公路路基拓宽差异沉降控制关键技术及工程应用

唐 红

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

到2017年底上海公路网总里程达到13 321.991 km，公路网密度为210.1 km/100 km2，每万人公路拥有量达5.51 km。其中，高速公路829.213 km，普通国省道930.64 km，90%以上道路已经建成。2015年起上海市陆续对既有二级以上省道进行拓宽改建，其中包括大叶—叶新公路。

受建设初期经济实力的限制，大部分干线公路按照双向两车道或四车道建设，随着经济的高速发展，交通量激增，对既有道路扩容势在必行，而旧路拓宽是目前的主要的方式。

旧路拓宽与新建道路的根本区别要考虑旧的与新路的相互作用，旧路的存在对新路设计、施工及后期运营管理都提出了很多要求，而最难处理的是新旧道路的差异沉降控制。

对既有路基路面再利用，不仅能节约投资，更能节约资源，符合国家提出的绿色公路发展思路。

1 产生差异沉降成因分析和处理方案

1.1 产生差异沉降成因分析

道路的变形以沉降为主，按照沉降发生的部位可分为地基沉降、路基沉降和路面沉降；按照沉降发生的时间不同可分为施工期间的沉降和工后沉降。工后沉降是公路建设质量控制的主要因素之一，而旧路拓宽工程由于新旧道路实施时间不同、路基填筑方案不同导致新旧道路存在工后变形差异，不能以单一的工后沉降作为设计控制指标，需从新老路基差异沉降控制入手，要充分考虑既有路基固结沉降状况及其发展规律。

道路拓宽前旧路路基已基本固结稳定，而两侧地基基本为原状土，在拓宽路基荷载作用下，地基将产生新的变形，并对原有路基路面产生一定影响，新老路基路面结合部产生开裂，也是道路拓宽产生病害最重要的、最根本的原因。

1.2 处理方案

1.2.1 既有路基状况调查

项目启动前要对既有路基进行调查，只有客观评价旧路性能，才能对正确评价新拼接路基对既有路基沉降变形和边坡稳定的影响程度。

（1）路基调查的主要内容

调查既有路基病害和隐患情况；调查既有路基排水系统状况；调查既有路基工后沉降情况，重点调查桥头“跳车点”。

（2）路基评价的主要内容

评价既有路基高程是否满足路基设计洪水频率的要求；评价既有路基的路床处于干燥或中湿状态的临界高度；评价既有路基承载能力，病害的类型、分布范围、规模及成因。

（3）路基调查的主要实验

路基顶面当量回弹模量通过现场承载板测试给予实现；既有路基结构整体承载力和抗变形能力可以通过重型动力触探测试完成；路基湿度测试用小螺钻和环刀法完成。

1.2.2 沉降控制标准的确定

规范要求，用“路拱横坡度的工后增大值”作为拓宽路基的沉降控制指标。上海作为软土地区，经过多项工程实践和科研成果，规定拓宽路堤的路拱横坡度工后相对于交工时的增大值不应大于0.5%：

差异沉降简化计算模型见图1。

图1 差异沉降简化模型

路拱横坡度增大值：

式中：b1为旧路基宽度；b2为新路基宽度；y0为旧路中心点沉降量；y1为旧路肩处沉降量；y2为新路肩处沉降量。

1.2.3 选择合理的地基处理方案

采取合理的地基处理方案，可控制新老路基差异沉降，防止道路产生纵、横向裂缝。

地基处理方案的选择，应综合考虑软土层厚度和埋深、既有路基的固结度和剩余沉降情况、路基高度和拼接形式等因素，控制拓宽路基的沉降并尽量减少对既有路基的影响。

上海地区软土地基比较常用的地基处理方法包括排水固结、复合地基法、轻质填料换填等。由于拓宽路基填筑过程中发生的施工沉降将直接影响既有路基的沉降变形，因此旨在加快固结速率，但未减小总沉降的排水固结法不再适用，建议工程重点考虑复合地基法和轻质填料法，见表1。

