公路低路堤设计问题探讨.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言我国公路工程项目中，部分地区在建设中开展了低路堤设计与施工。由于低路堤路基无法将车辆通行时产生的荷载有效扩散，从而导致传递给地基的动应力较大，地基受到的动应力大于临界动应力，在不断累积中，塑性应变逐步增大，导致低路堤路基出现较大的沉降，使道路严重受损。低路堤能够使公路建设对国土资源的占用问题得到有效改善，但外界制约低路堤设计的因素相对较多。为此，要分析低路堤的工程特性，采取有效的方法和措施确保低路堤设计的合理性。基于此，就公路低路堤设计问题进行分析探讨。1 工程概况某公路工程位于西北地区，当地水文地质和气候具有一定的特殊性。该公路主线全长123.66 km，采用整体式路基，宽度为28 m，车速为60 km/h。公路沿线的地层以黏土为主，局部段落下伏细砂，地下水偏高。路基采用砾石土填筑，平均填土高度在3.68 m以上，采用分层的方式填筑和碾压，在路面表层下布设一层土工布。路面结构为厚度4.0 cm的上面层、厚度5.0 cm的中面层和厚度 7.0 cm 的下面层，封层厚度为 1.0 cm，5%的水稳砂砾基层，厚度为32 cm，天然砂砾底基层厚度为19 cm，路面结构的总体厚度为68 cm。本文重点对该公路低路堤设计问题进行分析。2 公路低路堤设计关键技术2.1 低路堤的工程特性2.1.1 路堤高度1）路堤的高度分别取0.8、1.0、1.1、1.2、1.3 m，车速为60 km/h。与上述路堤高度依次对应的动应力变化 范 围 如 下：4.539.68、3.867.72、3.776.94、3.286.61、3.036.28 kPa。当路堤高度为一定值时，路基的动应力会随着路基不断加深，呈现出非线性衰减。路基顶面以下3.0 m范围内，相同深度的动应力与低路堤的高度成反比关系。低路堤的高度从0.8 m升高至1.3 m时，路基顶面的动应力呈现为逐步下降的趋势，从 9.68 kPa 降至 6.28 kPa，降幅达到 35.1%1。与此同时，路基顶面以下3.0 m深度处的动应力也随之下降，从4.53 kPa下降到3.03 kPa，降幅为33.1%。由此说明，路堤越高，传递到路基范围的动应力就越小。随着路基高度从0.8 m增加至1.3 m，路基顶面的动应力减少了3.4 kPa，而路基的深度从0到-3.0 m，动应力的降幅达到 55.8%，表明路基的深度越大，对动应力的影响越小。2）路基深度在0到1.8 m时，随着路堤高度动应力会随之降低，当路基深度达到2.1 m以上时，随着路堤增高动应力减少得并不明显，抗车辆动荷载的能力越强，地基基础范围内传递的动应力越微弱。在公路中，受车辆荷载影响较大的区域为路基的工作区深度，具体是指从路基顶面到附加动应力为自重应力10%处的距离。当低路堤的高度增加时，路基的工作深度随之减小，路堤的高度从0.8 m增至1.3 m时，路基工作深度从1.79 m降至1.26 m2。由此表明，低路堤的高度越大，车辆附加动应力所引起的地基基础范围内的沉降就越小，公路结构总沉降量也较小。当路堤的高度减小后，路基工作深度增大，过深的路基会造成不均匀沉降。可见，车辆荷载对路基的作用范围与路堤的高度有着极为密切的关联。2.1.2 基层厚度1）基层的厚度分别取0.65、0.7、0.75、0.8 m，车速设定为60 km/h。与上述基层厚度依次对应的动应力收稿日期：2023-06-14作者简介：董文政（1991），男，工程师，从事公路工程施工工作。公路低路堤设计问题探讨董文政（邢台路桥建设集团有限公司，河北 邢台 054000）摘要：以西北地区的公路工程实例为依托，对低路堤设计问题进行探讨。首先介绍了工程概况，然后介绍了该工程低路堤的工程特性，最后结合实际工程对低路堤设计方法进行深入分析。分析结果表明，在进行低路堤设计时，要明确不同工况下低路堤的工程特性，并采取合理可行的方法降低路堤的高度，从而满足低路堤的设计要求。关键词：低路堤；土工布；塑性应变中图分类号：U416.2文献标识码：B119总660期2023年第30期（10月 下）变化范围为 4.539.68、4.359.03、4.198.45、4.027.94 kPa3。当公路基层的厚度为一定值时，随着深度的逐步加深，动应力呈现为非线性衰减。