淺談舊路改造方案的設計要點

高建斌

（呂梁宇星公路勘察設計院，山西 呂梁 033000）

舊路改建工程可以分為兩個類型：第一類是車道數不變情況下的等級提高（如三級路改二級路，本文對改建工程等級不予提高的情況不討論，但可類比得之）；第二類是車道數增加情況下的等級提高（如二級公路改建一級公路）。對于第一類改造工程，舊路只有加寬利用及廢棄兩種選擇，而且，舊路路面利用的可能性一般都比較小，而且舊路路基也大都需翻松碾壓處理，應盡量考慮利用舊路位置，以減少占地。對舊路進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構響應的影響。

②新舊路基間的剛度差異對路面結構響應的影響。

③面層反射裂縫的防治等。為此，在舊路加寬改造工程的實施之前必須進行先期的方案試驗研究。通常可采用軟弱地基處理、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、改良土高強路堤和輕質路堤、鋪設土工合成材料防裂層或增大加鋪層厚度等工程技術措施。

本文結合國道G307線（山西呂梁段）公路加寬改造工程的實施，提出舊路加寬綜合處治方案設計時的幾點考慮。該項目屬于第一類，車道不變的情況下的等級提高，舊路調查工作是舊路改擴建工程中最為重要的一項基礎資料收集工作，調查結果將直接影響到項目總體設計思路和設計方案的確定。舊路調查工作主要包括：舊路設計文件、竣工文件；養護資料；交通事故資料；舊路兩側建筑物的情況；交通組成調查；現有路況調查。

1國道G307線（山西呂梁段）路基加寬方案設計的比選

1.1 國道G307線（山西呂梁段）的基本概況 國道G307線（山西呂梁段）公路位于山西省西部呂梁地區境內，東經 111°57′39″-111°07′47″，北緯 37°20′50″-37°30′38″之間，路線起點位于汾陽市冀村鎮鎮北汾陽市與文水縣交界處，汾陽市位于呂梁山東部，汾河水西沿。造就了山、丘、川三分縣境的地貌特征，地勢由西北向東南傾斜。終點位于離石區南關村西處，地處呂梁山腹地，地勢東部高而寬，西部低而窄，境內山多川少。北川河由北向南，東川河由東向西流經全市。該項目由東向西平原區經過楊家莊再轉西北部丘陵地帶，跨越海拔為1760米的薛公嶺向北經過吳城，經過王營莊到田家會趨于平原區，路線整體線形呈中間高倆邊低的趨勢。沿線地形復雜多變，要越嶺跨溝，工程艱巨，沿線經過的村鎮不是很多，避繞了敏感區，對地物的影響不大。地質構造屬鄂爾多斯斷塊的東緣，隸屬呂梁--太行山地斷塊邊緣，其間以離石大斷裂為界。主要受大地構造旋回的控制發育。地殼運動使沉積基層發生皺褶和斷裂，之后處于相對平穩過渡期，主要以沉積和剝蝕作用為主.中生代以后,受燕山期構造運動的影響，縣境內進入新的構造活動期，表現為西部、北部隨呂梁山脈隆起，海拔高度增大，沉積蓋層發生皺褶呈單斜狀向東南方向傾斜，并形成一級波狀起伏的寬緩皺曲河山前斷裂。全新世以后，新構造運動持續不斷，使西、北部山區、丘陵區進一步抬升而遭到剝蝕，斷裂構造繼承發展。在上升過程中，東部表現強烈，西部較為緩慢，平原及沖積平原區則隨太原斷塊盆地繼續下沉，與山區、丘陵區差異性進一步加大。縱觀該項目區為由北向南緩傾的單斜構造，具體構造區包括：紫金山-磧口褶皺群，河東南北向褶皺帶。出露的地層發育較為齊全，由老至新逐漸變化。其地層出露主要有中太古界界河山群，下元古界野雞山群，黑茶山群，中元古界長城系，漢高山群；下古生界寒武系，奧陶系；上古生界碳系，二迭系，新生界第三系，第四系等地層。沿線水文地質條件受地貌單元的控制，差別較大，大部分路段地鉆探度內未揭示地下水，局部地下水埋藏較淺。結合地質調查，地下水按其賦存條件，建筑類型等條件分為松散巖燈孔隙水，碳酸鹽裂隙巖溶水，變質巖裂隙水及碎屑碳酸巖類溶~裂隙水等四類。鉆探提示的地下水類型主要為松散巖類孔隙水，屬潛水類型，由地表水，大氣降水共同補給，分布不連續，僅在沖洪積傾斜平原區，三川河、陽城河河床，漫灘及局部溝谷谷底揭示，水位1.9-12.5米不等，埋深多大于25.0米。

