道路路基箱式支挡及路基路面整套结构与设计及施工方法与流程

1.本发明涉及山区道路改建工程领域，具体涉及一种道路路基箱式支挡及路基路面整套结构与设计及施工方法。


背景技术：

2.随着我国经济社会的高质量发展，西部地区也迎来了大发展。西部山区既有跨江桥梁的交通通行压力日益增加，需要新建跨江桥梁。由于河道通航等要求，新建跨江大桥的设计高程往往比两岸原状道路高差较大，两岸原状道路需在桥头路段抬高路面高程与跨江大桥衔接。由于道路靠江侧存在河道管理范围线或市政管线设施难以迁改等限制因素，改建工程往往空间受限，不能突破原状道路红线占用河道。沿江道路一般也是地方陆路交通要道，改建过程中不得中断交通，至少需保证改建路段半幅道路通行。改建工程存在着空间受限及道路保通两方面的困难和压力。
3.沿江道路靠江侧一般设有路基挡土墙，挡土墙高度普遍较高。道路设计高程抬高后，若将原状挡墙拆除新建，新建路肩挡土墙一般接近或超过15m高，工程量较大，且施工过程中原有道路交通难以保障，交通中断后社会影响较大。若直接加高挡墙，原有挡墙上部加载过大，将影响原状挡土墙的稳定，后期也存在一定的安全风险。若采用桩基础，则投资较大，经济性较差。


技术实现要素：

4.本发明在充分调研并结合实际工程的基础上，综合考虑工程安全、经济合理、施工方便、施工期保通等多重因素，提出了一种道路路基箱式支挡及路基路面整套结构与设计及施工方法，以解决山区道路改建工程中因空间受限导致的施工困难和道路保通等难题。
5.为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供一种道路路基箱式支挡及路基路面整套结构，包括：
7.现状挡墙，是由拆除原状道路靠江侧的部分原状挡墙而形成的；
8.轻质混凝土扩大基础，形成于所述现状挡墙顶部并与之固定连接；
9.箱式支挡结构，形成于所述轻质混凝土扩大基础顶部并与之固定连接；
10.泡沫轻质土路堤，形成于所述箱式支挡结构内侧的道路上并与之紧密连接；
11.沉降协调层，形成于所述箱式支挡结构顶部并与所述泡沫轻质土路堤顶面齐平；以及
12.新建路面结构，覆盖于所述泡沫轻质土路堤和沉降协调层的上方。
13.优选的是，所述现状挡墙在靠近道路中心线处设置为台阶式。
14.优选的是，所述沉降协调层采用土工泡沫塑料，所述泡沫轻质土路堤沉降量和沉降协调层沉降量相同。
15.优选的是，还包括满铺于所述沉降协调层和泡沫轻质土路堤顶面的钢丝网，所述钢丝网顶面覆盖有所述新建路面结构。
16.优选的是，所述现状挡墙和轻质混凝土扩大基础之间、轻质混凝土扩大基础与箱式支挡结构之间均采用连接钢筋固定连接。
17.优选的是，所述新建路面结构由混凝土基层、连续配筋混凝土板、橡胶应力吸收层以及沥青面层由下至上铺设形成。
18.优选的是，所述新建路面结构靠山侧设置排水边沟，所述现状挡墙和箱式支挡结构上均设有泄水孔；所述箱式支挡结构顶部设置防撞护栏。
19.第二方面，本发明提供一种道路路基箱式支挡及路基路面整套结构的设计方法，所述设计方法包括：
20.1)新建路面结构设计高程和原状路面结构高程之间的高差h根据改建工程需要确定，且根据几何关系有h＝hp+he；
21.2)路面结构厚度hp由路面结构验算设计确定；
22.3)泡沫轻质土路堤厚度可按he＝h－hp计算确定，且根据几何关系有he＝hc+hb；
23.4)假设现状路基在上部加载作用下的新增沉降量可忽略不计，箱式支挡结构和轻质混凝土扩大基础不可压缩，汽车荷载和新建路面结构自重荷载合计为q，按照弹性理论计算泡沫轻质土路堤沉降量se和沉降协调层沉降量sc：
24.se＝(q+γe
×
