錢(qián)曉丹

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海201206）

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，市政道路已經(jīng)成為城市發(fā)展的主要基調(diào)和重要內(nèi)容，成為城市化進(jìn)程不可或缺的組成部分。市政道路設(shè)計(jì)是城市規(guī)劃的主要部分，隨規(guī)劃理念的不同，城市道路設(shè)計(jì)的方式和手段也不相同。根據(jù)我國(guó)的基本國(guó)情和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，城市規(guī)劃以及市政道路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重“以人為本”，做到可持續(xù)發(fā)展[1]。規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)體現(xiàn)城市對(duì)空間環(huán)境的要求以及城市道路發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)的理念?？挛暮繹2]通過(guò)有限元分析路面力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了相應(yīng)分析，研究結(jié)果表明，搭接寬度越長(zhǎng)，應(yīng)力的分布就會(huì)越均勻。李金龍[3]通過(guò)對(duì)路面的沉降進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明路基沉降主要為填土裂縫，產(chǎn)生縱縫的主要原因是壓實(shí)度不夠。石海麗[4]對(duì)拼寬路的拼接面進(jìn)行有限元分析，最終得出地基發(fā)生沉降是造成道路沉降差異的主要原因。通過(guò)以上內(nèi)容分析可知，改擴(kuò)建路面結(jié)構(gòu)的分析仍然存在不足。本文在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入分析，具有一定的理論意義。

2 工程現(xiàn)狀

本文所依托工程為某市區(qū)的市政道路，該道路的交通等級(jí)為重交通，設(shè)計(jì)年限為15年。

2.1 填方路基處理

該市政道路存在較少的高填方路段，一般路基的填方高度小于1 m，路基處理的主要方式：舊路基進(jìn)行支擋結(jié)構(gòu)的拆除與削坡處理，使坡率大于1.5。路基每填高0.5 m設(shè)置1道土工格柵，該結(jié)構(gòu)主要目的是減少路基的沉降。填方地段應(yīng)加強(qiáng)排水布置，防止雨季對(duì)填方道路帶來(lái)侵蝕的危害。

2.2 舊路全部挖除

重要路段要對(duì)管線進(jìn)行調(diào)整，增加使用年限。因此，在進(jìn)行改擴(kuò)建時(shí)應(yīng)對(duì)該段進(jìn)行大修，對(duì)舊路面進(jìn)行挖除，對(duì)埋設(shè)于路基中的管線進(jìn)行重新布設(shè)，然后進(jìn)行壓實(shí)回填。在原有道路上進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)寬輔路，擴(kuò)寬距離分別為5.5 m，新建路面采用瀝青路面。

2.3 舊路修復(fù)

在進(jìn)行路面修整前，應(yīng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)路面指標(biāo)狀況（PCI）得分＜40時(shí)，對(duì)損壞嚴(yán)重的路面鑿除，路基進(jìn)行開(kāi)挖，增加相應(yīng)結(jié)構(gòu)層厚度來(lái)解決底板脫空問(wèn)題，最后進(jìn)行瀝青面層加鋪。

當(dāng)路面指標(biāo)狀況（PCI）得分為40~85時(shí)，可以對(duì)混凝土進(jìn)行換板處理后再加鋪瀝青面層。

當(dāng)路面指標(biāo)狀況（PCI）得分＞85時(shí)，且舊路面具有一定的使用價(jià)值時(shí)，可以對(duì)舊路面進(jìn)行碎石化處理，使舊路面的混凝土作為新路面的基層使用。

2.4 加鋪瀝青層

舊路的路面結(jié)構(gòu)較為完整，損壞程度較小時(shí)，可以通過(guò)在原混凝土路面上直接加鋪瀝青混凝土，實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)的“白改黑”，使路面結(jié)構(gòu)的適用性增強(qiáng)，改善路面性能[5]。

3 路面擴(kuò)建方案

3.1 路面單側(cè)擴(kuò)建

當(dāng)舊路路面結(jié)構(gòu)的破損程度較低，強(qiáng)度較高時(shí)，可以對(duì)舊路直接進(jìn)行利用，擴(kuò)寬段與原路面結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行拼接，當(dāng)?shù)缆窋U(kuò)建受到地形或用地條件限制時(shí)，拼寬方式只能采用單側(cè)拼寬。

3.2 單側(cè)加鋪新路面

當(dāng)舊路路面結(jié)構(gòu)的破損程度較高，強(qiáng)度較低時(shí)，可以對(duì)舊路路面板進(jìn)行破碎，再鋪1層碎石層作為底基層，此時(shí)當(dāng)舊路與拼接路受條件限制時(shí)，采用單側(cè)拼寬的方式。

