浅谈改扩建路基路面设计优化研究

冯凌

摘要 为了提升改扩建公路设计水平，文章以某地方公路工程为研究对象，阐述了路基扩宽后不均匀沉降的控制要点，并对新地基加固参数进行优化，同时从路面结构、路面排水两方面探讨了路面拼接的优化方法，研究成果可为类似的公路改扩建设计提供理论指导。

关键词 改扩建；不均匀沉降；路面拼接；设计优化；工程实例

中图分类号 U416.02文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）16-0117-03

0 引言

随着经济快速增长，公路建设里程逐年增加，交通量也越来越大。原有的公路因交通规划、投资金额、设计思路、施工技术等方面的限制，经过长时间运营后出现裂缝、车辙、坑槽等病害，影响了行车安全性和舒适性。为了提高公路的通行能力和服务水平，需对公路进行改扩建处理，否则可能导致交通拥堵现象频发，甚至造成严重的安全事故。路基路面工程是公路改扩建工程的主体工程，其设计质量会直接影响工程造价及公路建设水平[1]。因此，进一步研究改扩建路基路面设计优化方法具有重要的工程意义。

1 工程概况及拼宽方式选择

1.1 项目现状

该文研究对象为公路工程，原设计速度为80 km/h，设计标准为一级公路、双向四车道，设计荷载为公路I级，路基宽25.5 m，路面为沥青混凝土路面，厚68 cm，路面结构组合为4 cm细粒式AC-13C+5 cm中粒式AC-20C+7 cm细粒式AC-25+18 cm水泥稳定碎石基层+20 cm石灰土基层。经过长时间运营和交通量的增加，公路的通行能力和服务水平下降，拟对路基路面进行改扩建。

1.2 自然环境

公路所在位置属于温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，多年平均降雨量在768～853.3 mm，且以短时强降雨为主。由地勘资料可知，公路沿线地势平台，地基土从上至下分别为粉土、粉砂、粉质黏土，不同土体的物理力学参数如下：粉土容重17.3 kN/m³、黏聚力15.8 kPa、内摩擦角18.6°；粉砂容重19.5 kN/m³、黏聚力20.5 kPa、内摩擦角22.7°；粉质黏土容重19.5 kN/m³、黏聚力25 kPa、內摩擦角27°。

1.3 拼宽方式选择

目前，公路工程改扩建方案有整体拼宽和新建分离两类[2]。整体拼宽又分为单侧拼宽、双侧拼宽等方案，其中新建分离就是新建一条与老路并行的路，施工简单、对旧路交通扰动小，但造价高；单侧拼宽是在公路一侧的拆迁征地受到限制时使用，只对公路一侧拼宽可增大施工作业面，便于施工质量控制，但道路中线改变，需将中央分隔带拆除重建；双侧拼宽是在公路两侧对称拼宽，不均匀沉降控制效果好，且道路中心线基本不变，不需拆除中央分隔带，但施工作业面狭窄。综合考虑施工成本、施工质量及现场征拆情况，该项目拟采用单侧拼宽方案，在公路右两侧拼宽两个车道，将四车道路基路面改建成6车道，如图1所示。

2 改扩建路基工程优化设计要点

2.1 改扩建路基需解决的关键问题

由图1可知：公路路基扩宽后由旧路堤、旧地基、新路堤、新地基四部分组成，不同部分的沉降变形特点差异明显。公路经过长期使用，旧路堤和旧地基的沉降可认为已经完成。但路基扩宽后，新填筑土体的重力会在旧地基和新地基下方产生附加应力，但新地基下的附加应力大于旧地基，故新旧路基之间的沉降是不均匀的。如果新旧路基之间的不均匀沉降过大，容易造成加宽路基失稳或路面大面积损坏。因此，路基扩宽的关键是控制新旧路基之间的不均匀沉降，即减小新地基下的沉降量。

