舊路加寬綜合處治方案設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)考慮

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　隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通運(yùn)量迅猛增長，既有公路、城市道路等舊路加寬加鋪改造工程也隨著大量的付諸實(shí)施。對舊路進(jìn)行加寬加鋪改造時要特別注意：①新舊路基間的不均勻沉降以及新路基的塑性累積變形對路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，②新舊路基間的剛度差異對路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，③面層反射裂縫的防治等。為此，在舊路加寬改造工程的實(shí)施之前必須進(jìn)行先期的方案試驗(yàn)研究。通?？刹捎密浫醯鼗幚?、基底清淤換填、舊路路堤臺階開挖、土工合成材料加筋墊層和加筋土路堤、土工織物防滲和排水、改良土高強(qiáng)路堤和輕質(zhì)路堤、鋪設(shè)土工合成材料防裂層或增大加鋪層厚度等工程技術(shù)措施。本文結(jié)合大齊（大慶～齊齊哈爾）公路加寬改造工程的實(shí)施，提出舊路加寬綜合處治方案設(shè)計(jì)時的幾點(diǎn)考慮。

　　1. 大齊試驗(yàn)路路基加寬方案設(shè)計(jì)的比選

　　1.1 大齊試驗(yàn)路的基本概況

　　大齊公路位于黑龍江省西部松嫩平原301國道中段，屬于我國東北凍融交替區(qū)，春季干旱風(fēng)大，夏季短促多雨，秋季低溫早霜。大齊路沿線地勢平坦，草原、濕地和沼澤約占全線總長的20%.其地質(zhì)條件主要屬于第四紀(jì)沉積層，地表土多為粉質(zhì)中液限黏土和中液限黏土、并間有弱堿性鹽漬土的交錯分布，其下為圓礫土、砂礫土和粉質(zhì)黏土。地表排水不良，土壤含水量較大，對路基的穩(wěn)定性與工程施工均有較大的影響。

　　1.2 大齊試驗(yàn)路路基加寬方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)大齊路現(xiàn)有路況、水文地質(zhì)條件和可用的地方材料，綜合考慮各種因素對路基剛度差異、不均勻沉降、側(cè)向滑移和防水防滲的影響。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，分別在單側(cè)和雙側(cè)加寬地段各選擇了一個試驗(yàn)路段，共設(shè)計(jì)了7種方案進(jìn)行試驗(yàn)研究。其中，單側(cè)加寬試驗(yàn)路位于K74+600～K74+900，共3種方案；雙側(cè)加寬試驗(yàn)路位于K96+100～K96+400，共4種方案。

　　1.2.1 基本處治措施

　?、?基底清淤與換填

　　舊路修筑時因就地取土而在路基邊坡外側(cè)形成了沿路線走向約1.5m深的積水溝，溝底堆積了大量的淤泥。因此，必須徹底清除邊溝內(nèi)的淤泥以提高路基基底強(qiáng)度，減小由此而造成的新舊路基間的不均勻沉降。邊溝清淤后換填天然砂礫，砂礫層頂面需高出常水位20cm以上，并在其上設(shè)置3%的橫向排水坡以利排水。

　?、?臺階開挖與構(gòu)筑

　　為增加新舊路基的整體穩(wěn)定性，在填筑前須先將舊路路基邊坡面開挖成臺階狀。單側(cè)加寬部分第一級臺階寬350cm，高100cm，其上三級臺階的寬×高均為150cm×100cm.雙側(cè)加寬部分均開挖成寬120cm，高分別為120cm、80cm、80cm的三級臺階。