3.3 路面雙側(cè)擴(kuò)建

當(dāng)舊路路面結(jié)構(gòu)的破損程度較低，強(qiáng)度較高時(shí)，可以對(duì)舊路直接進(jìn)行利用，擴(kuò)寬段在原路面結(jié)構(gòu)兩側(cè)進(jìn)行雙側(cè)拼寬，或者為達(dá)到設(shè)計(jì)要求必須進(jìn)行雙側(cè)拼寬。

3.4 挖除舊路、單側(cè)擴(kuò)建新路面

該方案是在3.1方案的條件基礎(chǔ)上將全部路面結(jié)構(gòu)挖除，然后，對(duì)設(shè)計(jì)要求的道路寬度進(jìn)行重新鋪設(shè)。

4 路面病害及治理

4.1 路面病害

4.1.1 新舊路基變形不協(xié)調(diào)

道路在進(jìn)行改擴(kuò)建前舊路已經(jīng)使用數(shù)年，由于地基自身的沉降和行車(chē)荷載的作用，已經(jīng)形成了固結(jié)沉降，路基基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。拼寬路段施工完畢后要經(jīng)歷幾個(gè)沉降期，且會(huì)產(chǎn)生較大程度的沉降量。

新舊路基之間在剛度和強(qiáng)度上存在較大差異，填方段該問(wèn)題尤其明顯。道路改擴(kuò)建與新建的時(shí)間不同，所以在選擇填料時(shí)也不相同，因此，會(huì)造成新舊道路存在強(qiáng)度上的差異。

4.1.2 新建路邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題

對(duì)于路基新建段會(huì)存在一定問(wèn)題，高填方或者陡坡的邊坡穩(wěn)定性存在一定危險(xiǎn)。新建路基坡腳的沉降量與道路中線的沉降量差異較大，邊坡可能存在滑動(dòng)面，容易出現(xiàn)道路邊坡滑塌。

4.2 病害治理

4.2.1 選擇合理設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外資料研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)方案的合理性能很大程度上減少新舊路基的不均勻沉降以及防止邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)病害。所以設(shè)計(jì)方案的合理性對(duì)于工程造價(jià)和道路使用壽命至關(guān)重要。我國(guó)對(duì)于設(shè)計(jì)方案的措施有：避開(kāi)不穩(wěn)定路段，減少路基搭接，合理選擇加寬形式；對(duì)路基設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，如削坡處理、加土工格柵、加筋等；對(duì)軟土路基進(jìn)行相應(yīng)處理，對(duì)處理方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，如采用CFG樁、粉噴樁等[6]。

4.2.2 加強(qiáng)施工管理與控制

施工質(zhì)量控制：路基在壓實(shí)過(guò)程中新舊路基拼接地方應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)處理，制訂合理的施工計(jì)劃，減少對(duì)舊路基的擾動(dòng)。

4.2.3 加強(qiáng)后期維護(hù)

由于擴(kuò)寬段存在工后沉降現(xiàn)象，使橫向應(yīng)力大于縱向應(yīng)力，因此，道路在拼接部位會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫。在雨水作用下裂縫發(fā)展會(huì)越來(lái)越大，因此，對(duì)產(chǎn)生裂縫的部位應(yīng)進(jìn)行灌漿處理，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

5 路面結(jié)構(gòu)分析

5.1 方案一

5.1.1 墊層彈性模量

墊層的彈性模量在進(jìn)行確定時(shí)應(yīng)對(duì)荷載應(yīng)力與附加應(yīng)力進(jìn)行綜合考慮。通過(guò)規(guī)范可知，碎石墊層的彈性模量取值范圍為200~250 MPa，4%~7%的石灰土彈性模量取值范圍為200~350 MPa，通過(guò)對(duì)比分析，取墊層模量值為250 MPa。

5.1.2 基層厚度確定

基層的厚度對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響程度較大。本文通過(guò)對(duì)厚度進(jìn)行初步擬定，確定范圍為18~42 cm，然后，利用軟件ABAQUS進(jìn)行建模，來(lái)獲得荷載在不利位置和正常位置的最大應(yīng)力值和彎沉值，以及計(jì)算厚度增加4 cm，應(yīng)力值和彎沉值的降低率。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行分析可知，基層厚度由34 cm增加到38 cm時(shí)，最大應(yīng)力值降低了8%~9%。通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知，基層厚度的取值應(yīng)≥36 cm，根據(jù)施工條件可知，基層單層厚度控制在20 cm內(nèi)，且鋪設(shè)分2層進(jìn)行。因此，本文確定基層厚度為36 cm。

