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新旧路基拼接段差异沉降控制研究
作者：申康 顾良军
来源：《城市建设理论研究》2013年第22期
摘要：本文分析了新旧路基的拼接段纵向裂缝产生的机理，提出了五个相应的处置措施，并对每个相应的措施进行分析提出注意事项及具体指标。 关键词： 新旧路基 差异沉降土工格室
中图分类号： U213.1 文献标识码： A 文章编号： 0 概述
近年来，随着我国经济的迅速发展，公路的交通量逐年递增，由于早期修建公路时对交通的迅猛增长估计不足，一些营运量大的公路已经呈现出交通量饱和的态势，使得公路本身所应具有的高速、快捷、畅通的服务优势大打折扣。为满足日益增长的交通需求，对已有的公路加宽已成必然。公路的扩建加宽在我国还是一个新生事物，国内已经完成的公路加宽扩建工程较少，如何进行改建没有成熟的经验可循，从设计到施工，规范涉及也不多。由于旧路路基已沉降多年基本趋于稳定，而新路路基沉降时间短，新旧路基结合处必将产生不均匀沉降，从而产生纵向裂缝，导致水泥混凝土面板在荷载作用下产生断板，沥青混凝土路面产生反射裂缝，对行车质量带来很大影响，不仅无法满足汽车行驶的需要，而且还会增加汽车的燃油消耗和轮胎磨耗，加大运输成本，增加运输时间，甚至会危及行车安全。鉴于改扩建工程与新建公路相比具有施工难度大、工艺复杂、质量要求高等特点，用新建工程的思路和设计方法不能解决改扩建的问题 。因此，对于公路加宽技术的研究十分迫切，其研究成果的社会效益和经济效益都很明显。
1拼接段纵向裂缝的产生机理
由于结合部位两边的新旧路基沉降速率不一样，沉降量不同，导致结合部位存在应力突变、应力集中现象。如果弯拉应力大而结合界面强度较低，则会在该处开裂错台；另外，新拓宽路基边坡的坡脚在填土重力作用下逐渐发生侧向位移，进一步带动上面的填土沉降和侧向位移，使整个拓宽部分的填土沿结合部位产生横向和竖向移动。在这两方面因素的综合作用下，就会在交界处形成纵向裂缝。 1.1不均匀沉降导致纵向裂缝
路基沉降通常分为三个部分，即瞬时沉降，固结沉降和次固结沉降。
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(1) 瞬时沉降影响
瞬时沉降是指受荷载瞬间作用，地基土在不排水、恒体积的状况下，由于剪应变引起侧向变形所造成的沉降。
对一维土体而言，瞬时沉降很小。当拓宽路基外侧设有挡土墙(内侧有老路基)，新拓宽路基横向变形受限，此时路基只有竖向一维变形，瞬时沉降很小。因此，瞬时沉降对路基最终沉降量的影响很小，其对新老路基沉降差异的影响也很小。 (2)固结沉降影响
固结沉降是指在排水固结过程中，随着土中超静水压力的消散，土骨架产生压缩变形和剪切变形，从而导致土体积压缩而产生的沉降。无论何种情况，固结沉降都无疑是路基总沉降中的主体部分，也是新老路基沉降差异的主要部分。 (3)次固结沉降影响
次固结沉降是指在有效应力不变的情况下，由于土骨架蠕变引起的沉降，是当土中超静水压力基本消散后路基所产生的沉降。路基拓宽后，老路基的次固结沉降持续时间还不太长。而拓宽后，新老路基都存在此项数值不大而持续时间很长的沉降。因此，它对新老路基沉降差异的影响也相对较小。
(4)沉降导致纵向裂缝原理分析
新老路基沉降差异的根源在于新拓宽部分路基与老路基在沉降历史与受荷状态上存在差异，其外部受荷条件——交通运营荷载是一致的，而内在受荷历史与状态不同。具体地讲，主要表现在以下两方面：
第一，新拓宽部分路基的新填土厚度与老路基部分新填土厚度不同，前者大于后者。而新填土在其自重和交通荷载作用下必然存在一个固结过程，会产生一定沉降，因此，新老路基填土厚度的差异也就意味着沉降的差异。
第二，地基沉降历史和当前受荷载状态的差异带来新老路基沉降差异。老路基下地基在公路改扩建之前已受到老路基和交通荷载的长期作用，沉降已基本稳定，而新拓宽部分路基下的地基则刚开始受到路基路面和交通荷载的作用，其工后沉降相对大得多。就当前受荷状态而言，老路基自重荷载及交通荷载本已作用在其地基上，几乎没有增加，或增加很小(新填土少)，而新路基下地基原来仅受其自重作用，当前则受新增新填路基荷载及交通荷载的作用。 上述新老路基沉降差异都将在路基表面上表现出来，从而在新旧道路拼接段产生纵向裂缝。
