新旧路基拓宽结合部台阶设计研究
新旧路基拓宽结合部台阶设计研究
刘权1，张长弓1,唐姚宏1
（1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安）
摘要：本文从台阶尺寸、挖台阶方式、台阶面内倾角、特殊路基拼接几个方面阐述了新旧路基结合部台阶开挖的一些规律，这对减小结合部路基不均匀沉降具有实用价值，从而提高路面使用性能以及使用年限。
关键词：台阶尺寸；内倾角；特殊路基；沉降；使用年限
在我国,随着国民经济的迅速发展,高速公路的建设速度不断加快。自1988年10月31日上海至嘉定18.5km高速公路建成通车中国大陆有了高速公路后,此后20年间,我国高速公路建设突飞猛进,但由于受建设时社会经济水平!技术水平和建设思想的制约,许多已经建成使用的高速公路中,绝大多数是双向四车道,其中相当一部分己不能适应交通量增长和社会发展的要求,迫切需要扩大道路通行能力由于近距离新建高速公路,投资规模大,占用土地多,且容易造成路网分布不均,因而我国的高速公路扩建大多适宜采用老路加宽的方案。而老路拓宽中新旧路基的结合部是拓宽和拼接工程的薄弱环节，为了更好的拼接便需要开挖台阶。开挖台阶的目的主要是增加新旧路基的接触面，增强新旧路基结合面的摩阻力和抗剪强度，保证新旧路基之间的有效结合和完整性；同时，开挖台阶还可以去除边坡表层的松软土层，为土工格栅的铺设提供必要的锚固长度。
1台阶的尺寸
台阶的开挖尺寸（宽度和高度）有一定的限制。我国有几条高速公路加宽工程都把台阶高度控制在80cm 以内；台阶宽度根据边坡坡度确定，在60~200cm之间。另外，台阶的开挖尺寸和旧路边坡的填筑材料、压实度等有关。如沪杭甬高速公路，由于旧路的填料为矿渣，边缘压实度不够，所以采用了较大的台阶尺寸。
台阶尺寸的变化对道路有很大的影响，通过有限元分析路基拼接工程台阶尺寸对水平位移和沉降的影响，在台阶高度一定（1m）的情况下，台阶宽度分别去0.5m、0.8m、1.0m、1.5m、2.0m，计算结果见表1-1。
台阶高度一定时（1m）台阶宽度变化对水平位移和沉降的影响表1-1
台阶宽度（m）0.5 0.8 1.0 1.5
水平位移（cm）X1 0 0 0 0
X2 2.4366 2.3307 1.9107 1.7885 X3 0.52682 0.59122 0.43407 0.67048 X4 1.9124 1.81500 1.2226 1.0926
沉降（cm）X1 -1.3773 -1.2202 -1.3275 -1.0519 X2 -9.0187 -8.4478 -7.8225 -6.9354 X3 -13.316 -13003 -12.321 -11.580 X4 -7.2056 -7.1130 -7.0533 -6.8235
注：角标1表示旧路中心线，角标2表示旧路肩边缘，角标3表示新路肩边缘，角标4表示新路基坡脚线。
由于1-1可以看出，台阶高度不变仅宽度变化时，随着台阶宽度的增加，路基水平位移和沉降量逐渐降低。Y1的变化是由于在高宽比大的情况下，新旧路基作用明显，加宽路基相当于压坡护道，使得Y1隆起，尤其在路基加宽大、高度较小情况下更明显。
通过有限元分析，台阶高度变化时对沉降的影响作出了详细的计算，取台阶的宽度1m保持不变，台阶的高度变化，分别去0.6 m、1 m、1.25 m、2 m，计算旧路中心线、旧路肩边缘、新路肩边缘、新路坡脚线等处的竖向和横向位移。
台阶宽度一定时（1m）台阶高度变化对水平位移的沉降的影响表1-2 台阶高度（m）0.6 1.0 1．25 2
水平位移（cm）X1 0 0 0 0
X2 1.6786 1.847 1.903 1.985 X3 0.665 0.484 0.408 0.29 X4 1.326 1.548 1.613 1.758
沉降（cm）X1 0.23 0.085 -0.004 -0.539 X2 -5.153 -6.14 -6.536 -7.267 X3 -9.831 -10.65 -10.883 -11.272 X4 -5.059 -5.235 -5.282 -5.325
注：角标1表示旧路中心线，角标2表示旧路肩边缘，角标3表示新路肩边缘，角标4表示新路基坡脚线。
由表1-2可以看出，当台阶宽度不变而高度变化时，随着台阶高度的增加，路基水平位移和沉降量都逐渐增加。
《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）中6.3.4第2款对台阶宽度有这样的规定;拓宽原有路堤时，应在原有路基坡面开挖台阶，台阶宽度不应小于1.0m，当加宽拼接宽度小于0.75m时，可采取超宽填筑或翻挖原有路基等工程措施。例如，郑州至漯河高速公路采用双侧加宽方式，首先对原路基边坡进行清表，最小清表厚度控制在50cm；然后在旧路基边坡上开挖高1m的台阶，第一层台阶宽1.5m，在台阶顶向路中心侧设置4%的坡度。