2.2 不均匀沉降控制要点分析

根据相关研究成果，路基沉降由路堤填料自身压缩和地基土沉降两部分组成，故设计人员可从路堤填料压实和地基土加固两方面来控制新旧路基不均匀沉降。

2.2.1 路堤压实

改扩建公路的新路基填料最大粒径、CBR等物理力学性能参数宜与老路基保持一致。路基填料选定后要控制其压实度满足设计文件要求，设计文件未明确时，可参考现行规范。该项目建设标准为一级公路，根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015），其填料压实度应满足：上路床（0～0.3 m）≥96%、下路床（0.3～0.8 m）≥96%、上路堤（0.8～1.5 m）≥96%、下路床（＞1.5 m）≥96%。对于填土较高的路基，可分层补压，补压后的压实度可比上述压实标准提高1%～2%[3]。

大量工程实践表明，扩宽路基的压实度主要取决于压实宽度和压实遍数。为了保证压实质量，路基要进行超宽30 cm填筑，不得“贴坡”处理。同时，路基压实遍数不宜过多或过少。压实遍数较小，压实度不满足设计要求。反之，对路基压实度的提升幅度较小，经济性差。该文基于试验段数据，统计了不同压实遍数下的路基压实度，试验结果见图2。

图2试验结果表明，新填筑路基的压实度会随着压实遍数的增加而增加，但增加速率逐渐变小。压实遍数为5遍、10遍、15遍、20遍、25遍、30遍时，路基压实度分别为81%、88%、93%、96%、97%、97.5%。以路基压实5遍所对应的压实度为基准，压实度增长值分别为7%、5%、1%、0.5%。当路基压实遍数小于20，压实度快速增加；当压实遍数超过20，压实度变化趋势较小。由此可知，扩宽路基在压实期间，不可过分提高压实遍数。

2.2.2 一般地基处理

对于一般地基，扩宽路基在填筑前要先对地基进行清表，清表厚度宜结合现场情况取20 cm或30 cm。由《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）可知，基底压实度不宜小于90%，可用冲击压路机进行压实。为了保证压实质量，压实宽度要超出坡脚之外至少1 m。如果路基距离建筑物、管线等较近，可开挖减震沟以减小地基碾压能量对建筑物、管线等的影响。

2.2.3 特殊地基处理

对于软弱土路段，为了减小新旧路基之间的不均匀沉降，可采用换填法、强夯法、水泥搅拌樁、预应力混凝土管桩等方法对新地基进行处理，具体处理方法应综合考虑地质情况、地材分布、工期、造价等因素选择。

（1）换填法：将新地基下方承载力差的软弱土挖除，回填强度高的粗粒料，适用于软弱土厚度较薄（小于3 m）的路段，具体施工步骤如下：清表→挖除软弱土→回填粗粒→分层压实→检测验收。换填法要结合地勘单位所提供的地质纵断面图确定换填厚度，确保换填厚度≥软弱土厚度，并明确待回填粗集料的最大粒径、抗压强度等，不得盲目参考其他项目的设计参数。

（2）强夯法：将夯锤提升到某一高度后自由下落，利用夯锤冲击力加固软弱土，提高其承载能力。由《公路路基设计规范》（JTG D300—2015）可知，强夯法对软弱土地基的有效加固深度d可通过试夯或公式（1）计算：

水泥搅拌桩；利用专用设备将水泥粉体或浆液注入软弱土中，形成桩体和复合地基。根据施工工艺不同，水泥搅拌桩包括粉喷桩和高压旋喷桩两类。粉喷桩施工时要安排专门人员记录桩体喷粉量，当实际喷粉量＜设计值，可整桩复打；同时，高压旋喷桩则重点关注水泥浆液的配合比、放置时间、喷浆速等。

（3）预应力混凝土管桩：根据抗弯性能不同，可将管桩划分成A型、AB型、B型、C型，对应的有效预应力是4.0 MPa、5.0 MPa、8.0 MPa、10.0 MPa。管桩的桩长要穿透软弱土层至少1 m，桩间距需根据路基工后沉降确定，宜取2.5～3.0 m。同时，为了增强桩体作用，可在桩顶设一层30～50 cm的碎石或砂砾垫层[4]。需注意，管桩不需验算复合地基承载力，只需验算单桩竖向承载力设计值R。

