论文部分内容阅读
摘要：通过对拓宽工程路面裂缝的分析，认为拓宽工程有必要提高路堤压实度要求，并结合实际提出相对改进方法。对地基处理、路基、路面拓宽技术作了分析研究，提出软基处理方案选择中应考虑总沉降因素，并应将总沉降纳入控制标准；
关键词：高速公路；拓宽工程；软基处理；施工技术
1 软土地基处理
1．1 沉降控制标准
国内许多高速公路均建于软土地基之上。改扩建采用分离式路基时，软基处理可以参照新建工程进行。两侧或单侧拓宽时，拓宽荷载在地基中产生的附加应力，引起地基中应力重分布，从而对老路堤将产生较大影响，引起老路再次产生沉降和纵向裂缝。对桥头路段，拓宽路堤将引起桥头再次出现跳车现象，以及桥台桩和桥头搭板的损坏等现象。由于路堤拓宽的力学分析模式和土层参数均很复杂，目前国内缺乏相应的设计理论。对于新建工程的软基，高速公路一般路段的工后沉降应控制在30 cm 之内，桥头应控制在10 cm之内。如果以此作为拓宽的工后沉降控制标准显然偏大。新路的工后沉降应该确保新老路面之间不应出现过大的差异沉降，防止拼接部位路面结构层破坏。因此在分析新路和老路沉降变形规律的基础上，还需要研究新路的工后沉降以及新路和老路之间的差异沉降控制标准。杭甬高速公路拓宽实践中，对拓宽路堤作用下地基中初始竖向有效应力及超静孔隙水压力计算理论、考虑软土结构性及塑料排水板通水能力随时间降低的软土固结沉降计算理论进行了研究；分析了既有道路和拓宽道路应力场的分布特点，求得了路堤荷载瞬时作用时，地基中超静孔隙水压力和有效应力的分布，进而求得了瞬时沉降、固结沉降和总沉降；考虑了塑料排水板的通水能力随时问衰减的现象，采用双层地基固结理论分析计算了路堤荷载作用下地基的变形。分析结果经实测资料的对比后，证明比较接近。在此基础上，提出了若干控制标准：① 工后沉降：桥头≤5 cm，一般路段≤15 cm；② 总沉降：桥头≤ 15 cm；③ 异沉降：新老路堤纵横向变形坡率≤O．5％。同时也提出了建议的施工期沉降和稳定控制标准：① 沉降速率：<5～8 mm／d；② 侧向位移：<3 mm／d；③ 填筑速率：<80 cm／月；④ 施工路面时间：连续2月沉降速率<3～ 5 mm／月。
众所周知，路面结、构性的纵向裂缝是维修的一个难点，虽然排水固结法处理给沪杭甬拓宽节省了大量的地基处理费用，但具体到出现纵向裂缝的路段则是得不偿失的。因此有必要在一般路段的地基处理设计方案拟定中考虑总沉降因素，界限值建议取25—30 cm(根据各工程实际选取)，理论计算的总沉降大于界限值时必须考虑减少总沉降的措施，如复合地基和桩承式地基；小于界限值的则可以采用排水固结法处理。对于临近结构物如桥头等路段则仍建议采用复合地基处理等措施控制总沉降。
1．2 处理方案遴选
处理方法国内外大体相同，主要有超载预压、复合加筋、改良土性、轻质材料、打设桩基等。国外使用轻质材料的历史较长，且以硬质聚苯乙烯(EPS)和硬质聚氨酯泡沫(PUF)为主，容重为普通路堤的1／5O～1／70，用于软土地基上的拓宽产生的附加应力很小，沉降容易控制。但由于这种材料价格昂贵，也只有国外少数发达国家使用。国内在少数工程，如沪杭甬高速公路拓宽二期中有局部应用，效果也较好，但仍难以推广。