通过有限元分析，结合安新高速改建工程，推荐台阶尺寸的高度采用80~100cm，宽度采用100~200cm。比为4.6%。
2台阶面内倾角
关于台阶面上的内倾角，国内高速公路扩建工程中大多采用2%~4%,出发点是利用内倾角的嵌锁作用增强新旧路基的衔接。但是具体情况要根据工程实际进行选取，例如安新高速公路扩建工程根据当地条件内倾角选用3%。但是到目前为止，内倾角设置有无必要尚无定论，应根据工程特性、当地气候施工条件等来确定。
沪宁高速公路扩建工程试验段上也设置了台阶面内倾角，但随着施工的进展和对路基拼接的理论分析、认识的深入，认为不应该设置内倾角，主要原因如下。
①内倾角的存在影响台阶面压实效果
②内倾角不利于排水，施工过程中一旦突然降雨，将造成角隅处积水。
③内倾角起不到增强新旧路基拼接效果的作用。新路基的典型破坏形态是路基顶部拉裂和差异沉降，
如果拼接路基较窄、边坡较陡，还存在稳定问题，此时的破坏形态为近似圆弧状的滑移线；但无论如何，不会出现新路基沿拼接台阶面的水平滑移，因此，设置内倾角起不到期望的嵌锁作用。3挖台阶方式
从目前的拓宽工程看，台阶开挖的高度、宽度、倾角等几何形状存在着很大的差异，表1-3列出了我国主要高速公路拓宽工程台阶拼接的设计方案。
我国主要高度公路拓宽工程台阶拼接设计方案表1-3
拓宽工程名称台阶拼接设计方案
沈大高速公路拓宽工程原路基的边坡按1:0.5挖除。台阶高度为80cm，台阶底面向路中心横坡3%
沪宁高速公路拓宽工程软土路堤土坡切坡最大宽度（即削坡厚度）不大于1.5m，第一台阶切坡高度不大于0.8~1.2m。自下而上开挖台阶，每级台阶宽度大于100cm，高度为60~70cm。顶部台阶尺寸为100c m×150cm。粉煤灰、粉土等路基采用高宽为60c m×90cm的小台阶方案，台阶坡面为向老路基倾斜的竖向倾斜式，坡比为
10:1，横坡无变化
沪宁-锡澄高速公路拼接段挖成台阶状，每个台阶高度80cm，底宽120cm，台阶底面向路中心横坡2%，
台阶挖至与原地面齐平
武汉绕城与京珠公路拼接段在小于原有边坡1:1.75的基础上削坡，开挖台阶，台阶宽度为200cm。台阶顶面做成5%的倒坡，台阶竖面向内倾斜
沪杭甬高速公路拓宽工程按1：1.2坡度削坡，自下而上，随填随挖，填至第一层台阶后，再挖第二层
台阶。台阶宽度不小于100cm，高度为90~100cm，台阶表面内倾2%~4% 老路边坡开挖台阶可以分为标准式台阶、内倾式台阶、竖倾式台阶和内挖式台阶四种形式。标准式台阶就是根据原有或削坡后的边坡坡度确定台阶的宽度和高度：内倾式台阶就是在标准式台阶的基础上，在台阶的水平面上设置内倾角，竖向倾斜式台阶是将台阶竖向台阶面向路基中心方向倾斜的开挖方式；内挖式台阶，例如广佛高速公路和沈大高速公路拓宽工程等，沪宁高速公路拓宽工程则部分尝试采用了竖倾式台阶，武汉绕城高速公路与京珠高速公路拼接段同时采用了台阶顶面内倾和竖向倾斜的方式。各种台阶的优缺点见表1-4。
不同台阶开挖形式特点表1-4
台阶形式优点缺点
标准式台阶开挖施工方便，台阶压实效果最好开挖效果受路基边坡坡度影响大内倾式台阶增加新老路基的嵌锁作用，增强新老路基的衔接影响台阶面的压实效果，内侧角隅
部位容易积水，施工难度有所增加
竖倾式台阶便于台阶内侧角隅部位的压实，特别适于不加筋
台阶相同条件下减少了锚固长度，施工难度也有所增加
内挖式台阶可以同时满足拼接部位填土的压实要求和格栅锚
固长度的要求
开挖工程量有所增大
台阶的高度和宽度受制于老路边坡边坡削坡的坡度，在路堤高度一定时，并非台阶越多拼接效果越好，影响新老路基拼接效果的主要原因在于台阶的高度。
4特殊路基拼接台阶
台阶的开挖尺寸和旧路边坡的填筑材料、压实度等有关。当填料为砂、砾等料时，或含水率很大，开挖有困难时，需要专门研究，特殊处理后方可进行开挖，或采取其他措施。
沪宁高速公路部分路段采用粉煤灰路堤，外包1m厚素土。该路段路基拼接完全挖除外包素土，开挖至粉煤灰内部形成高度为60cm的台阶。台阶开挖后，在粉煤灰台阶面喷射2cm厚砂浆保持粉煤灰含水率的平衡。粉煤灰第一级台阶开挖高度为 1.3m。为防止粉煤灰路堤失稳，需要根据《公路路堤设计规范》（JTGD30-2004）提供的粉煤灰参数，按照重型击实标准下饱水与不饱水状态最不利组合来计算粉煤灰路堤的稳定性。
结论
（1）当台阶高度不变仅宽度改变时，随着台阶宽度的增加，路基水平位移和沉降量逐渐降低；当台阶宽度不变而高度变化时，随着台阶高度的增加路基水平位移和沉降量都逐渐增加。最终得出了台阶尺寸高度采用80~100cm，宽度采用100~200cm比较合理。
（2）对于部分特殊路基拼接的台阶，采用粉煤灰路堤是一种不错的选择。
（3）对于多年采用的内倾角式的台阶面是否真的能达到设计目的，有待考证。
（4）老路边坡开挖台阶可以分为标准式台阶、内倾式台阶、竖倾式台阶和内挖式台阶四种形式，其中各有优缺点。
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