he/2)/ee
×
he≤规范允许最大沉降量
25.sc＝(q+γc
×
hc/2)/ec
×
hc≤规范允许最大沉降量
26.合理确定泡沫轻质土路堤和沉降协调层的压缩模量，由se＝sc可确定沉降协调层厚度hc；其中，压缩模量ee为20～30mpa，重度γe为9.0～11.0kn/m3；
27.5)箱式支挡结构高度hb＝he－hc；
28.6)轻质混凝土扩大基础高度hf为原状挡墙衡重台以上部分高度，若为重力式挡墙，hf可在0.3hw～0.4hw范围内确定，hw为原状挡墙高度。
29.第三方面，本发明提供一种道路路基箱式支挡及路基路面整套结构的施工方法，当施工期需允许社会车辆通行，则按如下顺序施工：
30.a.保持原状道路内侧半幅通行，拆除原状道路靠江侧的部分原状挡土墙，依次浇筑轻质混凝土扩大基础和箱式支挡结构；
31.b.待箱式支挡结构达到设计强度后，保持外侧半幅箱式支挡结构顶部临时通行，施工内侧半幅泡沫轻质土路堤，分层回填碾压密实；
32.c.当内侧半幅泡沫轻质土路堤回填至顶面后，再次改为内侧半幅通行，施工箱式支挡结构顶部的沉降协调层；
33.d.待沉降协调层达到设计强度后，保持外侧半幅沉降协调层顶部临时通行，在内侧半幅泡沫轻质土路堤顶部铺设钢丝网之后，逐层施工内侧半幅新建路面结构；
34.e.待内侧半幅新建路面结构达到设计强度后，保持在内侧半幅新建路面结构顶部临时通行，在外侧半幅沉降协调层顶部铺设钢丝网之后，逐层施工外侧半幅新建路面结构，直至完成路面铺筑。
35.优选的是，所述步骤a中，将原状道路靠江侧半幅宽度的路面及路堤挖除，在靠近道路中心线处浇筑轻质混凝土浇筑形成台阶式轻质混凝土扩大基础。
36.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
37.本发明是一种道路路基箱式支挡及路基路面整套结构，用于已有挡墙的山区道路
改建工程中局部路段需大幅抬高设计高程的情况。采用箱式支挡结构和泡沫轻质土路堤回填，降低上部加高部分路基的自重作用，减轻对下部现状挡墙的加载。将原状挡墙顶部一定范围部分拆除，并采用轻质混凝土扩大基础，将上部荷载部分传递至现状路基上，改善下部现状挡墙的受荷性状。箱式支挡结构顶部设置沉降协调层，可减小后期路基不均匀沉降，采用连续配筋混凝土面层+橡胶应力吸收层，减少路面开裂，提高路基路面结构耐久性。先施工外侧半幅(靠江侧)箱式支挡结构、后回填内侧半幅(靠山侧)泡沫轻质土路堤，在施工期内可不中断道路交通，保证现状道路半幅通行，尽量降低改建工程对当地社会交通的影响。
附图说明
38.图1是本发明结构示意图；
39.图2是本发明新建路面结构示意图；
40.图3是本发明路基支挡结构受力分析计算图示。
41.附图标记：1、现状挡墙，2、轻质混凝土扩大基础，3、箱式支挡结构，4、泡沫轻质土路堤，5、沉降协调层，6、新建路面结构，61、混凝土基层，62、连续配筋混凝土板，63、橡胶应力吸收层，64、沥青面层，7、钢丝网，8、连接钢筋，9、排水边沟，10、泄水孔，11、防撞护栏。
具体实施方式
42.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知一种道路路基箱式支挡及路基路面整套结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
43.本发明提供一种道路路基箱式支挡及路基路面整套结构，该结构包括轻质混凝土扩大基础2、箱式支挡结构3、泡沫轻质土路堤4、沉降协调层5、新建路面结构6等。
