市政道路改扩建路面结构分析

钱晓丹

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海201206）

1 引言

随着城市化进程的推进，市政道路已经成为城市发展的主要基调和重要内容，成为城市化进程不可或缺的组成部分。市政道路设计是城市规划的主要部分，随规划理念的不同，城市道路设计的方式和手段也不相同。根据我国的基本国情和经济发展状况，城市规划以及市政道路设计时应注重“以人为本”，做到可持续发展[1]。规划设计中应体现城市对空间环境的要求以及城市道路发展与环境相协调的理念。柯文豪[2]通过有限元分析路面力学响应进行了相应分析，研究结果表明，搭接宽度越长，应力的分布就会越均匀。李金龙[3]通过对路面的沉降进行有限元分析，结果表明路基沉降主要为填土裂缝，产生纵缝的主要原因是压实度不够。石海丽[4]对拼宽路的拼接面进行有限元分析，最终得出地基发生沉降是造成道路沉降差异的主要原因。通过以上内容分析可知，改扩建路面结构的分析仍然存在不足。本文在前人的基础上进行深入分析，具有一定的理论意义。

2 工程现状

本文所依托工程为某市区的市政道路，该道路的交通等级为重交通，设计年限为15年。

2.1 填方路基处理

该市政道路存在较少的高填方路段，一般路基的填方高度小于1 m，路基处理的主要方式：旧路基进行支挡结构的拆除与削坡处理，使坡率大于1.5。路基每填高0.5 m设置1道土工格栅，该结构主要目的是减少路基的沉降。填方地段应加强排水布置，防止雨季对填方道路带来侵蚀的危害。

2.2 旧路全部挖除

重要路段要对管线进行调整，增加使用年限。因此，在进行改扩建时应对该段进行大修，对旧路面进行挖除，对埋设于路基中的管线进行重新布设，然后进行压实回填。在原有道路上进行两侧扩宽辅路，扩宽距离分别为5.5 m，新建路面采用沥青路面。

2.3 旧路修复

在进行路面修整前，应对路面结构进行探测，当路面指标状况（PCI）得分＜40时，对损坏严重的路面凿除，路基进行开挖，增加相应结构层厚度来解决底板脱空问题，最后进行沥青面层加铺。

当路面指标状况（PCI）得分为40~85时，可以对混凝土进行换板处理后再加铺沥青面层。

当路面指标状况（PCI）得分＞85时，且旧路面具有一定的使用价值时，可以对旧路面进行碎石化处理，使旧路面的混凝土作为新路面的基层使用。

2.4 加铺沥青层

旧路的路面结构较为完整，损坏程度较小时，可以通过在原混凝土路面上直接加铺沥青混凝土，实现路面结构的“白改黑”，使路面结构的适用性增强，改善路面性能[5]。

3 路面扩建方案

3.1 路面单侧扩建

当旧路路面结构的破损程度较低，强度较高时，可以对旧路直接进行利用，扩宽段与原路面结构直接进行拼接，当道路扩建受到地形或用地条件限制时，拼宽方式只能采用单侧拼宽。

3.2 单侧加铺新路面

当旧路路面结构的破损程度较高，强度较低时，可以对旧路路面板进行破碎，再铺1层碎石层作为底基层，此时当旧路与拼接路受条件限制时，采用单侧拼宽的方式。

3.3 路面双侧扩建

当旧路路面结构的破损程度较低，强度较高时，可以对旧路直接进行利用，扩宽段在原路面结构两侧进行双侧拼宽，或者为达到设计要求必须进行双侧拼宽。

3.4 挖除旧路、单侧扩建新路面

该方案是在3.1方案的条件基础上将全部路面结构挖除，然后，对设计要求的道路宽度进行重新铺设。

4 路面病害及治理

4.1 路面病害

4.1.1 新旧路基变形不协调

道路在进行改扩建前旧路已经使用数年，由于地基自身的沉降和行车荷载的作用，已经形成了固结沉降，路基基本处于稳定状态。拼宽路段施工完毕后要经历几个沉降期，且会产生较大程度的沉降量。

新旧路基之间在刚度和强度上存在较大差异，填方段该问题尤其明显。道路改扩建与新建的时间不同，所以在选择填料时也不相同，因此，会造成新旧道路存在强度上的差异。

4.1.2 新建路边坡稳定性问题

对于路基新建段会存在一定问题，高填方或者陡坡的边坡稳定性存在一定危险。新建路基坡脚的沉降量与道路中线的沉降量差异较大，边坡可能存在滑动面，容易出现道路边坡滑塌。

4.2 病害治理

4.2.1 选择合理设计方案

通过对国内外资料研究发现，设计方案的合理性能很大程度上减少新旧路基的不均匀沉降以及防止边坡出现失稳病害。所以设计方案的合理性对于工程造价和道路使用寿命至关重要。我国对于设计方案的措施有：避开不稳定路段，减少路基搭接，合理选择加宽形式；对路基设计进行优化，如削坡处理、加土工格栅、加筋等；对软土路基进行相应处理，对处理方案进行设计，如采用CFG桩、粉喷桩等[6]。