1.2 國道G307線（山西呂梁段）路基加寬方案設計根據現有路況、水文地質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、側向滑移和防水防滲的影響。經技術經濟分析，分別在單側和雙側加寬，共設計了5種方案進行方案比選。其中，單側加寬共2種方案；雙側加寬共3種方案。

1.2.1 基本處治措施

1.2.1.1 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的淤泥以提高路基基底強度，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，并在其上設置3%的橫向排水坡以利排水。

1.2.1.2 臺階開挖與構筑為增加新舊路基的整體穩定性，在填筑前須先將舊路路基邊坡面開挖成臺階狀。單側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 舊路路基單側加寬方案

方案一(D1)：二灰填筑方案，即：基底換填天然砂礫+土工網+天然砂礫+粉質土+土工網+粉質土+二灰。在路基頂面以下1.0m范圍內采用粉煤灰∶熟石灰=0.9∶0.1(質量比)的比例均勻拌和后填筑，以構成輕質路堤。二灰作為輕質路堤填料具有很好的工程性質：其后期強度高、整體穩定性好，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生的壓縮變形，對確保路基的容許工后沉降非常有利。

方案三(D2)：兩層土工網方案，即：基底換填天然砂礫+土工網+天然砂礫+粉質土+土工網+粉質土。根據工程實踐經驗，當路堤填方高度低于4.0m時，在新加寬路基中可鋪設2層土工網。由于該項目的填方路段高度基本都小于4米，所以不討論大于4米的方案。

1.2.3 舊路路基雙側加寬方案

方案一(S1)：粉質土填筑方案，即：基底換填天然砂礫+粉質土+不透水土工布+粉質土+不透水土工布。在粉質土路堤的內部和頂面各鋪設一層不透水土工布，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新舊路基間的整體穩定性好，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(S2)：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。

S2方案的地質條件相對較差，采用粉煤灰+二灰的輕質填料填筑路堤，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(S3)：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。

2在單側加寬和雙側加寬的方案中軍用到了土工布，土工布是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物經熱塑或模壓而成的二維網格狀或具有一定高度的三維立體網格屏柵，其主要用途如下：

2.1 增強路基，可有效地分配擴散載荷，提高路基的穩定性和承載力，延長使用壽命。

2.2 防止路基材料流失造成的路基變形，開裂。

2.3 使擋土墻后的填土自承能力提高，減少擋土墻的壓力，節省費用。

2.4 在公路的路基和路面層中加入土工布，可以降低彎沉，減少車轍，推遲裂縫出現時間3-9倍，可減少結構層厚度達36%。

2..5適用于各種土壤，無需異地取材，省工省時。雙向拉伸塑料土工布適用于各種堤壩和路基補強、邊坡防護、油壁補強，大型機、停車場、碼頭貨場等永久性承載的基補強。

3土工布的鋪設應注意以下主要方面：

3.1 土工布的鋪筑面應較為平整，鋪筑層經驗收合格后，為防止縱向歪斜現象，先按幅寬在鋪筑層劃出白線或掛線，即可開始鋪筑，然后用鐵釘固定格柵的端部（每米寬用8根，均為距離固定）。

3.2 固定好格柵端部后，用鋪筑機將格柵緩緩向前拉鋪，每鋪10米長進行人工拉緊和調直一次，直至一卷格柵鋪完，再鋪下一卷，操作同前。

3.3 鋪完一卷后用6T-10T的壓路機從起始點開始向前方向碾一遍即可。（如鋪筑在中面層上和找平層上，用鋼輥壓路機為宜：如格柵直接鋪在混凝土路面上，用膠輥壓路機為宜）。

