杭州德勝東路重載交通條件下的潮濕路基設(shè)計(jì)探討

楊紹猛，潘 昊，王 毅

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán) 浙江市政設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310000；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 290000）

杭州德勝東路重載交通條件下的潮濕路基設(shè)計(jì)探討

楊紹猛1，潘 昊2，王 毅1

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán) 浙江市政設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310000；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 290000）

以杭州德勝東路的改造提升工程為依托，通過分析德勝東路上重載交通的工作區(qū)影響深度，提出潮濕低路堤情況下城市重載交通的路基路面設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)方案。就地取材設(shè)置40 cm水泥土換填層及碎石墊層，有效地解決了重載交通需要的路基強(qiáng)度問題和潮濕路基的水穩(wěn)性問題，為杭州市東部區(qū)域城市道路在重載交通條件下的設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

道路改造；重載交通；工作區(qū)深度；潮濕低路堤；水泥土換填；碎石墊層

1 概述

杭州市德勝快速路是杭州市“四縱五橫二繞”城市快速路網(wǎng)中最重要的“一橫”，是連接市區(qū)、下沙副城以及江東新城的交通大動(dòng)脈。德勝東路地面道路始建于2005年，且沿線很多區(qū)塊正處在城市建設(shè)開發(fā)過程中，重型交通荷載密集，經(jīng)過6年時(shí)間運(yùn)營，路基路面已破壞較嚴(yán)重，行駛舒適性差，需要對(duì)現(xiàn)狀道路進(jìn)行大修，并進(jìn)行快速化改造提升，提升后斷面規(guī)模為“高架雙向6車道快速路主線+地面雙向6車道輔道”，其中高架主線禁止貨車通行，地面道路以城市主干路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是貨車通行的主通道，如圖1所示。

圖1 德勝東路道路改造提升標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：m）

本文研究重點(diǎn)是作為城市主干路的地面道路部分，為了使這次提升改造工程取得良好的效果，對(duì)德勝東路現(xiàn)狀道路展開了全面調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容包括交通量、交通組成、路面狀況指數(shù)、基層取芯、地質(zhì)及地下水等。

（1）交通量及交通特性

德勝東路現(xiàn)狀實(shí)測(cè)雙向高峰小時(shí)交通量為4 486 pcu/h，設(shè)計(jì)年限內(nèi)一條車道累積軸載為2.0× 107pcu，屬于特重交通，設(shè)計(jì)彎沉值為21（0.01 mm）。同時(shí)，德勝東路兩側(cè)物流企業(yè)眾多，大車∶小車為0.3∶0.7。根據(jù)調(diào)查顯示，德勝東路上8 t以上的車輛普遍存在超載現(xiàn)象，平均超載車輛占全部重車的40%以上，最大超載為額定荷載的300%左右，大都超過60%以上(車輛中以運(yùn)渣土、建筑材料等重物為主)，是典型的重載交通道路。由于車輛超限、超載的情況嚴(yán)重，使得德勝東路在使用6年后路基路面破壞嚴(yán)重，大大縮短了使用壽命并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。

（2）現(xiàn)狀路面狀況調(diào)查

德勝東路現(xiàn)狀路面狀況調(diào)查綜合分級(jí)等級(jí)劃分見表1。

表1 現(xiàn)狀路面狀況調(diào)查表

（3）基層取芯檢測(cè)

對(duì)整條道路進(jìn)行鉆孔取芯成果顯示：主車道共鉆孔取芯126只孔，其中三渣混合料芯樣松散無法測(cè)量高度的有71只，占比56%；其余55只芯樣基層成板塊厚度在10～390 mm之間，多集中在200 mm左右，占比46%?；鶎涌傮w上呈現(xiàn)松散或部分松散狀態(tài)。

（4）地基土物理力學(xué)參數(shù)及地下水調(diào)查

經(jīng)詳勘揭示該工程場(chǎng)地系錢塘江口近代沖海積沉積的粉砂性土地層，其中地基持力層為②砂質(zhì)粉土層，層厚約6～8 m，該層土強(qiáng)度指標(biāo)較高，天然含水量ω=25.6%，凝聚力c=6.5 kPa，內(nèi)摩擦角φ=27°，承載力[σ]=90 kPa，其下土層物理及力學(xué)性質(zhì)均較好。沿線擬建場(chǎng)地地下水性質(zhì)屬松散孔隙型潛水，主要賦存在①填土層及②砂質(zhì)粉土層中；地下水位埋深秋冬季為1.40～3.20 m，春夏季雨水充沛時(shí)在地表下0.5～1.0 m，且雨季積水嚴(yán)重。年水位變幅約為1～3 m。結(jié)合水位埋深及道路平均路面標(biāo)高，德勝東路屬于IV區(qū)潮濕路基，全線干濕路基實(shí)際占比見表2。