　　1.2.2 舊路路基單側(cè)加寬方案

　　方案一（S1）：二灰填筑方案，即：基底換填天然砂礫+土工網(wǎng)+天然砂礫+粉質(zhì)土+土工網(wǎng)+粉質(zhì)土+二灰。

　　在路基頂面以下1.0m范圍內(nèi)采用粉煤灰∶熟石灰=0.9∶0.1（質(zhì)量比）的比例均勻拌和后填筑，以構(gòu)成輕質(zhì)路堤。二灰作為輕質(zhì)路堤填料具有很好的工程性質(zhì)：其后期強(qiáng)度高、整體穩(wěn)定性好，能夠有效地減小新舊路基間的剛度差；其自重荷載小，能有效地減小路堤因自重荷載作用而產(chǎn)生的壓縮變形，對確保路基的容許工后沉降非常有利。

　　方案二（S2）：三層土工網(wǎng)方案，即：基底換填天然砂礫+土工網(wǎng)+天然砂礫+粉質(zhì)土+土工網(wǎng)+粉質(zhì)土+土工網(wǎng)+粉質(zhì)土。

　　土工合成材料（本試驗(yàn)路用土工網(wǎng)）加筋路堤不僅可以增強(qiáng)新舊路基間的整體穩(wěn)定性，而且還可以使新加寬路基的強(qiáng)度和剛度得到很大的提高，從而可有效地減小新舊路基間的剛度差異。土工合成材料還具有減小新加寬路基的不均勻沉降和側(cè)向位移的作用，從而使得路基橫斷面上的沉降趨于均勻。

　　方案三（S3）：兩層土工網(wǎng)方案，即：基底換填天然砂礫+土工網(wǎng)+天然砂礫+粉質(zhì)土+土工網(wǎng)+粉質(zhì)土。

　　根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)路堤填方高度低于4.0m時，在新加寬路基中可只鋪設(shè)2層土工網(wǎng)。但考慮到行車荷載在新舊路基結(jié)合部的局部荷載作用和路基頂部可能產(chǎn)生的滑動對路面的剪切作用，故在S2方案中鋪設(shè)了3層土工網(wǎng)以進(jìn)行對比試驗(yàn)。

　　1.2.3 舊路路基雙側(cè)加寬方案

　　方案一（D1）：粉質(zhì)土填筑方案，即：基底換填天然砂礫+粉質(zhì)土+不透水土工布+粉質(zhì)土+不透水土工布。

　　在粉質(zhì)土路堤的內(nèi)部和頂面各鋪設(shè)一層不透水土工布，可起加筋和隔離防滲的作用。由于不透水土工布的加筋作用可增強(qiáng)新舊路基間的整體穩(wěn)定性好，減小路基的不均勻沉降；由于不透水土工布的隔離防滲作用，可防止墊層砂礫料的陷入，并能防止雨水浸入對路基的破壞，同時也可在一定的程度上減少路堤自身的壓縮變形。

　　方案二（D2）：粉煤灰填筑方案，即：基底換填天然砂礫+粉煤灰+二灰+不透水土工布。

　　D2方案的地質(zhì)條件相對較差，采用粉煤灰+二灰的輕質(zhì)填料填筑路堤，不僅可以降低新路堤自重，減小路堤的壓縮變形，而且還可以提高新路堤的強(qiáng)度和剛度，并可減小路基在行車荷載作用下的塑性累積變形。輕質(zhì)填料路堤同時起到了減小新舊路基間剛度差異和不均勻沉降的作用，從理論分析和工程實(shí)踐上來看，是舊路加寬方案中較為理想的一種綜合處治措施。

　　方案三（D3）：砂礫填筑方案，即：自基底換填至整個路堤全填天然砂礫。

　　由于天然砂礫的滲水性填料，可以很好地將浸入路堤中的雨水排出，同時天然砂礫也具有很高的強(qiáng)度和剛度，有利于減小新舊路基間的剛度差，并可減小路基在行車荷載作用下的塑性累積變形。但天然砂礫由于自重較大，使得地基和路堤可能在自重荷載作用下產(chǎn)生較大的沉降和壓縮變形，從而造成新舊路基間較大的不均勻沉降。

