新老路基结合部处治技术重点

新老路基结合部处治技术
摘要：我国已进入道路改扩建的高峰期，路基拓宽、新老路基结合面临诸多技术难题。

本项目通过多种技术手段相结合的方法，对路基拓宽工程的技术特征和工程问题、新老路基不协调变形的特点、计算方法及对路面结构的影响、拓宽路基的设计理论和方法、新老路基结合部处治的原理、方法和施工技术进行了深入系统的研究，总结了路基拓宽工程中新老路基结合的主要方式及其分类方法、常见病害及其成因机理，提出了新老路基不协调变形的计算方法，揭示了新老路基不协调变形的特征规律、路面结构对路基不协调变形的力学响应及损坏模式。

表明，新老路基不协调变形是路基拓宽工程常见病害的根源，基层顶面开裂是拓宽道路特有的损坏模式。

在此基础上，建立了基于不协调变形控制的路基拓宽设计理论和方法，系统地提出了不同条件下新老路基结合部的处治技术及其施工控制，并在重庆、陕西、上海等三地的6项依托工程中进行了应用和验证，形成了《新老路基结合部处治设计施工技术指南》，不仅为公路路基拓宽工程的设计和施工提供了技术基础，而且为相关技术规范的修订提供了科学依据。

Abastract: With the growth of transportation, China is undertaking a lot of programs of road- widening now. So it is of great significance to study 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 sliding 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 pavement construction’s 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 time, 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
近二十年来，我国的公路建设发展迅猛，至2002年底，全国公路总里程突破176.5km。

但总体而言，我国公路技术等级偏低，其中高速公路只占公路总里程的1.4%；而且20世纪90年代早期建成的部分高等级公路已不能满足高速增长的运输需求，先后或即将进入拓宽改建阶段。

因此，为实现交通新的跨越式发展，我国将面临越来越多的公路改扩建工程。

公路改扩建工程大多涉及到线形调整和路基拓宽问题，由于路基拓宽引起的路基路面变形、开裂甚至滑移在实际工程中颇为常见。

而我国在路基拓宽工程方面缺乏可资借鉴的成熟经验，更缺乏相应的设计方法、计算理论和规范指南。

因而对路基拓宽的损坏模式和设计指标进行研究具有非常重要的实际意义。

国外通过合理的规划尽量避免拓宽所带来的新老路基结合问题，当确实需要进行拓宽时，采取了各种措施减小新老路基结合的不良影响。

主要措施包括：避免新老路面的结构差异、在新老路基间设置沉降隔离桩、处治地基、结合部加筋和结合部边坡处理、轻质路堤等。

但对新老路基结合的病害及形成机理缺乏系统、深入的阐述，也没有建立相关的设计理论。

八、九十年代以前我国公路建设多以新建为主，在原有道路上进行拓宽、改建的工程十分罕见，关于路基拓宽和新老路基结合部处治等问题并不突出，所以现行规范对此类问题涉及甚少。

九十年代中后期，我国开始面临大量的道路拓宽工程，设计和施工人员在工程建设中作了不少尝试性研究，但总体来说，国内仍处于仅对相关工程个案的处治措施进行施工经验介绍和总结的水平，虽有一定的工程实践，但尚缺乏验证和相应的技术支持；没有对有关病害和各种处治措施进行系统的分析，对“旧路拓宽”的特殊性认识不足，对相应的设计计算理论缺乏深入的研究；而且，一些尝试性的计算分析在模型的建立和应用范围方面存在很大缺陷。

所以，迫切需要根据我国国情，对路基拓宽的病害机理进行全面系统的理论分析，并对相关处治措施进行评价和总结。

本项目的研究目标是针对西部地区公路路基拓宽的工程特点和技术问题，对不同条件下新老路基拼接和结合部处治的设计方法、工程措施和施工技术进行研究，为公路改扩建工程提供技术基础；对有关设计方法、工程措施和施工技术的应用效果进行分析和总结，为相关技术规范的修订提供科学依据。

针对上述研究目标，结合西部地区公路工程的实际情况，本项目主要通过既有工程（及资料）调研与依托工程调研相结合、室内试验与现场试验相结合、理论分析与数值分析相结合、工程试验与工程应用及跟踪观测相结合等技术手段，对新老路基结合部处治技术进行研究。

2 路基拓宽工程的主要方式及工程技术问题
（1）系统地提出了路基拓宽的分类方法，按照如表1所示五大分类因素，将路基拓宽方式
分为17大类、36小类，并分析了各种拓宽方式存在的工程技术问题。

表1 新老路基结合方式的分类因素
（2）通过大量现场调研，总结归纳了路基拓宽工程、新老路基结合的四种常见病害，即路基失稳、支挡结构损坏、路面损坏和路面整体性能下降。