土工格栅加筋桩承式路堤是一种新型的地基基础形式。采用“水平向增强体+竖直向增强体”的联合形式。土工格栅加筋桩承式路堤的工作机理比较复杂，目前对其土拱效应、桩土荷载分担比、基桩承载力及沉降的分析虽然较多，但还未能形成统一规范性的成果，具体目前主要还是依靠经验进行设计。桩形的选择上预应力管桩因其工厂化制作，质量稳定，施工也较为方便，被大多数设计者认可，近几年来应用快速增多。其他还有现浇混凝土薄壁筒桩、Y形桩等也不同程度地得到应用。桩距目前基本采用2～3m，根据褥垫层设计及地基土性各工程分别选取。
拓宽工程软基处理方式的选择应有以下几点：① 老路运营多年，沉降基本稳定，对老路沉降历史的调查显得十分宝贵，有助于对各个具体路段的地基土性的总体把握。② 桥头等结构物相邻路段宜采用桩承式基础，软基较浅时也可采用水泥搅拌桩等复合地基方法。③ 一般路段，中浅厚度的软基，推荐采用排水固结法处理为主，经济效益显著，能满足质量要求，预压期与工程总工期的配合也容易实现；深厚软基，仍推荐采用桩承式基础。④ 路堤桩以管桩为首选，质量可靠，施工方便。特殊部位，如高压线下或场地狭小处可以采用成桩机械小而灵活的素混凝土桩或注浆混凝土桩。
2 路基路面拓宽
2．1 路堤填筑与拼接
新老路差异沉降过大会引起路面结构拉裂破坏。这个差异沉降实际上由二部分组成：一是地基沉降拓宽侧大于老路侧，二是拓宽路堤本身的压缩。拓宽荷载引起的地基应力在横向的分布是渐变的，地基本身也是柔性的，故前者沉降差異呈现出渐变柔性的特点，再者，它随着拓宽侧沉降的增大而增大，对它的控制属地基处理范畴。老路运营多年后，本身的压缩几乎为零，而拓宽路堤未经行车荷载作用，密实度明显逊于老路，通车运营一段时间还将产生一定的压缩量，这个压缩量随填料的性质、路堤的高度、施工压实度控制等变化，但因新老路基界面的明确，它存在着相对刚性和突变的特点。
前面论述了，拓宽高速公路纵向裂缝的形成有一种情况是拼接部路基(面)强度不足，车辆动荷载长期作用下发生永久变形引起的。造成强度不足的原因固然有多方面，但拼接部位压实不足是主要原因之一。故拼宽路堤填筑关键就在于路堤的压实控制。新建高速公路规定的压实度为路床96﹪、上路堤94﹪、下路堤93﹪，另对桥头要求从基底开始均按96﹪控制。对拓宽工程路堤的压实没有明确规定，实际上大多工程在操作中仍然参考新建工程的标准。为避免以上病害的发生，对拓宽工程，路堤填筑的压实度控制应提高标准，初步建议为：行车荷载工作深度范围(一般2．5 m左右)均按96％控制，以下在原规范基础上再提高1个百分点。
2．2 路堑段拓宽
路堑段拓宽，相比路堤段，施工难度大很多，主要体现在山体的薄层开挖，尤其是两侧拓宽，或单侧拓宽量较小时；还有运营状态下拓宽的交通组织问题。沪杭甬拓宽中采用了改梯形边沟为暗沟，减小拓宽宽度，以及对上部圬工防护进行加固，下部边坡坡率调陡后增加、增强锚固的措施，如图1所示。这个措施在施工图设计时并没有采用，主要由于施工中对运营产生了很大的影响，通过逐坡调研后提出的。实际施工完成后发现效果很好，既减小了对山体的破坏，节省了用地，又大大加快了施工进度，也缓解了拓宽引起的交通矛盾，社会和经济效益显著。
图1 路堑拓宽示意图
3 路面工程改建
路基路面拓宽，对旧路技术状况宜作评定，根据评定情况考虑拓宽同时对旧路进行改造，其中路面的改造是主要内容之一。但由于各条高速公路的特点不同，路面的改造显得十分复杂，至今国内没有统一的做法。其中受运营和软基的影响尤为突出。
3．1 旧路面检测、评价
