工作文档路基横向不均匀沉降病害与防治
第七章 路基横向不均匀沉降病害与防治由于车载、地下水及自重等作用,路基横向不均匀沉降引起的公路工程病害已成为公路工程质量通病之一。高等级公路改扩建工程中，新老路基衔接不良可能会导致新加宽路基失稳、路面损坏、路面整体性能下降等病害。随着我国高速公路的大量建设，尤其是旧路的大量改扩建工程的立项、开工，路基横向不均匀沉降问题已十分突出。通过本教学情境，可以达到的教学目标如下：
1、能根据工程情况分析识别路基横向不均匀沉降病害，提供整治措施；
2、能根据工程条件和相关规范编制排水法、换填法、强夯法整治路基横向不均匀沉降的施工组织设计；
3、能依据设计文件和相关规范，独立或在专业技术人员指导下进行路基横向不均匀沉降整治施工；
4、能依据设计文件和相关规范要求，进行路基横向不均匀沉降整治施工质量控制。
第一节 路基横向不均匀沉降原因与防治措施
一、路基横向不均匀沉降原因分析
路基横向不均匀沉降的发生是多方面因素综合作用的结果。其中，内因在于地基及路基本身；外因是车载、地下水及自重等作用。
1.地基对路基横向不均匀沉降的影响
(1)路堤地基处理不当
①伐树除根及表土处理不彻底或是路基基底的压实度不够，致使路堤形成后，一旦杂质腐烂变质，地基将会发生松软和不均匀沉降。
②地面横坡大于1：5的路段，路堤填筑前地基未按规定要求挖成台阶，填料与地基结合不良，在荷载作用下填料极易失稳而沿坡面发生滑移，从而产生横向不均匀沉降。
(2)特殊地基地段
①软土地基对路基横向不均匀沉降的影响
当路基修筑在软土地段时，软土层本身力学性能差，在附加应力作用下，会发生固结沉降、次固结沉降和侧向塑性挤出，导致明显的沉降变形。有些河谷、水塘地段虽作了清淤处理，但是处理不彻底或回填材料控制得不好，从而形成人为的相对软土层，造成路基的不均匀沉降。在高填方填筑后，地基出现不均匀沉降，甚至路面开裂。在一些地表水和地下水自然排泄困难的地方，地基土中的软土层在固结过程中的较大沉降变形，也是产生过大沉降和沉降差的重要原因。有些路段所处地基不属于软土地基，但处于低洼、河谷处，长期受水冲蚀，天然含水量较高，在设计时未发现或未作特殊处理，在施工时也未做等载或超载预压，也会产生不均匀沉降。
②岩溶地基对路基横向不均匀沉降的影响
在碳酸盐岩地区，路基下有时分布有岩溶洼地或漏斗，其中的沉积物松软，在行车动载的作用下，沉积物压实、侧向流动和下陷，造成路基沉陷。比较有代表性的工程实例是在昆明至瑞丽公路，有一处属这种类型。该公路通过处为灰岩地区的凹状地形区，自1991年开始，路面每年下沉约1.5m，1993年7～9个月，每月垫高路面0.5m，侧向变形作用不明显。其原因主要是路基以下为岩溶洼地，洼地内风化残积物疏松软弱，该处在地貌上易于地下水的汇集。在交通荷载作用下，残积物压密和侧向流动，使路基近于垂直下沉。一般说来，土层的天然含水量越高、天然孔隙比越大，则压缩系数越大、承载力越低，则路基的沉降量和沉降差越大；抗剪强度和承载力越低，则侧向塑性挤出甚至局部坍滑的可能性越大。故地基中存在岩溶，容易导致路基的横向不均匀沉降。
2.路基本身引起的路基横向不均匀沉降
(1)路堤填料不均匀
在公路施工过程中，对填料、级配很难得到有效的控制。若填料中混入种植土、腐殖土或泥沼等劣质土，或土中含有未经打碎的大块土或冻土等，或在填石路堤中石料规格不一，性质不匀，乱石中空隙很大，在一定期限(例如雨季)可能产生局部明显横向下沉。另外，填料常常是路堑的挖方、隧道掘进产生的废方。这些填料性质差异大、级配也相差很远。在施工过程中，如果分层碾压厚度过大，小颗粒填料和软弱物质很难得到有效压实，在荷载的长期作用下，回填料会产生不协调沉降变形。
(2)路基填土压实不足
由于压实度不足往往导致填方路基的横向不均匀沉降变形，路基两侧出现纵向裂缝。路基土体压实度不足的主要原因有以下几点。
①路基施工受实际条件的限制时，如天气太干燥，局部路堤填料含水量低，土块粉碎不足，致使路基压实度不均匀；暗埋式构造物因其长度限制使路基边缘不能超宽碾压，致使路基边缘压实度不够；某些加减速道与行车道没有同步施工，当拼接处理得不好时，其拼接处也产生压实度不足的情况。
②在填方路堤施工中，当路堤施工到一定高度以后，路堤边缘土体往往存在压实度不足问题。对于较高的填方路基，通常都要作相应的处治。填方土体压实度不足，其结果是土体前期固结压力小于自重应力和各种附加应力之和，在自重作用下就会发生沉降变形。这些附加应力主要来自以下几个方面：车载，尤其超载情况；含水量变化造成土体重度的改变；地下水位升降而导致浮力作用改变；土体饱和度改变，引起负孔隙水压力改变。这些附加应力引起土体中有效应力改变，从而导致土体发生压缩变形。土体压实度不足还会导致填土路基的侧向完全受限，仅有竖向变形。实际路基土中存在有侧向变形，这种侧向变形会引起沉降。
③由于填方土体的最佳含水量控制不力，压实效果达不到要求。
④考虑到施工安全和进度，使得压实或压实作用时间不足，路基压实不充分，致使路基压实度达不到要求。
