浅谈旧路改造方案的设计要点

高建斌

（吕梁宇星公路勘察设计院，山西 吕梁 033000）

旧路改建工程可以分为两个类型：第一类是车道数不变情况下的等级提高（如三级路改二级路，本文对改建工程等级不予提高的情况不讨论，但可类比得之）；第二类是车道数增加情况下的等级提高（如二级公路改建一级公路）。对于第一类改造工程，旧路只有加宽利用及废弃两种选择，而且，旧路路面利用的可能性一般都比较小，而且旧路路基也大都需翻松碾压处理，应尽量考虑利用旧路位置，以减少占地。对旧路进行加宽加铺改造时要特别注意：

①新旧路基间的不均匀沉降以及新路基的塑性累积变形对路面结构响应的影响。

②新旧路基间的刚度差异对路面结构响应的影响。

③面层反射裂缝的防治等。为此，在旧路加宽改造工程的实施之前必须进行先期的方案试验研究。通常可采用软弱地基处理、基底清淤换填、旧路路堤台阶开挖、土工合成材料加筋垫层和加筋土路堤、土工织物防渗和排水、改良土高强路堤和轻质路堤、铺设土工合成材料防裂层或增大加铺层厚度等工程技术措施。

本文结合国道G307线（山西吕梁段）公路加宽改造工程的实施，提出旧路加宽综合处治方案设计时的几点考虑。该项目属于第一类，车道不变的情况下的等级提高，旧路调查工作是旧路改扩建工程中最为重要的一项基础资料收集工作，调查结果将直接影响到项目总体设计思路和设计方案的确定。旧路调查工作主要包括：旧路设计文件、竣工文件；养护资料；交通事故资料；旧路两侧建筑物的情况；交通组成调查；现有路况调查。

1国道G307线（山西吕梁段）路基加宽方案设计的比选

1.1 国道G307线（山西吕梁段）的基本概况 国道G307线（山西吕梁段）公路位于山西省西部吕梁地区境内，东经 111°57′39″-111°07′47″，北纬 37°20′50″-37°30′38″之间，路线起点位于汾阳市冀村镇镇北汾阳市与文水县交界处，汾阳市位于吕梁山东部，汾河水西沿。造就了山、丘、川三分县境的地貌特征，地势由西北向东南倾斜。终点位于离石区南关村西处，地处吕梁山腹地，地势东部高而宽，西部低而窄，境内山多川少。北川河由北向南，东川河由东向西流经全市。该项目由东向西平原区经过杨家庄再转西北部丘陵地带，跨越海拔为1760米的薛公岭向北经过吴城，经过王营庄到田家会趋于平原区，路线整体线形呈中间高俩边低的趋势。沿线地形复杂多变，要越岭跨沟，工程艰巨，沿线经过的村镇不是很多，避绕了敏感区，对地物的影响不大。地质构造属鄂尔多斯断块的东缘，隶属吕梁--太行山地断块边缘，其间以离石大断裂为界。主要受大地构造旋回的控制发育。地壳运动使沉积基层发生皱褶和断裂，之后处于相对平稳过渡期，主要以沉积和剥蚀作用为主.中生代以后,受燕山期构造运动的影响，县境内进入新的构造活动期，表现为西部、北部随吕梁山脉隆起，海拔高度增大，沉积盖层发生皱褶呈单斜状向东南方向倾斜，并形成一级波状起伏的宽缓皱曲河山前断裂。全新世以后，新构造运动持续不断，使西、北部山区、丘陵区进一步抬升而遭到剥蚀，断裂构造继承发展。在上升过程中，东部表现强烈，西部较为缓慢，平原及冲积平原区则随太原断块盆地继续下沉，与山区、丘陵区差异性进一步加大。纵观该项目区为由北向南缓倾的单斜构造，具体构造区包括：紫金山-碛口褶皱群，河东南北向褶皱带。出露的地层发育较为齐全，由老至新逐渐变化。其地层出露主要有中太古界界河山群，下元古界野鸡山群，黑茶山群，中元古界长城系，汉高山群；下古生界寒武系，奥陶系；上古生界碳系，二迭系，新生界第三系，第四系等地层。沿线水文地质条件受地貌单元的控制，差别较大，大部分路段地钻探度内未揭示地下水，局部地下水埋藏较浅。结合地质调查，地下水按其赋存条件，建筑类型等条件分为松散岩灯孔隙水，碳酸盐裂隙岩溶水，变质岩裂隙水及碎屑碳酸岩类溶~裂隙水等四类。钻探提示的地下水类型主要为松散岩类孔隙水，属潜水类型，由地表水，大气降水共同补给，分布不连续，仅在冲洪积倾斜平原区，三川河、阳城河河床，漫滩及局部沟谷谷底揭示，水位1.9-12.5米不等，埋深多大于25.0米。