44.所述新建路面结构6在原状道路上方，由于改建工程需要，两者设计高程的高差h较大，一般为5～10m。所述现状挡墙1位于原状道路靠江侧，其高度为hw，原状挡墙基底埋置于基岩等承载力高的持力层上，且墙身完好、抗压强度高。
45.作为优选的，在具体的是实施过程中，h＝6.53m，hw＝7.0m。
46.所述轻质混凝土扩大基础2位于现状挡墙1顶部，若原状挡墙为衡重式挡墙，则需将衡重台以上部分拆除，若原状挡墙为重力式挡墙，则需将其顶部0.3～0.4倍墙高部分拆除；并将原状道路外侧半幅(靠江侧)bo宽度的路面及路堤挖除，在靠近道路中心线处设置为台阶式。然后采用轻质混凝土浇筑扩大基础，其高度为hf，轻质混凝土抗压强度等级不小于1.0mpa，重度γf为9.0～11.0kn/m3。轻质混凝土应按水平分层浇筑施工，每层厚度一般为0.3～0.8m。现状挡墙1和轻质混凝土扩大基础2之间采用连接钢筋8连接，以增大轻质混凝土扩大基础2的抗滑移稳定性。
47.作为优选的，在具体的是实施过程中，若原状挡墙为重力式挡墙，则需将其顶部2.8m部分拆除。挖除原状道路外侧半幅(靠江侧)路面及路堤的宽度bo＝7.0m，轻质混凝土扩大基础2的台阶宽度和高度均为1m，采用轻质混凝土浇筑扩大基础，其高度为hf＝2.8m，
轻质混凝土抗压强度等级不小于1.0mpa，重度γf为10.0kn/m3。轻质混凝土应按水平分层浇筑施工，每层厚度为0.5m。
48.所述箱式支挡结构3位于轻质混凝土扩大基础2顶部，并采用连接钢筋8连接，以增大箱式支挡结构3的抗滑移稳定性。箱式支挡结构3采用c30钢筋混凝土浇筑，宽度为bo，高度为hb，顶板、底板和侧壁厚度为0.5～1.0m，具体尺寸及配筋应根据结构验算分析确定。
49.作为优选的，在具体的是实施过程中，箱式支挡结构3的宽度为bo＝7.0m，高度为hb＝5.0m，顶板、底板和侧壁厚度均为0.8m。
50.所述泡沫轻质土路堤4位于箱式支挡结构3内侧的道路上，其高度为he，压缩模量ee为20～30mpa，重度γe为9.0～11.0kn/m3。首先将原状路面结构凿除，然后分层回填碾压密实。
51.作为优选的，在具体的是实施过程中，所述泡沫轻质土路堤4，其高度为he＝6.0m，压缩模量为ee＝22.0mpa，重度γe＝10.0kn/m3。
52.所述沉降协调层5位于箱式支挡结构3顶部，其顶面与泡沫轻质土路堤4顶面齐平，两者沉降量相同。沉降协调层5采用土工泡沫塑料(eps块)，其厚度为hc＝1.0m，压缩模量ec为3.5～10.0mpa，重度γc为9.0～11.0kn/m3。
53.作为优选的，在具体的是实施过程中，所述沉降协调层5，其高度为hc＝0.5m，压缩模量为ec＝3.5mpa，重度γc＝10.0kn/m3。
54.所述钢丝网7满铺于内侧半幅(靠山侧)泡沫轻质土路堤4和外侧半幅(靠江侧)沉降协调层5顶面，钢丝网7材料为镀锌铁丝，其规格为ф4mm@10cm
×
10cm。
55.所述新建路面结构6位于钢丝网7上方，新建路面结构6厚度为hp，由10～18cm厚沥青面层64+1cm厚橡胶应力吸收层63+22cm厚连续配筋混凝土板62+20cm厚c20混凝土基层61组成。
56.作为优选的，在具体的是实施过程中，沥青面层64厚度为10cm。
57.为保证道路排水顺畅，在新建路面结构6靠山侧设置排水边沟9，为避免路堤中积水，应保持现状挡墙1泄水孔10排水顺畅，并在箱式支挡结构3中内侧侧壁设置2～3排泄水孔10，梅花形布置，间距为2～3m，外侧侧壁底部设置1排泄水孔10，间距为2～3m。
58.作为优选的，在具体的是实施过程中，在箱式支挡结构3中内侧侧壁设置2排泄水孔10，梅花形布置，间距为2.5m，外侧侧壁底部设置1排泄水孔10，间距为2m。