⑤其他原因：如路基填料的含水量、压实时的松铺厚度、碾压机具选择不当等，都易造成路基压实不足，使路基土的密实度达不到要求，这样土体仍会发生积水，造成水分积聚和侵蚀路基.使路基土软化或因冻胀而产生不均匀沉降。
(3)半填半挖部位产生的不均匀沉降
由于填方的沉降系数与挖方的沉降系数不同，在行车荷载的作用下，随着时间的推移，填方与挖方的沉降差值越来越大，易在交界处出现土基不均匀沉降，路基产生纵向裂纹。
3.水文气候引起的路基横向不均匀沉降
(1)气候对路基横向不均匀沉降的影响
气候也是引起路基的横向不均匀沉降的一个重要因素。降雨量过大、洪水、冰冻、积雪或温差过大，都可能使高路堤产生横向不均匀下沉。
(2)地下水对路基横向不均匀沉降的影响
在地下水的交替作用下，路基土体内水含量反复变化。土体重度在一定范围内波动，更为重要的是，由毛细管张力引起负孔隙水压力可以达到相当的数值，再加上水的软化、润滑效应，有可能使路基产生横向沉降变形。路基或地基中地下水的动态性对路基不均匀沉降有很大影响。路堤及其地基中的地下水主要补给来源有三种类型，即地下水侧向补给、降雨补给和地表水侧向补给，其动态变化及侵蚀作用影响到土体中的有效应力分布、土体的结构特征和土体强度，从而导致路基的横向不均匀沉降。
4.施工方面的原因
填筑顺序不当，未在全宽范围内分层填筑，填筑厚度不符合规定，填料质量不符合要求，填料水稳性差，不同性质的填料混填，因不同土类的可压缩性和抗水性差异，形成不均匀沉降。路基填料含水量控制不严，又无大型整平和碾压设备，使压实达不到要求。施工过程中，未注意排水，遇雨天时，路基积水严重，无法自行排水，有的积水浸入路基内部，形成水囊；晴天施工时，未排除积水、控制含水量就继续填筑，以致造成隐患。
二、路基横向不均匀沉降防治措施
1.设计方面
(1)做好地质勘探调查
对路线经过的地形、地貌、水文地质条件进行详细勘察，对特殊路基段应提供详细的设计资料。对于地表不良路段，设计可考虑换土或掺石灰、水泥及铺设土工合成材料等措施。
(2)确保路基最小填筑高度
路基最小填筑高度必须保证不因地面水、地下水、毛细水及冻胀作用的影响而降低其稳定性。按照路基设计规范要求，根据土基干湿类型及毛细水位高度确保路基最小填筑高度。当路基填筑高度受限制而不能达到规范规定时，则应采取相应的处治措施，如换填砂砾、石渣等透水性材料，设置隔离层或修筑地下渗透沟等以避免地面积水和地下水浸入路基，影响路基工作区内的土基强度与稳定性。土质挖方路基，需换填不少于60cm砂砾；石质挖方路基，需设置30cm砂砾垫层，横向排水不畅路段要加设盲沟。
(3)明确路基填料质量标准要求
在各级公路工程施工图设计中，必须明确不同填高内路基填料的CBR值(最小强度)及最大粒径要求。种植土、腐殖土、淤泥冻土及强膨胀土等劣质土，严禁直接用于填筑路基。砾(角砾)类土应优先选作路床填料，土质较差的细粒土可填于路堤底部。
(4)完善路基综合排水设计
县级以上公路工程设计中，必须遵循因地制宜、整体规划、综合考虑的原则，进行路基纵、横向排水设计，避免造成两侧长期积水浸泡路基，使路基承载力下降而发生沉降变形。在居民区路段必须设置排水边沟，平坡路段边沟需设有纵坡，确保排水通畅。高填方路段采用集中排水措施，并与警示桩、防撞墙统筹考虑，要求在每20-40m及主要变坡点处设置简易或永久性泄水槽。挖方段应根据上边坡的汇水面积设计截水沟，并考虑边坡土质和边坡，设置挡土墙防止坍方，路基较低路段可以加设砂砾层及渗水盲沟，并加大、加深边沟等排水措施。
(5)确保路基边坡稳定性
高填、深挖路基的边坡应根据填料种类、边坡高度和工程地质条件等确定，且高填路堤必须进行路基稳定性验算。填方边坡过高时，可考虑在边坡中部加置边坡平台。
(6)积极采用路基综合防护形式
积极推行植物防护与硬防护相结合的综合防护形式，在比较稳定的土质边坡采用种草、铺设草皮、植树等植物防护措施。岩体风化严重、节理发育、软质岩石、松散碎(砾)石土的挖方边坡以及受水流侵蚀、植物不易生长的填方边坡可采用护面墙、砌石等工程防护措施，沿河路基、受冰侵害和冲刷路段采用挡土墙、砌石护坡、石笼抛石等直接防护措施。
(7)设计方法方面
①强夯法是目前发展起来的处治路基不均匀沉降的有效措施。强夯法处治是利用大能量直接作用在被处治范围上，通过整体提高被处治体的密实度来减少不均匀沉降变形。其作用效果明显，施工速度快。20世纪90年代末，重庆交通科研设计院曾采用强夯技术成功地处治了重庆渝长高速公路路基沉降问题，但是这种方法对结构物的动力冲击较大，限制了在桥头、涵洞等部位的应用。而且强夯的设计计算方法、质量检测评价方法等还有待进一步研究。
②压力灌浆法是利用机器施加高压，把能固化的浆液压入土体空隙，浆液凝固后把压力区范围内的土体固结，使用松散的土颗粒形成整体，达到控制沉降、减少不均匀沉降的目的。特别是针对公路路基下软土基的处治，可以直接改善土体结构，固结土体，控制沉降。但是这种方法在实践中的可行性及其压浆工艺、材料、适合范围等都还需要进一步研究。