4.2.2 加强施工管理与控制

施工质量控制：路基在压实过程中新旧路基拼接地方应进行相应处理，制订合理的施工计划，减少对旧路基的扰动。

4.2.3 加强后期维护

由于扩宽段存在工后沉降现象，使横向应力大于纵向应力，因此，道路在拼接部位会产生纵向裂缝。在雨水作用下裂缝发展会越来越大，因此，对产生裂缝的部位应进行灌浆处理，增加结构强度。

5 路面结构分析

5.1 方案一

5.1.1 垫层弹性模量

垫层的弹性模量在进行确定时应对荷载应力与附加应力进行综合考虑。通过规范可知，碎石垫层的弹性模量取值范围为200~250 MPa，4%~7%的石灰土弹性模量取值范围为200~350 MPa，通过对比分析，取垫层模量值为250 MPa。

5.1.2 基层厚度确定

基层的厚度对路面结构的影响程度较大。本文通过对厚度进行初步拟定，确定范围为18~42 cm，然后，利用软件ABAQUS进行建模，来获得荷载在不利位置和正常位置的最大应力值和弯沉值，以及计算厚度增加4 cm，应力值和弯沉值的降低率。通过对模型进行分析可知，基层厚度由34 cm增加到38 cm时，最大应力值降低了8%~9%。通过对结果进行分析可知，基层厚度的取值应≥36 cm，根据施工条件可知，基层单层厚度控制在20 cm内，且铺设分2层进行。因此，本文确定基层厚度为36 cm。

5.1.3 水泥混凝土面层确定

文章通过对温度应力、荷载应力、沉降附加应力的组合值进行分析来确定面层的厚度，当组合值中不考虑沉降附加应力时，厚度值为25 cm时，能满足设计要求。当差异沉降为11 cm时，面板厚度取值为28 cm，该值变化说明方案一的拼接方式中新旧路面结合较弱。

5.2 方案二

5.2.1 新旧路基连接

路面整体性能的提高可以有效降低荷载应力值，因此，本文采用的方式为：将原路面面板进行碎石化处理，然后加铺碎石，最后将原路与扩建路同时进行铺筑。通过对路面进行分析可知，该方案路面结构中最不利位置仍然出现在扩宽段。根据方案的设计方法对结构的应力值进行组合。

新旧路基在结合部位的拉应力取最大值时，沉降差为1 cm，拉应力数值达到0.459 3 MPa（见图1），且该数值会随着面层结构厚度的增加而降低，因此，新旧路基连续时，最大沉降差的范围为3~5 cm。

图1 最大拉应力图

5.2.2 新旧路基不连接

当新旧路基之间不进行连接时，同样进行组合设计，路面面层厚度取值为24 cm、26 cm、28 cm时，分析荷载应力、温度翘曲应力、沉降附加应力的变化值。依据相关规范对分析值乘以系数，进行组合计算，从而获得最大沉降值。将计算结果与新旧路基连接的计算结果对比发现：当路基连续、面板厚度为24 cm时，最大沉降为不连续时的2倍。附加应力为不连续时的3倍。

5.3 方案三

方案三是在方案一的基础上进行参数调整得到，将方案一的扩宽宽度减少到原来的一半，同归分析可知：扩宽的宽度减小，荷载的应力值大幅降低。因此，对疲劳应力进行计算时应选取旧路极限位置的数据。

5.4 方案四

该方案路基采用连接的方式，路面尽心整体铺筑，对该结构进行模型建立来分析荷载应力、附加应力的变化情况。不同位置最大应力变化如图2所示。

通过图2可以分析出：结构面板厚度为22 cm时，最大拉应力和最大切应力数值变化较为明显，随后变化趋于平稳。通过与方案一中的荷载应力对比发现：面板厚度大于22 cm时，弯沉值大幅降低。该现象表明，当路面整体性能提高时，路面扩散荷载能力也提高，从而使荷载影响降低。

图2 最大应力值变化图

通过对应力值组合表明，整体铺筑的方案会导致不均匀沉降，附加应力的大幅度增加，最大横向拉应力显著提高。因此，该方式的适合范围为：新旧路基差异沉降＜3 cm，厚度的取值宜控制在22 cm。

6 结语

本文通过对市政道路改扩建的路面结构进行分析得出以下结论：

1）路面扩宽的方案有单侧扩建、单侧加铺新路面、双侧扩建、挖除旧路、单侧扩建新路面等。

2）改扩建路面存在的主要病害有：新旧路基变形不协调、新建路边坡稳定性不足。主要治理措施有：选择合理设计方案、加强施工质量管理与控制、加强后期养护。

3）通过对4种方案进行综合分析可知，拓宽路段应增设垫层，模量取值应＞200 MPa，建议模量取值范围为200~350 MPa，基层厚度应＞36 cm，建议厚度取值范围为38~40 cm。