杭州德胜东路重载交通条件下的潮湿路基设计探讨

杨绍猛，潘 昊，王 毅

（1.上海市政工程设计研究总院集团 浙江市政设计院有限公司，浙江 杭州 310000；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 290000）

杭州德胜东路重载交通条件下的潮湿路基设计探讨

杨绍猛1，潘 昊2，王 毅1

（1.上海市政工程设计研究总院集团 浙江市政设计院有限公司，浙江 杭州 310000；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 290000）

以杭州德胜东路的改造提升工程为依托，通过分析德胜东路上重载交通的工作区影响深度，提出潮湿低路堤情况下城市重载交通的路基路面设计应对方案。就地取材设置40 cm水泥土换填层及碎石垫层，有效地解决了重载交通需要的路基强度问题和潮湿路基的水稳性问题，为杭州市东部区域城市道路在重载交通条件下的设计提供理论和实践依据。

道路改造；重载交通；工作区深度；潮湿低路堤；水泥土换填；碎石垫层

1 概述

杭州市德胜快速路是杭州市“四纵五横二绕”城市快速路网中最重要的“一横”，是连接市区、下沙副城以及江东新城的交通大动脉。德胜东路地面道路始建于2005年，且沿线很多区块正处在城市建设开发过程中，重型交通荷载密集，经过6年时间运营，路基路面已破坏较严重，行驶舒适性差，需要对现状道路进行大修，并进行快速化改造提升，提升后断面规模为“高架双向6车道快速路主线+地面双向6车道辅道”，其中高架主线禁止货车通行，地面道路以城市主干路标准进行设计，是货车通行的主通道，如图1所示。

图1 德胜东路道路改造提升标准横断面（单位：m）

本文研究重点是作为城市主干路的地面道路部分，为了使这次提升改造工程取得良好的效果，对德胜东路现状道路展开了全面调查。调查内容包括交通量、交通组成、路面状况指数、基层取芯、地质及地下水等。

（1）交通量及交通特性

德胜东路现状实测双向高峰小时交通量为4 486 pcu/h，设计年限内一条车道累积轴载为2.0× 107pcu，属于特重交通，设计弯沉值为21（0.01 mm）。同时，德胜东路两侧物流企业众多，大车∶小车为0.3∶0.7。根据调查显示，德胜东路上8 t以上的车辆普遍存在超载现象，平均超载车辆占全部重车的40%以上，最大超载为额定荷载的300%左右，大都超过60%以上(车辆中以运渣土、建筑材料等重物为主)，是典型的重载交通道路。由于车辆超限、超载的情况严重，使得德胜东路在使用6年后路基路面破坏严重，大大缩短了使用寿命并造成较大的经济损失和不良的社会影响。

（2）现状路面状况调查

德胜东路现状路面状况调查综合分级等级划分见表1。

表1 现状路面状况调查表

（3）基层取芯检测

对整条道路进行钻孔取芯成果显示：主车道共钻孔取芯126只孔，其中三渣混合料芯样松散无法测量高度的有71只，占比56%；其余55只芯样基层成板块厚度在10～390 mm之间，多集中在200 mm左右，占比46%。基层总体上呈现松散或部分松散状态。

（4）地基土物理力学参数及地下水调查

经详勘揭示该工程场地系钱塘江口近代冲海积沉积的粉砂性土地层，其中地基持力层为②砂质粉土层，层厚约6～8 m，该层土强度指标较高，天然含水量ω=25.6%，凝聚力c=6.5 kPa，内摩擦角φ=27°，承载力[σ]=90 kPa，其下土层物理及力学性质均较好。沿线拟建场地地下水性质属松散孔隙型潜水，主要赋存在①填土层及②砂质粉土层中；地下水位埋深秋冬季为1.40～3.20 m，春夏季雨水充沛时在地表下0.5～1.0 m，且雨季积水严重。年水位变幅约为1～3 m。结合水位埋深及道路平均路面标高，德胜东路属于IV区潮湿路基，全线干湿路基实际占比见表2。

表2 德胜东路干湿路段类别比重表

以上调查结果表明：现状德胜东路交通量大且超载严重，建设区内地下水位高，属于潮湿低路堤，整条道路路面状况较差，路基松散破坏较严重，必须进行大修或整体改造。

2 路基破坏原因分析

根据上述的调查分析结果，认为导致现状德胜东路路面破毁最主要的原因有如下几个方面：

（1）重载交通引起的路面结构破坏。通常在重载交通条件下，道路路基的结构响应明显不同于非重载交通，路基处理不当或处理深度不够而导致路基工作区遭到破坏，最终影响到路面结构质量。此时路基更容易出现沉陷、裂缝等病害，继而导致沥青路面出现龟裂、沉陷、翻浆、坑槽、松散等破损现象。德胜东路上存在大量超载、超限车辆，荷载作用超过了路基各层的强度，加速了路面结构层的破坏。

