平原地区高等级公路低路堤设计关键技术研究

2019-11-28何燕立

建材发展导向 2019年3期

何燕立

（广州市道路养护中心，广东广州 510000）

改革开放四十年以来，我国经济日新月异，经济的增长刺激着道路交通事业的飞速发展，特别是近二十年来，我国包括高速公路在内的高等级公路的建设里程、通达深度以及路网密度不断攀升，取得了举世瞩目的成绩。我国虽然幅员辽阔，但实际上是一个少耕地国家。公路建设方便了人们的出行，提高了社会经济交流的速度，但按目前我国的建设理念，设计中为了追求公路的线形和稳定性功能，普遍采用高填方、深路堑的路基形式，建设中出现的路基各种病害以及占有大量农田等，使自然生态遭到破坏、水土流失严重、耕地面积减少、环境污染等问题日益严峻，这种公路高填方设计理念在一定程度上加剧了环境与人们之间的矛盾，其社会经济效益越来越不符合人们的需求。这些使我国低路堤的建设成为了必然。在目前的高等级公路设计中路堤填土高度往往较高，平原地区一般在3m～4m之间，甚至最高路基可达可达到数十米。西欧和美国等发达国家同等建设规模的高等级公路路基大多数采用低路堤，平均填土高度仅在0.5～1.0m，而相对于中国来说人口密度更高的日本，其平原区高等级公路的路基高度一般为1 m左右，与周围自然环境更好的融合。基于公路高填路基出现的占用耕地、割裂公路两侧交流以及交通安全等问题，交通部下发了《关于在公路建设中实行最严格的耕地保护制度的若干意见》，指出在环境和技术条件可以达到的情况下宜积极采用低路堤和浅路堑的建设方案，最大可能减少高填深挖。因此，在保障公路路基性能稳定的前提下采用低路堤的设计理念可以在公路建设过程中节约我国宝贵的土地资源，走自然与人们和谐的可持续发展之路[1]。

1 低路堤公路建设的必要性

在勘察设计方面，公路路堤高度降低后可减少由于路堤自身压实度不足造成的工后沉降,提高路面结构的寿命和行车的舒适性，还可以消除驾驶员行驶的紧张感,并可利用路侧的宽度提高行车的容错能力，取消部分护栏。这样不仅避免了高路堤和波形护栏钢构件本身对行车安全带来的隐患，提高行车的安全性，也有利于控制地基的固结沉降和养护，使得由于固结沉降引起的路面病害减少。在施工方面，低路堤不仅大大减少了高填方路堤地基处理、分层碾压的工序，建设土石方工程数量少，极大缩减了工期，而且操作方便、质量容易控制，在平原软土地区更为有利。在环境保护方面，低路堤公路适应地形地貌变化，对沿线原有自然生态破坏较小，还可改善公路本身的景观效果，达到和谐统一的目的。在扩建改造方面，低路堤由于路基路面拼接容易、施工作业面大，工程造价低等优势有利于公路的改扩建和,并降低了道路的标高，为以后相交道路的上跨预留了建设条件。在工程造价方面，路基高度平均降低1m，边坡坡率1:1.5，每公里便可节约占用土地约4.5亩，减少软基软基处理面积约6亩，按双向六车道32m宽的路基宽度，可减少土石方数量超3万立方，工程造价可降低约2000万，可显著降低投资。

2 低路堤公路面临的问题

低路堤的概念在我国现行公路规范中并没有给出明确、严格的定义，工程上通常将平原地区高等级公路填筑高度不大于2.5m的路堤称为低路堤[2]。低路堤虽然有诸多优点，但也面临很多需要解决的问题。

由于平原地区大多数地基的土质工程状况并不理想，以黏土、亚黏土为主，还包括软土、膨胀土等不良土，这些原状土的工程性能和施工压实状况均难以达到新填筑的砂性土等工程性能优良土的标准。另一方面，特重车辆荷载作用下，应力至上而下传递，对路基的影响深度可到达2.5m甚至更深，在整个路基工作区范围内对路基结构的要求更为严格。而低路堤由于填筑不高，路基工作区沿深度方向大部分位于地基，其承载力和刚度偏低，翻压回填的填料来源和压实质量不易，容易导致路面结构层在重载车辆作用下由于路基和地基抗变形能力不足而产生不均匀沉降，形成结构层断裂，减少高等级公路的使用寿命。平原区地势较平坦,地下水位较高并且地表易积水,因此路堤为了保持干燥中湿状态需要高于地下毛细水上升高度，沿线的土质条件和地下水高度等均会对路堤填筑高度产生一定的影响。除了路基工作区和地下水的影响外，由于公路需要满足汽车的安全行驶性能，线形几何设计需要满足纵断面最小坡度和最小坡长等的要求，并需要顾及平纵线形的协调，甚至桥梁跨越河涌时的净空、桥型、梁高的选择均对路基的高度产生很大影响，需要在设计中统筹考虑。

3 低路堤公路设计关键技术

3.1 路基性能的稳定

低路堤公路设计的关键问题主要是集中在低路堤的受力特性、地下水的影响和路线几何设计三个方面，前两者影响路基性能的发挥，后者影响公路安全和舒适。设计时应积极利用有利的地形地质条件降低路基填筑高度，正确引导路基高度设计。对地质条件好、地下水位较深，并且地表排水比较通畅的地段尽量减小路基边坡面积以及减少因地质情况不明确所造成的高填方浪费。可采取设置砂垫层措施降低路基沉降，提高路基的承载能力和降低地下水对路基的侵蚀，达到降低路基填筑高度的目的。当地基存在一定厚度硬壳层时，可以通过利用地基的硬壳层增加路基和路面的整体刚度，扩散交通荷载竖向应力和位移影响，调整不均匀沉降，降低差异沉降率。在地下水位比较高的平原地区修建低路堤公路，除了要严格控制沉降之外还应该进行路基路面排水的综合设计，使路基干湿状态良好，避免外界水分的侵蚀，提高自身的稳定性。对交通荷载繁忙的路段，必须对路面结构进行详细设计，利用路面各结构层的材料特点和层位组合设计减少传递到路基的作用，使路床处于比较好的受力状态，减少路基工作区深度。因此，针对低路堤公路建设面临的问题，通过增加路面结构层的刚度，采用透水性好、力学性能优良的填料填筑路基，充分利用天然地基的硬壳层等工程技术措施可以在降低路基填筑高度的基础上确保路基性能的稳定[3]。

3.2 路线几何设计

在进行路线几何设计，特别是设计纵断面时应反复推敲比较，注意全线纵坡的均衡性,满足规范指标要求的前提下尽量适应平面线形的沿地势变化,在短距离内应尽量避免频繁起伏。灵活、合理使用坡长指标及根据地形进行坡度的变换，充分考虑周边地形的高程,做到低填浅挖消,减少工程量。在平纵组合设计时，虽然规范规定竖曲线与平曲线相重叠时应满足“平包纵”的原则，但考虑到高等级公路速度快、平曲线较长，当平曲线只设一个变坡点时，则容易引起路基高度增加较大。为了降低路堤填筑高度，当地面线高度起伏变化较大且路线平曲线又较长时,应尽量将平曲线与竖曲线分离，并在合适的位置设置多个变坡点。