新老路基結(jié)合部處治技術(shù)

1、新老路基結(jié)合部處治技術(shù)摘要：我國已進入道路改擴建的高峰期，路基拓寬、新老路基結(jié)合面臨諸多技術(shù)難題。本項目通過多種技術(shù)手段相結(jié)合的方法，對路基拓寬工程的技術(shù)特征和工程問題、新老路基不協(xié)調(diào)變形的特點、計算方法及對路面結(jié)構(gòu)的影響、拓寬路基的設(shè)計理論和方法、新老路基結(jié)合部處治的原理、方法和施工技術(shù)進行了深入系統(tǒng)的研究，總結(jié)了路基拓寬工程中新老路基結(jié)合的主要方式及其分類方法、常見病害及其成因機理，提出了新老路基不協(xié)調(diào)變形的計算方法，揭示了新老路基不協(xié)調(diào)變形的特征規(guī)律、路面結(jié)構(gòu)對路基不協(xié)調(diào)變形的力學(xué)響應(yīng)及損壞模式。表明，新老路基不協(xié)調(diào)變形是路基拓寬工程常見病害的根源，基層頂面開裂是拓寬道路特有的損壞模式。

2、在此基礎(chǔ)上，建立了基于不協(xié)調(diào)變形控制的路基拓寬設(shè)計理論和方法，系統(tǒng)地提出了不同條件下新老路基結(jié)合部的處治技術(shù)及其施工控制，并在重慶、陜西、上海等三地的6項依托工程中進行了應(yīng)用和驗證，形成了新老路基結(jié)合部處治設(shè)計施工技術(shù)指南，不僅為公路路基拓寬工程的設(shè)計和施工提供了技術(shù)基礎(chǔ)，而且為相關(guān)技術(shù)規(guī)范的修訂提供了科學(xué)依據(jù)。Abastract: With the growth of transportation, China is undertaking a lot of programs of road- widening now. So it is of great significance to s

3、tudy the problem of road-widening and establish the design system. Based on the investigation of engineering and data at home and abroad, the combination modes of widening and exiting subgrade are summarized firstly. Through the study on the mechanism of failure of road- widening, which includes sli

4、ding of embankment, failure of retaining structure and pavement, decrement of pavement condition, the collusion is drawn that uncoordinated deformation is the main reason of the failure. On the basis of indoor and field tests, through studies on computation model of uncoordinated deformation and pav

5、ement constructions response to uncoordinated deformation, this paper verifies that the uncoordinated deformation appear the feature of “” and the distress mechanism of pavement includes tension failure of top of base, tension failure of bottom of base and shear failure of interface. At the same tim

6、e, the effects of countermeasures to diminishing uncoordinated deformation are analyzed. At last, the design method of road-widening and technical criteria are advanced, which have been put to the test in engineering.1 前言近二十年來，我國的公路建設(shè)發(fā)展迅猛，至2002年底，全國公路總里程突破176.5km。但總體而言，我國公路技術(shù)等級偏低，其中高速公路只占公路總里程的1.4%；

7、而且20世紀(jì)90年代早期建成的部分高等級公路已不能滿足高速增長的運輸需求，先后或即將進入拓寬改建階段。因此，為實現(xiàn)交通新的跨越式發(fā)展，我國將面臨越來越多的公路改擴建工程。公路改擴建工程大多涉及到線形調(diào)整和路基拓寬問題，由于路基拓寬引起的路基路面變形、開裂甚至滑移在實際工程中頗為常見。而我國在路基拓寬工程方面缺乏可資借鑒的成熟經(jīng)驗，更缺乏相應(yīng)的設(shè)計方法、計算理論和規(guī)范指南。因而對路基拓寬的損壞模式和設(shè)計指標(biāo)進行研究具有非常重要的實際意義。國外通過合理的規(guī)劃盡量避免拓寬所帶來的新老路基結(jié)合問題，當(dāng)確實需要進行拓寬時，采取了各種措施減小新老路基結(jié)合的不良影響。主要措施包括：避免新老路面的結(jié)構(gòu)差異、在