③应用土工合成材料(土工格栅、塑料网格等)进行加筋或制成柔性褥垫层，使之调节和控制不均匀沉降。国内利用土工合成材料处治不均匀沉降也做过尝试和试验，如重庆交通科研设计院在20世纪90年代，采用土工合成材料处理广西南梧公路沉降及重庆渝长高速公路不均匀沉降均获得较好效果。值得注意的是，国际上普遍认为土工合成材料是处理不均匀沉降的有效措施，而且土工合成材料除了对地基有加筋作用外，还有滤层、排水、隔离、防护、防渗等作用。因此，采用土合成材料处治是一种值得推广的处理路基不均匀沉降的有效措施。但对其设置方法、作用效果、设计计算方法等问题尚需深入研究与试验。
2.施工方面
(1)做好施工组织设计
合理安排施工段的先后顺序，明确构造物和路基的衔接关系，以施工组织设计为依据，结合施工现场的实际情况，合理调配人员、设备，是保证路基施工质量的重要环节。
(2)做好施工前的准备工作
开工前要认真审阅设计文件，详细了解各段的填、挖情况，地质情况，填、挖土质和调配情况。对重要地段要作重点勘察，进一步核对设计资料，发现设计文件中有误应及时上报业主，妥善处理。
(3)认真清除地表土
不良土质、地表植被、树根、垃圾、不良土质(盐渍土，膨胀土等)必须予以清除，然后换填透水性材料，尤其是低填方路段要注意满足路基工作区的要求。有必要时要设置砂砾隔层，路基深度、宽度、长度都必须到位，不留丝毫隐患。填筑路堤前，首先应进行原地面处理。当路堤填筑高度小于1m时，应将路基范围内的树根、杂物全部挖除。若基底的表层土系腐殖土，则须用挖掘机或人工将其表层土清除换填，厚度视具体情况而定。如发现草炭层、鼠洞、裂缝时，应用符合条件的土回填，并按规定进行压实。路堤通过耕地时，路堤填筑施工前预先清除表土30cm。由于在表土剥离后基底的含水量高，为保证基底压实度达到设计要求，应及时进行翻松、晾晒和含水量检测，在最佳含水量时进行碾压，达到要求的压实标准。
(4)严格控制填土含水量
施工时含水量要高于最佳含水量的1％～2％压实为宜，避免出现小于最佳含水量的压实情况。含水量偏小时，土粒间的润滑作用不足，即压力不足以克服土粒间的摩擦力，土中的空气不能排除、土粒间无法靠拢，因而难以达到最大密实度。如果含水量偏大，又会产生由于水分过多，土粒被水膜包围而分散得过远，不能达到最大密实度。填筑路基前，疏通路基两侧纵横向排水系统，避免路基受水浸泡。特别是地基土为黄土、黏土等细粒土，在干燥状态下(最佳含水量)结构比较强，有较强承载能力，一旦受水浸泡，易形成翻浆或路基沉降。因此，做好路基施工前排水畅通尤为重要，工程监理和施工质量自检人员应认真监督。
(5)严格选取路基填料用土
路基填料确定前，需进行土质分析，做CBR值、标准击实等试验，对于种植土、腐殖土、淤泥、强膨胀土等劣质土的CBR值、最大粒径不能满足规范要求的材料，不能用于路基填筑。
(6)做好监测工作
路基填筑前，要根据设计进行施工放样，建立半永久性的临时水准点和坐标点，并作好相应记录。路基坡脚放样一定要准确，确保路基宽度满足设计要求。路基坡角范围内，要求清除杂草、树根、淤泥等，并进行整形碾压，压实度须达到规范要求。旧路加宽、半填半挖段应做好宽度不小于6m的向内倾斜的台阶。
(7)处理好特殊地段施工
填石路基与鸡爪形地段路基施工，可利用重型夯实设备进行强夯处理，或将土工格栅(土工布)水平分层布置在填石路堤内，防止或减缓细料在填料空隙中的流动。
(8)做好路基填筑碾压工作
路基施工必须分层填筑，分层碾压，一般路段压实厚度不得大于30cm。不同性质的土不能混填，同一种土填筑厚度不能小于50cm(两层)。路基填筑须全幅填筑，一次到位，严禁帮宽。碾压过程中，要控制好含水量，压实度达到规范要求后，方可进行后续施工，压实度检测每层2000m2(不足2000m2按2000m2计)不少于
(9)做好路基施工中的排水工作
路基施工中，首先按照设计要求，做好排水工程以及施工场地附近的临时排水设施，以保持路基能经常处于干燥、坚固和稳定状态。路基顶面做成2％～4％横坡，便于表面水及时排出。为了保持路基能经常处于干燥、坚固和稳定状态，必须将影响路基稳定的地面水予以拦截，并排除到路基范围之外，防止浸沉、聚积和下渗。同时，对于影响路基稳定的地下水，应予以截断、疏干、降低水位，并引导到路基范围以外，使全线的沟渠、管道、桥涵构成完整的排水体系。
①一般路段排水：路基排水沟渠(包括边沟、截水沟、排水沟)要注意防潜、防冲。当沟渠纵坡达到或超过3％时，即需采取加固及防止渗漏措施；边沟过长时，应考虑减小纵坡的容许值或做好出口设计，将水引离路基；边沟过于平缓，相反会引起边沟淤塞，一般纵坡不小于0.5％，受限制时不小于0.3％。
②特殊路段排水：在深路堑、高路堤、滑坡、陷穴等地段，应注意结合水土保持进行综合治理。如用挖鱼鳞坑、水平沟、种草、植树等方法对被面径流进行调治与防护；在冲沟头植树，防止冲沟被侵蚀，危害路基；在沟谷布设路线，在沟谷中筑坝淤地，并保护路基坡脚不受水的冲刷破坏；还可做护坡埂、涝地、水窑等。