5.1.3 水泥混凝土面層確定

文章通過(guò)對(duì)溫度應(yīng)力、荷載應(yīng)力、沉降附加應(yīng)力的組合值進(jìn)行分析來(lái)確定面層的厚度，當(dāng)組合值中不考慮沉降附加應(yīng)力時(shí)，厚度值為25 cm時(shí)，能滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)差異沉降為11 cm時(shí)，面板厚度取值為28 cm，該值變化說(shuō)明方案一的拼接方式中新舊路面結(jié)合較弱。

5.2 方案二

5.2.1 新舊路基連接

路面整體性能的提高可以有效降低荷載應(yīng)力值，因此，本文采用的方式為：將原路面面板進(jìn)行碎石化處理，然后加鋪碎石，最后將原路與擴(kuò)建路同時(shí)進(jìn)行鋪筑。通過(guò)對(duì)路面進(jìn)行分析可知，該方案路面結(jié)構(gòu)中最不利位置仍然出現(xiàn)在擴(kuò)寬段。根據(jù)方案的設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值進(jìn)行組合。

新舊路基在結(jié)合部位的拉應(yīng)力取最大值時(shí)，沉降差為1 cm，拉應(yīng)力數(shù)值達(dá)到0.459 3 MPa（見(jiàn)圖1），且該數(shù)值會(huì)隨著面層結(jié)構(gòu)厚度的增加而降低，因此，新舊路基連續(xù)時(shí)，最大沉降差的范圍為3~5 cm。

圖1 最大拉應(yīng)力圖

5.2.2 新舊路基不連接

當(dāng)新舊路基之間不進(jìn)行連接時(shí)，同樣進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，路面面層厚度取值為24 cm、26 cm、28 cm時(shí)，分析荷載應(yīng)力、溫度翹曲應(yīng)力、沉降附加應(yīng)力的變化值。依據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)分析值乘以系數(shù)，進(jìn)行組合計(jì)算，從而獲得最大沉降值。將計(jì)算結(jié)果與新舊路基連接的計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)路基連續(xù)、面板厚度為24 cm時(shí)，最大沉降為不連續(xù)時(shí)的2倍。附加應(yīng)力為不連續(xù)時(shí)的3倍。

5.3 方案三

方案三是在方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)調(diào)整得到，將方案一的擴(kuò)寬寬度減少到原來(lái)的一半，同歸分析可知：擴(kuò)寬的寬度減小，荷載的應(yīng)力值大幅降低。因此，對(duì)疲勞應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)選取舊路極限位置的數(shù)據(jù)。

5.4 方案四

該方案路基采用連接的方式，路面盡心整體鋪筑，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立來(lái)分析荷載應(yīng)力、附加應(yīng)力的變化情況。不同位置最大應(yīng)力變化如圖2所示。

通過(guò)圖2可以分析出：結(jié)構(gòu)面板厚度為22 cm時(shí)，最大拉應(yīng)力和最大切應(yīng)力數(shù)值變化較為明顯，隨后變化趨于平穩(wěn)。通過(guò)與方案一中的荷載應(yīng)力對(duì)比發(fā)現(xiàn)：面板厚度大于22 cm時(shí)，彎沉值大幅降低。該現(xiàn)象表明，當(dāng)路面整體性能提高時(shí)，路面擴(kuò)散荷載能力也提高，從而使荷載影響降低。

圖2 最大應(yīng)力值變化圖

通過(guò)對(duì)應(yīng)力值組合表明，整體鋪筑的方案會(huì)導(dǎo)致不均勻沉降，附加應(yīng)力的大幅度增加，最大橫向拉應(yīng)力顯著提高。因此，該方式的適合范圍為：新舊路基差異沉降＜3 cm，厚度的取值宜控制在22 cm。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)市政道路改擴(kuò)建的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

1）路面擴(kuò)寬的方案有單側(cè)擴(kuò)建、單側(cè)加鋪新路面、雙側(cè)擴(kuò)建、挖除舊路、單側(cè)擴(kuò)建新路面等。

2）改擴(kuò)建路面存在的主要病害有：新舊路基變形不協(xié)調(diào)、新建路邊坡穩(wěn)定性不足。主要治理措施有：選擇合理設(shè)計(jì)方案、加強(qiáng)施工質(zhì)量管理與控制、加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)。

3）通過(guò)對(duì)4種方案進(jìn)行綜合分析可知，拓寬路段應(yīng)增設(shè)墊層，模量取值應(yīng)＞200 MPa，建議模量取值范圍為200~350 MPa，基層厚度應(yīng)＞36 cm，建議厚度取值范圍為38~40 cm。