新老路基结合部处治技术

新老路基结合部处治技术主讲人：应荣华长沙理工大学公路工程学院2007年9月新老路基结合部处治技术主要内容一．路基拓宽工程中的技术特征和工程问题二．新老路基不协调变形的特点和计算方法三．路面结构对不协调变形的力学响应四．拓宽路基的设计理论和方法五．新老路基结合部处治的原理、方法和施工控制技术路基拓宽工程的项目背景在“普及与提高相结合，以提高为主”的公路建设方针下，我们将面临越来越多的公路改扩建工程，主要体现在2个方面：（1）对低等级道路进行拓宽、提高公路等级正成为我国公路发展的主流。（2）随着道路交通量的飞速发展，20世纪90年代早期建成的部分高速公路，先后或即将进入加宽改造阶段。新老路基结合的设计和施工面临着众多的技术问题，1、缺乏可资借鉴的工程经验。2、缺少明确的设计计算理论。3、缺少设计及施工技术规范。国外研究现状美国AASHTO-2002[1]版设计方法中，老路拓宽部分的设计中强调了新路和老路必须良好结合，要求新拓宽的路面结构性能尽可能和原有路面相近。认为在常规设计下，旧路拓宽工程中沿结合面的破坏是不可避免的，AASHTO仅提出了以上一些原则和技术措施的建议，但没有提供明确的有针对性的结构设计方法。日本对软土地基上的路基不均匀沉降控制方面进行了多方面的研究，其中包括针对半幅拓宽路堤提出了一系列工程措施。公路拓宽时将原有双向车道保留，作为拓宽后新路的一个方向的车行道，而在一侧不远处（相距1~3米）增设一新路堤作为新路的另一个方向的车行道。此时原有修筑的路堤已经完成固结沉降而处于稳定，而由于拓宽路堤的影响，老路堤也倾向于新路堤一侧沉降，导致老路堤路表平整度下降，路面开裂。推荐采取的措施一般有：通过在原有路堤外侧路肩处竖向打入一定深度的板桩，使新拓宽路堤的沉降隔离在板桩处，以起到消除由于新路堤的沉降给老路堤带来的连带沉降影响；或通过在新路堤地基部分设置挤实砂桩、石灰桩等复合地基来减小新路堤的沉降量，最终达到减小老路堤的影响；以及通过在新填路堤地基处打入预制桩来减小新路堤的沉降。美国哥伦比亚大学对用加筋土挡墙进行路基拓宽的设计和施工作了深入研究。进行内部稳定性分析时，采用2楔块模型（如图1-1），进行外部稳定分析时，采用Fellenius分析法（如图1-2）。地基沉降变形分析采用e-p曲线和分层总和法，当地基固结变形超过10cm时，需要采用有限元方法计算固结变形导致的不协调变形在加筋挡墙中产生的附加应力。整个加筋拓宽工程的施工流程如图1-3所示，对老路基边坡开挖的具体要求如图1-4所示。图1-2外部稳定性分析（Fellenius分析法）(据文献[4])图1-1内部稳定性分析（2楔块模型）(据文献[4])图1-3加筋拓宽施工过程(据文献[4])图1-4老路边坡台阶开挖(据文献[4])总体来说，国外通过合理的规划尽量避免拓宽所带来的新老路基结合问题，当确实需要进行拓宽时，采取了各种措施减小新老路基结合的不良影响。主要措施包括：避免新老路面的结构差异，在新老路基间设置沉降隔离桩，处治地基，结合部加筋和结合部边坡处理，轻质路堤等。但对新老路基结合的病害及形成机理缺乏系统、深入的阐述，也没有建立相关的设计理论。国内研究现状八、九十年代以前我国公路建设多以新建为主，在原有道路上进行拓宽、改建的工程十分罕见，关于路基拓宽和新老路基结合部处治等问题并不突出。所以现行《公路路基设计规范》《公路路基施工技术规范》《公路设计手册——路基》以及其它相关规范对此类问题涉及甚少，有关工程经验也比较欠缺，对成因机理、结构响应和工程对策等方面的研究才刚刚起步。九十年代中后期，我国开始面临大量的道路拓宽工程，设计和施工人员在设计和施工中作了很多尝试性研究。一．路基拓宽工程中的技术特征和工程问题（1）新老路基结合的既有方式及其影响因素路基拓宽的方式的分类因素归纳起来，路基拓宽方式的分类因素有5项，即：地形地基条件、路基的拓宽范围、新老路基填挖形式、新老边坡类型、共同作用层厚度。其中，新老路基填挖形式指路基为填方路堤形式或者挖方路堑形式，新老边坡类型指自然放坡或设支挡结构，共同作用层厚度指新老路基由于标高差而产生的共同填高层（或挖方层）厚度。分类因素I.地形地基条件II.拓宽范围III.新老路基填挖形式IV.