8、新老路基間設(shè)置沉降隔離樁、處治地基、結(jié)合部加筋和結(jié)合部邊坡處理、輕質(zhì)路堤等。但對新老路基結(jié)合的病害及形成機理缺乏系統(tǒng)、深入的闡述，也沒有建立相關(guān)的設(shè)計理論。八、九十年代以前我國公路建設(shè)多以新建為主，在原有道路上進行拓寬、改建的工程十分罕見，關(guān)于路基拓寬和新老路基結(jié)合部處治等問題并不突出，所以現(xiàn)行規(guī)范對此類問題涉及甚少。九十年代中后期，我國開始面臨大量的道路拓寬工程，設(shè)計和施工人員在工程建設(shè)中作了不少嘗試性研究，但總體來說，國內(nèi)仍處于僅對相關(guān)工程個案的處治措施進行施工經(jīng)驗介紹和總結(jié)的水平，雖有一定的工程實踐，但尚缺乏驗證和相應(yīng)的技術(shù)支持；沒有對有關(guān)病害和各種處治措施進行系統(tǒng)的分析，對“舊路拓寬”

9、的特殊性認(rèn)識不足，對相應(yīng)的設(shè)計計算理論缺乏深入的研究；而且，一些嘗試性的計算分析在模型的建立和應(yīng)用范圍方面存在很大缺陷。所以，迫切需要根據(jù)我國國情，對路基拓寬的病害機理進行全面系統(tǒng)的理論分析，并對相關(guān)處治措施進行評價和總結(jié)。本項目的研究目標(biāo)是針對西部地區(qū)公路路基拓寬的工程特點和技術(shù)問題，對不同條件下新老路基拼接和結(jié)合部處治的設(shè)計方法、工程措施和施工技術(shù)進行研究，為公路改擴建工程提供技術(shù)基礎(chǔ)；對有關(guān)設(shè)計方法、工程措施和施工技術(shù)的應(yīng)用效果進行分析和總結(jié)，為相關(guān)技術(shù)規(guī)范的修訂提供科學(xué)依據(jù)。針對上述研究目標(biāo)，結(jié)合西部地區(qū)公路工程的實際情況，本項目主要通過既有工程（及資料）調(diào)研與依托工程調(diào)研相結(jié)合、室內(nèi)

10、試驗與現(xiàn)場試驗相結(jié)合、理論分析與數(shù)值分析相結(jié)合、工程試驗與工程應(yīng)用及跟蹤觀測相結(jié)合等技術(shù)手段，對新老路基結(jié)合部處治技術(shù)進行研究。2 路基拓寬工程的主要方式及工程技術(shù)問題（1）系統(tǒng)地提出了路基拓寬的分類方法，按照如表1所示五大分類因素，將路基拓寬方式分為17大類、36小類，并分析了各種拓寬方式存在的工程技術(shù)問題。表1 新老路基結(jié)合方式的分類因素地基地形條件拓寬范圍新老路基填挖方式新老邊坡類型共同作用層厚度平原軟弱地基單側(cè)高填方自然放坡厚山區(qū)軟弱地基雙側(cè)中等填方支擋結(jié)構(gòu)中山區(qū)緩坡、良好地基低填方棧橋薄山區(qū)陡坡、良好地基深挖方無淺挖方（2）通過大量現(xiàn)場調(diào)研，總結(jié)歸納了路基拓寬工程、新老路基結(jié)合的四種