1.2.4 拼宽路堤处理

拼宽路堤的填筑与压实度应满足现行规范的技术要求，也可根据需要适当提高压实度标准。拓宽路堤的填料宜选用与既有路堤相同，且符合要求的填料或较既有路堤渗水性强的填料。

拓宽既有路堤时，清除旧路堤边坡一定深度的表层压实度不足的土，在既有路堤坡面开挖台阶，台阶宽度不应小于1.0 m，台阶可采用竖倾式台阶；当加宽拼接宽度小于0.75 m，可采用超宽填筑或翻挖既有路堤等工程措施。

为提高新老路基之间的结合强度，在沉降差异最明显的路基基底和拉应力最大的路床拼接部位，可采用路基加筋技术（见图2）。加筋作用主要增加新老路基的整体刚度，缓解不协调变形的程度，防范拓宽后新建路面机构在应力集中作用下开裂。

图2 路基加筋示意（单位：m）

2 项目概况

大叶-叶新公路是上海南部重要的市域主要干线，西起省界，东至浦东新区，全长约87km，横穿金山区、松江区、奉贤区及浦东新区，见图3。

表1 常用软土地基处理方法

图3 大叶-叶新公路走向示意图

现状叶新公路属于二级公路，始建于上世纪八十年代，1998年拓宽改建，双向2车道，路基上口宽度14~21 m不等。道路服务水平较低，相关配套设施建设较为滞后，而且路段道路通行能力已逐渐不能满足交通通行的需求，若不对公路加以拓宽改建，将无法发挥其干线省道公路的作用，未来将制约公路沿线城镇的进一步发展。

拓宽改建后道路等级提升为一级干线公路，设计速度80 km/h，规划红线宽度45~50 m，主线双向六车道，见图4。

图4 拓宽改建后道路

3 路基拼接设计

叶新公路建成至今已经历时二十余载，既有道路基已基本趋于稳定，为避免对路基造成扰动，节约工程造价、缩短工期，本工程考虑除桥台后等沉降较为明显的路段以外，原则上老路路基再利用。

3.1 既有路基调查

工程设计开展前，调阅了原有道路的设计、竣工和养护资料，并委托专业单位对既有路基和拓宽场地进行了调查、勘测和测试，查明了既有路基的填料、强度和稳定情况。

既有路堤平均高度为1.2 m，原路基处于潮湿或中湿状态，路基填料为间隔土，按二级公路标准建设。2014年全面大修，路面平整度优良。

工程建设场地地貌单元为湖沼平原I-1区，地质条件复杂，土层分布不稳定，地下水位偏高。

3.2 沉降控制标准的确定

旧路中心线与规划红线不重合，部分路段两侧拓宽，部分道路单侧拓宽，选择合适的沉降控制标准是路基设计的关键。

根据《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》和《公路路基设计规范》，拓宽部分的工后沉降应同时满足如下两点要求：

（1）一级公路软土地基处理工后沉降控制标准见表2。

表2 一级公路软土地基处理工后沉降控制标准

部分路段属于单侧拼宽，新老路面间有中央分隔带分隔，拼宽部分路基可按新建道路容许工后沉降标准进行控制，并考虑其拓宽改建工程的工程性质，较一般路段提高一级，即按新建道路涵洞、箱涵处的容许沉降进行控制，容许工后沉降不大于20 cm，见图5。

图5 单侧拼宽路段（单位：m）

（2）双侧拼宽路基按照差异沉降标准控制，拓宽路堤的路拱横坡度工后相对于交工时的增大值不应大于0.5%：根据工程方案，路基拼宽宽度在14~18 m范围内。按照规范要求的路拱横坡增大值反算，可得出新、旧路肩处的差异沉降值应控制在3~10 cm范围内，见图6。