目前拓宽工程，对旧路面的评价大多参照养护技术规范的方法，通过病害调查和弯沉检测对旧路面的破损状况和强度状况进行评价，根据评价结果进行维修和补强设计。但养护技术规范中对沥青路面使用性能评价的方法，一直以来业界都有这样的看法：认为O1版的《公路沥青路面养护技术规范》(JTJ 073．2—2001)规定的方法不太适用于高速公路，评价目的不同导致了道路养护和道路拓宽的评价指标、评价方法和体系存在着明显差异，直接采用道路养护的老路评价指标体系难以适应拓宽工程的实际需要，表现在评价结果上往往过于乐观而仍不能采用。
3．2 运营方面的影响
路面改建过程中，交通分流是首选，大多数高速公路的改建均采用该种方式，交通分流可以较好地解决老路改造和路面拓宽的交通压力，新老路面在强度和整体性方面获得较好的保障。但毋庸置疑，交通分流对区域地方道路交通将产生很大的影响，地方道路能否适应呢?事实上各地区的情况是不同的，对沪杭甬拓宽工程调查了沿线道路的交通量及运行情况，经过分析，基本确定对高速公路全部封闭或部分封闭，或考虑约占1／3交通量的货车进行分流的情况下，沿线地方道路通行能力均无法承受，而且部分互通收费道口的通行能力也严重不足。
运营条件下进行路面改建，不得已采用分期实施的方法，但这种方法仍存在一些问题需要认真地进行探讨和分析。拓宽顺接老路，最大的难度在于施工期交通安全畅通的组织维护，本文不予叙述。在设计方面，拼接部的设计一般如图2所示。需要特别注意的是基层拼接的位置，应根据交通维护需要、旧路基层强度等进行综合考虑，且必须避开轮迹带位置，否则在
图2路面拼接示意图
大交通量和重载作用下极易沉陷、开裂。施工方面则是尽可能确保拼接部密实均匀。更多的问题在于第二阶段的调坡罩面。根据对旧路的检测和评价，对旧路面的改造需要重新进行纵面的设计，纵面设计标准宜满足相应等级的规定，一方面以加铺补强厚度作为控制要素；另一方面受旧路面标高、桥涵结构物、跨线桥净空等限制。这样设计的纵面往往是各种限制因素综合作用的结果，并不能很好地兼顾各个方面，还需要在路面的处理上进行适当的补救，如加深铣刨、混合料加强、适度抛高渐变等，或者对桥梁进行抬升，以获得较好的路用性能。
拓宽工程路面一旦分期实施，宜遵循以下的原则和方法：(1)对旧路的检测评价，以及纵面的设计和稳定必须同步完成，走一步设计一步的做法是不合适的。(2)两期间隔时间不宜太长，否则旧路进一步使用、损坏，技术状况需要重新评价则造成前期工作的浪费，也会带来不经济的因素。(3)从经济上考虑，局部路段允许一期实施完毕是合适的，这要求，在交通组织上同时给予充分考虑，且允许进行较小段落的分段设计。
3．3 分车道的设计
路基拓宽后，道路车道数增加，内侧车道往往以行驶中小型车为主，外侧车道则多重车，造成车辆轴载在横向的分布不均匀，按传统的各车道同样对待的方法来设计路面，可能造成路面寿命的极不均衡。因此在拓宽工程路面设计中，根据有代表性的年、月、日、时的实测轴载谱，或调查的各类型车的轴载分布资料，进行针对性的设计，或是根据不同车道的轴载差异，在结构厚度或混合料强度设计时适当对重车道予以加强考虑，这样的做法应是值得鼓励的。沪杭高速公路在路面改建设计中，利用实测的轴载资料，对二、三车道加铺层混合料作了加强，采用天然沥青+SBS复合改性、高模量沥青等措施，在分车道设计方面作了一定的尝试，有助于拓宽后路面使用寿命的延長，后续对施工及施工后的效果将作进一步观察、总结。
4结 论
(1) 拓宽工程有必要提高路堤压实度的要求，建议行车荷载工作深度范围均按96﹪控制，以下在原规范基础上再提高1个百分点；
(2) 高速公路拓宽工程软基处理方案选择中应考虑总沉降因素，宜将总沉降纳入控制标准；