　　方案四（D4）：二灰填筑方案，即：基底換填天然砂礫+粉質(zhì)土+二灰+不透水土工布。

　　D4方案的地質(zhì)條件相對較好，采用粉質(zhì)土+二灰的半輕質(zhì)路堤，可使高新路堤的強(qiáng)度和剛度得到部分提高，并能減小一部分路堤的壓縮變形和塑性累積變形，可作為與其它加寬處治方案的對比試驗(yàn)。

　　2. 舊路加寬的地基沉降與路基穩(wěn)定性分析

　　在舊路加寬改造中，地基沉降和路基穩(wěn)定性分析無疑是非常重要的。沉降的處理就是在路基施工過程中加速因新修路基而引起的地基沉降，或者采取有效措施控制路基由于剪切變形而產(chǎn)生的側(cè)向位移，從而減小路基的工后沉降。對于穩(wěn)定性的處理則必須增大新修路堤及地基的強(qiáng)度，提高其抗剪切變形的能力。

　　由均質(zhì)粘性土填筑的路堤的穩(wěn)定性根據(jù)Fellenius滑動圓弧法進(jìn)行分析，路堤坍塌破壞時，其滑動面為一曲面，假定其為圓弧形，圓弧滑動面的位置用4.5H法確定。土工合成材料的加筋作用按在常規(guī)的圓弧穩(wěn)定分析方法中增加一個拉力的辦法進(jìn)行考慮，把加筋力作為水平力施加于滑動土體，來計(jì)算其穩(wěn)定性和確定加筋層數(shù)。

　　在舊路加寬改造工程中，由于新舊路基的固結(jié)程度不同，將會導(dǎo)致路基的橫向不均勻沉降，從而造成路面的開裂破壞。因此，必須準(zhǔn)確掌握加寬路基的最終沉降量及固結(jié)度，并驗(yàn)算其剩余沉降量是否滿足工后沉降量的要求。在沉降分析中，可假定舊路路基下的地基已趨于完全固結(jié)，采用分層總和法計(jì)算新加寬部分路基的地基總沉降量。

　　3. 舊路加寬的路基土壓縮變形分析

　　路基土在其自重和路面結(jié)構(gòu)等靜荷載作用下的變形主要表現(xiàn)為土體的壓縮變形，可通過室內(nèi)試驗(yàn)測定土的相應(yīng)變形指標(biāo)，選取適宜的力學(xué)模型采用有限元法分析路基土的應(yīng)力狀態(tài)，從而得到路基與地基的總變形量、不均勻變形量、不均勻變形范圍以及變形與時間的變化關(guān)系等控制指標(biāo)。

　　在路基土壓縮變形的有限元法分析中，將新填筑的路基土視為彈塑性材料，采用鄧肯非線性模型。而將舊路路基視為彈性材料，將土工織物視為線彈性材料，按平面應(yīng)變問題求解。其中，路基和地基采用平面四邊形等參單元、土工織物采用接觸面單元、路面結(jié)構(gòu)層采用彈性梁單元進(jìn)行模擬，假定土工織物與土體的界面間無相對位移，采用如此所示的有限元分析模型。

　　4. 路基土在行車荷載作用下塑性累積變形的探索分析

　　路基土作為一種非線性彈-塑性變形體，在行車荷載作用下除產(chǎn)生彈性變形外，還會產(chǎn)生部分不可恢復(fù)的塑性變形。塑性變形會隨著行車荷載作用而逐漸累積，在行車道中央輪跡帶范圍內(nèi)的路基土所承受的荷載較大，荷載作用次數(shù)也較多，因此產(chǎn)生的塑性累積變形也較其它位置要大，從而導(dǎo)致路基的不均勻變形。