1.2 国道G307线（山西吕梁段）路基加宽方案设计根据现有路况、水文地质条件和可用的地方材料，综合考虑各种因素对路基刚度差异、不均匀沉降、侧向滑移和防水防渗的影响。经技术经济分析，分别在单侧和双侧加宽，共设计了5种方案进行方案比选。其中，单侧加宽共2种方案；双侧加宽共3种方案。

1.2.1 基本处治措施

1.2.1.1 基底清淤与换填旧路修筑时因就地取土而在路基边坡外侧形成了沿路线走向约1.5m深的积水沟，沟底堆积了大量的淤泥。因此，必须彻底清除边沟内的淤泥以提高路基基底强度，减小由此而造成的新旧路基间的不均匀沉降。边沟清淤后换填天然砂砾，砂砾层顶面需高出常水位20cm以上，并在其上设置3%的横向排水坡以利排水。

1.2.1.2 台阶开挖与构筑为增加新旧路基的整体稳定性，在填筑前须先将旧路路基边坡面开挖成台阶状。单侧加宽部分第一级台阶宽350cm，高100cm，其上三级台阶的宽×高均为150cm×100cm。双侧加宽部分均开挖成宽120cm，高分别为120cm、80cm、80cm的三级台阶。

1.2.2 旧路路基单侧加宽方案

方案一(D1)：二灰填筑方案，即：基底换填天然砂砾+土工网+天然砂砾+粉质土+土工网+粉质土+二灰。在路基顶面以下1.0m范围内采用粉煤灰∶熟石灰=0.9∶0.1(质量比)的比例均匀拌和后填筑，以构成轻质路堤。二灰作为轻质路堤填料具有很好的工程性质：其后期强度高、整体稳定性好，能够有效地减小新旧路基间的刚度差；其自重荷载小，能有效地减小路堤因自重荷载作用而产生的压缩变形，对确保路基的容许工后沉降非常有利。

方案三(D2)：两层土工网方案，即：基底换填天然砂砾+土工网+天然砂砾+粉质土+土工网+粉质土。根据工程实践经验，当路堤填方高度低于4.0m时，在新加宽路基中可铺设2层土工网。由于该项目的填方路段高度基本都小于4米，所以不讨论大于4米的方案。

1.2.3 旧路路基双侧加宽方案

方案一(S1)：粉质土填筑方案，即：基底换填天然砂砾+粉质土+不透水土工布+粉质土+不透水土工布。在粉质土路堤的内部和顶面各铺设一层不透水土工布，可起加筋和隔离防渗的作用。由于不透水土工布的加筋作用可增强新旧路基间的整体稳定性好，减小路基的不均匀沉降；由于不透水土工布的隔离防渗作用，可防止垫层砂砾料的陷入，并能防止雨水浸入对路基的破坏，同时也可在一定的程度上减少路堤自身的压缩变形。

