù)合地基法等[5]。對(duì)于路基的不均勻沉降主要可采取以下幾項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施。

（1）在結(jié)合處開挖臺(tái)階，以便為新老路基提供更多的接觸面積，從而使沉降均勻化。圖3給出了新老路基臺(tái)階示意圖。

（2）提高新路基的填土壓實(shí)度，對(duì)于城市新老路段結(jié)合處，要采用大型機(jī)械進(jìn)行反復(fù)壓實(shí)，施工死角也要用小型機(jī)械填筑壓實(shí)，以降低交工后的沉降量。

（3）選用良好的填換材料。當(dāng)前，城市道路修建中使用的填換材料主要有輕質(zhì)填料和砂石填料兩種。輕質(zhì)材料通常是電站煤粉灰和石灰，其自身重力較小，且采用此種材料作為填料可以提高路基的強(qiáng)度。因此結(jié)合處要盡量采用煤粉灰摻和少量石灰作為填換材料。

圖3 新老路基臺(tái)階示意圖

以某城市道路結(jié)合處為研究對(duì)象，該道路寬7m，取結(jié)合處長度為10m，底層高度為0.8m，中間層高度為1.6m，上層高度為2.4m，臺(tái)階開挖高度為0.8m，長度為2m，坡度取1∶2.5。表1給出了此道路的地基土種類和路堤填料的參數(shù)。

表1 路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)

3 鋪設(shè)土工格柵的有限元分析

土工格柵是一種經(jīng)強(qiáng)力焊接形成的三維強(qiáng)化HDPE材料，具有質(zhì)量輕、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、使用壽命長、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種不良地質(zhì)。以TGGS300—500型土工格柵為例，其格室高度為300mm，板材抗拉強(qiáng)度為500MPa，延伸率小于3%，接點(diǎn)強(qiáng)度大于15kN/m。大量研究證明，土工格柵受到的拉力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度，即其形變?nèi)栽趶椥苑秶畠?nèi)。在上述研究路段結(jié)合處的老路段路基處鋪設(shè)2m寬的土工格柵，新路段路基鋪設(shè)1m寬的土工格柵。利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元法分析，圖4為新老路段結(jié)合處不鋪設(shè)土工格柵的位移圖，圖5為中間層和上層均加裝土工格柵的位移圖。

圖4 新老路段結(jié)合處不鋪設(shè)土工格柵時(shí)的位移圖

圖5 中間層和上層均鋪設(shè)土工格柵時(shí)的位移圖

對(duì)比圖4和圖5可以看出，鋪設(shè)土工格柵確實(shí)可以減小沉降量。中間層和上層均鋪設(shè)土工格柵比不鋪設(shè)土工格柵的位移量減小了48%，可見在中間層和上層均鋪設(shè)土工格柵效果明顯。

4 結(jié)語

以城市道路結(jié)合處沉降為研究對(duì)象，分析了道路結(jié)合處不均勻沉降的原因主要為地質(zhì)、材料、壓實(shí)度等方面的差異；從地基、路基、路面三個(gè)方面出發(fā)，提出了防治城市道路結(jié)合處損害的方法：在結(jié)合處開挖臺(tái)階，提高新路基的填土壓實(shí)度，選用煤粉灰摻和少量石灰作為填換材料。利用有限元分析軟件，在保證結(jié)合處結(jié)構(gòu)承載力的情況下，分析了采用臺(tái)階開挖并鋪設(shè)土工格柵模型的理論效果，得出了在中間層和上層均鋪設(shè)土工格柵效果明顯的結(jié)論。希望為今后城市道路結(jié)合處的設(shè)計(jì)和損害處理提供參考。

[1]JTJ F033—2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 劉倩倩.城市道路新老路基路面結(jié)合處差異沉降處治技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 張永清.山區(qū)高速公路路基差異沉降特性與控制措施研究[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[4] 王雪冬.高等級(jí)公路改擴(kuò)建新舊路基路面結(jié)合部處治技術(shù)研究——以京藏高速公路呼包段改擴(kuò)建工程為實(shí)例[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 丁良躍，陳強(qiáng).玻璃纖維土工格柵加筋瀝青路面結(jié)構(gòu)分析[J].中國市政工程，2009（1）：16-18.