其中，路面损坏是新老路基结合最常见的病害，路基失稳和支挡结构损坏是稳定性不足在拓宽工程中的表现，而路面整体性能下降是伴随着以上各种病害的发展而产生的。

（3）从新路基稳定性不足和新老路基不协调变形两个方面系统分析了新老路基结合的病害机理。

新路基稳定性不足包括拓宽部位地基过陡和拓宽部位地基软弱（含软弱下卧层）；新老路基不协调变形包括新老路基差异沉降、新老路基、路面抗变形能力差异、新老路基结合不良、排水系统不完善、设施养护不及时等4个方面。

基于上述分析，明确了除新路基稳定性不足的情况以外，“新老路基不协调变形”是路基拓宽工程病害的根本原因。

3 新老路基不协调变形的特点和计算方法
（1）系统总结了新老路基不协调变形的组成，并分析各组成部分占主导地位时所导致的路基、路面损坏部位：路基自身压缩变形占主导时，拓宽路面可能产生损坏；地基固结变形差异占主导时，老路路面可能产生损坏；结合部蠕滑、滑移占主导时，结合部附近路面可能产生损坏。

（2）采用DP模型模拟岩土体的非线性本构、结合三维BIOT固结理论考虑不协调变形的时间变化规律、应用单元生死技术获得地基的初始应力并全过程模拟施工工序，建立了新老路基不协调变形的平面有限元计算分析模型。

（3）应用所建立的有限元模型，系统分析了路基拓宽宽度、拓宽方式、地质条件和地形条件等因素对新老路基不协调变形的影响，进一步结合现场调查和室内模拟试验，揭示了新老路基不协调变形的总体特征：
①填方拓宽工程中，老路基在新路基荷载作用下，远离拓宽路基的部分沉降较小，靠近拓宽路基的部分沉降较大，且路基顶面不协调变形的变坡率也呈相同趋势。

②新老路基不协调变形随着拓宽宽度的增大而增大，当拓宽宽度超出老路基坡脚范围时，不协调变形在达到最大值后逐渐减小，从而呈现出一定的盆形反坡。

③老路堤的不协调变形呈上凸状，新路堤的不协调变形呈下凹状，路基顶面的不协调变形总体
呈“～”形。

④新老路基结合部附近有可能出现变坡率的突变。

⑤较单侧拓宽而言，采用双侧拓宽能够将拓宽路堤的自重荷载分配到老路堤两侧，极大地减小新老路基不协调变形量。

（4）通过室内模拟试验和现场测试验证了理论（数值）分析得到的新老路基不协调变形的总体特征。

4 路面结构对不协调变形的力学响应
（1）以层状体系为基础，以路基不协调变形作为路面结构层底的约束条件，建立了路面结构对路基不协调变形力学响应的有限元分析模型。

（2）系统分析了路面结构对新老路基不协调变形的力学响应，进而总结了新老路基不协调变形在路面结构中产生的结构附加应力：新（老）路基层（面层）底面拉应力、老路基层（面层）顶面拉应力以及新老路基结合部的应力集中等三种方式，并以基层弯拉强度为验算指标，分析了典型路面结构对不协调变形的承受能力。

（3）通过室内人为控制造成新老路基间的工后差异沉降来模拟路基拓宽所造成的新老路基不协调变形，研究了新老路基差异沉降对路面结构性能的影响规律，验证了理论（数值）分析的合理性。

5 基于变形控制的路基拓宽设计方法与参数
（1）基于新老路基不协调变形和路面结构的力学响应分析，提出了路基拓宽的4种损坏模式和相应的设计状态，如表2。

表2 路基拓宽的损坏模式及相应的设计状态
（2）以新老路基顶面不协调变形（变坡率）为设计指标，以基层顶面或底面弯拉应力为验算指标，系统提出了“基于不协调变形控制的路基拓宽设计理论和方法”，并给出了典型半刚性基层沥青路面的设计标准，如表3所列。

（3）拓宽路基稳定性分析方法与现行相关规范和手册基本相同，但根据新老路基结合的特点，提出了拓宽路基的陡坡稳定性分析方法。

（4）应用正交分析的方法分析了路面结构参数对路面结构力学响应的影响。

表3 典型半刚性基层沥青路面路基拓宽的变坡率设计标准
6 新老路基结合部处治技术原理、方法及施工控制
（1）在明确路基拓宽病害机理和新老路基不协调变形控制途径的基础上，提出了以“变形协调与控制”为核心、设计理论和施工技术相统一、因地制宜、综合处治的基本技术思想。

按照处治部位和处治机理将新老路基结合部处治技术分为内部处治、外部处治和综合处治等三大类，并提出了不同拓宽条件下各类处治技术的选择原则和技术要求。

（2）基于新老路基不协调变形控制，提出了一系列新老路基结合部处治实用技术，明确了各种措施的技术原理、应用方法、施工工艺及质量控制方法：
①总结了新老路基结合部界面处治的技术原理和处治内容，并给出了台阶开挖的建议值，如表4所示。