(3) 拓宽工程受运营影响，路面分期实施，但两期间隔时间不宜太长，宜一次设计并动态跟
踪；路面改建设计宜积极考虑轴载分布变化特点，进行分车道设计。
关键词：高速公路；拓宽工程；软基处理；施工技术
1 软土地基处理
1．1 沉降控制标准
国内许多高速公路均建于软土地基之上。改扩建采用分离式路基时，软基处理可以参照新建工程进行。两侧或单侧拓宽时，拓宽荷载在地基中产生的附加应力，引起地基中应力重分布，从而对老路堤将产生较大影响，引起老路再次产生沉降和纵向裂缝。对桥头路段，拓宽路堤将引起桥头再次出现跳车现象，以及桥台桩和桥头搭板的损坏等现象。由于路堤拓宽的力学分析模式和土层参数均很复杂，目前国内缺乏相应的设计理论。对于新建工程的软基，高速公路一般路段的工后沉降应控制在30 cm 之内，桥头应控制在10 cm之内。如果以此作为拓宽的工后沉降控制标准显然偏大。新路的工后沉降应该确保新老路面之间不应出现过大的差异沉降，防止拼接部位路面结构层破坏。因此在分析新路和老路沉降变形规律的基础上，还需要研究新路的工后沉降以及新路和老路之间的差异沉降控制标准。杭甬高速公路拓宽实践中，对拓宽路堤作用下地基中初始竖向有效应力及超静孔隙水压力计算理论、考虑软土结构性及塑料排水板通水能力随时间降低的软土固结沉降计算理论进行了研究；分析了既有道路和拓宽道路应力场的分布特点，求得了路堤荷载瞬时作用时，地基中超静孔隙水压力和有效应力的分布，进而求得了瞬时沉降、固结沉降和总沉降；考虑了塑料排水板的通水能力随时问衰减的现象，采用双层地基固结理论分析计算了路堤荷载作用下地基的变形。分析结果经实测资料的对比后，证明比较接近。在此基础上，提出了若干控制标准：① 工后沉降：桥头≤5 cm，一般路段≤15 cm；② 总沉降：桥头≤ 15 cm；③ 异沉降：新老路堤纵横向变形坡率≤O．5％。同时也提出了建议的施工期沉降和稳定控制标准：① 沉降速率：<5～8 mm／d；② 侧向位移：<3 mm／d；③ 填筑速率：<80 cm／月；④ 施工路面时间：连续2月沉降速率<3～ 5 mm／月。
众所周知，路面结、构性的纵向裂缝是维修的一个难点，虽然排水固结法处理给沪杭甬拓宽节省了大量的地基处理费用，但具体到出现纵向裂缝的路段则是得不偿失的。因此有必要在一般路段的地基处理设计方案拟定中考虑总沉降因素，界限值建议取25—30 cm(根据各工程实际选取)，理论计算的总沉降大于界限值时必须考虑减少总沉降的措施，如复合地基和桩承式地基；小于界限值的则可以采用排水固结法处理。对于临近结构物如桥头等路段则仍建议采用复合地基处理等措施控制总沉降。
1．2 处理方案遴选
处理方法国内外大体相同，主要有超载预压、复合加筋、改良土性、轻质材料、打设桩基等。国外使用轻质材料的历史较长，且以硬质聚苯乙烯(EPS)和硬质聚氨酯泡沫(PUF)为主，容重为普通路堤的1／5O～1／70，用于软土地基上的拓宽产生的附加应力很小，沉降容易控制。但由于这种材料价格昂贵，也只有国外少数发达国家使用。国内在少数工程，如沪杭甬高速公路拓宽二期中有局部应用，效果也较好，但仍难以推广。
土工格栅加筋桩承式路堤是一种新型的地基基础形式。采用“水平向增强体+竖直向增强体”的联合形式。土工格栅加筋桩承式路堤的工作机理比较复杂，目前对其土拱效应、桩土荷载分担比、基桩承载力及沉降的分析虽然较多，但还未能形成统一规范性的成果，具体目前主要还是依靠经验进行设计。桩形的选择上预应力管桩因其工厂化制作，质量稳定，施工也较为方便，被大多数设计者认可，近几年来应用快速增多。其他还有现浇混凝土薄壁筒桩、Y形桩等也不同程度地得到应用。桩距目前基本采用2～3m，根据褥垫层设计及地基土性各工程分别选取。