11、常見病害，即路基失穩(wěn)、支擋結(jié)構(gòu)損壞、路面損壞和路面整體性能下降。其中，路面損壞是新老路基結(jié)合最常見的病害，路基失穩(wěn)和支擋結(jié)構(gòu)損壞是穩(wěn)定性不足在拓寬工程中的表現(xiàn)，而路面整體性能下降是伴隨著以上各種病害的發(fā)展而產(chǎn)生的。（3）從新路基穩(wěn)定性不足和新老路基不協(xié)調(diào)變形兩個方面系統(tǒng)分析了新老路基結(jié)合的病害機理。新路基穩(wěn)定性不足包括拓寬部位地基過陡和拓寬部位地基軟弱（含軟弱下臥層）；新老路基不協(xié)調(diào)變形包括新老路基差異沉降、新老路基、路面抗變形能力差異、新老路基結(jié)合不良、排水系統(tǒng)不完善、設(shè)施養(yǎng)護不及時等4個方面。基于上述分析，明確了除新路基穩(wěn)定性不足的情況以外，“新老路基不協(xié)調(diào)變形”是路基拓寬工程病害的根本原

12、因。3 新老路基不協(xié)調(diào)變形的特點和計算方法（1）系統(tǒng)總結(jié)了新老路基不協(xié)調(diào)變形的組成，并分析各組成部分占主導(dǎo)地位時所導(dǎo)致的路基、路面損壞部位：路基自身壓縮變形占主導(dǎo)時，拓寬路面可能產(chǎn)生損壞；地基固結(jié)變形差異占主導(dǎo)時，老路路面可能產(chǎn)生損壞；結(jié)合部蠕滑、滑移占主導(dǎo)時，結(jié)合部附近路面可能產(chǎn)生損壞。（2）采用DP模型模擬巖土體的非線性本構(gòu)、結(jié)合三維BIOT固結(jié)理論考慮不協(xié)調(diào)變形的時間變化規(guī)律、應(yīng)用單元生死技術(shù)獲得地基的初始應(yīng)力并全過程模擬施工工序，建立了新老路基不協(xié)調(diào)變形的平面有限元計算分析模型。（3）應(yīng)用所建立的有限元模型，系統(tǒng)分析了路基拓寬寬度、拓寬方式、地質(zhì)條件和地形條件等因素對新老路基不協(xié)調(diào)變形

13、的影響，進一步結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)模擬試驗，揭示了新老路基不協(xié)調(diào)變形的總體特征： 填方拓寬工程中，老路基在新路基荷載作用下，遠離拓寬路基的部分沉降較小，靠近拓寬路基的部分沉降較大，且路基頂面不協(xié)調(diào)變形的變坡率也呈相同趨勢。 新老路基不協(xié)調(diào)變形隨著拓寬寬度的增大而增大，當(dāng)拓寬寬度超出老路基坡腳范圍時，不協(xié)調(diào)變形在達到最大值后逐漸減小，從而呈現(xiàn)出一定的盆形反坡。 老路堤的不協(xié)調(diào)變形呈上凸?fàn)?，新路堤的不協(xié)調(diào)變形呈下凹狀，路基頂面的不協(xié)調(diào)變形總體呈“”形。 新老路基結(jié)合部附近有可能出現(xiàn)變坡率的突變。 較單側(cè)拓寬而言，采用雙側(cè)拓寬能夠?qū)⑼貙捖返痰淖灾睾奢d分配到老路堤兩側(cè)，極大地減小新老路基不協(xié)調(diào)變形量。（

14、4）通過室內(nèi)模擬試驗和現(xiàn)場測試驗證了理論（數(shù)值）分析得到的新老路基不協(xié)調(diào)變形的總體特征。4 路面結(jié)構(gòu)對不協(xié)調(diào)變形的力學(xué)響應(yīng)（1）以層狀體系為基礎(chǔ)，以路基不協(xié)調(diào)變形作為路面結(jié)構(gòu)層底的約束條件，建立了路面結(jié)構(gòu)對路基不協(xié)調(diào)變形力學(xué)響應(yīng)的有限元分析模型。（2）系統(tǒng)分析了路面結(jié)構(gòu)對新老路基不協(xié)調(diào)變形的力學(xué)響應(yīng)，進而總結(jié)了新老路基不協(xié)調(diào)變形在路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力：新（老）路基層（面層）底面拉應(yīng)力、老路基層（面層）頂面拉應(yīng)力以及新老路基結(jié)合部的應(yīng)力集中等三種方式，并以基層彎拉強度為驗算指標(biāo)，分析了典型路面結(jié)構(gòu)對不協(xié)調(diào)變形的承受能力。（3）通過室內(nèi)人為控制造成新老路基間的工后差異沉降來模擬路基拓寬所造