(10)对半填半挖部位产生的不均匀沉降的控制
将结合处挖方段下挖150cm，并依次做台阶，台阶宽1m，高为一个土方填筑层厚。每个台阶与填方整体填筑混压，150cm层面按94％控制压实度，150cm以上按96％控制压实度。具体控制方案如图7-1所示。
图7-1 半填半挖路面过渡示意图
(11)做好施工后的养护工作
路基土石方施工时或完工后，应及时进行路基防护工程施工和养生。各类防护与加固应在稳定的基础或坡体上施工。防护工程的砂浆、混凝土，应采用机械拌和，随拌随用，并注重做好养生。
第二节 高等级公路路基加宽常见病害及其机理分析
一、高等级公路路基加宽常见病害
高等级公路改扩建工程中，新老路基衔接不良可能会导致新加宽路基失稳、路面损坏、路面整体性能下降等病害。
1.新加宽路基失稳
新加宽路基失稳，主要表现为加宽路基沿新老路基结合面发生滑移，严重时甚至发生整体坍塌。这种病害容易发生在山区陡坡地形、软弱地基、高填方路堤等加宽路段。当加宽路基沿结合面滑移量较小时，新老路基结合面会产生错台，导致新老路基结合部位的路面开裂，雨水由裂缝渗入，结合面强度急剧降低，给路基稳定性留下更大的隐患；当路基滑移量较大、甚至整体坍塌时，会造成加宽路面整体破坏，甚至使既有路基相继出现失稳，致使既有路面也发生结构损坏和使用功能的下降。
2.路面损坏
高等级公路改扩建沥青路面损坏，主要表现为出现面层破碎、结合料松散、道路横坡改变等症状，严重时会产生沿结合面走向的纵向裂缝。路面损坏是高等级公路改扩建工程中最常见的病害形式之一。路基的变形不协调会通过路面结构层反映出来，所以大多数路面病害都是路基病害的反映。
水泥混凝土路面损坏主要表现为出现唧泥和脱空现象，进一步发展会引起结合面附近出现纵缝、裂缝处板块断裂以及裂缝的扩展。由于结合部位两侧的新老路基沉降速率不一致，沉降量不同，导致结合部位存在应力突变、集中现象，弯拉应力大而结合界面强度较低会在该处开裂错台；另外，新加宽路基边坡坡角在填土自重作用下逐渐发生侧向位移，进一步带动其上的填土产生沉降和侧向位移，使整个加宽部分的填土沿结合部位产生横向和竖向移动。这两方面因素的作用会在交界处形成纵向裂缝。
新老路基结合部位施工工艺较复杂，施工难度较大，往往在此产生人为的质量因素，如密实度达不到设计标准等，也是产生裂缝的原因之一。同时，在软土地区进行路基加宽改建，其中原路基底部地基土的沉降固结状态、加宽路基的水文物理力学性能、加宽路基新增的作用力对沉降变形的影响等为导致路面开裂的主要因素。
3.路面整体性能下降
随着路面病害的产生和道路纵横坡的变化，道路结构性能和服务性能也随之下降。当路面状况指数(PCI)、结构承载力、平整度等下降到一定程度时，还将影响行车安全。另外，就新老路基结合方式而言，在产生相同变形的前提下，双侧加宽产生的病害数量多，比单侧加宽更不利。
二、加宽路基病害机理分析
高等级公路改扩建工程路基加宽出现的各种病害，其产生的原因与地质勘察、设计施工等有关。按照病害的类型，可以从稳定性和变形两个方面分析其产生机理。
1.稳定性不足
稳定性不足是指加宽路基自身稳定性不能满足稳定要求，或者新老路基结合部结合强度不足。主要表现为如下方面。
图7-2 地基过陡时的道路加宽
a)重力式挡墙；b)加筋土挡墙
(1)地基坡面过陡
在山区加宽工程中，地形条件复杂，经常需要在陡坡地基上进行加宽路基的填筑(图7-2)。为保证加宽路堤的稳定性，加宽常采用重力式挡墙或者轻型挡墙的支挡结构。当原地基边坡存在潜在破裂面或滑移面时，加宽路基将沿此破裂面或滑移面产生滑移，从而导致整体失稳；地基土的抗剪强度会因雨水浸入湿化，在干湿循环、冻融循环等外界因素的影响下降低；进行支挡结构设计时，获取的道路沿线地质资料不够完整，因此挡墙设计一般以经验为主，对挡墙缺乏必要的稳定性验算，实际施工时基础埋深随意性强，影响支挡结构的稳定性。
(2)地基存在软弱下卧层
当地基存在软弱下卧层，如压缩系数大、流变性显著的软土时，新老路基结合部结合强度不足，从而产生自结合面至软弱层顶面的滑动面(图7-3)。另外，软弱下卧层具有流变性，侧向变形大，软弱地基土向路堤外侧挤出，加宽路基坡脚出现起拱现象，并伴随塑性区域的开展，最终导致边坡失稳。
(3)新老路基结合部强度不足
新老路基结合部强度不足主要体现在以下几个方面(图7-4)。
①新老路基结合部施工工艺较复杂，施工难度较大，往往在此产生人为的质量因素，如密实度达不到标准、开挖台阶没有达到设计要求、老路基边坡没有处理完全等。因此，各种施工原因造成了结合部的强度不足。
图7-3地基存在软弱下卧层使的道路加宽
图7-4 新老路基结合部强度不足示意图
②在新老路基结合部没有设置土工合成材料(如土工格栅、土工格室等)，或土工合成材料和填土之间的摩擦力较小，或土工合成材料埋人新老路基的长度不够，致使其未能充分发挥加筋性能。