表2 德勝東路干濕路段類別比重表

以上調(diào)查結(jié)果表明：現(xiàn)狀德勝東路交通量大且超載嚴(yán)重，建設(shè)區(qū)內(nèi)地下水位高，屬于潮濕低路堤，整條道路路面狀況較差，路基松散破壞較嚴(yán)重，必須進(jìn)行大修或整體改造。

2 路基破壞原因分析

根據(jù)上述的調(diào)查分析結(jié)果，認(rèn)為導(dǎo)致現(xiàn)狀德勝東路路面破毀最主要的原因有如下幾個(gè)方面：

（1）重載交通引起的路面結(jié)構(gòu)破壞。通常在重載交通條件下，道路路基的結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯不同于非重載交通，路基處理不當(dāng)或處理深度不夠而導(dǎo)致路基工作區(qū)遭到破壞，最終影響到路面結(jié)構(gòu)質(zhì)量。此時(shí)路基更容易出現(xiàn)沉陷、裂縫等病害，繼而導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)龜裂、沉陷、翻漿、坑槽、松散等破損現(xiàn)象。德勝東路上存在大量超載、超限車輛，荷載作用超過了路基各層的強(qiáng)度，加速了路面結(jié)構(gòu)層的破壞。

（2）道路結(jié)構(gòu)層的水穩(wěn)定性破壞。德勝東路建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)地下水位過高，雨季路面積水嚴(yán)重，路面積水經(jīng)受車輛荷載和溫度脹縮的反復(fù)作用，極易水損害形成坑槽；路基處于過濕或潮濕狀態(tài)，對(duì)路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性也造成非常不利影響。

（3）地下管線對(duì)結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度的不利影響。德勝東路紅線范圍內(nèi)有大量的地下管線，部分管線如雨污水管道等由于受管位布置空間不足的影響，只能布置在機(jī)動(dòng)車道下。由于管道溝槽及檢查井塢塝回填時(shí)施工面相對(duì)狹小，極易造成回填土壓實(shí)度不夠，從而影響局部的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，出現(xiàn)強(qiáng)度不足和不均勻沉降現(xiàn)象，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)由點(diǎn)到面的破壞。

目前，國內(nèi)外在公路行業(yè)對(duì)重載交通條件下潮濕地基的路基路面設(shè)計(jì)的研究積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，一般通過加高路堤來解決地下水位高帶來的潮濕路堤的影響，通過加厚結(jié)構(gòu)層來適應(yīng)重載交通的影響。但城市道路不同于公路，很多公路上的成功做法并不適合城市道路，主要是因?yàn)椋海?）城市道路由于城市規(guī)劃標(biāo)高的限制，路基填土高度一般很難滿足路基設(shè)計(jì)的最小填土高度的要求，路基處于潮濕狀態(tài)很難通過填高路堤的方式解決；（2）城市道路建設(shè)周期比較短，周邊建筑物密集，地下管線多，許多適合公路的地基處理及路基填筑方法不能在城市道路中采用，導(dǎo)致重載交通動(dòng)應(yīng)力影響范圍內(nèi)路堤強(qiáng)度不足；另外，我國現(xiàn)行的規(guī)范對(duì)城市道路的路基路面設(shè)計(jì)雖然已有一些基本要求，但其深度和廣度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)營管理等多角度進(jìn)行分析研究，同時(shí)制定的設(shè)計(jì)方案要充分考慮上述因素并尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。

3 重載交通工作區(qū)深度及處理措施分析

關(guān)于道路行車荷載引起的動(dòng)響應(yīng)的影響深度從目前國內(nèi)現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，通過現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)應(yīng)力測(cè)試得到的影響深度一般在1.5～2.5 m。隨著車重的增加，同一深度處動(dòng)應(yīng)力明顯增加，當(dāng)某一深度處附加動(dòng)土應(yīng)力為自重應(yīng)力的1/5～1/10時(shí)，可以看作是交通荷載對(duì)路堤的影響深度，重載的影響深度約為2.5 m[1，2]，設(shè)計(jì)中需考慮提高重載交通工作區(qū)深度范圍內(nèi)的路基壓實(shí)度和路基強(qiáng)度。