15、成的新老路基不協(xié)調(diào)變形，研究了新老路基差異沉降對路面結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律，驗證了理論（數(shù)值）分析的合理性。5 基于變形控制的路基拓寬設(shè)計方法與參數(shù)（1）基于新老路基不協(xié)調(diào)變形和路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析，提出了路基拓寬的4種損壞模式和相應(yīng)的設(shè)計狀態(tài)，如表2。表2 路基拓寬的損壞模式及相應(yīng)的設(shè)計狀態(tài)損壞模式設(shè)計狀態(tài)新老路基結(jié)合部剪切開裂結(jié)合面上的剪應(yīng)力> 結(jié)合面抗剪強度新老路面結(jié)合部彎拉開裂基層頂面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力>結(jié)合部路面基層彎拉強度基層底面結(jié)構(gòu)底面附加應(yīng)力結(jié)構(gòu)底面荷載應(yīng)力>基層彎拉強度老路基層頂面彎拉開裂老路基層頂面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力>老路基層彎拉強度新（老）路基層底面彎拉開裂結(jié)構(gòu)

16、底面附加應(yīng)力結(jié)構(gòu)底面荷載應(yīng)力>基層彎拉強度（2）以新老路基頂面不協(xié)調(diào)變形（變坡率）為設(shè)計指標(biāo)，以基層頂面或底面彎拉應(yīng)力為驗算指標(biāo)，系統(tǒng)提出了“基于不協(xié)調(diào)變形控制的路基拓寬設(shè)計理論和方法”，并給出了典型半剛性基層瀝青路面的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如表3所列。（3）拓寬路基穩(wěn)定性分析方法與現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范和手冊基本相同，但根據(jù)新老路基結(jié)合的特點，提出了拓寬路基的陡坡穩(wěn)定性分析方法。（4）應(yīng)用正交分析的方法分析了路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。表3 典型半剛性基層瀝青路面路基拓寬的變坡率設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)老路路面結(jié)構(gòu)利用情況新老路面結(jié)合狀態(tài)路基頂面變坡率設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（%）老路基新路基不利用0.40.4利用分離1.50.

17、5結(jié)合1.50.5-0.18新、老路基變坡率差值0.436 新老路基結(jié)合部處治技術(shù)原理、方法及施工控制（1）在明確路基拓寬病害機理和新老路基不協(xié)調(diào)變形控制途徑的基礎(chǔ)上，提出了以“變形協(xié)調(diào)與控制”為核心、設(shè)計理論和施工技術(shù)相統(tǒng)一、因地制宜、綜合處治的基本技術(shù)思想。按照處治部位和處治機理將新老路基結(jié)合部處治技術(shù)分為內(nèi)部處治、外部處治和綜合處治等三大類，并提出了不同拓寬條件下各類處治技術(shù)的選擇原則和技術(shù)要求。（2）基于新老路基不協(xié)調(diào)變形控制，提出了一系列新老路基結(jié)合部處治實用技術(shù)，明確了各種措施的技術(shù)原理、應(yīng)用方法、施工工藝及質(zhì)量控制方法： 總結(jié)了新老路基結(jié)合部界面處治的技術(shù)原理和處治內(nèi)容，并給出了

