新旧路基拓宽结合部台阶设计研究
刘权1, 张长弓1,唐姚宏1
（1.长安大学 特殊地域公路工程教育部关键试验室, 陕西 西安 ）
摘要: 本文从台阶尺寸、 挖台阶方法、 台阶面内倾角、 特殊路基拼接多个方面叙述了新旧路基结合部台阶开挖部分规律, 这对减小结合部路基不均匀沉降含有实用价值, 从而提升路面使用性能以及使用年限。
关键词: 姚宏台阶尺寸; 内倾角; 特殊路基; 沉降; 使用年限
在中国,伴随国民经济快速发展,高速公路建设速度不停加紧。自1988年10月31日上海至嘉定18.5km高速公路建成通车中国大陆有了高速公路后,以后间,中国高速公路建设突飞猛进,但因为受建设时社会经济水平!技术水平和建设思想制约,很多已经建成使用高速公路中,绝大多数是双向四车道,其中相当一部分己不能适应交通量增加和社会发展要求,迫切需要扩大道路通行能力因为近距离新建高速公路,投资规模大,占用土地多,且轻易造成路网分布不均,所以中国高速公路扩建大多适宜采取老路加宽方案。而老路拓宽中新旧路基结合部是拓宽和拼接工程微弱步骤,
为了愈加好拼接便需要开挖台阶。开挖台阶目关键是增加新旧路基接触面, 增强新旧路基结合面摩阻力和抗剪强度, 确保新旧路基之间有效结合和完整性; 同时, 开挖台阶还能够去除边坡表层松软土层, 为土工格栅铺设提供必需锚固长度。
 
1台阶尺寸
台阶开挖尺寸（宽度和高度）有一定限制。中国有几条高速公路加宽工程都把台阶高度控制在80cm以内; 台阶宽度依据边坡坡度确定, 在60~200cm之间。另外, 台阶开挖尺寸和旧路边坡填筑材料、 压实度等相关。如沪杭甬高速公路, 因为旧路填料为矿渣, 边缘压实度不够, 所以采取了较大台阶尺寸。
台阶尺寸改变对道路有很大影响, 经过有限元分析路基拼接工程台阶尺寸对水平位移和沉降影响, 在台阶高度一定（1m）情况下, 台阶宽度分别去0.5m、 0.8m、 1.0m、 1.5m、 2.0m, 计算结果见表1-1。
台阶高度一定时（1m）台阶宽度改变对水平位移和沉降影响    表1-1
台阶宽度（m）
0.5
0.8
1.0
1.5
水平位移（cm）
X1
0
0
0
0
X2
2.4366
2.3307
1.9107
1.7885
X3
0.52682
0.59122
0.43407
0.67048
X4
1.9124
1.81500
1.2226
1.0926
沉降（cm）
X1
-1.3773
-1.2202
-1.3275
-1.0519
X2
-9.0187
-8.4478
-7.8225
-6.9354
X3
-13.316
-13003
-12.321
-11.580
X4
-7.2056
-7.1130
-7.0533
-6.8235
注: 角标1表示旧路中心线, 角标2表示旧路肩边缘, 角标3表示新路肩边缘, 角标4表示新路基坡脚线。
因为1-1能够看出, 台阶高度不变仅宽度改变时, 伴随台阶宽度增加, 路基水平位移和沉降量逐步降低。Y1改变是因为在高宽比大情况下, 新旧路基作用显著, 加宽路基相当于压坡护道, 使得Y1隆起, 尤其在路基加宽大、 高度较小情况下更显著。
经过有限元分析, 台阶高度改变时对沉降影响作出了具体计算, 取台阶宽度1m保持不变, 台阶高度改变, 分别去0.6 m、 1 m、 1.25 m、 2 m, 计算旧路中心线、 旧路肩边缘、 新路肩边缘、 新路坡脚线等处竖向和横向位移。
台阶宽度一定时（1m）台阶高度改变对水平位移沉降影响  表1-2
