城市道路结合处沉降原因及处治措施

聂亚杰

(中交四航局一公司，吉林 长春 130000）

0 引言

随着我国城市化进程的加快，城市道路的负荷越来越大，加之超载超限时有发生，我国城市道路路面，尤其是高等级沥青混凝土新老路面结合处的早期损坏现象非常严重[1]。综合国内外的研究现状，当前采用的道路设计理论分析方法主要有三种：ANSYS分析的有限元法、PLAXIS分析下的模型试验法和反分析法。本文针对城市道路结合处常见的损害和作用机理，分析了道路结合处不均匀沉降的原因；从地基、路基、路面三个方面出发，提出了防治城市道路结合处损害的方法；在保证结合处结构承载力的前提下，利用ANSYS分析方法，分析了采用台阶开挖并铺设土格栅模型的理论效果，为今后城市道路结合处的设计和损害处理提供了理论依据。

1 城市道路结合处常见损害

与高速公路结合处的损害相比，城市道路结合处产生的损害相对较轻且种类较少，一般可分为路面损害和不均匀沉降两种[2]。路面损害主要表现为横向裂缝，雨水沿缝隙渗入路基，会导致半刚性基层刚度下降，使沥青层内剪应力急剧增加，诱发混凝土层的剪切破坏，路基损害后在新老路面产生滑移[3]。不均匀沉降主要出现在软土基结合处，严重的沉降还会使结合处出现错台，如果不及时处理就会产生板块断裂，使裂缝加剧。图1为某路段结合处错台。

图1 某路段结合处错台

经过大量的调研和分析得出，路面损害产生的原因有以下几点[4]。

（1）城市道路的里程一般较长，新老路段的路基地质条件可能存在差异，地质条件的差异导致结合处沉降差异。

（2）新老路段的修建时间、路基填料材质和结构层厚度不同。老路段长期受到车辆载荷作用，其压实度已经接近饱和，因此不会再发生大规模沉降，但新路段仍存在可塑性，当其所受载荷作用达到一定时间后势必发生大规模沉降；

（3）城市道路结合处往往是修建过程中最难处理的部位，若结合处的结构层强度达不到要求，就会产生横向裂缝。施工过程中没有将新路段压实到位、填筑速率过快、没有做好防水等也会导致差异性沉降。

（4）城市道路的车辆载荷往往较大，新老路段结合处在车辆的反复碾压下，强度和刚度一直下降，引起路面损害；另外，路面出现错台后增大了行车阻力，过往车辆会给错台一个切向冲击力，再次加剧对结合处的损害程度。

2 沉降分析及处置办法

城市道路结合处沉降由地基自身重力沉降和车辆载荷附加应力沉降两部分组成，本文将建立二维路基模型（见图2），采用有限元法对沉降进行分析。建模前做以下几个假设：

（1）地基与路堤接触面连续并且没有滑移；

（2）忽略沉降时间的影响，车辆载荷一经施加即产生沉降；

（3）地基底面不存在竖直方向的变形，侧面无水平方向的变形；

（4）认为老路段沉降已经形成，将新路段沉降量作为结合处沉降差异量大小。

图2 有限元法计算模型

城市道路大修往往有工期紧张、施工场地有限、施工条件复杂等特点，从目前高速公路处理新老路段结合处的方法来看，城市道路结合处的地基处治办法主要有：轻质材料法、排水固结法、复合地基法等[5]。对于路基的不均匀沉降主要可采取以下几项应对措施。

（1）在结合处开挖台阶，以便为新老路基提供更多的接触面积，从而使沉降均匀化。图3给出了新老路基台阶示意图。

（2）提高新路基的填土压实度，对于城市新老路段结合处，要采用大型机械进行反复压实，施工死角也要用小型机械填筑压实，以降低交工后的沉降量。

（3）选用良好的填换材料。当前，城市道路修建中使用的填换材料主要有轻质填料和砂石填料两种。轻质材料通常是电站煤粉灰和石灰，其自身重力较小，且采用此种材料作为填料可以提高路基的强度。因此结合处要尽量采用煤粉灰掺和少量石灰作为填换材料。

图3 新老路基台阶示意图

以某城市道路结合处为研究对象，该道路宽7m，取结合处长度为10m，底层高度为0.8m，中间层高度为1.6m，上层高度为2.4m，台阶开挖高度为0.8m，长度为2m，坡度取1∶2.5。表1给出了此道路的地基土种类和路堤填料的参数。

表1 路面结构层参数

3 铺设土工格栅的有限元分析

土工格栅是一种经强力焊接形成的三维强化HDPE材料，具有质量轻、耐磨性好、化学性能稳定、使用寿命长、耐热性好等优点，适用于各种不良地质。以TGGS300—500型土工格栅为例，其格室高度为300mm，板材抗拉强度为500MPa，延伸率小于3%，接点强度大于15kN/m。大量研究证明，土工格栅受到的拉力远小于其抗拉强度，即其形变仍在弹性范围之内。在上述研究路段结合处的老路段路基处铺设2m宽的土工格栅，新路段路基铺设1m宽的土工格栅。利用ANSYS软件进行有限元法分析，图4为新老路段结合处不铺设土工格栅的位移图，图5为中间层和上层均加装土工格栅的位移图。

图4 新老路段结合处不铺设土工格栅时的位移图

图5 中间层和上层均铺设土工格栅时的位移图

对比图4和图5可以看出，铺设土工格栅确实可以减小沉降量。中间层和上层均铺设土工格栅比不铺设土工格栅的位移量减小了48%，可见在中间层和上层均铺设土工格栅效果明显。

4 结语

以城市道路结合处沉降为研究对象，分析了道路结合处不均匀沉降的原因主要为地质、材料、压实度等方面的差异；从地基、路基、路面三个方面出发，提出了防治城市道路结合处损害的方法：在结合处开挖台阶，提高新路基的填土压实度，选用煤粉灰掺和少量石灰作为填换材料。利用有限元分析软件，在保证结合处结构承载力的情况下，分析了采用台阶开挖并铺设土工格栅模型的理论效果，得出了在中间层和上层均铺设土工格栅效果明显的结论。希望为今后城市道路结合处的设计和损害处理提供参考。

[1]JTJ F033—2006，公路路基施工技术规范[S].

[2] 刘倩倩.城市道路新老路基路面结合处差异沉降处治技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.

[3] 张永清.山区高速公路路基差异沉降特性与控制措施研究[D].西安：长安大学，2009.

[4] 王雪冬.高等级公路改扩建新旧路基路面结合部处治技术研究——以京藏高速公路呼包段改扩建工程为实例[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2012.

[5] 丁良跃，陈强.玻璃纤维土工格栅加筋沥青路面结构分析[J].中国市政工程，2009（1）：16-18.