方案二(S2)：粉煤灰填筑方案，即：基底换填天然砂砾+粉煤灰+二灰+不透水土工布。

S2方案的地质条件相对较差，采用粉煤灰+二灰的轻质填料填筑路堤，不仅可以降低新路堤自重，减小路堤的压缩变形，而且还可以提高新路堤的强度和刚度，并可减小路基在行车荷载作用下的塑性累积变形。轻质填料路堤同时起到了减小新旧路基间刚度差异和不均匀沉降的作用，从理论分析和工程实践上来看，是旧路加宽方案中较为理想的一种综合处治措施。

方案三(S3)：砂砾填筑方案，即：自基底换填至整个路堤全填天然砂砾。由于天然砂砾的渗水性填料，可以很好地将浸入路堤中的雨水排出，同时天然砂砾也具有很高的强度和刚度，有利于减小新旧路基间的刚度差，并可减小路基在行车荷载作用下的塑性累积变形。但天然砂砾由于自重较大，使得地基和路堤可能在自重荷载作用下产生较大的沉降和压缩变形，从而造成新旧路基间较大的不均匀沉降。

2在单侧加宽和双侧加宽的方案中军用到了土工布，土工布是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具有一定高度的三维立体网格屏栅，其主要用途如下：

2.1 增强路基，可有效地分配扩散载荷，提高路基的稳定性和承载力，延长使用寿命。

2.2 防止路基材料流失造成的路基变形，开裂。

2.3 使挡土墙后的填土自承能力提高，减少挡土墙的压力，节省费用。

2.4 在公路的路基和路面层中加入土工布，可以降低弯沉，减少车辙，推迟裂缝出现时间3-9倍，可减少结构层厚度达36%。

2..5适用于各种土壤，无需异地取材，省工省时。双向拉伸塑料土工布适用于各种堤坝和路基补强、边坡防护、油壁补强，大型机、停车场、码头货场等永久性承载的基补强。

3土工布的铺设应注意以下主要方面：

3.1 土工布的铺筑面应较为平整，铺筑层经验收合格后，为防止纵向歪斜现象，先按幅宽在铺筑层划出白线或挂线，即可开始铺筑，然后用铁钉固定格栅的端部（每米宽用8根，均为距离固定）。

3.2 固定好格栅端部后，用铺筑机将格栅缓缓向前拉铺，每铺10米长进行人工拉紧和调直一次，直至一卷格栅铺完，再铺下一卷，操作同前。

3.3 铺完一卷后用6T-10T的压路机从起始点开始向前方向碾一遍即可。（如铺筑在中面层上和找平层上，用钢辊压路机为宜：如格栅直接铺在混凝土路面上，用胶辊压路机为宜）。

3.4 接铺：以长卷为单位作为铺设的段长，在应铺格栅的段长内铺满后，再整体检查一次铺筑质量，然后接着铺筑下一段，下一段铺筑时，格栅与格栅可以用10-15cm的搭接长度，并用铁钉或木楔固定后继续向前。

4旧路加宽的路基土压缩变形分析路基土在其自重和路面结构等静荷载作用下的变形主要表现为土体的压缩变形，可通过室内试验测定土的相应变形指标，选取适宜的力学模型采用有限元法分析路基土的应力状态，从而得到路基与地基的总变形量、不均匀变形量、不均匀变形范围以及变形与时间的变化关系等控制指标。在路基土压缩变形的有限元法分析中，将新填筑的路基土视为弹塑性材料，采用邓肯非线性模型。而将旧路路基视为弹性材料，将土工织物视为线弹性材料，按平面应变问题求解。其中，路基和地基采用平面四边形等参单元、土工织物采用接触面单元、路面结构层采用弹性梁单元进行模拟。

5路基土在行车荷载作用下塑性累积变形的探索分析路基土作为一种非线性弹-塑性变形体，在行车荷载作用下除产生弹性变形外，还会产生部分不可恢复的塑性变形。塑性变形会随着行车荷载作用而逐渐累积，在行车道中央轮迹带范围内的路基土所承受的荷载较大，荷载作用次数也较多，因此产生的塑性累积变形也较其它位置要大，从而导致路基的不均匀变形。路基土塑性累积变形可采用如下的计算方法：