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1.2机械原因导致纵向裂缝
在铺筑新建路面基层时，不直顺平滑的立面会影响压路机碾压基层的边缘。即使立面很平滑，由于压路机钢轮外侧有钢臂，在新老路基交接处有20～30cm宽的填土，大型压路机无法碾压到。因此，在此位置的基层混合料将会以半松散的状态存在，即使采用小型压实机具进行压实也很难达到大型压路机的压实效果。所以个别路段的新旧路结合部基层强度很低，由于强度不足，会造成路面在此部位断裂，从而形成纵向裂缝。 1.3新建基层的收缩导致纵向裂缝
新施工的半刚性基层，在受到温度升降影响时其自身都会产生一定的伸缩。当温度下降时，新建的半刚性基层都会向自身的中心点方向收缩，因此在它们的结合部位就会产生收缩裂缝；当温度升高时，收缩裂缝又会自动闭合。 1.4老路车辆振动导致纵向裂缝
施工前后老路车辆运行当中，在拼接处产生振动，将会进一步导致纵向裂缝加大。 2解决纵向裂缝的处理措施
纵向裂缝作为公路拓宽改造中的质量通病，防治应遵循“预防为主，及时处治”的原则，在设计和施工过程中通过合理设计，提高施工工艺和施工质量等方法进行有效预防，努力减小路基的差异沉降，最大限度地减少及延缓裂缝的产生和发展、恢复路面功能、延长路面的使用寿命。目前，解决纵向裂缝的处理措施主要有：①选取合适的地基处理方法并保证处理质量；②边坡削坡和台阶开挖；③土工合成材料的采用；④路堤压实度的控制；⑤采用高强度的路基填料等。
2.1选择合适的地基处理方式
加宽工程与普通高速公路的区别在于新路基的固结程度低以及新老路堤的相互不利影响，将会引起新老路基之间的不均匀沉降，因此一般需要对新路基进行工程加固措施，使新老路基成为一个良好的整体，以确保在新老路堤拼接过程中使新老路堤的不均匀沉降控制在可以接受的范围之内。一般地质情况较好的路段，比较好处理，可采用CFG桩＋碎石层处理+土工合成材料（土工格室效果较好）处理。 2.1.1软基段路基地基处理方法
要保证软基路段的拼接工程质量，减小新老路基的差异沉降，新老路基下的软基处治是最为关键的措施。围绕减小新老路基差异沉降这个中心，我们可以从二方面进行着手考虑：一是提高地基承载力，从加固软土地基入手，通过提高软土地基土的压缩模量来减小差异沉降的发
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生。其核心要找到经济和技术上都可行的地基处治方法。二是减小路堤荷载，(同时保证满足路堤边坡稳定所需的路堤本身强度与变形)，使软土路基所承受的上覆路堤荷载减小，进而可减小地基的压缩变形量，使路堤沉降量减小。通过采用新型填筑材料，减小其对软土地基的附加应力影响来达到减小差异沉降的目的，这些都涉及到软基处治优化选择的问题。
高速公路软基的处理方法很多，但对于扩建工程而言，软基处理较新建高速公路具有更高的要求。目前，根据软土地基的生成原因和地基的厚度及其所处的位置，在扩建工程中最常用的软基处理方法有：排水预压（超载预压）法、隔离墙、复合地基法(包括粉喷桩、CFG桩、旋喷桩、预制管桩等)、轻质路堤法等。下面简单介绍排水预压、复合地基、轻质路堤法的加固原理以及在拼接段中的应用情况。 2.2原路边坡削坡和台阶开挖
按照施工规范中对新老路基衔接的要求开挖台阶，而且台阶的数量尽可能多，为新老路基的衔接提供更多接触面，更利于新老路基的接合。在部分填方较高的路段采取逐步开挖的方式施工，同时做好排水与安全防护工作。 2.2.1原路边坡削坡和台阶开挖的作用
（1）清除老路边坡一定深度内的表层植被土和压实度不足的填土； （2）方便加宽部分路堤下软基处理；
（3）增加新老路结合部接触面积，增强结合部摩阻力和抗剪能力，保证新老路基之间的有效结合和整体性；
（4）在横向台阶面为土工隔栅的铺设提供一个锚固长度。 应该注意的是削坡也应该满足施工期间路基的稳定性要求。 2.2.2削坡及台阶开挖方式
最常用的开挖方式包括两种：一种是先削坡（1：0.5）再挖成台阶状，另一种是直接挖成台阶状。后一种开挖方式又包括由上向下开挖和由下向上开挖。。 2.2.3台阶开挖尺寸及内倾角 （1）开挖尺寸