59.为保证道路交通安全，在箱式支挡结构3顶部应设置防撞护栏11，其高度及防撞等级应满足有关现行规范要求。
60.上述各层的高度(厚度)按如下方法确定：
61.1)新建路面结构设计高程和原状路面结构高程之间的高差h根据改建工程需要确定，且根据几何关系有h＝h
p
+he；
62.2)路面结构厚度h
p
一般为53～61cm，也可由路面结构验算设计确定；
63.3)泡沫轻质土路堤厚度可按he＝h－h
p
计算确定，且根据几何关系有he＝hc+hb；
64.4)沉降协调层设置的目的是使内外侧半幅沉降量相同，尽量避免或减小路基不均匀沉降。假设现状路基在上部加载作用下的新增沉降量可忽略不计，箱式支挡结构和轻质混凝土扩大基础不可压缩，汽车荷载和新建路面结构自重荷载合计为q(kpa)，按照弹性理论计算泡沫轻质土路堤沉降量se和沉降协调层沉降量sc：
65.se＝(q+γe×
he/2)/ee×
he≤规范允许最大沉降量
66.sc＝(q+γc×
hc/2)/ec×
hc≤规范允许最大沉降量
67.合理确定泡沫轻质土路堤和沉降协调层的压缩模量，由se＝sc可确定沉降协调层厚度hc；
68.5)箱式支挡结构高度hb＝he－hc；
69.6)轻质混凝土扩大基础高度hf为原状挡墙衡重台以上部分高度(即上墙高度)，若为重力式挡墙，hf可在0.3hw～0.4hw范围内确定，hw为原状挡墙高度。
70.作为优选的，在具体的是实施过程中，泡沫轻质土路堤高度he＝6.0m，等于箱式支挡结构高度hb＝5.0m和沉降协调层hc＝1.0m之和。汽车荷载和路面结构自重荷载作用q＝50kpa，泡沫轻质土路堤和沉降协调层在上部荷载和自身作用下的沉降量应相等，以避免或减小路基不均匀沉降。按弹性理论计算：
71.泡沫轻质土路堤沉降量se＝(50+10.0
×
6.0/2)kpa/30.0mpa
×
6.0m＝16mm；
72.沉降协调层沉降量sc＝(50+10.0
×
1.0/2)kpa/3.5mpa
×
1.0m＝16mm。
73.为保证路基安全和现状挡墙、箱式支挡结构的稳定性，尚应进行一般工况、浸水工况等情况下的如下验算：
74.1)箱式支挡结构抗滑移稳定性
[0075][0076][0077]
p1＝(q+γe·
hc)
×kae
[0078]
p
2上
＝(q+γe·
hc+γe·
hb)
×kae
[0079]
2)箱式支挡结构抗倾覆稳定性
[0080][0081][0082]
3)轻质混凝土扩大基础抗滑移稳定性
[0083][0084][0085]
p
2下
＝(q+γe·
hc+γe·
hb)
×ka2
[0086]
p
3上
＝(q+γe·
hc+γe·
hb+γ2·
hf)
×ka2
[0087]
4)轻质混凝土扩大基础抗倾覆稳定性
[0088][0089]
[0090]
5)现状挡墙抗滑移稳定性
[0091][0092][0093]
p
3下
＝(q+γe·
hc+γe·
hb+γ2·
hf)
×ka3
[0094]
p4＝(q+γe·
hc+γe·
hb+γ2·
hf+γ3·hw
)
×ka3
[0095]
6)现状挡墙抗倾覆稳定性
[0096][0097][0098]
式中：
[0099]
μ1、μ2、μ3分别为箱式支挡结构与轻质混凝土扩大基础、轻质混凝土扩大基础与现状挡墙、现状挡墙基底的摩擦系数，取0.4～0.5；
[0100]
q为新建路面结构的自重荷载(kpa)；
[0101]
gc、gb、gf、gw分别为沉降协调层、箱式支挡结构、轻质混凝土扩大基础、拆除衡重台以上部分(若为衡重式挡墙)或顶部0.3～0.4倍墙高部分后的现状挡墙的重力(kn/m)，浸水工况验算时水位以下部分重力应按浮重度计算；
