淺談改擴(kuò)建路基路面設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

馮凌

摘要 為了提升改擴(kuò)建公路設(shè)計(jì)水平，文章以某地方公路工程為研究對象，闡述了路基擴(kuò)寬后不均勻沉降的控制要點(diǎn)，并對新地基加固參數(shù)進(jìn)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(kuò)建設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 改擴(kuò)建；不均勻沉降；路面拼接；設(shè)計(jì)優(yōu)化；工程實(shí)例

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

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)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(jì)思路、施工技術(shù)等方面的限制，經(jīng)過長時間運(yùn)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(jìn)行改擴(kuò)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(yán)重的安全事故。路基路面工程是公路改擴(kuò)建工程的主體工程，其設(shè)計(jì)質(zhì)量會直接影響工程造價(jià)及公路建設(shè)水平[1]。因此，進(jìn)一步研究改擴(kuò)建路基路面設(shè)計(jì)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(xiàng)目現(xiàn)狀

該文研究對象為公路工程，原設(shè)計(jì)速度為80 km/h，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為一級公路、雙向四車道，設(shè)計(jì)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(xì)粒式AC-13C+5 cm中粒式AC-20C+7 cm細(xì)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(yùn)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(jìn)行改擴(kuò)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(qiáng)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(kuò)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(jià)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(xiàng)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(kuò)建路基工程優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 改擴(kuò)建路基需解決的關(guān)鍵問題

由圖1可知：公路路基擴(kuò)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(diǎn)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(rèn)為已經(jīng)完成。但路基擴(kuò)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(kuò)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(diǎn)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(jì)人員可從路堤填料壓實(shí)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(shí)

改擴(kuò)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(shí)度滿足設(shè)計(jì)文件要求，設(shè)計(jì)文件未明確時，可參考現(xiàn)行規(guī)范。該項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為一級公路，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015），其填料壓實(shí)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(bǔ)壓，補(bǔ)壓后的壓實(shí)度可比上述壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)提高1%～2%[3]。

大量工程實(shí)踐表明，擴(kuò)寬路基的壓實(shí)度主要取決于壓實(shí)寬度和壓實(shí)遍數(shù)。為了保證壓實(shí)質(zhì)量，路基要進(jìn)行超寬30 cm填筑，不得“貼坡”處理。同時，路基壓實(shí)遍數(shù)不宜過多或過少。壓實(shí)遍數(shù)較小，壓實(shí)度不滿足設(shè)計(jì)要求。反之，對路基壓實(shí)度的提升幅度較小，經(jīng)濟(jì)性差。該文基于試驗(yàn)段數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了不同壓實(shí)遍數(shù)下的路基壓實(shí)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

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

2.2.2 一般地基處理

對于一般地基，擴(kuò)寬路基在填筑前要先對地基進(jìn)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(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）可知，基底壓實(shí)度不宜小于90%，可用沖擊壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)。為了保證壓實(shí)質(zhì)量，壓實(shí)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(qiáng)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(jìn)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(jià)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(qiáng)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(shí)→檢測驗(yàn)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(qiáng)度等，不得盲目參考其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)。

（2）強(qiáng)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(jì)規(guī)范》（JTG D300—2015）可知，強(qiáng)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(jì)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(shí)際噴粉量＜設(shè)計(jì)值，可整樁復(fù)打；同時，高壓旋噴樁則重點(diǎn)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(qiáng)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(yàn)算復(fù)合地基承載力，只需驗(yàn)算單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值R。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)算模型，分析了該公路拼寬后各監(jiān)測點(diǎn)的沉降，計(jì)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(jì)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(jì)算→導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果[5]，見表1。

由表1可知：距離老路中心越遠(yuǎn)，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(dá)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(jìn)行加固處理，水泥攪拌樁原設(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)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(jì)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(jià)。

3 改擴(kuò)建路面工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)

改擴(kuò)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(jì)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(kuò)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(kuò)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(jìn)路面內(nèi)部的雨水排出到公路用地界外。結(jié)合類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，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(kuò)建工程，分析了拓寬路基的不均勻沉降控制要點(diǎn)及擴(kuò)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(kuò)建方案有新建分離、單側(cè)拼寬、雙側(cè)拼寬等，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況科學(xué)選擇。

（2）擴(kuò)寬路基優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是控制路基壓實(shí)度、選擇經(jīng)濟(jì)合理的地基處理方法，以降低工程造價(jià)。

（3）改擴(kuò)建公路的路面受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)時應(yīng)分層開挖臺階拼接，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(xiàn)

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