2.3 优化设计结果分析

2.3.1 未加固前新旧路基沉降变化规律

该文利用有限元软件ABAQUS建立计算模型，分析了该公路拼宽后各监测点的沉降，计算步骤如下：将CAD图纸导入ABAQUS软件中建立模型→输入路基及地基土的计算参数→初始地应力（弹性求解法、弹塑性求解法）→输入模型所受荷载→定义模型边界条件（底部约束x、y、z方向的位移，左、右两侧约束x方向位移，路基顶面不约束）→模型网格划分（采用C3D8RP单元，网格尺寸取0.5 m）→沉降计算→导出计算结果[5]，见表1。

由表1可知：距离老路中心越远，新旧路基差异沉降越大，但变化速率逐渐变慢。当距老路中心＜12 m，不均匀沉降增加较快；当距老路中心≥12 m，不均匀沉降变化不明显，此外，新旧路基最大不均匀沉降大概出现在新填筑路基的中心位置，达到了5.2 cm。

2.3.2 水泥搅拌桩加固参数优化

由前述可知，新旧路基之间的不均匀沉降过大，拟采用水泥搅拌桩进行加固处理，水泥搅拌桩原设计参数如下：桩径0.5 m、桩长10 m、桩间距1.5 m，梅花形布桩。随后，拟利用ABAQUS软件对水泥搅拌桩桩长进行优化设计，计算了桩长为6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m时新旧路基的最大不均匀沉降值，如图3所示。

图3计算结果表明：随着桩长的增加，新旧路基之间的不均匀沉降逐渐减小。当桩长从6 m增加至12 m，新旧路基之间的不均匀沉降分别减小了1.1 cm、1.0 cm、0.3 cm、0.2 cm、0.1 cm、0.1 cm。如果以新旧路基不均匀沉降≤4 cm为控制标准，水泥搅拌桩桩长取8 m，即单根水泥搅拌桩的桩长优化2 m，可大幅度地减小工程造价。

3 改扩建路面工程优化设计

3.1 优化路面结构

改扩建公路的路面结构优化可从两个方面着手[6]：一方面，优化路面厚度。即将公路交通量调查数据换算成标准轴载，利用HPDS软件计算不同路面结构度厚度下路面的层底拉应力，以优化路面结构层厚度；另一方面，改扩建公路的路面拼接前要先分层开挖台阶，再回填路面材料。此时，可优化台阶开挖宽度，以减小路面铣刨工程量。

3.2 优化路面排水

改扩建公路的新旧路面拼接位置容易产生排水不畅问题，使雨水在路面结构层内部积聚，此时可设置路面内部排水系统，以尽快渗进路面内部的雨水排出到公路用地界外。结合类似项目经验，可在旧路边缘设置1道纵向碎石盲沟，并每隔10～20 m设置一道横向排水管，将碎石盲沟的雨水排出路基范围以外。在降雨量较大的区域，可在新建路面下铺一层排水垫层。

4 结论

该文依托某地方公路改扩建工程，分析了拓宽路基的不均匀沉降控制要点及扩宽路面的拼接、排水方法，得到了以下几个结论：

（1）公路改扩建方案有新建分离、单侧拼宽、双侧拼宽等，设计人员应结合项目实际情况科学选择。

（2）扩宽路基优化设计的关键是控制路基压实度、选择经济合理的地基处理方法，以降低工程造价。

（3）改扩建公路的路面受力复杂，设计时应分层开挖台阶拼接，优化设计厚度，并在新旧路面结合处设置路面内部排水系统，以快速将雨水排出到公路用地界外。

参考文献

[1]杨美汪. 改扩建公路路基路面设计分析[J]. 黑龙江交通科技， 2023（5）： 85-87.

[2]樊建彬. 高速公路改扩建工程路基路面拓宽设计[J]. 交通世界， 2023（11）： 116-118.

[3]陈金彪， 杨青. 公路改扩建工程路基路面拼接施工技术[J]. 工程机械与维修， 2023（2）： 72-74.

[4]郭鹏辉， 郑勋. 改扩建道路的路线及路基路面设计策略分析[J]. 工程建设与设计， 2022（16）： 74-76.

[5]孟岩. 改扩建路基路面拼接技术研究[J]. 工程技术研究， 2022（13）： 48-50.

[6]王智圆. 改扩建公路路基路面设计中常见问题及解决措施[J]. 建材发展导向， 2022（12）： 172-174.