[0102]ea1
、e
a2
、e
a3
分别为作用于箱式支挡结构、轻质混凝土扩大基础、现状挡墙上的水平主动土压力合力(kn/m)；
[0103]
p1、p
2上
分别为箱式支挡结构顶部、底部主动土压力强度值(kpa)；
[0104]
p
2下
、p
3上
分别为轻质混凝土扩大基础顶部、底部主动土压力强度值(kpa)；
[0105]
p
3下
、p4分别为现状挡墙原衡重台位置、底部主动土压力强度值(kpa)；
[0106]kae
、k
a2
、k
a3
分别为泡沫轻质土路堤和相应部位地基土体的主动土压力系数；
[0107]
为主动土压力增大系数，对箱式支挡结构取1.1，对轻质混凝土扩大基础和现状挡墙取1.2；
[0108]
其它参数hc、hb、hf、hw和bo、xb、xf、xw、z1、z2、z3等表示相应的高度、厚度、宽度和相应的距离(m)，详见路基支挡结构受力分析计算图示。
[0109]
基于上述验算方法，本实施例对现状挡墙、箱式支挡结构的稳定性进行如下验算：
[0110]
首先，基本参数取值如下：
[0111]
μ1为箱式支挡结构与扩大基础的摩擦系数，μ1取0.5；μ2为扩大基础与现状挡墙的摩擦系数，μ2取0.45；μ3为现状挡墙基底的摩擦系数，本例一般适用于现状挡墙基底为基岩等承载力高的持力层，μ3取0.45；
[0112]kae
、k
a2
、k
a3
分别为泡沫轻质土路堤和相应部位地基土体的主动土压力系数，墙背填料内摩擦角一般要求为35
°
，本例k
ae
＝k
a2
＝k
a3
＝tan2(45
°‑
35
°
/2)＝0.271。
[0113]
泡沫轻质土路堤、轻质混凝土、沉降协调层的重度γe、γf、γc均为10kn/m3；箱涵支挡结构、现状挡墙的重度γb、γw为25kn/m3；原状地基土重度γ2、γ3为19kn/m3；
[0114]
q为新建路面结构的自重荷载(kpa)，本例q＝50kpa；
[0115]
gc为沉降协调层的重力，本例gc＝γc·bo
·
hc＝10.0*7.0*1.0＝70kn/m；
[0116]
gb为箱式支挡结构的重力，本例gb＝γb·vb
＝25*[7.0*5.0-(7.0-2*0.8)*(5.0-2*0.8)]＝416kn/m；
[0117]
gf为轻质混凝土扩大基础的重力，本例hf＝0.4hw＝2.8m，靠近道路中心线处台阶式应扣减扩大基础截面积约3.5m2，本例gf＝γf·vf
＝10.0*(7.0*2.8-3.5)＝161kn/m；
[0118]gw
为拆除衡重台以上部分(若为衡重式挡墙)后的现状挡墙的重力，本例约为gw＝25*3.0*4.2＝315kn/m；
[0119]
为主动土压力增大系数，对箱式支挡结构取1.1，对轻质混凝土扩大基础和现状挡墙取1.2；
[0120]
本例中xc＝3.5m；xb＝3.5m；xf＝2.5m；xw＝1.5m。
[0121]
验算内容如下：
[0122]
a.箱式支挡结构抗滑移稳定性
[0123]
箱式支挡结构顶部土压力强度
[0124]
p1＝(q+γe·
hc)
×kae
＝(50+10*1.0)*0.271＝16.3kpa
[0125]
箱式支挡结构底部土压力强度
[0126]
p
2上
＝(q+γe·
hc+γe·
hb)
×kae
＝(50+10*1.0+10*5.0)*0.271＝29.8kpa
[0127]
作用于箱式支挡结构的水平主动土压力合力
[0128][0129][0130]
箱式支挡结构抗滑移稳定性满足要求。
[0131]