　　路基土塑性累積變形可采用如下的計(jì)算方法：①沿深度方向?qū)⒙坊羷澐譃槿舾蓚€子層，運(yùn)用三變量塑性應(yīng)變方程分別計(jì)算各個子層的塑性應(yīng)變；②根據(jù)路基土某一子層塑性應(yīng)變的大小和厚度得出該層的塑性變形；③采用分層總和法將不同深度處各子層的塑性變形累加得到路基土頂面某一點(diǎn)處的塑性累積變形；④綜合考慮水平方向不同位置荷載在同一計(jì)算點(diǎn)所引起的塑性變形的疊加，得出路基土頂面某一點(diǎn)的最終塑性累積變形。

　　因此，可采用如下的計(jì)算公式進(jìn)行路基土的塑性累積變形的分析。

　　δp=∑δjp =∑∑εijphI=∑∑a（σijd/σis）m（Nl˙fj）bhi （i=1，2，…n； j=1，2，…p）

　　式中：δp——計(jì)算點(diǎn)處路基頂面總的塑性累積變形；

　　fj——第j個軸載作用位置，fj代表軸載在該位置出現(xiàn)的概率，共有p個作用位置；

　　δjp——第j個作用位置處的軸載在計(jì)算點(diǎn)處產(chǎn)生的塑性累積變形；

　　i——第i個計(jì)算子層，hI代表該子層的厚度，σis代表該子層土的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，共分n個子層；

　　εijp——處于j位置的軸載在第i個計(jì)算子層內(nèi)產(chǎn)生的平均塑性應(yīng)變；

　　σijd——處于j位置的軸載在第i個計(jì)算子層內(nèi)產(chǎn)生的平均偏應(yīng)力；

　　Ni——代表第l個車道累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)；

　　a，m，b——回歸系數(shù)，稱為永久變形參數(shù)。

　　計(jì)算深度取決于容許誤差的大小，可通過控制應(yīng)力比（σd/σs）的衰減程度來確定。如可采用應(yīng)力比（σd/σs）的衰減至10%時的深度作為計(jì)算深度。如果取固定的計(jì)算深度和等層厚可使計(jì)算得到簡化經(jīng)過這樣處理得出的計(jì)算結(jié)果仍能夠滿足要求。

　　5. 舊路加寬試驗(yàn)路的觀測測試

　　在舊路加寬改造工程中需進(jìn)行必要的現(xiàn)場觀測測試，以便掌握地基和路基的沉降與變形，以及路基土體內(nèi)應(yīng)力狀況。在試驗(yàn)路單側(cè)加寬段的每個橫斷面均埋設(shè)了6對沉降板和土壓力盒，雙側(cè)加寬段各埋設(shè)了5對沉降板和土壓力盒。

　　沉降板的埋設(shè)位置是根據(jù)觀測總沉降量、分層沉降量和橫向不均勻沉降的要求來確定的。埋設(shè)在天然原地面的沉降板主要用來測量地基的沉降量；埋設(shè)在加寬路基不同高度上的沉降板，主要用來測量新路基自身的分層沉降量；埋設(shè)在新路基橫斷面表層不同位置的沉降板，主要用來測量新路基表層的橫向不均勻沉降。

　　土壓力盒均埋設(shè)在沉降板的一側(cè)，可用來了解在路堤填筑過程中及路堤填筑完成后的土壓力變化狀況、沉降與土壓力間的相互關(guān)系等。

　　6. 結(jié)束語

　?、?舊路加寬處治的方案很多，各種方案都具其自身的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。在進(jìn)行具體的方案設(shè)計(jì)時，要對各種方案進(jìn)行充分的研究，然后綜合考慮具體工程的地質(zhì)條件、道路等級標(biāo)準(zhǔn)和使用要求、現(xiàn)場施工條件，以及對周圍環(huán)境的影響等因素，選擇最適宜的方案。

　?、?理論分析計(jì)算可為方案設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。地基沉降和路基的穩(wěn)定性分析，以及路基土的總變形量、不均勻變形量、不均勻變形范圍等的分析計(jì)算，可為方案設(shè)計(jì)提供有效的參考指標(biāo)。

　　⑶ 目前，大齊路尚未開放交通，所采用的加寬處治方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果有待證實(shí)。