18、臺階開挖的建議值，如表4所示。表4 臺階高寬比和設(shè)置原則原（老路基）邊坡1：11：1.251：1.5開挖臺階坡度1：11：1.251：1.251：1.51：1.51：1.75 分析了路基壓實度對新老路基不協(xié)調(diào)變形的影響，并結(jié)合路面結(jié)構(gòu)對新老路基模量比的力學(xué)響應(yīng)，給出了拓寬路基壓實度控制標(biāo)準(zhǔn)，如表5所示。表5拓寬路基填料及壓實度控制標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)新老路基模量比E0new/E0old1.22.0新路基壓實度填土路基95%土石混填或填石路基93% 通過加筋土路用性能的室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬分析了結(jié)合部加筋的處治機理。試驗及分析結(jié)果表明，結(jié)合部加筋可以顯著提高新老路基的整體穩(wěn)定性，減小路基拓寬所產(chǎn)生的不

19、協(xié)調(diào)變形，提高路基土的承載能力和反復(fù)荷載作用下的抗變形能力。不同填料的加筋效果有別，實際工程中應(yīng)根據(jù)加筋材料與土體之間的綜合摩阻效應(yīng)和張力膜效應(yīng)合理選擇填料。就加筋復(fù)合土體的反應(yīng)模量而言，土工網(wǎng)和土工格柵鋪設(shè)的合理間距約為30cm60cm；就減小軟土地基的不協(xié)調(diào)變形而言，在滿足穩(wěn)定性要求的前提下，不應(yīng)片面追求加筋層數(shù)的增加。 EPS超輕質(zhì)、自立性好，二灰輕質(zhì)、板體性好，兩種填料可以有效減小新老路基的不協(xié)調(diào)變形，在軟土地區(qū)地路基拓寬工程中具有良好的應(yīng)用前景。 復(fù)合地基主要通過豎向增強體來提高拓寬路基的地基承載力和壓縮模量，施工過程中對老路基地基的影響較小，能提高拓寬路基的穩(wěn)定性并顯著減小新老路基

20、不協(xié)調(diào)變形。 設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)能夠有效限制側(cè)向位移，而且減小拓寬路基的自重，從而減小路基自身壓縮變形和新老路基界面蠕滑變形。支擋結(jié)構(gòu)可以收縮邊坡以節(jié)約公路用地和土石方用量。 當(dāng)控制路基不協(xié)調(diào)變形的代價較高時，可以采用在基層底面鋪設(shè)加筋材料，增強基層抵抗不協(xié)調(diào)變形的能力，并起到分散應(yīng)力、延緩開裂變形的作用，從而提高路面結(jié)構(gòu)對不協(xié)調(diào)變形的適應(yīng)能力。7 試驗路實施與評價（1）通過對重慶、陜西、上海等地進行實地調(diào)研，確定重慶319國道新橋山洞段、重慶大榮路、陜西安平二級公路、陜西銅川市西環(huán)線、陜西銅川市錦陽路、滬杭高速公路大港立交等6個具有代表性的路基拓寬工程作為依托工程，各試驗路按照拓寬條件的不同分別劃

21、為若干個試驗路段。（2）根據(jù)各依托工程的拓寬條件，采取的處治措施包括開挖臺階和結(jié)合面處治、填料與壓實度控制、土工格柵加筋、EPS輕質(zhì)路堤、復(fù)合地基、設(shè)置擋墻、排水措施等。（3）對于各試驗工程，主要通過沉降板、沉降管、沉降釘、位移樁、顯示滑動式沉降儀等分別進行沉降、水平位移和分層壓縮變形的觀測；埋設(shè)土壓力盒進行土壓力觀測；運用PFDW進行路面承載能力測試；采用瞬態(tài)瑞雷面波勘探儀、地質(zhì)雷達進行路基壓實度檢測；通過目測調(diào)查評價拓寬路基路面的路用狀況。（4）通過對試驗路實施效果的跟蹤觀測和評價，證實了項目各項成果的合理性和可靠性。8 結(jié)論、創(chuàng)新和建議（1）主要成果： 路基拓寬方式及分類。 路基拓寬工程病害及成因機理。 新老路基不協(xié)調(diào)變形的組成和影響。 新老路基不協(xié)調(diào)不協(xié)調(diào)變形的有限元計算方法。 新老路基不協(xié)調(diào)變形的總體特征。 路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的