基层越厚，动应力越小，由此说明，增加基层的厚度，使抗车辆荷载的能力随之增强。基层厚度从0.65 m增至0.8 m后，路基顶面的动应力从 9.68 kPa 降至 7.94 kPa，降幅为18%，路基顶面以下 3.0 m范围的动应力从 4.53 kPa下降至4.02 kPa，降幅为12.7%。2）路基工作区深度与基层厚度之间成反比关系，当基层厚度从 0.65 m 增至 0.8 m 后，路基工作深度从1.79 m降至1.52 m，这充分说明基层厚度对各个深度处的应力和路基工作深度存在较大的影响。随着基层厚度的增加，深度处的动应力与路基工作深度会减小，基于此，在设计过程中，可通过加厚基层的方法减小路堤的动应力和路基工作深度，从而达到降低路基高度的目的。2.1.3 弹性模量1）公路基层的弹性模量分别取1 500、1 700、1 900、2 100 MPa，行车时速设定为60 km/h。与上述基层弹性模量依次对应的动应力变化范围为 4.539.68、4.489.37、4.449.10、4.408.86 kPa。当公路基层的弹性模量为一定值时，随着深度的逐步增加，动应力会呈现为非线性衰减，基层弹性模量增大后，各深度位置处的动应力会随之减小。公路基层弹性模量从 1500 MPa 增至 2 100 MPa 后，路基顶面的动应力从9.68 kPa 降至 8.86 kPa，降幅为 8.47%，路基顶面以下2.0 m 的 动 应 力 从 4.53 kPa 降 至 4.40 kPa，降 幅 为2.87%4。由此表明，抗车辆荷载的能力与基层弹性模量的大小成正比。随着基层弹性模量的增加，传递到路基的附加动应力越小。当路基的深度小于 2.1 m时，动应力随着基层弹性模量增大而减小的幅度并不明显，这说明，路基顶面 2.0 m 的范围受附加应力较大。2）路基工作深度随基层模量的路基工作区深度变化而变化，二者成反比关系。当公路基层弹性模量从1 500 MPa增至2 100 MPa后，路基的工作深度从1.79 m降至1.53 m。可见，基层弹性模量对路基深度动应力和路基工作深度的影响较大，这表明，抗荷载的能力与基层弹性模量成正比，因此，传递的路基动应力越小。具体设计时，通过增加基层的弹性模量，能够减小路堤的高度，从而达到低路堤的要求。2.1.4 面层厚度1）公路面层厚度分别取0.15、0.18、0.21、0.24 m，车速设定为 60 km/h。与上述面层厚度依次对应的动应力 变 化 范 围 为 4.379.76、4.279.44、4.189.16、4.098.89 kPa5。当公路面层厚度为一定值时，随着深度的增加动应力呈非线性衰减。随着面层厚度增大，各深度处的动应力随之减小，面层厚度从0.15 m增长至0.24 m后，路基顶面的动应力从9.76 kPa降至8.89 kPa，降幅为8.9%，路基顶面以下2.0 m处的动应力从4.37 kPa降至4.09 kPa，降幅为6.85%。路基深度2.0 m以下，随着面层厚度的增加动应力的变化逐步减弱，由此说明路基顶面以下2.0 m范围内的附加应力影响较为明显。2）路基工作深度与面层厚度之间成反比关系，当面层厚度从 0.15 m 增至 0.24 m 后，路基工作深度从1.76 m降至1.66 m，由此说明面层厚度对各深度处的应力以及路基工作深度的影响较小。2.2 低路堤设计方法路基在日常使用中会受到交通荷载及自然因素的影响，本工程中的路基所处地理环境较为特殊，在该区域内，低路堤的建设要综合考虑地貌、路基填筑材料、风蚀、泥石流、盐渍土等不利条件的作用。上述影响因素不但会造成路基弹性变形，还会使路基的结构稳定性受到残余变形的影响。由于低路堤本身的高度较低，使得天然路基容易接受到未充分扩散的车辆荷载，导致路基沉降变形。基于此，在低路堤设计时，除了要遵循基本原则外，还应合理确定路堤的高度，使其达到低路堤的设计要求。2.2.1 基本设计原则1）公路工程项目建设过程中，会有大量的土地被占用，通过低路堤设计，能够减少对土地的占用量，从而实现节约土地资源的目标。2）低路堤设计要结合沿线居民的生活要求，在充分考虑沿线实际情况的基础上，合理确定出通道的位置、形式等，避免设计过密造成浪费，要体现低路堤设计的合理性。3）在低路堤设计时，要与区域内外的其他运输方式相互联系，达到彼此之间相互协调的效果。