①沿深度方向将路基土划分为若干个子层，运用三变量塑性应变方程分别计算各个子层的塑性应变。

②根据路基土某一子层塑性应变的大小和厚度得出该层的塑性变形。

③采用分层总和法将不同深度处各子层的塑性变形累加得到路基土顶面某一点处的塑性累积变形。

④综合考虑水平方向不同位置荷载在同一计算点所引起的塑性变形的叠加，得出路基土顶面某一点的最终塑性累积变形。因此，可采用如下的计算公式进行路基土的塑性累积变形的分析。

式中：

δp-计算点处路基顶面总的塑性累积变形；

fj-第j个轴载作用位置，fj代表轴载在该位置出现的概率，共有p个作用位置；δjp-第j个作用位置处的轴载在计算点处产生的塑性累积变形；

i-第i个计算子层，hI代表该子层的厚度，σis代表该子层土的静态抗压强度，共分n个子层；

εijp-处于j位置的轴载在第i个计算子层内产生的平均塑性应变；

σijd-处于j位置的轴载在第i个计算子层内产生的平均偏应力；

Ni-代表第l个车道累计标准轴载作用次数；

a，m，b-回归系数，称为永久变形参数。

计算深度取决于容许误差的大小，可通过控制应力比(σd/σs)的衰减程度来确定。如可采用应力比(σd/σs)的衰减至10%时的深度作为计算深度。如果取固定的计算深度和等层厚可使计算得到简化经过这样处理得出的计算结果仍能够满足要求。

6旧路加宽试验路的观测测试在旧路加宽改造工程中需进行必要的现场观测测试，以便掌握地基和路基的沉降与变形，以及路基土体内应力状况。在试验路单侧加宽段的每个横断面均埋设了6对沉降板和土压力盒，双侧加宽段各埋设了5对沉降板和土压力盒。沉降板的埋设位置是根据观测总沉降量、分层沉降量和横向不均匀沉降的要求来确定的。埋设在天然原地面的沉降板主要用来测量地基的沉降量；埋设在加宽路基不同高度上的沉降板，主要用来测量新路基自身的分层沉降量；埋设在新路基横断面表层不同位置的沉降板，主要用来测量新路基表层的横向不均匀沉降。土压力盒均埋设在沉降板的一侧，可用来了解在路堤填筑过程中及路堤填筑完成后的土压力变化状况、沉降与土压力间的相互关系等。

7结语

7.1 旧路加宽处治的方案很多，各种方案都具其自身的优缺点和适用条件。在进行具体的方案设计时，要对各种方案进行充分的研究，然后综合考虑具体工程的地质条件、道路等级标准和使用要求、现场施工条件，以及对周围环境的影响等因素，选择最适宜的方案。

7.2 理论分析计算可为方案设计提供可靠的依据。地基沉降和路基的稳定性分析，以及路基土的总变形量、不均匀变形量、不均匀变形范围等的分析计算，可为方案设计提供有效的参考指标。结束语：目前，国道G307线（山西吕梁段）尚未完全开放交通，所采用的加宽处治方案的技术经济效果有待证实。本人进行了一些分析，或可提供一些有用的资料，不当之处还望同行指正。

[1]《公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范》(JTJ016-96)中华人民共和国交通部发布

[2]《公路路基施工技术规范》(JTJ033-95)中华人民共和国交通部发布

[3]《公路土工试验规程》(JTJ051-93)中华人民共和国交通部发布

[4]《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中华人民共和国交通部发布

[5]《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)中华人民共和国交通部发布

[6]《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)中华人民共和国交通部发布

[7]《公路工程施工监理规范》交通部工程监理总站

[8]《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)中华人民共和国交通部发布

[9]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中华人民共和国交通部发布

[10]《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中华人民共和国交通部发布

[11]《公路工程施工监理规范》(JTJ077-95)中华人民共和国交通部发布

[12]《钢筋焊接及验收规程》（JGJ 18-2003）陕西省建筑科学研究设计院