（2）道路结构层的水稳定性破坏。德胜东路建设场地内地下水位过高，雨季路面积水严重，路面积水经受车辆荷载和温度胀缩的反复作用，极易水损害形成坑槽；路基处于过湿或潮湿状态，对路基强度和稳定性也造成非常不利影响。

（3）地下管线对结构层强度的不利影响。德胜东路红线范围内有大量的地下管线，部分管线如雨污水管道等由于受管位布置空间不足的影响，只能布置在机动车道下。由于管道沟槽及检查井坞塝回填时施工面相对狭小，极易造成回填土压实度不够，从而影响局部的路面结构强度，出现强度不足和不均匀沉降现象，导致路面结构由点到面的破坏。

目前，国内外在公路行业对重载交通条件下潮湿地基的路基路面设计的研究积累了较为丰富的经验，一般通过加高路堤来解决地下水位高带来的潮湿路堤的影响，通过加厚结构层来适应重载交通的影响。但城市道路不同于公路，很多公路上的成功做法并不适合城市道路，主要是因为：（1）城市道路由于城市规划标高的限制，路基填土高度一般很难满足路基设计的最小填土高度的要求，路基处于潮湿状态很难通过填高路堤的方式解决；（2）城市道路建设周期比较短，周边建筑物密集，地下管线多，许多适合公路的地基处理及路基填筑方法不能在城市道路中采用，导致重载交通动应力影响范围内路堤强度不足；另外，我国现行的规范对城市道路的路基路面设计虽然已有一些基本要求，但其深度和广度还远远不够，需要从技术、经济、运营管理等多角度进行分析研究，同时制定的设计方案要充分考虑上述因素并寻求一个平衡点。

3 重载交通工作区深度及处理措施分析

关于道路行车荷载引起的动响应的影响深度从目前国内现有文献来看，通过现场动应力测试得到的影响深度一般在1.5～2.5 m。随着车重的增加，同一深度处动应力明显增加，当某一深度处附加动土应力为自重应力的1/5～1/10时，可以看作是交通荷载对路堤的影响深度，重载的影响深度约为2.5 m[1，2]，设计中需考虑提高重载交通工作区深度范围内的路基压实度和路基强度。

从组成路面结构层材料的模量及厚度等各因素的正交试验结果分析[3]可得出，各因素对路表弯沉的影响按从大到小顺序为:土基模量＞基层厚度＞底基层厚度＞上面层厚度＞中面层厚度＞下面层厚度＞基层模量＞底基层模量＞下面层模量＞中面层模量＞上面层模量，各参数对底基层层底拉应力的影响程度为：底基层模量＞底基层厚度＞土基模量＞基层厚度＞基层模量。所以，在重载作用下，为保证路面的路表弯沉值小于设计弯沉值、基层层底拉应力小于允许拉应力，最直接和有效的途径就是提高土基模量。受规划控制标高的限制，德胜东路无法通过填高路堤来满足重载交通工作区深度，只能从提高土路基模量入手。

针对上述分析，结合该工程地质中②层砂质粉土情况，进行了水泥处治土回弹模量试验。现场试验以设计路床顶标高处向下超挖40 cm，然后在超挖的砂质粉土里掺6%的水泥均匀拌合，回填碾压，压实度为96%。采用承载板法测试水泥土换填路基土回弹模量，试验结果见表3。

表3 水泥土换填垫层回探模量试验

取浸湿状态的回弹模量代表值115 MPa为以下路面结构计算参数。

4 路面结构层计算分析

根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）推荐结构层及组合设计，综合考虑当地实际情况，决定路面结构面层采用三层式沥青混凝土面层。表面层采用SBS改性沥青的SMA-13沥青玛蹄脂混合料，中面层采用 SBS改性沥青的AC-20C中粒式密级配沥青混凝土，下面层采用AC-25C粗粒式密级配沥青混凝土，基层采用4%～5%水泥稳定碎石，垫层采用级配碎石（对比分析时再加上水泥土层）。

（1）路表计算弯沉值

式中:ls为路表计算弯沉值；P、δ为轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径，cm；αc为理论弯沉系数；F为弯沉综合修正系数；E0为土基回弹模量，MPa。

（2）计算容许拉应力

式中：σm为结构层底面计算点的拉应力，MPa；σR为路面结构层的容许拉应力，MPa；σsp为对水泥稳定类材料为龄期90 d的劈裂强度（MPa）对二灰稳定类、石灰稳定类材料为龄期180 d的劈裂强度，MPa；Ks为抗拉强度结构系数。

