道路安全设施和技术.doc

研 究 生 课 程 论 文(2009学年第一学期)道路安全设施及技术研究生：何哲亮提交日期： 2009年9月5日 研究生签名：学 号200720202429学 院交通学院课程编号S0001001课程名称抑制新老路基产生差异性沉降危害的综合技术分析学位类别工程硕士任课教师徐国元 教授教师评语： 成绩评定： 分 任课教师签名： 年 月 日说 明1、课程论文要有题目、作者姓名、摘要、关键词、正文及参考文献。论文题目由研究生结合课程所学内容选定；摘要500字以下，博士生课程论文要求有英文摘要；关键词35个；参考文献不少于10篇，并应有一定的外文文献。2、论文要求自己动手撰写，如发现论文是从网上下载的，或者是抄袭剽窃别人文章的，按作弊处理，本门课程考核成绩计0分。3、课程论文用A4纸双面打印。字体全部用宋体简体，题目要求用小二号字加粗，标题行要求用小四号字加粗，正文内容要求用小四号字；经学院同意，课程论文可以用英文撰写，字体全部用Times New Roman，题目要求用18号字加粗；标题行要求用14号字加粗，正文内容要求用12号字；行距为2倍行距（方便教师批注）；页边距左为3cm、右为2cm、上为2.5cm、下为2.5cm；其它格式请参照学位论文要求。4、学位类别按博士、硕士、工程硕士、MBA、MPA等填写。5、篇幅、内容等由任课教师提出具体要求。9抑制新老路基产生差异性沉降危害的综合技术分析抑制新老路基产生差异性沉降危害的综合技术分析研究生姓名 何哲亮摘 要：本文通过对路基拼接中新老路基差异性沉降的机理分析，针对不同的工况，分析比较了加宽宽度、加宽高度、软基深度、压缩模量、老路固结度等因素对沉降的影响，并对防治差异性沉降导致的纵向裂缝提出了相应的工程措施。关键词：路基差异沉降、机理分析、影响因素、防治措施、土工合成材料世界经济正进入工业化、信息化和跳跃式发展阶段，经济的快速发展，需要方便、快捷、安全的交通服务，高速公路对国民经济和社会发展的促进作用是越来越明显。从1988年我国第一条高速沪嘉高速公路建成通车以来，在不到20年时间内，我国已经修建了3.2万多公里高速公路。另外，根据在编的中国高速公路网规划，在未来2030年内，我国将实行高速公路网的全面建设，总里程将超过8万公里，将连接大陆319个人口在20万以上的城市。从已建的高速公路来看，绝大多数车道是四车道。对高速公路建设规划路要建多宽，要修几个车道，从根本上看是调查和预测交通需求决定的。由于认识的局限性，当时高速公路建设时对我国社会经济增长速度预计值偏低，使现在很多高速公路的交通流量超过预计设计能力。所以对交通紧张的高速公路进行拼接扩建既是满足快速增长的交通需求的需要，也是国民经济和社会发展的需要。高速公路扩建通常容易在新旧路基拼接处出现差异沉降，从而在新老路面结合处出现纵向裂缝。本文根据作者的工程实践，分析差异沉降机理及拓宽路基差异沉降对路基的危害，通过理论分析和现场观测相结合，室内室外试验相结合，研究高速公路扩建工程中抑制新老路基差异性沉降的主要技术，研究内容主要有以下几个方面：（1）根据工程实践中对项目特点的了解，分析拓宽路基差异沉降的机理；，（2）分析拓宽路基差异沉降的主要影响因素，根据数值分析的结果，研究采取不同工程措施降低差异沉降的可能性；（3）研究和分析纵向裂缝的防治措施，新老路基的拼接处理方法和施工工艺，以便减小拼接段路基差异沉降和及病害。图 11差异沉降影响路面示意图一、拓宽路基差异沉降机理分析地基土体在上部结构荷载作用下产生应力和应变，其中竖直方向的变形即为沉降。土体的沉降变形是同土体的压缩性能密切相关的。一般天然土体是三相体，它们受力变形，实际是土颗粒压缩，土孔隙中的水和气的排出，土体积减小的过程。公路路基沉降主要由两部分组成，即地基在路基自重作用下的固结压缩变形以及路基本身的固结压缩变形。由于路基是分层施工的，根据应力扩散原理，路基土承受压路机的轮压作用最明显，可以认为已经得到很大程度的压实，而地基的压实效果不明显。路基的工后沉降量主要是由地基土的沉降固结引起，但也不能排除路基本身的次固结变形，即土体骨架发生粘滞蠕变所致。路基拓宽后的不均匀沉降，主要是由于拓宽工程的工程特点决定的，路基差异沉降的主要原因有：（1）由于土基地质差，导致新老路基底部土基因荷载的增加发生沉降。原路基下的地基因在改造时已基本固结沉降到位并且所增加的荷载远小于新拓宽部分。（2）新老路基结合部位工艺较复杂，施工难度较大，往往在此产生人为的质量不合格因素，如密实度达不到设计标准、开挖台阶没有达到设计要求、老路边坡没有处理完全等。