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为考虑台阶尺寸变化对现有道路的影响，对台阶开挖尺寸进行了有限元模拟，分别分析在台阶高度一定时（1m）台阶宽度变化和台阶宽度一定时（1m）台阶高度变化对水平位移和沉降的影响，计算结果见表1和表2。
表1台阶高度一定时（1m）台阶高度变化对水平位移和沉降的影响
注：1为旧路中心线，2为开挖点（即旧路肩边缘），3为新路肩边缘，4为新路基坡脚线；
表2台阶宽度一定时（1m）台阶高度变化对水平位移和沉降的影响
注：1为旧路中心线，2为开挖点（即旧路肩边缘），3为新路肩边缘，4为新路基坡脚线；
由表1可以看出，台阶高度一样宽度变化时，随着台阶宽度的增加，路基水平位移和沉降量逐渐降低。Y1的变化是由于在高宽比大的情况下，新旧路基作用明显，加宽路基相当于压坡护道，使得Y1隆起，尤其在路基加宽大，高度较小情况下更明显。
由表2可以看出，当台阶宽度一样而高度变化时，随着台阶高度的增加，路基水平位移和沉降量都逐渐增加。 （2）内倾角
关于台阶面上的内倾角，国内高速公路扩建工程中大多采用 2～4％的内倾角，出发点是利用内倾角的嵌锁作用增强新老路基的衔接，但是沪宁高速公路扩建工程课题组建议不设置内倾角，理由是：a.内倾角的存在影响台阶面压实效果；b.内倾角不利于排水，施工过程中突然降雨，建造成角隅处积水；c.内倾角的嵌锁作用不明显，新路基的典型破坏形式是路基顶部拉裂和差异沉降。如果拼接路基边坡较陡，此时的破坏形式为近似圆弧状的滑移线，而不是新老路基沿拼接面的水平滑移。 2.3土工合成材料的应用
在高速公路加宽工程中，常用的土工合成材料就是土工格栅和土工格室。
为了使加宽部分路堤和既有道路紧密衔接形成整体，减少新老路堤的不均匀沉降，防止路面开裂，扩建工程中经常采用土工合成材料。土工格室是立体的三维结构，可使填料的表观粘聚力成倍提高，对其中的填料提供了强大的侧限，格室侧壁也对填料产生了竖向的摩擦约束，与材料形成双面磨擦力(即横向阻力)，有效地了因荷载而产生的横向移动趋势。其格室与格室之间的反作用力，更加抵消了部分因荷载而产生的横向位移的趋势。立体结构的土工格室
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效果比平面结构的土工格珊药好，可以从一定程度上减少新路基的侧向位移和差异沉降，且铺于基底和基顶效果最好。
通常将原有路基边坡挖成一定宽度的内倾台阶后，沿道路纵向铺筑一定幅宽的土工格室，使得土工格室一半位于原有路基上，另一半位于新填路基上（见图1）。软基段填方路基拼接时可加大格栅用量，必要时还可采取向老路基中植入筋带的方法加强新老路基间的连接。 图1高速公路土工合成材料铺设层位示意图 2.4压实度标准
路堤的上部需要很高的压实度，主要是增加路基的承载能力，而路堤的下部的压实度主要是减少路堤在恒载作用下的固结变形，从而减少路面在使用过程的沉降量。
为了保证新老路基的紧密衔接，提高路基的强度和整体性，增强其抗变形能力，减小路基本身的工后压缩变形及不均匀沉降，防止路面开裂，扩建工程中要严格控制甚至提高新路基的压实度。考虑到提高压实度的实施难度及缺乏相应的控制标准等因素，以前的高速公路扩建工程中路基多采用公路路基施工技术规范（1995）要求的压实度（见表3）进行控制。 表3 土质路堤压实度标准
由于压实度的过高要求可能导致填方单价的上涨和工期的延长，并有可能对质量产生负面作用，而且《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）对高等级公路拓宽路基压实度的要求已经做出相应的提高。因此可以采用《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）的压实度标准，不必再提高。必要时，可采用冲击碾压或强夯等方法进行增强补压，以削减新老路基拼接拓宽的差异变形。 2.5路基填料