b.箱式支挡结构抗倾覆稳定性
[0132]
作用于箱式支挡结构的水平主动土压力合力作用点距箱式支挡结构底部的竖向距离
[0133][0134][0135]
箱式支挡结构抗倾覆稳定性满足要求。
[0136]
c.扩大基础抗滑移稳定性
[0137]
扩大基础顶部土压力强度
[0138]
p
2下
＝(q+γe·
hc+γe·
hb)
×ka2
＝(50+10*1.0+10*5.0)*0.271＝29.8kpa
[0139]
扩大基础底部土压力强度
[0140]
p
3上
＝(q+γe·
hc+γe·
hb+γ2·
hf)
×ka2
[0141]
＝(50+10*1.0+10*5.0+19*2.8)*0.271＝44.2kpa
[0142]
作用于扩大基础的水平主动土压力合力
[0143][0144][0145]
扩大基础抗滑移稳定性满足要求。
[0146]
d.扩大基础抗倾覆稳定性
[0147]
作用于扩大基础的水平主动土压力合力作用点距扩大基础底部的竖向距离
[0148][0149][0150]
扩大基础抗倾覆稳定性满足要求。
[0151]
e.现状挡墙抗滑移稳定性
[0152]
现状挡墙原衡重台位置土压力强度
[0153]
p
3下
＝(q+γe·
hc+γe·
hb+γ2·
hf)
×ka3
[0154]
＝(50+10*1.0+10*5.0+19*2.8)*0.271＝44.2kpa
[0155]
现状挡墙底部土压力强度
[0156]
p4＝(q+γe·
hc+γe·
hb+γ2·
hf+γ3·hw
)
×ka3
[0157]
＝(50+10*1.0+10*5.0+19*2.8+19*4.2)*0.271＝65.8kpa
[0158]
作用于现状挡墙的主动土压力合力
[0159][0160][0161]
现状挡墙抗滑移稳定性满足要求。
[0162]
f.现状挡墙抗倾覆稳定性
[0163]
作用于现状挡墙的水平主动土压力合力作用点距底部的竖向距离
[0164][0165][0166]
现状挡墙抗倾覆稳定性满足要求。
[0167]
需要指出的是，为保证路基安全，现状挡墙墙身抗压强度及其基底承载力应满足相关要求。若有地震作用等其它工况，尚需进一步进行相应工况下的稳定性分析验算。
[0168]
基于上述结构，本发明还提供一种道路路基箱式支挡及路基路面整套结构的施工方法，当施工期需允许社会车辆通行，则按如下顺序施工：
[0169]
a.保持原状道路内侧半幅通行，拆除原状道路靠江侧的部分原状挡土墙，依次浇筑轻质混凝土扩大基础2和箱式支挡结构3；
[0170]
b.待箱式支挡结构3达到设计强度后，保持外侧半幅箱式支挡结构3顶部临时通行，施工内侧半幅泡沫轻质土路堤4，分层回填碾压密实；
[0171]
c.当内侧半幅泡沫轻质土路堤4回填至顶面后，再次改为内侧半幅通行，施工箱式支挡结构3顶部的沉降协调层5；
[0172]
d.待沉降协调层5达到设计强度后，保持外侧半幅沉降协调层5顶部临时通行，在内侧半幅泡沫轻质土路堤4顶部铺设钢丝网7之后，逐层施工内侧半幅新建路面结构6，
[0173]
e.待内侧半幅新建路面结构6达到设计强度后，保持在内侧半幅新建路面结构6顶部临时通行，在外侧半幅沉降协调层5顶部铺设钢丝网7之后，逐层施工外侧半幅新建路面结构6，直至完成路面铺筑。
[0174]
需要指出的是，施工期允许社会车辆通行，以上各阶段均应采取必要的交通安全保护措施。
[0175]
以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、补充或改用类似的方法替代，这些也应视作本发明的保护范围。