高等级公路路基加宽病害特征及机理分析

文 /李作恒

在高等级公路路基加宽工程中，原有路基经过多年运营，地基及路基沉降已基本完成。在其边坡上进行扩建加宽时，由于新旧路基在沉降、永久变形累积、稳定性和路基承载力等方面的差异，在新旧路基之间产生相对过大的差异沉降，进而会引起既有路基变形，新路基失稳，严重时则出现路基拉裂，下沉过速等病害，这将会对高速公路的正常营运带来难以估量的不良后果。

1 高等级公路路基加宽病害特征

1.1 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，严重时发生整体坍塌。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。

1.2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。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。

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。

根据高等级公路改扩建工程一般断面布置形式（图 1）以及地基新增荷载分布情况，采用地基弹性理论方法以及考虑应力历史影响的沉降计算方法进行定性分析研究，可知原公路因增设补强层和铺筑新面层，增加了下部（I区）土基的压力P 1 ，加宽部分（Ⅱ区、Ⅲ区、IV区）地基相应外加的压力分别为P 2 ，P 3 ，P 4 ，这些荷载使地基沿路基横断面方向发生不均匀沉降，其中S 2 、S 3 、S 4 大于S 1 。当路基压力大于地基极限承载力时会在路基坡脚附近（图中V区，可能在坡脚内，也可能在坡脚外）发生沉降（S 4 ），同时，还会引起V区外区域地基隆起，这时路堤将因沉降变形过大使高等级公路发生严重的损坏。

1.3 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、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。

2 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。

2.1 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。主要表现在：

（ 1）地基坡面过陡

在山区路基加宽工程中，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。为保证加宽路堤的稳定性，加宽常采用重力式挡墙或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。并且地基土的抗剪强度会因雨水浸入湿化，干湿循环、冻融循环而使地基土发生松动等外界因素的影响而降低。

（ 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，从而发生自结合面至软弱层顶面的滑动面。

（ 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：

（ a）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。

（ b）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），或者土工合成材料和填土之间的摩擦力较小、或者土工合成材料埋入新老路基的长度不够，致使其未能充分发挥加筋性能。

（ c）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。

（ d）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，导致路基强度下降。

2.2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

其原因主要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粘土，如图 2。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。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。

图 2 新老路堤自身压缩和固结变形引起的变形不协调

（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。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 3 由于结合部滑移变形引起的不协调变形

（ 3）新老路基接合部结合强度不足

新老路基接合部结合强度不足将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（如图 3）。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）。

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。

3高等级公路改扩建路基加宽技术对策

高等级公路加宽改建工程受老路自然状况制约，在选线上无法充分考虑地形地貌、地质土质的特殊情况。在确保既有路堤稳定的前提下，充分考虑影响新老路基稳定性的各种因素，重点应抓好地基处理、采取控制施工速率、改良路基填料性能等关键施工环节，使之能够达到提高路基强度，减少路基工后沉降，进而有效控制纵向裂缝的产生。

3.1控制变形不协调，重视软土地基处理

新建路基地基沉降占有较大比重，特别是软土地基路段。地质不良的软土地段应根据地质资料采用有利于加快地基固结沉降或提高地基承载力的设计施工方案，有效减少工后沉降。现有的地基处理方法一般有三种：浅层换填、排水固结和复合地基方法。

3.2 严格路基填料的选择与控制

路基改扩建加宽工程一般是在维持交通的基础上进行实施的，老路部分还需承担正常的交通，虽经部分分流，但交通量仍然比较大，且重载车辆多，工期要求比较紧。为确保工程质量，可通过大吨位振动压路机、冲击式压路机来碾压土体以及增加碾压遍数来减少土体本身孔隙率，增加路基压实度，减小路基本身沉降，同时也可填筑无机结合料改良土或 CBR值较大的材料，如碎石土、砂砾等。对路堤较高、原地基承载力低的路段也可考虑采用轻质路基填料（如粉煤灰）以减轻路堤自重，减少土基荷载。

3.3 结合部压实度控制

为加强新老路的结合，提高路基的整体强度和稳定性，在老路基边坡应采用开挖多层台阶方式衔接，结合部必须碾压到位，如大型压实机械无法压到边，就要用小型振压设备压实，确保加宽路基任何部位压实度均符合要求。

3.4 施工节奏控制

路基填筑速度的控制对控制地基沉降并最终有效控制路面纵向开裂十分重要。可对新修路基采用超载预压 3～6个月时间加速新修路基的工前沉降。有时也可根据需要，在路基填筑完工后增铺临时简易路面，增加路基工后沉降的时间，并通过行车碾压加速工后沉降的完成。

3.5强化接合部位处治，推广土工合成材料

应强化新老路基结合部位的处治，路基施工时在新老路衔接的台阶处可设置土工格栅，有效增加新老路基间的粘结力，减少不均匀沉降和侧向位移，使新老路基有效的形成整体。同样路基顶、底基层、基层顶面在施工中除设台阶衔接外，在结合处增设土工格栅可以使新老路有效地融为一体。

4 结语

随着我国经济建设的快速发展，高等级公路的改扩建工程将是我国本世纪公路建设所面临的非常重要和必须解决的问题。而路基改扩建的工程质量对道路路面的运营质量有重要影响。本文针对高等级公路改扩建路基加宽后可能存在的病害类型进行了分析，探讨了病害产生的机理，最后提出了高等级公路改扩建路基加宽的技术对策。

作者单位：河北省邢汾高速公路筹建处