城市道路結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

隨著我國城市化進程的加快，城市道路的負荷越來越大，加之超載超限時有發生，我國城市道路路面，尤其是高等級瀝青混凝土新老路面結合處的早期損壞現象非常嚴重[1]。綜合國內外的研究現狀，當前采用的道路設計理論分析方法主要有三種：ANSYS分析的有限元法、PLAXIS分析下的模型試驗法和反分析法。本文針對城市道路結合處常見的損害和作用機理，分析了道路結合處不均勻沉降的原因；從地基、路基、路面三個方面出發，提出了防治城市道路結合處損害的方法；在保證結合處結構承載力的前提下，利用ANSYS分析方法，分析了采用臺階開挖并鋪設土格柵模型的理論效果，為今后城市道路結合處的設計和損害處理提供了理論依據。

1 城市道路結合處常見損害

與高速公路結合處的損害相比，城市道路結合處產生的損害相對較輕且種類較少，一般可分為路面損害和不均勻沉降兩種[2]。路面損害主要表現為橫向裂縫，雨水沿縫隙滲入路基，會導致半剛性基層剛度下降，使瀝青層內剪應力急劇增加，誘發混凝土層的剪切破壞，路基損害后在新老路面產生滑移[3]。不均勻沉降主要出現在軟土基結合處，嚴重的沉降還會使結合處出現錯臺，如果不及時處理就會產生板塊斷裂，使裂縫加劇。圖1為某路段結合處錯臺。

圖1 某路段結合處錯臺

經過大量的調研和分析得出，路面損害產生的原因有以下幾點[4]。

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

（2）新老路段的修建時間、路基填料材質和結構層厚度不同。老路段長期受到車輛載荷作用，其壓實度已經接近飽和，因此不會再發生大規模沉降，但新路段仍存在可塑性，當其所受載荷作用達到一定時間后勢必發生大規模沉降；

（3）城市道路結合處往往是修建過程中最難處理的部位，若結合處的結構層強度達不到要求，就會產生橫向裂縫。施工過程中沒有將新路段壓實到位、填筑速率過快、沒有做好防水等也會導致差異性沉降。

（4）城市道路的車輛載荷往往較大，新老路段結合處在車輛的反復碾壓下，強度和剛度一直下降，引起路面損害；另外，路面出現錯臺后增大了行車阻力，過往車輛會給錯臺一個切向沖擊力，再次加劇對結合處的損害程度。

2 沉降分析及處置辦法

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

（1）地基與路堤接觸面連續并且沒有滑移；

（2）忽略沉降時間的影響，車輛載荷一經施加即產生沉降；

（3）地基底面不存在豎直方向的變形，側面無水平方向的變形；

（4）認為老路段沉降已經形成，將新路段沉降量作為結合處沉降差異量大小。

圖2 有限元法計算模型

城市道路大修往往有工期緊張、施工場地有限、施工條件復雜等特點，從目前高速公路處理新老路段結合處的方法來看，城市道路結合處的地基處治辦法主要有：輕質材料法、排水固結法、復合地基法等[5]。對于路基的不均勻沉降主要可采取以下幾項應對措施。

（1）在結合處開挖臺階，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給出了新老路基臺階示意圖。

（2）提高新路基的填土壓實度，對于城市新老路段結合處，要采用大型機械進行反復壓實，施工死角也要用小型機械填筑壓實，以降低交工后的沉降量。

（3）選用良好的填換材料。當前，城市道路修建中使用的填換材料主要有輕質填料和砂石填料兩種。輕質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度。因此結合處要盡量采用煤粉灰摻和少量石灰作為填換材料。

圖3 新老路基臺階示意圖

以某城市道路結合處為研究對象，該道路寬7m，取結合處長度為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。

表1 路面結構層參數

3 鋪設土工格柵的有限元分析

土工格柵是一種經強力焊接形成的三維強化HDPE材料，具有質量輕、耐磨性好、化學性能穩定、使用壽命長、耐熱性好等優點，適用于各種不良地質。以TGGS300—500型土工格柵為例，其格室高度為300mm，板材抗拉強度為500MPa，延伸率小于3%，接點強度大于15kN/m。大量研究證明，土工格柵受到的拉力遠小于其抗拉強度，即其形變仍在彈性范圍之內。在上述研究路段結合處的老路段路基處鋪設2m寬的土工格柵，新路段路基鋪設1m寬的土工格柵。利用ANSYS軟件進行有限元法分析，圖4為新老路段結合處不鋪設土工格柵的位移圖，圖5為中間層和上層均加裝土工格柵的位移圖。

圖4 新老路段結合處不鋪設土工格柵時的位移圖

圖5 中間層和上層均鋪設土工格柵時的位移圖

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

4 結語

以城市道路結合處沉降為研究對象，分析了道路結合處不均勻沉降的原因主要為地質、材料、壓實度等方面的差異；從地基、路基、路面三個方面出發，提出了防治城市道路結合處損害的方法：在結合處開挖臺階，提高新路基的填土壓實度，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，在保證結合處結構承載力的情況下，分析了采用臺階開挖并鋪設土工格柵模型的理論效果，得出了在中間層和上層均鋪設土工格柵效果明顯的結論。希望為今后城市道路結合處的設計和損害處理提供參考。

[1]JTJ F033—2006，公路路基施工技術規范[S].

[2] 劉倩倩.城市道路新老路基路面結合處差異沉降處治技術研究[D].合肥：合肥工業大學，2010.

[3] 張永清.山區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，2009.

[4] 王雪冬.高等級公路改擴建新舊路基路面結合部處治技術研究——以京藏高速公路呼包段改擴建工程為實例[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2012.

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