台阶高度（m）
0.6
1.0
1．25
2
水平位移（cm）
X1
0
0
0
0
X2
1.6786
1.847
1.903
1.985
X3
0.665
0.484
0.408
0.29
X4
1.326
1.548
1.613
1.758
沉降（cm）
X1
0.23
0.085
-0.004
-0.539
X2
-5.153
-6.14
-6.536
-7.267
X3
-9.831
-10.65
-10.883
-11.272
X4
-5.059
-5.235
-5.282
-5.325
注: 角标1表示旧路中心线, 角标2表示旧路肩边缘, 角标3表示新路肩边缘, 角标4表示新路基坡脚线。
由表1-2能够看出, 当台阶宽度不变而高度改变时, 伴随台阶高度增加, 路基水平位移和沉降量都逐步增加。
《公路路基设计规范》（JTGD30-）中6.3.4第2款对台阶宽度有这么要求;拓宽原有路堤时, 应在原有路基坡面开挖台阶, 台阶宽度不应小于1.0m, 当加宽拼接宽度小于0.75m时, 可采取超宽填筑或翻挖原有路基等工程方法。比如, 郑州至漯河高速公路采取双侧加宽方法, 首先对原路基边坡进行清表, 最小清表厚度控制在50cm; 然后在旧路基边坡上开挖高1m台阶, 第一层台阶宽1.5m, 在台阶顶向路中心侧设置4%坡度。
经过有限元分析, 结合安新高速改建工程, 推荐台阶尺寸高度采取80~100cm, 宽度采取100~200cm。
比为4.6%。
2台阶面内倾角
相关台阶面上内倾角, 中国高速公路扩建工程中大多采取2%~4%,出发点是利用内倾角嵌锁作用增强新旧路基衔接。不过具体情况要依据工程实际进行选择, 比如安新高速公路扩建工程依据当地条件内倾角选择3%。不过到现在为止, 内倾角设置有没有必需尚无定论, 应依据工程特征、 当地气候施工条件等来确定。
沪宁高速公路 扩建工程试验段上也设置了台阶面内倾角, 但伴随施工进展和对路基拼接理论分析、 认识深入, 认为不应该设置内倾角, 关键原因以下。
1内倾角存在影响台阶面压实效果
2内倾角不利于排水, 施工过程中一旦忽然降雨, 将造成角隅处积水。
3内倾角起不到增强新旧路基拼接效果作用。新路基经典破坏形态是路基顶部拉裂和差异沉降, 假如拼接路基较窄、 边坡较陡, 还存在稳定问题, 此时破坏形态为近似圆弧状滑移线; 但不管怎样, 不会出现新路基沿拼接台阶面水平滑移, 所以, 设置内倾角起不到期望嵌锁作用。
3挖台阶方法
从现在拓宽工程看, 台阶开挖高度、 宽度、 倾角等几何形状存在着很大差异, 表1-3列出了中国关键高速公路拓宽工程台阶拼接设计方案。
                        中国关键高度公路拓宽工程台阶拼接设计方案  表1-3
拓宽工程名称
台阶拼接设计方案
沈大高速公路拓宽工程
原路基边坡按1:0.5挖除。台阶高度为80cm, 台阶底面向路中心横坡3%
沪宁高速公路拓宽工程
软土路堤土坡切坡最大宽度（即削坡厚度）小于1.5m, 第一台阶切坡高度小于0.8~1.2m。自下而上开挖台阶, 每级台阶宽度大于100cm, 高度为60~70cm。顶部台阶尺寸为100cm×150cm。粉煤灰、 粉土等路基采取高宽为60cm×90cm小台阶方案, 台阶坡面为向老路基倾斜竖向倾斜式, 坡比为10:1, 横坡无改变
沪宁-锡澄高速公路拼接段
挖成台阶状, 每个台阶高度80cm, 底宽120cm, 台阶底面向路中心横坡2%, 台阶挖至与原地面齐平
武汉绕城与京珠公路拼接段