從組成路面結(jié)構(gòu)層材料的模量及厚度等各因素的正交試驗(yàn)結(jié)果分析[3]可得出，各因素對(duì)路表彎沉的影響按從大到小順序?yàn)?土基模量＞基層厚度＞底基層厚度＞上面層厚度＞中面層厚度＞下面層厚度＞基層模量＞底基層模量＞下面層模量＞中面層模量＞上面層模量，各參數(shù)對(duì)底基層層底拉應(yīng)力的影響程度為：底基層模量＞底基層厚度＞土基模量＞基層厚度＞基層模量。所以，在重載作用下，為保證路面的路表彎沉值小于設(shè)計(jì)彎沉值、基層層底拉應(yīng)力小于允許拉應(yīng)力，最直接和有效的途徑就是提高土基模量。受規(guī)劃控制標(biāo)高的限制，德勝東路無法通過填高路堤來滿足重載交通工作區(qū)深度，只能從提高土路基模量入手。

針對(duì)上述分析，結(jié)合該工程地質(zhì)中②層砂質(zhì)粉土情況，進(jìn)行了水泥處治土回彈模量試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以設(shè)計(jì)路床頂標(biāo)高處向下超挖40 cm，然后在超挖的砂質(zhì)粉土里摻6%的水泥均勻拌合，回填碾壓，壓實(shí)度為96%。采用承載板法測(cè)試水泥土換填路基土回彈模量，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 水泥土換填墊層回探模量試驗(yàn)

取浸濕狀態(tài)的回彈模量代表值115 MPa為以下路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)。

4 路面結(jié)構(gòu)層計(jì)算分析

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2006）推薦結(jié)構(gòu)層及組合設(shè)計(jì)，綜合考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，決定路面結(jié)構(gòu)面層采用三層式瀝青混凝土面層。表面層采用SBS改性瀝青的SMA-13瀝青瑪蹄脂混合料，中面層采用 SBS改性瀝青的AC-20C中粒式密級(jí)配瀝青混凝土，下面層采用AC-25C粗粒式密級(jí)配瀝青混凝土，基層采用4%～5%水泥穩(wěn)定碎石，墊層采用級(jí)配碎石（對(duì)比分析時(shí)再加上水泥土層）。

（1）路表計(jì)算彎沉值

式中:ls為路表計(jì)算彎沉值；P、δ為輪胎接地壓強(qiáng)（MPa）和當(dāng)量圓半徑，cm；αc為理論彎沉系數(shù)；F為彎沉綜合修正系數(shù)；E0為土基回彈模量，MPa。

（2）計(jì)算容許拉應(yīng)力

式中：σm為結(jié)構(gòu)層底面計(jì)算點(diǎn)的拉應(yīng)力，MPa；σR為路面結(jié)構(gòu)層的容許拉應(yīng)力，MPa；σsp為對(duì)水泥穩(wěn)定類材料為齡期90 d的劈裂強(qiáng)度（MPa）對(duì)二灰穩(wěn)定類、石灰穩(wěn)定類材料為齡期180 d的劈裂強(qiáng)度，MPa；Ks為抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

擬定路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)值及彎沉和拉應(yīng)力對(duì)比計(jì)算成果見表4。

表4 路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算成果表

通過有無40 cm水泥土換填層的對(duì)比計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）兩種方案的結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的計(jì)算彎沉值均大于設(shè)計(jì)彎沉值（0.21 mm），滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要；

（2）有40 cm水泥換填土層比沒有該層對(duì)于瀝青面層彎沉值最大降低27.2%（層底拉應(yīng)力為負(fù)值不做對(duì)比分析），基層頂面彎沉下降30.5%，層底拉應(yīng)力降幅9.8%，但土路基頂面彎沉值降幅46%，改善效果明顯；