在高速公路扩建工程中，为了降低路基本身的压缩变形以及水稳性，最好能采用透水性砂石填料。例如，在沪杭甬高速公路扩建工程中，根据该区域的料源情况, 采用宕渣和砂砾作为填筑材料, 其中砂砾主要用于桥头与结构物连接部位,每层最大压实厚度为25 cm。
在环境，难以找到充足的石料供应的低昂，填料用粉质土及亚粘土时应做相应处理。粉质土及亚粘土属细粒土，细粒土作填料时，土的含水量应接近最佳含水量，当含水量过高时，应采取晾晒或掺入石灰、水泥、粉煤灰等材料进行处治。当采用细粒土填筑时，路堤填料最小强度符合表4的规定。对于液限大于50%、塑性指数大于26的细粒土，不得直接作为路堤填料。 3结论
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本文主要阐述了纵向裂缝产生机理，并提出了防止纵向裂缝的一系列措施，主要有以下结论：
（1）由于拓宽路基结合部位两边的新旧路基沉降速率不一样，沉降量不同，导致结合部位存在应力突变、集中现象，弯拉应力大而结合界面强度较低，会在该处开裂错台；另外，新拓宽路基边坡坡脚在填土重力作用下逐渐发生侧向位移，进一步带动上面的填土沉降和侧向位移，使整个拓宽部分的填土沿结合部位产生横向和竖向移动。由于这两方面因素的作用，会在交界处形成纵向裂缝。由于新老路基的不均匀沉降、新老路基交接处有20～30cm宽的填土大型压路机压不到、新施工的水泥稳定材料的收缩作用以及老路上大量车辆振动影响等因素综合作用，新老路面交接处不可避免地出现纵向裂缝。在原高速公路的两侧进行对称拼接拓宽，在新拼接荷载的作用下，新老路基间将产生差异沉降，从而导致原路基路面拉应力的产生，该拉应力是产生纵向裂缝的根源所在；
（2）解决纵向裂缝的处理措施主要有：①选取合适的地基处理方法并保证处理质量；②边坡削坡和台阶开挖；③土工合成材料的采用；④路堤的压实度控制；⑤采用高强度的路基填料等；
（3）台阶开挖可以增加新老路结合部接触面积，增强结合部的摩阻力和抗剪能力，保证新老路基之间的有效结合和整体性，同时横向台阶面为土工合成材料的铺设提供一个锚固长度。台阶开挖不当容易造成拓宽道路施工坍塌，应根据不同的路基填料采取不同的开挖方式；若对地基进行冲击压实处理需要考虑对开挖路基的振动影响；
（4）土工格室的铺设可以从一定程度上减少新路基的侧向位移和差异沉降，且铺于基底和基顶效果最好。
（5）提高压实度有利于降低路基自身压缩变形。但由于压实度的高要求可能导致填方单价的上涨和工期的延长，并对质量产生负面作用，而且《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）对高等级公路压实标准已经做出相应的提高。因此拓宽路基可以采用《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）的压实度标准，不必再提高。 参考文献
[1] 钱家欢、殷宗泽. 土工原理与计算（第二版）[M]. 北京：中国水利水电出版社，1996. [2] 高速公路丛书编委会．高速公路路基设计与施工[M] .北京：人民交通出版社，1998. [3] 周志刚等．老路拓宽设计方法的研究[J] ．长沙交通学院学报，1995，11（3）：50-56 [4] 董海等． 高等级公路容许工后不均匀沉降指标的研究．森林工程．2002，18(2)，53-54.
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[5] 朱湘．软土地基格栅加筋路堤结构性能研究[D] ．博士学位论文．南京：东南大学交通学院，2000
[6] 朱湘、黄晓明．公路土工合成材料应用原理[M] ．北京：人民交通出版社，2001 [7] 中华人民共和国行业标准．公路软土地基路堤设计与施工技术规范（JTJ 017-96）[S]．北京：人们交通出版社，1997：118-120
[8] 章定文．软土地基上高速公路扩建工程变形特性研究[D]．硕士学位论文．南京.东南大学，2004
[9] 钱劲松．新老路基不协调变形及控制技术研究[Ｄ]．［硕士学位论文］．上海：同济大学，2004
[10] 中华人民共和国行业标准．公路路基设计规范（JTG D30-2004）[S] ．北京：人们交通出版社，2004：138-139