在小于原有边坡1:1.75基础上削坡, 开挖台阶, 台阶宽度为200cm。台阶顶面做成5%倒坡, 台阶竖面向内倾斜
沪杭甬高速公路拓宽工程
按1: 1.2坡度削坡, 自下而上, 随填随挖, 填至第一层台阶后, 再挖第二层台阶。台阶宽度大于100cm, 高度为90~100cm, 台阶表面内倾2%~4%
老路边坡开挖台阶能够分为标准式台阶、 内倾式台阶、 竖倾式台阶和内挖式台阶四种形式。标准式台阶就是依据原有或削坡后边坡坡度确定台阶宽度和高度: 内倾式台阶就是在标准式台阶基础上, 在台阶水平面上设置内倾角, 竖向倾斜式台阶是将台阶竖向台阶面向路基中心方向倾斜开挖方法; 内挖式台阶, 比如广佛高速公路和沈大高速公路拓宽工程等, 沪宁高速公路拓宽工程则部分尝试采取了竖倾式台阶, 武汉绕城高速公路与京珠高速公路拼接段同时采取了台阶顶面内倾和竖向倾斜方法。多种台阶优缺点见表1-4。
不一样台阶开挖形式特点  表1-4
台阶形式
优点
缺点
标准式台阶
开挖施工方便, 台阶压实效果最好
开挖效果受路基边坡坡度影响大
内倾式台阶
增加新老路基嵌锁作用, 增强新老路基衔接
影响台阶面压实效果, 内侧角隅部位轻易积水, 施工难度有所增加
竖倾式台阶
便于台阶内侧角隅部位压实, 尤其适于不加筋台阶
相同条件下降低了锚固长度, 施工难度也有所增加
内挖式台阶
能够同时满足拼接部位填土压实要求和格栅锚固长度要求
开挖工程量有所增大
台阶高度和宽度受制于老路边坡边坡削坡坡度, 在路堤高度一定时, 并非台阶越多拼接效果越好, 影响新老路基拼接效果关键原因在于台阶高度。
4特殊路基拼接台阶
台阶开挖尺寸和旧路边坡填筑材料、 压实度等相关。当填料为砂、 砾等料时, 或含水率很大, 开挖有困难时, 需要专门研究, 特殊处理后方可进行开挖, 或采取其她方法。
    沪宁高速公路部分路段采取粉煤灰路堤, 外包1m厚素土。该路段路基拼接完全挖除外包素土, 开挖至粉煤灰内部形成高度为60cm台阶。台阶开挖后, 在粉煤灰台阶面喷射2cm厚砂浆保持粉煤灰含水率平衡。粉煤灰第一级台阶开挖高度为1.3m。为预防粉煤灰路堤失稳, 需要依据《公路路堤设计规范》（JTGD30-）提供粉煤灰参数, 根据重型击实标准下饱水与不饱水状态最不利组合来计算粉煤灰路堤稳定性。
   
结论
    （1）当台阶高度不变仅宽度改变时, 伴随台阶宽度增加, 路基水平位移和沉降量逐步降低; 当台阶宽度不变而高度改变时, 伴随台阶高度增加路基水平位移和沉降量都逐步增加。最终得出了台阶尺寸高度采取80~100cm, 宽度采取100~200cm比较合理。
（2）对于部分特殊路基拼接台阶, 采取粉煤灰路堤是一个不错选择。
（3）对于多年采取内倾角式台阶面是否真能达成设计目, 有待考证。
（4）老路边坡开挖台阶能够分为标准式台阶、 内倾式台阶、 竖倾式台阶和内挖式台阶四种形式, 其中各有优缺点。
参考文件
    [1]交通部.公路工程技术标准.北京:人民交通出版社,1985.20~40
    [2]刘桂强.软弱地基上旧路加宽路基综合处治设计[J].中外公路,,4:1一4
    [3]蒋维城.固体力学有限元分析.北京:北京理工大学出版社,1989.56~156
    [4]刘奉侨,曲向进,聂鹏,马松林.沈大高速公路改扩建工程路基加宽技术[J].辽宁交通科技,,l:1一7
[5]刘奉侨,曲向进,聂鹏,马松林.沈大高速公路改扩建工程路基加宽技术[J].辽宁交通科技,,l:1一7.