拓宽工程软基处理方式的选择应有以下几点：① 老路运营多年，沉降基本稳定，对老路沉降历史的调查显得十分宝贵，有助于对各个具体路段的地基土性的总体把握。② 桥头等结构物相邻路段宜采用桩承式基础，软基较浅时也可采用水泥搅拌桩等复合地基方法。③ 一般路段，中浅厚度的软基，推荐采用排水固结法处理为主，经济效益显著，能满足质量要求，预压期与工程总工期的配合也容易实现；深厚软基，仍推荐采用桩承式基础。④ 路堤桩以管桩为首选，质量可靠，施工方便。特殊部位，如高压线下或场地狭小处可以采用成桩机械小而灵活的素混凝土桩或注浆混凝土桩。
2 路基路面拓宽
2．1 路堤填筑与拼接
新老路差异沉降过大会引起路面结构拉裂破坏。这个差异沉降实际上由二部分组成：一是地基沉降拓宽侧大于老路侧，二是拓宽路堤本身的压缩。拓宽荷载引起的地基应力在横向的分布是渐变的，地基本身也是柔性的，故前者沉降差異呈现出渐变柔性的特点，再者，它随着拓宽侧沉降的增大而增大，对它的控制属地基处理范畴。老路运营多年后，本身的压缩几乎为零，而拓宽路堤未经行车荷载作用，密实度明显逊于老路，通车运营一段时间还将产生一定的压缩量，这个压缩量随填料的性质、路堤的高度、施工压实度控制等变化，但因新老路基界面的明确，它存在着相对刚性和突变的特点。
前面论述了，拓宽高速公路纵向裂缝的形成有一种情况是拼接部路基(面)强度不足，车辆动荷载长期作用下发生永久变形引起的。造成强度不足的原因固然有多方面，但拼接部位压实不足是主要原因之一。故拼宽路堤填筑关键就在于路堤的压实控制。新建高速公路规定的压实度为路床96﹪、上路堤94﹪、下路堤93﹪，另对桥头要求从基底开始均按96﹪控制。对拓宽工程路堤的压实没有明确规定，实际上大多工程在操作中仍然参考新建工程的标准。为避免以上病害的发生，对拓宽工程，路堤填筑的压实度控制应提高标准，初步建议为：行车荷载工作深度范围(一般2．5 m左右)均按96％控制，以下在原规范基础上再提高1个百分点。
2．2 路堑段拓宽
路堑段拓宽，相比路堤段，施工难度大很多，主要体现在山体的薄层开挖，尤其是两侧拓宽，或单侧拓宽量较小时；还有运营状态下拓宽的交通组织问题。沪杭甬拓宽中采用了改梯形边沟为暗沟，减小拓宽宽度，以及对上部圬工防护进行加固，下部边坡坡率调陡后增加、增强锚固的措施，如图1所示。这个措施在施工图设计时并没有采用，主要由于施工中对运营产生了很大的影响，通过逐坡调研后提出的。实际施工完成后发现效果很好，既减小了对山体的破坏，节省了用地，又大大加快了施工进度，也缓解了拓宽引起的交通矛盾，社会和经济效益显著。
图1 路堑拓宽示意图
3 路面工程改建
路基路面拓宽，对旧路技术状况宜作评定，根据评定情况考虑拓宽同时对旧路进行改造，其中路面的改造是主要内容之一。但由于各条高速公路的特点不同，路面的改造显得十分复杂，至今国内没有统一的做法。其中受运营和软基的影响尤为突出。
3．1 旧路面检测、评价
目前拓宽工程，对旧路面的评价大多参照养护技术规范的方法，通过病害调查和弯沉检测对旧路面的破损状况和强度状况进行评价，根据评价结果进行维修和补强设计。但养护技术规范中对沥青路面使用性能评价的方法，一直以来业界都有这样的看法：认为O1版的《公路沥青路面养护技术规范》(JTJ 073．2—2001)规定的方法不太适用于高速公路，评价目的不同导致了道路养护和道路拓宽的评价指标、评价方法和体系存在着明显差异，直接采用道路养护的老路评价指标体系难以适应拓宽工程的实际需要，表现在评价结果上往往过于乐观而仍不能采用。