③加宽路基填料较差，抗风化性能、抗淘蚀性能不足。施工过程中，路基填料多半就近选取，对材料粒径、级配及材料本身的物理力学性质等方面控制不严，填料中含有有机植物根茎及腐蚀性耕植土的现象较为普遍。山区路基填土多为土石混合料，对路表水和地下水有一定渗透能力，填料中细颗粒材料通常占很大比重，渗水时易发生淘蚀。
④排水设施不完善，设施布置不合理，导致地表水下渗，形成滞水、积水和渗水。路基土受水浸泡而湿软，强度急剧下降。另外，山区暴雨可能造成坡体发生很小的坍塌，淤塞道路内侧边沟，养护不及时可导致路基上侧雨水漫过路面，雨水可能从路面渗入路基。若路面已经开裂，雨水自裂缝进入路基，加剧裂缝扩张并导致路基强度下降。
因此，当地基地形和地质条件不佳时，加宽路基容易出现和一般新建路基相同的稳定性问题，这些均可以通过详尽的地质勘查、认真设计和严格施工来避免。而加宽路基稳定性的特殊影响因素表现在新老路基之间的结合强度，它和老路边坡及原路表的处理、台阶的开挖、加筋的设计和施工、排水设施设计和养护的完善、填土的质量等均有关系。
2.变形不协调
新老路基变形不协调以不均匀沉降为主，是地基和路堤的固结沉降与压缩变形的空间差异在路基顶面的反映。按照变形形成的原因来分类，新老路基变形不协调主要由三个方面组成。
(1)新老路基的自身压缩变形。产生主要原因是填土的压实度不足、填石路堤咬合状态不好而发生滑移，或者路堤采用压缩性大而固结时间长的黏土(图7-5)。由于老路基已经使用一段时间，在堤身荷载作用下的压缩变形已基本完成，而新路基在加宽施工结束后仍发生较大的压缩变形。
图7-5 新老路堤自身压缩和固结变形引起的变形不协调
由于不同填料的压缩系数不同，即使相同的压实度，细粒土与粗粒土路堤在自身荷载作用下的压密沉降也不相同。当路基加宽宽度较小时，新填路基施工时大型压实机具很难发挥作用，压实难度较大，而较低的压实度不仅使路基自身的压缩变形增加，而且使行车荷载作用下的路基塑性累积变形大大增加。所以，通常在地质条件良好，路基自身压缩变形占主导地位时，新老路基的变形不协调将导致加宽部分路面的损坏。
(2)新路基作用下地基的固结沉降。这种沉降主要发生在地基下卧层土质条件较差的路段。土体压缩性大、固结时间长，在施工结束后仍然发生很大的沉降。而老路基作用下的地基在老路堤自重荷载作用下固结变形已完成或基本完成，在新路堤自重荷载作用下地表发生不协调变形，并最终反映到路堤顶面，造成路面结构的损坏(图7-6)。当地质条件差，地基的固结变形在不协调变形中占主导地位时，老路基远离加宽路基部分产生的沉降较小，靠近加宽路基部分产生的沉降较大，从而在老路基顶面产生不协调变形，导致老路路面的损坏、开裂。
图7-6 由于地基固结变形引起的不协调变形
(3)新老路基结合部结合强度不足，造成新路基沿结合面的滑移，这种情况下不仅产生变形不协调，甚至可能发生错台及整体失稳(图7-7)。这种变形不协调将导致新老路基结合部附近的路面损坏、开裂(沥青混凝土路面出现纵向裂缝，半刚性基层或水泥混凝土路面出现断裂)。
图7-7 由于结合部滑移变形引起的不协调变形
所以，在不同工程特点和地基地质条件下，加宽工程出现的新老路基不协调变形产生的主要组成机理是不同的，在路面结构上反映的损坏部位也是不同的，设计和施工时要有针对性地采用处理措施。
实际上，高等级公路路基加宽常见病害产生的主要原因有新老路基间的差异沉降、新老路基之间的不良结合、路基路面整体抗变形能力、路基稳定性，以及水文、地质条件等。病害的发生往往不是由单个因素决定的，而是多种因素共同作用的结果，但新老路基间的变形不协调和新老路基的不良结合是导致相关病害产生的主要原因。
第三节高等级公路改扩建路基加宽施工技术研究
一、高等级公路改扩建新老路基变形不协调控制技术
基于新老路基的修筑历史、施工工艺和填筑材料的不同，在其顶面不可避免地会产生变形不协调，继而导致加宽路基或路面出现相应的病害。为保证加宽路基和路面能够顺利投入运行，必须采取相关措施来减小或控制变形不协调，或者提高路面结构对变形不协调的适应能力。
1.变形不协调控制技术分类
按照对新老路基变形不协调处治措施的部位来划分，其控制技术划分为三类，即路基内部处治、外部处治和综合处治(表7-1)。新老路基结合面处理和加筋路基的主要作用是增强新老路基结合部的结合强度，防止因结合部强度不足而发生滑移；填料及压实控制的主要作用是提高加宽路基的整体刚度并减小由于加宽路基自身压缩变形而引起的变形不协调；轻质路堤、支挡结构和地基处理分别从减小路基自重和增强地基抗变形能力的角度来减小地基的固结变形引起的变形不协调；综合处治则是整体控制变形不协调。
变形不协调控制技术分类
表7-1
新老路基结合部的结合强度是涉及到加宽路基稳定的问题，是高等级公路改扩建路基加宽工程都必须解决的问题。地基地质条件良好的路堤加宽，在加宽荷载作用下，地基固结变形很小，新加宽路基的自身压缩变形决定着新老路基变形不协调程度，因此加宽路基填料及压实度的控制成为关键；对于地基地质条件不好的路堤加宽，变形不协调主要是由于在加宽路基荷载作用下的地基固结变形所引起的，因此，应选用合理的地基处理方法或选用轻质路堤技术。因此，高等级公路改扩建路基加宽应根据具体的工程地质特点，选择经济有效的变形不协调的控制技术措施。