拟定路面材料设计参数值及弯沉和拉应力对比计算成果见表4。

表4 路面材料设计参数及计算成果表

通过有无40 cm水泥土换填层的对比计算结果可以看出：

（1）两种方案的结构层设计对应的计算弯沉值均大于设计弯沉值（0.21 mm），满足设计年限内路面结构强度的需要；

（2）有40 cm水泥换填土层比没有该层对于沥青面层弯沉值最大降低27.2%（层底拉应力为负值不做对比分析），基层顶面弯沉下降30.5%，层底拉应力降幅9.8%，但土路基顶面弯沉值降幅46%，改善效果明显；

（3）增设40 cm水泥换填层对降低各层弯沉值和拉应力很有必要。

5 针对性的路基及路面结构层设计方案

（1）路基设计方案

结合上述对比分析结论，考虑到重载交通对结构层强度的需要及防治潮湿路基地下水上升对路基稳定性的不利影响，充分利用砂质粉土层水泥土的改良性能，在设计路床标高以下超挖换填40 cm 6%水泥土，然后再设置30 cm碎石垫层和碎石盲沟以隔断和排除地下水，达到提高路基土强度和干燥路基的目的。为了进一步隔离和疏干地下水，在碎石垫层下设置排水盲沟（盲沟水直接排入雨水系统），并在碎石垫层顶面铺设土工布隔渗层，如图2所示。

图2 路基换填及潮湿路基处理

（2）新建道路结构层设计

综上所述，新建道路结构层设计从上到下布置如下：

面层：4 cm SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料（SBS改性沥青）+5 cm中粒式改性沥青混凝土（AC-20C，SBS改性沥青）+7 cm粗粒式沥青混凝土（AC-25C），相邻面层间设置粘结层；

封层：0.6 cm乳化沥青稀浆封层；

基层：20 cm水泥稳定碎石（4.0 MPa/7 d）上基层+20 cm水泥稳定碎石（3.0 MPa/7 d）下基层；

垫层：30 cm级配碎石垫层；

其下是40 cm水泥土（水泥掺量6%）+压实土路基（40 MPa）。

（3）路面检查井防不均匀沉降措施

为了保证布置在机动车道下雨水检查井坞塝回填质量，回填料采用碎石砂，密实度为0.96；同时为了减少检查井与路面间不均匀沉降对路面的不利影响，该工程中采用了防沉降检查井，改变以往检查井上部荷载由井筒承受为路基承受，井座与井筒间预留15 cm变形空间，使井盖基础与路基协调变形、沉降一致，如图3所示。

图3 检查井防沉降处理图（单位：cm）

6 结语

德胜东路快速化改造提升工程目前已竣工2年了，虽然交通量大，超重超载现象依然严重，但地面道路状况总体良好，达到了工程预期目标。通过该工程案例总结如下：

（1）对德胜东路现场进行深入调研，找出路面破坏的主要原因，再通过研究重载交通作用下的路基工作区深度及处理方法，得出符合该工程实际的40 cm水泥土换填方案。

（2）道路结构层设计有效地结合了重载交通和潮湿路基两个主要方面，通过路基水泥土换填及碎石垫层及盲沟的设置，有效地解决了重载交通需要的路基强度问题和潮湿路基的水稳性问题，具有一定的工程指导意义。

（3）40 cm水泥土换填实际增加费用单价为：18元/m2，以较小的投入取得了较大的社会和经济效益。杭州市从江干区到下沙及大江东的东部片区的大部分区域地质情况都比较接近，浅层都分布有砂质粉土层，充分利用该层就地拌合成水泥土回填以提高路基强度的做法应值得借鉴和推广。

[1]仇敏玉，俞亚南.道路行车荷载影响深度分析 [J].岩土力学，2010,31(6):1822-1826.

[2]李洪亮，王晓华，沈可.天津滨海新区重载交通工作区深度的分析[J].土木工程学报，2011，44（增刊）：158-161.

[3]曹梦醒.天津集疏港道路重载沥青路面结构研究[D].西安：长安大学，2008.

[4]JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范[S].

《中华人民共和国水污染防治法》进行二次修正

6月27 日，第十二届全国人民代表大会常务委员会第二十八次会议通过了《关于修改〈中华人民共和国水污染防治法〉的决定》（第二次修正）。新修订的《中华人民共和国水污染防治法》更加明确了各级政府的水环境质量责任，实施总量控制制度和排污许可制度，加大农业面源污染防治以及对违法行为的惩治力度。决定自2018年1月1日起施行。

U416.1

B

1009-7716（2017）08-0055-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.033

2017-04-06

杨绍猛（1973-），男，湖北广水人，高级工程师，从事城市道路工程设计工作。