表4 台阶高宽比和设置原则
②分析了路基压实度对新老路基不协调变形的影响，并结合路面结构对新老路基模量比的力学响应，给出了拓宽路基压实度控制标准，如表5所示。

表5拓宽路基填料及压实度控制标准
③通过加筋土路用性能的室内试验和数值模拟分析了结合部加筋的处治机理。

试验及分析结果表明，结合部加筋可以显著提高新老路基的整体稳定性，减小路基拓宽所产生的不协调变形，提高路基土的承载能力和反复荷载作用下的抗变形能力。

不同填料的加筋效果有别，实际工程中应根据加筋材料与土体之间的综合摩阻效应和张力膜效应合理选择填料。

就加筋复合土体的反应模量而言，土工网和土工格栅铺设的合理间距约为30cm～60cm；就减小软土地基的不
协调变形而言，在满足稳定性要求的前提下，不应片面追求加筋层数的增加。

④EPS超轻质、自立性好，二灰轻质、板体性好，两种填料可以有效减小新老路基的不协调变形，在软土地区地路基拓宽工程中具有良好的应用前景。

⑤复合地基主要通过竖向增强体来提高拓宽路基的地基承载力和压缩模量，施工过程中对老路基地基的影响较小，能提高拓宽路基的稳定性并显著减小新老路基不协调变形。

⑥设置支挡结构能够有效限制侧向位移，而且减小拓宽路基的自重，从而减小路基自身压缩变形和新老路基界面蠕滑变形。

支挡结构可以收缩边坡以节约公路用地和土石方用量。

⑦当控制路基不协调变形的代价较高时，可以采用在基层底面铺设加筋材料，增强基层抵抗不协调变形的能力，并起到分散应力、延缓开裂变形的作用，从而提高路面结构对不协调变形的适应能力。

7 试验路实施与评价
（1）通过对重庆、陕西、上海等地进行实地调研，确定重庆319国道新桥～山洞段、重庆大荣路、陕西安平二级公路、陕西铜川市西环线、陕西铜川市锦阳路、沪杭高速公路大港立交等6个具有代表性的路基拓宽工程作为依托工程，各试验路按照拓宽条件的不同分别划为若干个试验路段。

（2）根据各依托工程的拓宽条件，采取的处治措施包括开挖台阶和结合面处治、填料与压实度控制、土工格栅加筋、EPS轻质路堤、复合地基、设置挡墙、排水措施等。

（3）对于各试验工程，主要通过沉降板、沉降管、沉降钉、位移桩、显示滑动式沉降仪等分别进行沉降、水平位移和分层压缩变形的观测；埋设土压力盒进行土压力观测；运用PFDW 进行路面承载能力测试；采用瞬态瑞雷面波勘探仪、地质雷达进行路基压实度检测；通过目测调查评价拓宽路基路面的路用状况。

（4）通过对试验路实施效果的跟踪观测和评价，证实了项目各项成果的合理性和可靠性。

8 结论、创新和建议
（1）主要成果：
①路基拓宽方式及分类。

②路基拓宽工程病害及成因机理。

③新老路基不协调变形的组成和影响。

④新老路基不协调不协调变形的有限元计算方法。

⑤新老路基不协调变形的总体特征。

⑥路面结构响应的有限元分析模型和特征。

⑦路基拓宽设计理论、方法和指标。

⑧新老路基结合部处治的技术思想和分类。

⑨新老路基结合部处治技术的原理和效果。

⑩《新老路基结合部处治设计施工技术指南》的编写及依托工程试验路的实施验证。

（2）主要创新点：
①揭示了路基拓宽工程病害的根源——新老路基不协调变形，并明确提出了新老路基不协调变形的来源、计算方法、分布特征、影响因素以及对路面结构的影响。

②基于路面结构对新老路基不协调变形的力学响应分析，揭示了路基拓宽工程特有的损坏模式——基层顶面弯拉开裂，为新老路基的合理结合提供了重要依据。

③系统提出了路基拓宽工程的设计状态，首次建立了基于不协调变形控制的路基拓宽设计计算理论、方法、指标和标准。

④根据新老路基不协调变形的来源和组成，明确了不协调变形的控制途径，创造性地提出了新老路基结合部处治的基本技术思想和一系列实用技术，包括各项措施的技术原理、应用方法、施工工艺和质量控制等。

⑤提出了新老路基结合方式的分类方法，并对新老路基结合的具体方式进行了分类总结，为路基拓宽工程的设计和施工提供了参考。

⑥本项目所提出的基于不协调变形控制的路基拓宽设计理论和方法以及新老路基结合部处治技术，为公路路基拓宽的设计和施工提供了科学的标准和先进的方法，填补了公路改扩建工程中路基拓宽的技术空白。

（3）对相关规范的建议：
本项目的研究成果，包括新老路基结合方式、不协调变形及路面结构力学响应的计算方法和分析结果、拓宽路基的设计方法、新老路基结合处治措施的技术原则和设计方法等，均可为《公路路基设计规范（JTJ013-95）》、《公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）》、《公路路面路基施工技术规范（JTJ034-2000）》借鉴和引用。