新老边坡类型V.共同作用层厚度特征描述①平原软弱地基单侧高填方老：放坡新：放坡厚②山区软弱地基双侧中等填方老：放坡新：支挡结构较厚③山区缓坡、良好地基低填方老：支挡结构新：放坡较薄④山区陡坡、良好地基深挖方老：支挡结构新：放坡无⑤浅挖方新路：栈桥路基拓宽的主要方式根据上述5项分类因素，可以将路基拓宽、新老路基结合方式分为17大类、36小类。1、挖方老路基＋挖方新路基如图2-1所示，为山区非陡坡道路单内侧挖方拓宽方式。新、老路基均完全由挖方形成，但两者可以因路基标高不同，有不同的共同作用层厚度。此类拓宽方式由于新老路基的总体相近，由新老路基不协调变形而引起的病害较为少见，其主要问题是内侧道路挖方所造成的排水不良。b-ob-n新路基老路基hh基路老基路新b-nb-oa新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-1挖方老路基+挖方新路基b-ob-n老基路h新基路b-ob-n老基路h新基路a新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-2挖方老路基+填方新路基2、挖方老路基+填方新路基如图2-2所示，为山区非陡坡道路单外侧填方拓宽型式。老路基为全路堑型式，新路基由自然放坡而成。拓宽路基填料多选用就近路段的挖方体，新、老路基在在填料类型、压实度等方面均存在一定的差异；非陡坡的拓宽还可能处于洪积层、坡积层等软弱地基区域，此时与平原软土地基的路基拓宽存在类似的问题。3、半填半挖老路基+挖方新路基如图2-3所示，为山区非陡坡道路单内侧挖方拓宽型式。老路基为半填半挖，新路基由挖方形成。此类拓宽方式和拓宽方式1存在相同的问题。4、半填半挖老路基+填方新路基如图2-4所示，为山区非陡坡道路单外侧填方拓宽型式。老路基为半填半挖，新路基为填方，这类拓宽方式的核心问题在于同一断面上的路基土存在较大差异：老路基挖方部分为山体开挖的原状土且经多年行车荷载作用，老路基填方部分也经过多年固结和行车荷载作用，而新路基则是自然放坡的新填路基，固结度小，潜在变形较大。b-ob-nh老基路新基路b-ob-nh路基老路基新b-ob-n新路基老路基hhb-n路基新路b-o基老a新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-3半填半挖老路基+挖方新路基a新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-4半填半挖老路基+填方新路基5、填方老路堤+挖方新路基如图2-5所示，为山区非陡坡道路单内侧挖方拓宽型式。这类拓宽方式的主要问题一是新、老路基性能差异大，二是新老路基结合面为原自然边坡，相对薄弱。b-ob-n新路基h老路基b-ob-n基路新基路老ha新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-5填方老路堤+挖方新路基6、填方老路堤+填方新路堤如图2-6所示，为山区非陡坡道路单外侧填方拓宽型式。其主要问题是新、老路基填筑年代不同，一方面两者在填料和压实度方面可能存在差异；另一方面两者的固结程度也不同，易发生工后不协调变形，导致相关病害。b-o老路基b-n新路基hb-ob-n基路老基路新ha新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-6填方老路堤+填方新路基7、挖方老路基+两侧拓宽新路基如图2-7所示，为山区非陡坡道路双侧拓宽型式。老路基为挖方路基，新路基则一侧为挖方路基，另一侧为填方路基。这类方式兼有填方拓宽和挖方拓宽的特点。b-ob-n基新路基b-n基老路新路h基基基路老路新路新hb-nb-ob-na新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-7挖方老路基+两侧拓宽新路基8、半填半挖老路基+两侧拓宽新路基如图2-8所示，为山区非陡坡道路双侧拓宽型式。老路基为半填半挖，老路内侧为挖方拓宽，外侧为自然放坡填方拓宽。