2.增强新老路基结合部强度的工程技术措施
(1)新老路基结合面处理工程技术
路基加宽工程中，新填路基填筑前应对老路与新路交界的边坡坡面和部分地基表面进行预处理，一般处理方法如下。
图7-8 路基施工－清表①清除原地面上的植被、树根以及表层富含有机质的腐殖土(图7-8)。如果直接在其上进行新路基填筑，这些有机质植被、树根日后腐烂消解，一则会在交界面处形成空隙而产生附加沉降，二则会污染周围填料(软化土体强度)，导致周围形成一个潜在的危险滑裂面，发生路堤失稳。
图7-8 路基施工－清表
②老路与新路交界的边坡坡面0.3m厚度范围内以及外侧路肩0.5m范围内应挖除换填。因为该处往往由于长期暴露在大气中，受到干湿循环、水流冲刷、大气侵蚀等气候影响，加上该处老路施工时压实质量不佳，外侧又没有侧限效应，路基压实度会明显低于其他部位。如果不处理会在该交界面产生薄弱界面，路基整体抗变形能力下降，新老路基不协调变形增加，导致新老路基结合不良。
③老路与新路交界的坡面上应挖设台阶(图7-9)，台阶设成向内倾斜3％左右的坡度。为保证新老路基良好结合，通常将老路边坡坡度处理为1：1～1：1.5，每级台阶宽度宜不小于1.0m，高度在0.6～1.0m左右。
(2)路基加筋处理工程技术
为提高新老路基之间的结合强度，公路改扩建加宽工程广泛地采用路基加筋技术(图7-10)。目前应用较多的加筋材料为土工格栅，其加筋机理包括三个方面：土工格栅的表面与土产生的摩擦作用；土工格栅肋条和结点产生被动抗阻作用；由于网孔的存在，网格上层的填料与下层的填料可以相互作用，对土产生锁定作用。因此，在新老路基结合部铺设土工格栅可增强土体的抗剪强度和抗弯刚度，约束路基的侧向位移。同时，土工格栅与土颗粒之间的作用产生应力效应。在上部荷载作用下，土工格栅的张力产生的拉力承担了部分土体的竖直应力和水平应力，并将荷载应力较均匀地扩散到较大的范围内，减小了应力的过分集中而造成新填路基的土体坍滑变形，增强了新老土体的整体性，降低了新填路基地基的不均匀沉降。若控制土工格栅的设计应变(延伸率)在10％以下，土工格栅几乎不产生蠕变。
图7-9 新老路基衔接处开挖台阶
图7-10 某高等级公路加宽改建路堤加筋设计图
另外，在软土地区铺设土工格栅可以发挥其抗拉性能。在土体侧向位移较大的情况下，通过与加筋填料的摩阻力来限制土体的侧向变形和路堤边坡外的隆起，对减小变形不协调起着重要的作用。所以，路基加筋也是一种减小地基固结变形的有效措施。
二、高等级公路改扩建路基加宽施工重点与难点
高等级公路在改扩建施工过程中，既要确保既有公路畅通，又要确保施工安全、质量及工期，施工难度非常大。高等级公路改扩建路基加宽施工重点与难点主要体现在如下方面。
1.选择与确定合理有效的施工方案
路基加宽工程是一个特殊的工程，是在开挖老路基边坡，同时又要在作业面狭窄的空间进行施工。施工材料、机具设备、人员进出都不是很方便，设备搬运困难，大型设备无法顺利开展工作，设备利用率很低，左右两幅还要设置两条便道。因此，必须选择与确定合理有效的施工方案，使工、料、机达到合理匹配，满足质量和工期要求的目的。
2.选择与确定合理有效的软土地基处理方法
当路线通过软土地基时，为了确保新老路基的工后沉降和不均匀沉降满足要求，保证路面不发生纵向裂缝，如何针对不同的软土地基情况(软基厚度、硬壳层厚度、地下水位)、加宽路基高度，选择合理有效的软土地基方法非常关键。因此，软基处理是工程重点，在地基处理过程中应尽量减少对老路路基的扰动。
3.新老路基有效衔接技术
新老路基的有效衔接是确保整个加宽工程质量的关键。在与老路基的有效衔接施工中，应将老路堤边坡一定范围内路基质量低劣的土体挖除，并将边坡开挖成一定高度和宽度的台阶，并在台阶顶面铺设一层土工格栅。在施工中若发现老路基有渗水现象或其他不良状况时，还应采取增设盲沟等措施及时进行处理，但应尽量减少对老路基的扰动，确保新老路基拼接质量。
第四节改扩建路基施工质量控制案例
某一路线通过芦苇软基地段，由于区域内软土地基含水量较大，地下水位较高，路基加宽部分基底填前碾压要达到规定的压实度标准较为困难，施工时应采取清淤换填等地基处理方法。
一、改扩建路基施工
1.清表
受压实机械、设计标准的限制，在多年雨雪侵蚀下，老路的密实度一般小于规范要求。并且由于基底长年受到水的浸泡，边坡一定范围内路基的稳定性较差，所以要将距离边坡一定范围内的土体清理后再进行地基处理施工。清理工作包括对老路基两侧施工范围内进行伐树、挖根、除草等。
2.刷坡
从旧路面与硬路肩交界处下挖至新路面底基层底面高程处，第一平台宽1.0m，然后把老路的边坡进行刷坡，再按1：1.5的边坡向下挖。将有泄水槽的位置闪开，以利于排水和保证老路基受降水冲刷时不坍塌。清刷下来的填料一律弃掉。