3.3 地基处理方案的选择

地基处理方案主要考虑复合地基和轻质路堤：复合地基法主要是利用加固土桩、刚性桩等方式加固土地形成复合承载力，提高土地强度减少沉降，而轻质填料法主要是通过减轻填料重度，减少超载量，降低荷载，减少沉降。

图6 双侧拼宽路段（单位：m）

（1）泥土搅拌桩

水泥土搅拌桩是将水泥通过专用的机械在地基深部将软土和固化剂强制拌合形成具有较高强度的竖向加固体，根据工程经验，水泥土桩在0~10 m范围内工程质量可以保证，在10~12 m深度范围工程质量尚可，12~15 m范围内桩体质量一般，15 m以下桩体质量较差。因此本工程中水泥土桩长宜小于12 m。

（2）PHC管桩

PHC管桩属于刚性桩，具有施工速度快，控制工后沉降效果好等特点，一般需保证桩长穿透软土层，根据本次工程地质勘查结果，由于本工程⑤号土缺失，PHC管桩需打穿⑥号土，本次工程中每根PHC管桩桩长采用20~25 m。

（3）粉煤灰路堤

粉煤灰路堤具有自重轻，造价低的优点，但是施工不当易造成污染，本工程属黄浦江准水源保护地，不宜大面积使用。

（4）泡沫轻质混凝土

泡沫轻质混凝土具有自重轻、强度高、工期短、环保等特点，但对后期道路养护、管线敷设与养护等影响较大，本工程不适合大面积使用。

3.4 地基处理方案的确定

运用软件进行沉降计算，确定最终的地基处理方案。本工程使用的计算软件为理正岩土计算6.5PB2版和有限元分析软件MIDAS。

（1）设计参数（见表 3）

水泥搅拌桩：桩长12 m，桩径0.6 m，桩间距1.5 m；

PHC：桩距 3.0 m，桩长24 m，桩外径0.4 m，壁厚95 mm，桩帽1.4 m×1.4 m×0.3 m。

（2）沉降计算值

针对不同填土高度，采用水泥土桩+二灰路堤、PHC桩+二灰路堤、二灰路堤、石灰土路堤等多种组合方式对路基进行处理，并分别对按单侧拼接路基和双侧拼接路基两种工况情况进行沉降计算，对两种方法计算结果取平均值后得出表4。

表3 设计参数表

表4 沉降计算比较表

根据沉降计算结果，最终采取的地基处理方案为：

单侧拼宽道路：路基高差不大于1.2 m，采用石灰土回填；1.2 m＜路基高差≤2.5 m，采用二灰回填；2.5 m＜路基高差≤3.5 m，采用二灰+水泥土搅拌桩处理。

双侧拼宽道路，路基高差不大于1.2 m，采用二灰回填；1.2 m＜路基高差≤2.5 m，采用二灰+PHC管桩；路基高差大于2.5 m，采用二灰+PHC管桩。

3.5 路基填筑施工方案

路基施工前首先清表30 cm，将地表垃圾、耕植土等清除，清表后的地基压实度应不小于90%。新老路基搭接需要开挖台阶，台阶开挖宽度按1.0 m控制，每级台阶高0.67 m，连接处加铺刚塑双向土工格栅4.0 m一层，土工格栅用U型钢钉固定于台阶上，搭接宽不小于10 cm，用镀锌铁丝绑扎。分层填筑石灰土或二灰至第一级开挖台阶高度后再开挖第二级台阶，开挖一级填筑一级，见图7。

图7 路基填筑示意图

4 结 语

路基改扩建设计必须是在既有路基调查和评价的基础上，合理处置既有路基病害，分析路基改扩建对既有路基变形、稳定性、防护和排水设施的影响。做好地基处理、路基填料、边坡稳定、防护排水设施的综合设计，采取合理的工程措施，保证拓宽路基与既有路基之间衔接良好，控制拓宽路基与既有路基之间的差异沉降，防止新老路基结合部不协调变形造成路面结构开裂、滑移等病害的发生。