这类拓宽方式在道路横断面上形成4种不同的路基类型，即挖方新路基、挖方老路基、填方老路基和填方新路基，它们在路基材料、压实度和固结程度等方面都存在差异，从而导致路基路面的不协调变形。b-ob-n新路基老路基路基新b-nh新基路h老基路新路基b-nb-ob-na新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-8半填半挖老路基+两侧拓宽新路基9、填方老路堤+两侧拓宽新路基如图2-9所示，为山区非陡坡道路双侧拓宽型式。老路基为填方路基，老路内侧为挖方路堑拓宽，外侧为自然放坡填方拓宽。此种型式兼有挖方拓宽和填方拓宽的特点。b-ob-n新路基新路基b-n老路基hhb-ob-n基路新基路老基路新b-na新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-9填方老路堤+两侧拓宽新路基10、路堑老路堤+单侧挖方新路基如图2-10所示，为山区全路堑老路基单侧拓宽型式。由于新路基、老路基均为挖方路堑拓宽，除挖方区域属不良地基条件，新老路基的地基条件一般差异不大，但仍需要重视路基路面排水。h新老基路基路b-ob-n老基路新基路hb-ob-na新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-10路堑老路堤+单侧挖方新路基11、路堑老路堤+双侧挖方新路基如图2-11所示，为山区全路堑老路基双侧拓宽型式。型式与结合方式10相似，只是从单侧拓宽变为双侧拓宽。由于挖方拓宽通常需重新设置边坡防护，因此对双侧拓宽来说，边坡防护工程量要大于前者。新路堤老路堤新路堤hb-nb-ob-n新路基基路老h基路新b-nb-ob-na新路基高于老路基b新路基低于老路基图2-11路堑老路基+双侧挖方新路基12、路堑老路基+外侧拓宽如图2-12所示，为山区陡坡单外侧拓宽型式。老路基为挖方，拓宽处分别设置了支挡结构（如重力式挡土墙）、栈桥结构、填土放坡。该三类结合方式所处地形通常较为陡峻。设置挡墙的结合方式应首先确保挡墙本身的稳定性，另外还需注意墙背填料填筑时的施工质量、填料的级配等要求，以控制墙背填料的工后差异沉降；栈桥形式拓宽，拓宽部分须建造成桥梁结构形式，建筑成本有所上升，但通常相应病害会减少较多；外侧拓宽处放坡需要大量土石方，投资上不经济，且施工困难，对该处原地面产生的附加荷载大，极易产生拓宽处放坡路堤与老路基间的过量差异沉降，从而造成路面相关病害。路基老基路新b-ob-nhb-nb-o基路老新路基hb-nb-o基老路部拓宽分ha外侧拓宽设挡墙b外侧拓宽设栈桥c外侧拓宽放坡图2-12路堑老路基+外侧拓宽13、半填半挖老路基＋外侧拓宽设挡墙如图2-13所示，为山区陡坡单外侧拓宽型式。老路基为半填半挖型式，填方部分采用放坡型式或者设置支挡结构，而新路基均为在外侧拓宽处设置支挡结构。当老路填方采用外侧放坡型式时，给新路外侧拓宽处挡墙的设置创造了一定的有利条件。除非老路填方边坡本身存在明显稳定问题和施工质量问题，已出现一些病害，此时挡墙设置应考虑尽可能埋设至老路基的地基层面中，一般正常情况下可适当减小挡墙高度，以节省工程造价。而当老路填方部分设置支挡结构时，由于地处陡坡区域，新设置的挡墙通常需建造得较高，且新老挡墙间的墙背填筑施工难度较大，通常不易压实，拓宽路基易形成工后压密变形。b-o路基h老路b-n基新b-o基路老hb-n基新路a老路基放坡b老路基设挡墙图2-13半填半挖老路基+外侧拓宽14、半填半挖老路基＋外侧拓宽放坡如图2-14所示，为山区陡坡单外侧拓宽型式。老路基为半填半挖型式，填方部分在路基外侧设置挡土墙或者采用放坡型式，新路基均为在外侧拓宽处采用放坡型式。由于地处陡坡区域，该拓宽方式填土石方量均较大。当老路基填方部分外侧设置挡墙时，新路拓宽时填筑的土、石方量相当巨大，对当地地形地貌改变较大，由于路堤填土引起的道路地基受到的附加荷载相当明显，若该处地基本身属于不良地基，则更易造成地基的二次固结变形和填筑体本身的压密变形，新、老路基间不可避免地产生相当的差异沉降，路面面层通常会在通车后一段时间内产生相关病害；当老路基填方部分采用放坡型式时，由于新路基拓宽宽度不大，而路堤填筑深度较大，填筑体形状成狭长形（当地称“一把刀”），施工难度大，常