按照“满负荷匹配工作法”的施工方案，路堤边坡开挖应逐段清表、逐段挖除、逐段填筑。同时，段落应适当，不能过长。为了减少和避免挖除后台阶上部的土方坍塌，雨季施工时应尽量压缩工作面，并在每层施工完成后在台阶部堆放松填筑料，做成一定的缓坡，坊止坍塌。待下一层施工时，用推土机将该部分填料推开，防止雨水冲刷等而引起路堤开裂及滑坍。
3.地基处理
(1)清淤换填
先将地表苇根挖除，再在两侧填筑高于常水位1.0m，顶宽5.0m的挡水坝。将施工地段地表水抽干，边抽边施工，将上部软土、淤泥、泥炭层全部挖除，换填砂砾土分层夯实，并在底部加铺50cm砂砾石垫层。开挖施工时采用1：1.5放坡系数放坡开挖，用反铲挖掘机挖土，配合自卸汽车外运至弃土场。当挖深小于4.0m时，一次开挖到底；超过4.0m时，应分两层开挖。开挖到设计底面高程以上约15cm厚时进行人工清底。
开挖深度要求：软土应开挖到原一级路砂砾垫层的底部的硬塑土层(即挖除芦根后硬塑土的高程)。
开挖宽度要求：硬路肩至加宽后路肩边缘向外2m以外。
换填厚度要求：下部50cm用大粒径砾石换填，其上用一般砂砾换填。填至基底后可加铺一层土工格栅。
换填宽度要求：底部50cm砂砾要与旧路接上，外侧宽出路基边缘200cm。
为确保新加宽路基工后沉降满足设计要求，应按照要求进行沉降观测。
(2)塑料板排水等办法处理软土路基
4.挖台阶
(1)老路面清表应从旧路面与硬路肩交接处下挖至新路面底基层底面高程处，向外留1.25m的平台(土工格栅宽度的一半)，然后按1:1.5的边坡下挖。挖后须先清理边坡虚土，然后挖1.0m×l.5m的台阶，台阶底面向路中心横坡3％。
(2)对旧路边坡进行挖台阶作业，以防止新挖台阶受到雨水冲刷及完工后不均匀沉降。作业时要随路基的填筑施工分层进行，严禁一次性完成。
(3)已经完成挖台阶作业的施工段落，要立即组织填筑，防止新挖的台阶受到雨水冲刷。如在降雨来临前不能完成段落的填筑，要采用覆盖塑料薄膜的措施加以防护。
(4)结合挖台阶确定冲击碾压作业面。
(5)冲击碾压施工的层面台阶宽度原则上应大于lm，冲击碾压后的第一层填料厚度应控制在25cm。
5.填筑、碾压
(1)采用分层填筑，每层松铺厚度不超过30cra；并要注意新老路基结合部位的路基土含水量，含水量过大时，要经过晾晒处理。
(2)冲击碾压第一层填料后，按照不同的段落和处理方法埋设或加宽部分沉降观测仪，加强观测，以便给新路基填筑提供参考依据。
(3)新填筑的加宽路基必须使用级配良好的砂砾填筑。
(4)分层填筑，分层碾压，提高压实标准，各深度层次的压实度比标准提高一个百分点。
(5)路床顶面以下80cm范围内填料的最大粒径不应大于10cm；路堤顶面以下80cm填料的最大粒径不应大于15cm。
(6)每段填料碾压完毕，可将上一层的填料堆放在已开挖的边坡处形成反压荷载，以稳定老的路基，同时避免因边坡开挖面长时间暴露，受到雨水直接冲刷。特别在雨季施工时，施工段落不宜太长。为防止老边坡开挖后来不及填筑，除堆放反压材料外，还可用防雨布对暴露地段进行大面积遮盖，以防暴雨直接冲刷边坡，造成老路堤坍方，影响正常营运，甚至引发重特大交通事故。
(7)在新老路基结合部位，每填筑两层(压实厚度50cm)用冲击式压路机进行充分压实。在冲击碾压不到的部位用强夯进行处理。新老路基每填筑四层(压实厚度100cm)用冲击式压路机充分碾压全断面。
(8)新老路基结合处，除清表挖台阶外，可在表层铺设塑料土工格栅，增加连接能力。
通常将原有路基边坡挖成一定宽度的内倾台阶后，沿道路纵向铺筑一定幅宽的土工格栅，使得土工格栅一半位于原有路基上，另一半位于新填路基上，铺设方案如下：
①施工前应对拟用的土工格栅进行试验。其各项指标应符合国家标准《土工合成材料塑料土工格栅》(GB／T 17689-1999)和有关设计图纸规定，并经监理批准同意后方可使用。
②铺设之前要将超填的路基清理到正确高程，并保证路基顶面平整，表面严禁有碎、块石等坚硬凸出物，距表面8cm以内的路堤填料最大粒径不得大于6cm。用冲击碾碾压10遍，然后用平地机刮平，再用18t重型压路机碾压，直至达到规定的压实度为止。
③土工格栅铺设时应进行人工拉紧，使之平整、均匀、紧贴下承层，不允许有褶皱，可采用U形钉或方木桩等固定于填土层表面。沿路基横向必须按整幅设计宽度进行铺设，不允许出现接头；纵向搭接处要密贴、牢固，用尼龙线呈“之”字形绑扎牢固，不允许有翘曲现象，其叠合长度不小于15cm。
④严禁车辆机械在已铺设好并张紧定位的土工格栅上直接碾压。现场施工中发现土工格栅有任何破损、老化、污染的不允许使用。
⑤土工格栅存放时，应密闭保存。铺设以后应及时填筑填料，正常情况下间隔不应超过48h，以避免其受到阳光过长时间的直接暴晒，使其性能劣化。
⑥土工格栅铺设完成后，要全断面填筑顶层填料。土工格栅采用人工填料整平，先静压2遍，然后再进行振动碾压，直至达到规定的压实度为止。一切施工机械只允许沿路堤的轴线方向行驶。
(9)路基填筑宽度应比设计宽度超宽30cm，采用网格法控制土料数量，填料的虚铺厚度一般不宜大于30cm。由于施工作业场地狭窄，将局部路基适当加宽，设1～2个“错车台”，便于施工车辆让道。