不同地区地形地貌、气候气象、水文地质有所差别。因此，在设计低路堤时，要遵循协调性原则，强调与周围环境的协调，最大限度减少对沿线地形地貌、自然生态环境、水土平衡的破坏及不利影响。2.2.2 合理确定路堤高度1）公路路基设计规范（JTG D302015）中指出，在确定路堤最小填土高度时，要充分考虑如下问题：临界高度、公路沿线条件、排水与防护措施、地下水位、地表积水水位等。在本工程中，影响路堤最小填土高度的主要因素有路基工作深度、路基土体的干湿状态、防洪要求等6。作用于低路堤上的荷载包括静载和动载，前者为路基的自重，后者为行车荷载。在一定深度范围内设计路基时，为确保在行车荷载作用下路基不会产生过多的累积变形，要求车辆通过时120交通世界TRANSPOWORLD只产生弹性变形。当路基工作深度超过路堤的填土高度时，行车荷载除了会作用于路堤之外，还会作用到天然路基的上部土层。所以，在确定路堤最小填土高度时，应使低路堤中的天然路基上部土层与路堤本身满足设计要求，施工阶段要充分碾压密实。2）在制约路堤填土高度的所有因素中，通道的形式与数量是关键因素。依据现行规范要求，公路的通道数量要保证当地居民的交通便利，但要避免大量增加通道造成的投资浪费。因此，应合理确定通道数量，并降低路堤的设计高度，在全面规划路网的基础上，以便于居民出行和节约工程投资为原则，科学分类，确定出通道的数量及其位置。3）低路堤设计方案的应用使得公路大量的通道被取消，由此对当地居民出行造成一定影响。对此，可通过设置分离式立交和天桥的方法予以解决。路线与其他道路交叉多，设置立交、通道时，净高会对路堤的填土高度产生一定影响，并成为路堤设计高度的主控因素7。2.2.3 降低路堤高度1）由低路堤的工程特性分析可知，通过增加道路基层的厚度和弹性模量以及面层厚度，能够有效降低路堤的高度。因此，在低路堤设计时，可在不影响工程造价的基础上，适当增加基层厚度、弹性模量以及面层厚度。2）相关研究结果表明，路堤的高度与路基的工作深度存在密切关系，即路堤的高度越小，路基的工作深度就越大。但在实际工程中，如路基的工作深度过大，则会引起不均匀沉降问题。因此，在设计路堤高度时，要充分考虑车辆荷载对路基的影响，确保路堤高度的合理性。路基设计时，要确保车辆经过时只有弹性变形，而设计低路堤时，可以通过增加路面结构强度来减小路基的工作深度，在降低路堤高度的基础上，保障路基的总体强度。3）对于不同的区域可以选取适宜的方法处理地基，最大限度降低车辆荷载对路基结构变形的影响，为低路堤设计创造有利条件。如在盐渍土区域，可以采取换填的方法处理地基，选用透水性好的中粗砂、砾石等材料，并在换填土层内增设土工合成材料；在风积沙区域，可遵循就地取材的原则，用风积沙填筑路基，以砂砾封顶。在路堤内一定的深度处布置隔断层。在平原区域内，要对地基做特殊处理，确定开挖深度时，要综合考虑水文地质、气候特征、填筑材料、排水情况等因素。对于地下水位相对较低的区域，可选用石灰处理，也可添加适量的水泥无机材料，换填深度控制在4050 cm8。3 结束语在公路低路堤设计中，要明确低路堤不同工况下的工程特性，为后续路堤高度的合理确定提供参考。为使路堤建设最终满足设计要求，应采取有效的措施保证路堤的合理高度。参考文献：1 赵天彪，袁茂莲.某高速公路高路堤边坡稳定性分析及设计优化研究J.公路，2022（1）：74-78.2 杨宗橙.基于临界变形模量的高速公路路堤地基设计方法研究J.企业科技与发展，2021（9）：74-76.3 郑晓明，梁刚.叠瓦式路堤急流槽的设计原理和使用效果分析J.交通世界，2021（Z1）：64-65.4 陈昌富，高松，毛凤山，等.下伏倾斜硬层岸边软土区锚拉式桩承加筋路堤及其设计计算方法J.地基处理，2020（6）：461-470.5 李鹏.浸水路基路堤合理高度设计分析J.交通建设与管理，2020（1）：94-96.6 涂川，巨龙.加筋土挡墙与抗滑桩组合支护系统在高路堤设计中的应用J.路基工程，2019（2）：144-148.7 王甘林.高速公路路堤荷载作用下变刚度复合地基优化设计方法研究J.中外公路，2018（5）：27-31.8 张亮，时伟，周国帅，等.公路路堤边坡条带式加筋土挡墙模型试验及优化设计研究J.青岛理工大学学报，2018（4）：19-25.121