（3）增設(shè)40 cm水泥換填層對(duì)降低各層彎沉值和拉應(yīng)力很有必要。

5 針對(duì)性的路基及路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)方案

（1）路基設(shè)計(jì)方案

結(jié)合上述對(duì)比分析結(jié)論，考慮到重載交通對(duì)結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度的需要及防治潮濕路基地下水上升對(duì)路基穩(wěn)定性的不利影響，充分利用砂質(zhì)粉土層水泥土的改良性能，在設(shè)計(jì)路床標(biāo)高以下超挖換填40 cm 6%水泥土，然后再設(shè)置30 cm碎石墊層和碎石盲溝以隔斷和排除地下水，達(dá)到提高路基土強(qiáng)度和干燥路基的目的。為了進(jìn)一步隔離和疏干地下水，在碎石墊層下設(shè)置排水盲溝（盲溝水直接排入雨水系統(tǒng)），并在碎石墊層頂面鋪設(shè)土工布隔滲層，如圖2所示。

圖2 路基換填及潮濕路基處理

（2）新建道路結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)

綜上所述，新建道路結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)從上到下布置如下：

面層：4 cm SMA-13瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SBS改性瀝青）+5 cm中粒式改性瀝青混凝土（AC-20C，SBS改性瀝青）+7 cm粗粒式瀝青混凝土（AC-25C），相鄰面層間設(shè)置粘結(jié)層；

封層：0.6 cm乳化瀝青稀漿封層；

基層：20 cm水泥穩(wěn)定碎石（4.0 MPa/7 d）上基層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石（3.0 MPa/7 d）下基層；

墊層：30 cm級(jí)配碎石墊層；

其下是40 cm水泥土（水泥摻量6%）+壓實(shí)土路基（40 MPa）。

（3）路面檢查井防不均勻沉降措施

為了保證布置在機(jī)動(dòng)車道下雨水檢查井塢塝回填質(zhì)量，回填料采用碎石砂，密實(shí)度為0.96；同時(shí)為了減少檢查井與路面間不均勻沉降對(duì)路面的不利影響，該工程中采用了防沉降檢查井，改變以往檢查井上部荷載由井筒承受為路基承受，井座與井筒間預(yù)留15 cm變形空間，使井蓋基礎(chǔ)與路基協(xié)調(diào)變形、沉降一致，如圖3所示。

圖3 檢查井防沉降處理圖（單位：cm）

6 結(jié)語

德勝東路快速化改造提升工程目前已竣工2年了，雖然交通量大，超重超載現(xiàn)象依然嚴(yán)重，但地面道路狀況總體良好，達(dá)到了工程預(yù)期目標(biāo)。通過該工程案例總結(jié)如下：

（1）對(duì)德勝東路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行深入調(diào)研，找出路面破壞的主要原因，再通過研究重載交通作用下的路基工作區(qū)深度及處理方法，得出符合該工程實(shí)際的40 cm水泥土換填方案。

（2）道路結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)有效地結(jié)合了重載交通和潮濕路基兩個(gè)主要方面，通過路基水泥土換填及碎石墊層及盲溝的設(shè)置，有效地解決了重載交通需要的路基強(qiáng)度問題和潮濕路基的水穩(wěn)性問題，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

（3）40 cm水泥土換填實(shí)際增加費(fèi)用單價(jià)為：18元/m2，以較小的投入取得了較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。杭州市從江干區(qū)到下沙及大江東的東部片區(qū)的大部分區(qū)域地質(zhì)情況都比較接近，淺層都分布有砂質(zhì)粉土層，充分利用該層就地拌合成水泥土回填以提高路基強(qiáng)度的做法應(yīng)值得借鑒和推廣。

[1]仇敏玉，俞亞南.道路行車荷載影響深度分析 [J].巖土力學(xué)，2010,31(6):1822-1826.

[2]李洪亮，王曉華，沈可.天津?yàn)I海新區(qū)重載交通工作區(qū)深度的分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44（增刊）：158-161.

[3]曹夢(mèng)醒.天津集疏港道路重載瀝青路面結(jié)構(gòu)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

[4]JTG D50—2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

《中華人民共和國水污染防治法》進(jìn)行二次修正

6月27 日，第十二屆全國人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第二十八次會(huì)議通過了《關(guān)于修改〈中華人民共和國水污染防治法〉的決定》（第二次修正）。新修訂的《中華人民共和國水污染防治法》更加明確了各級(jí)政府的水環(huán)境質(zhì)量責(zé)任，實(shí)施總量控制制度和排污許可制度，加大農(nóng)業(yè)面源污染防治以及對(duì)違法行為的懲治力度。決定自2018年1月1日起施行。

U416.1

B

1009-7716（2017）08-0055-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.033

2017-04-06

楊紹猛（1973-），男，湖北廣水人，高級(jí)工程師，從事城市道路工程設(shè)計(jì)工作。