(10)为了减小新加宽路基的工后沉降，路基达到距路床顶25cm的高程后采用冲击压路机补压，以提高路基的密实度、强度及均匀性。
(11)加宽路基填筑完成后，采用砂砾土超载预压，超载高度为2.0m，边坡1：1。
6.检测
新老路基结合部的压实度检测频率要大于一般情况下路基填筑时的抽检频率，以保证结合部位达到良好的拼接效果。一般是平整后先稳压，后重型振压，最后静压光面，然后进行压实度的检测工作。如此往复直至完成路基填筑。应先铺筑试验段，待试验成功后确定施工工艺控制虚铺厚度和碾压遍数。
7.超载预压
为了加速新填路基的沉降，应对新填路基部分边超压，其上堆积砂砾土，高度为2.0m，边坡1：1。采用双曲线法进行沉降预测，当路基工后沉降小于20cm时，才可以进行路面工程施工。
二、施工参数与质量控制标准
由于现有的路基施工技术体系建立在普通细粒土基础之上，是否适用于砂砾石填料有待检验。根据已有的砂砾石填料施工经验，采用振动压路机和静压压路机进行了组合。从压路机的压实参数、砂砾石填料最大粒径以及砂砾石填料颗粒级配三个方面进行了试验和分析。
1.振动压路机压实参数的确定
压实效果和振动压路机的吨位以及填筑层厚密切相关，例如13t的振动压路机振动与静止时的土中应力比可以达到5：1。
(1)振动压路机振动频率的选择
当外界激振力频率和物体的自振频率接近时，物体所受到的振动最大。因此，应调整压路机的激振频率和砂砾石填料的自振频率一致为佳，常见填料的自振频率见表7-2。对照表7-2，对于现场所采用的砂砾石填料，将振动压路机的频率调整到30Hz为宜。
常见路堤填料自振频率
表7-2
(2)振动压路机振幅选择
在其他条件一定的情况下，砂砾石填料所受到的压实作用随振幅的加大而显著提高。因此，应在机械允许范围内尽量增大振动压路机的振幅，但最大振幅受限于机械设计限制和使用寿命的要求，一般调整到1.5～1.8mm之间为宜。
(3)振动压路机碾压速度
考虑技术要求和经济合理性的统一：一方面，压路机行走速度越慢，则在单位时间内施加到砂砾石填料上的压实功越大；另一方面，过慢的速度会造成压路机工作效率的降低。因此，综合确定碾压速度为2～4km／h。
对于砂砾石填料，宜采用振动压路机碾压施工。通过合理设定压路机的激振力、振动频率、振动幅度以及碾压速度等参数来实现较好的碾压效果。
2.施工机械施工组合方案
(1)方案Ⅰ：采用12t静压机进行初压，采用50t振动压路机施工至砂砾石填料碾压面无明显轨迹时为止，然后用12t静压机进行碾压，保证碾压面的平整度。
(2)方案Ⅱ：采用12t静压机进行初压，采用YZJl2振动压路机施工至砂砾石填料碾压面无明显轨迹时为止，然后用12t静压机进行碾压，保证碾压面的平整度。
(3)方案Ⅲ：仅简单采用12t静压机碾压至表面无沉降时为止。
3.路堤碾压试验结果及分析
(1)压实干密度和压沉值指标
按照上述施工机械组合方案进行试验段砂砾石填料的碾压试验，分别测定相应的压实干密度和压沉值，得到的试验结果见表7-3～表7-5。
层厚30cm施工机械组合Ⅰ压实检测结果
表7-3
碾压遍数
0-2
2-4
4-6
6-8
压沉值（mm）
11.3
3.1
2.1
2.2
压实干密度（g/cm3）
2.04
2.11
2.14
2.14
层厚30cm施工机械组合Ⅱ压实检测结果
表7-4
碾压遍数
0-2
2-4
4-6
压沉值（mm）
9.8
2.9
2.7
压实干密度（g/cm3）
1.97
2.06
2.07
层厚30cm施工机械组合Ⅲ压实检测结果
表7-5
碾压遍数
0-2
2-4
4-6
6-8
压沉值（mm）
6.1
3.1
2.9
2.5
压实干密度（g/cm3）
1.89
1.92
1.97
1.96
由试验段碾压测试结果可以看出：压实效果最好的是采用50t振动压路机下的施工，效果最差的为单独采用普通12t静压机进行的压实；结果对比可以看出，普通静载压路机不适用于砂砾石填料的施工；在进行灌水法测定干密度试验开挖时，可以明显地看到按照机械组合HI施工后在路堤中存在较多的孔洞，同样说明了该施工机具是不适用的。
(2)碾压遍数的确定
碾压遍数的确定应以路堤填筑层表面不再出现明显轮迹(路堤顶面最后一遍碾压沉降量平均值在3mm以内)，同时结合相应干密度综合考虑。
由图7-11、图7-12可得到结论如下：
图7-11 碾压遍数与压实干密度关系
图7-12 碾压遍数与压沉值关系
①碾压遍数的确定应该考虑现场施工机械组合，且其与压路机碾压参数、填筑层厚、最大粒径、压实标准密切相关；
②压实干密度随碾压遍数的增加而增加，且各控制指标之间存在一定的相关性，其变化均为开始时增加较快，而迅速地趋向于稳定；
③在上述施工方案中，一般进行6～8次碾压后基本稳定，因此碾压遍数应不少于6遍。
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