3．2 运营方面的影响
路面改建过程中，交通分流是首选，大多数高速公路的改建均采用该种方式，交通分流可以较好地解决老路改造和路面拓宽的交通压力，新老路面在强度和整体性方面获得较好的保障。但毋庸置疑，交通分流对区域地方道路交通将产生很大的影响，地方道路能否适应呢?事实上各地区的情况是不同的，对沪杭甬拓宽工程调查了沿线道路的交通量及运行情况，经过分析，基本确定对高速公路全部封闭或部分封闭，或考虑约占1／3交通量的货车进行分流的情况下，沿线地方道路通行能力均无法承受，而且部分互通收费道口的通行能力也严重不足。
运营条件下进行路面改建，不得已采用分期实施的方法，但这种方法仍存在一些问题需要认真地进行探讨和分析。拓宽顺接老路，最大的难度在于施工期交通安全畅通的组织维护，本文不予叙述。在设计方面，拼接部的设计一般如图2所示。需要特别注意的是基层拼接的位置，应根据交通维护需要、旧路基层强度等进行综合考虑，且必须避开轮迹带位置，否则在
图2路面拼接示意图
大交通量和重载作用下极易沉陷、开裂。施工方面则是尽可能确保拼接部密实均匀。更多的问题在于第二阶段的调坡罩面。根据对旧路的检测和评价，对旧路面的改造需要重新进行纵面的设计，纵面设计标准宜满足相应等级的规定，一方面以加铺补强厚度作为控制要素；另一方面受旧路面标高、桥涵结构物、跨线桥净空等限制。这样设计的纵面往往是各种限制因素综合作用的结果，并不能很好地兼顾各个方面，还需要在路面的处理上进行适当的补救，如加深铣刨、混合料加强、适度抛高渐变等，或者对桥梁进行抬升，以获得较好的路用性能。
拓宽工程路面一旦分期实施，宜遵循以下的原则和方法：(1)对旧路的检测评价，以及纵面的设计和稳定必须同步完成，走一步设计一步的做法是不合适的。(2)两期间隔时间不宜太长，否则旧路进一步使用、损坏，技术状况需要重新评价则造成前期工作的浪费，也会带来不经济的因素。(3)从经济上考虑，局部路段允许一期实施完毕是合适的，这要求，在交通组织上同时给予充分考虑，且允许进行较小段落的分段设计。
3．3 分车道的设计
路基拓宽后，道路车道数增加，内侧车道往往以行驶中小型车为主，外侧车道则多重车，造成车辆轴载在横向的分布不均匀，按传统的各车道同样对待的方法来设计路面，可能造成路面寿命的极不均衡。因此在拓宽工程路面设计中，根据有代表性的年、月、日、时的实测轴载谱，或调查的各类型车的轴载分布资料，进行针对性的设计，或是根据不同车道的轴载差异，在结构厚度或混合料强度设计时适当对重车道予以加强考虑，这样的做法应是值得鼓励的。沪杭高速公路在路面改建设计中，利用实测的轴载资料，对二、三车道加铺层混合料作了加强，采用天然沥青+SBS复合改性、高模量沥青等措施，在分车道设计方面作了一定的尝试，有助于拓宽后路面使用寿命的延長，后续对施工及施工后的效果将作进一步观察、总结。
4结 论
(1) 拓宽工程有必要提高路堤压实度的要求，建议行车荷载工作深度范围均按96﹪控制，以下在原规范基础上再提高1个百分点；
(2) 高速公路拓宽工程软基处理方案选择中应考虑总沉降因素，宜将总沉降纳入控制标准；
(3) 拓宽工程受运营影响，路面分期实施，但两期间隔时间不宜太长，宜一次设计并动态跟
踪；路面改建设计宜积极考虑轴载分布变化特点，进行分车道设计。