3.4 接鋪：以長卷為單位作為鋪設的段長，在應鋪格柵的段長內鋪滿后，再整體檢查一次鋪筑質量，然后接著鋪筑下一段，下一段鋪筑時，格柵與格柵可以用10-15cm的搭接長度，并用鐵釘或木楔固定后繼續向前。

4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構等靜荷載作用下的變形主要表現為土體的壓縮變形，可通過室內試驗測定土的相應變形指標，選取適宜的力學模型采用有限元法分析路基土的應力狀態，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系等控制指標。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、路面結構層采用彈性梁單元進行模擬。

5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生彈性變形外，還會產生部分不可恢復的塑性變形。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的路基土所承受的荷載較大，荷載作用次數也較多，因此產生的塑性累積變形也較其它位置要大，從而導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算方法：

①沿深度方向將路基土劃分為若干個子層，運用三變量塑性應變方程分別計算各個子層的塑性應變。

②根據路基土某一子層塑性應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算點所引起的塑性變形的疊加，得出路基土頂面某一點的最終塑性累積變形。因此，可采用如下的計算公式進行路基土的塑性累積變形的分析。

式中：

δp-計算點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算點處產生的塑性累積變形；

i-第i個計算子層，hI代表該子層的厚度，σis代表該子層土的靜態抗壓強度，共分n個子層；

εijp-處于j位置的軸載在第i個計算子層內產生的平均塑性應變；

σijd-處于j位置的軸載在第i個計算子層內產生的平均偏應力；

Ni-代表第l個車道累計標準軸載作用次數；

a，m，b-回歸系數，稱為永久變形參數。

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

6舊路加寬試驗路的觀測測試在舊路加寬改造工程中需進行必要的現場觀測測試，以便掌握地基和路基的沉降與變形，以及路基土體內應力狀況。在試驗路單側加寬段的每個橫斷面均埋設了6對沉降板和土壓力盒，雙側加寬段各埋設了5對沉降板和土壓力盒。沉降板的埋設位置是根據觀測總沉降量、分層沉降量和橫向不均勻沉降的要求來確定的。埋設在天然原地面的沉降板主要用來測量地基的沉降量；埋設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。土壓力盒均埋設在沉降板的一側，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系等。

7結語

7.1 舊路加寬處治的方案很多，各種方案都具其自身的優缺點和適用條件。在進行具體的方案設計時，要對各種方案進行充分的研究，然后綜合考慮具體工程的地質條件、道路等級標準和使用要求、現場施工條件，以及對周圍環境的影響等因素，選擇最適宜的方案。

7.2 理論分析計算可為方案設計提供可靠的依據。地基沉降和路基的穩定性分析，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算，可為方案設計提供有效的參考指標。結束語：目前，國道G307線（山西呂梁段）尚未完全開放交通，所采用的加寬處治方案的技術經濟效果有待證實。本人進行了一些分析，或可提供一些有用的資料，不當之處還望同行指正。

[1]《公路粉煤灰路堤設計與施工技術規范》(JTJ016-96)中華人民共和國交通部發布

[2]《公路路基施工技術規范》(JTJ033-95)中華人民共和國交通部發布

[3]《公路土工試驗規程》(JTJ051-93)中華人民共和國交通部發布

[4]《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTJ052-2000)中華人民共和國交通部發布

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[6]《公路工程集料試驗規程》(JTG E42-2005)中華人民共和國交通部發布

[7]《公路工程施工監理規范》交通部工程監理總站

[8]《公路工程質量檢驗評定標準》(JTGF80/1-2004)中華人民共和國交通部發布

[9]《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)中華人民共和國交通部發布

[10]《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)中華人民共和國交通部發布

[11]《公路工程施工監理規范》(JTJ077-95)中華人民共和國交通部發布

[12]《鋼筋焊接及驗收規程》（JGJ 18-2003）陜西省建筑科學研究設計院