由于各种施工原因造成了结合部的强度不足，新路堤本身出现沉降。（3）新老路基改扩建处理后结合部位路基材质和路面结构层厚度、强度不一，特别是一边为新做路基，一边为原有老路基，质量也存在差异。拓宽路基填料较差，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从挖方断面上直接获取，对材料粒径、级配及材料本身的物理力学品质等方面控制不严，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。（4）新老路基结合部没有设置土工格栅，或土工格栅和填土没有充分咬合、土工格栅埋入老路部分长度不够，致使土工格栅未能充分发挥其加筋性能。（5）由于新老路基修建历史、填料和压实度的差异在新老路基顶面产生不协调变形。路堤在自身荷载作用的压缩变形已经完成，而新填路堤在施工结束后仍发生部分压缩变形。土基及新路基的固结下沉未到位，工后沉降大。拓宽路基荷载通过老路边坡传递到老路基上，使老路基顶面发生不协调变形。（6）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，若道路边沟养护不及时而淤塞，可导致路基土上侧雨水漫过路面，从路面渗入路基。若路面已经开裂，雨水自裂缝进入路基，加剧裂缝扩张并导致路基强度下降。一般认为，在新路基的路肩边缘处沉降量最大，而旧路基中心线处沉降量最小。由于新旧路基的相互作用影响，拓宽路基顶面沉降曲线是一条非线性变化的曲线，且最大沉降位置与路基高度，拓宽宽度等边界条件有关。二、新旧路基直接拼接时差异性沉降特性分析针对不同的工况，新老路基的变形规律有所差异。影响新老路地基变形的因素很多，主要有：加宽宽度、加宽高度、软基深度、压缩模量、老路固结度等因素，为进一步阐述新路加载时新老路之间的沉降变形特性，对上述几个重要参数进行了敏感性分析。为突出各个因素的影响，在分析中，采用单因素逐个分析。1、加宽宽度的影响分析计算分别假设了4车道（路面半幅宽13m）加宽到6车道（路面半幅宽17.5m，每侧拼宽4.5m），8车道（路面半幅宽21.25m，每侧拼宽8.25m），10车道（路面半幅宽25m，拼宽12m）12车道（路面半幅宽28.75m，拼宽15.75m）四种情况。计算结果见图2.1，由图可见，随着加宽宽度的增加，老路中心沉降逐渐增大，由6车道变化到12车道时，老路中心附加沉降分别由8.1cm，逐步变化为11.3cm，12.6cm和13cm。沉降趋势是逐渐减小，说明随着老路宽度的增加，新路对老路中心的影响逐渐减小，可以设想当加宽宽度达到一定值后，超过部分对老路影响基本没有。新路最大沉降值在这个变化过程中，分别由23.8cm变化到40.5cm，54.2cm和65.9cm，最大沉降值变化也是逐渐减小。最大沉降位置点也随着宽度的增加而逐渐远离老路中心，距老路中心的距离由20.5cm，逐渐增大为21.9cm，22.9cm，25.7cm。宽度的增加，新路荷载形成的附加应力逐渐增大，对老路坡脚土体的挤压力越来越大，地表以下越来越多的土向老路挤压。在变化过程中，向老路侧挤压最大的位置点Y轴位置保持不变，即在地下2m附近。而深度在1530m范围内土体（向新路外侧挤压）最大位置点逐渐下移，由深度14.4m变化到深度21.3m。 图2.1 宽度改变时地表沉降2、加宽高度的影响分析在道路工程中为满足纵向衔接的要求，在不同的纵断面设计高度会不同。在本次计算中选取了路堤设计标高分别为3m、4m、5m、6m四种情况分析。计算结果见图2.2，随着路基高度的增加，老路中心沉降逐渐增加，从3m向6m变化过程中，老路中心沉降值由5.9cm，逐步变化为8.5cm、11.3cm、14.4cm，老路中心随高度沉降增加越来越快。新路地基最大沉降值由27.7cm，逐步变化为34.4cm、40.5cm、45.8cm，新路最大沉降变化率有所减小。最大沉降位置点路堤高度在3m时，距老路中心的20.2cm，而到6m路堤时，位置点距老路中心23.4cm，逐渐向新路外侧移动。 图2.2 高度变化时地表沉降3、软基深度的影响分析在本次计算中，假设软基深度为5m，10m，15m，20m四种工况进行分析。由图2.3可以看出，随着软基深度的增加，老路中心沉降逐渐增大，从5m变到10m，15m，20m时，老路中心的沉降由11.7cm，分别变为11.9cm，12.4cm，13.8cm，增加幅度分别为1.7，6.0，17.9；新路的最大沉降量也不断增大由40.8cm，分别变为42.5cm，43.8cm，45.3cm，但最大沉降的位置不变，保持在距老路中心21.9m附近。随着软基深度的增加，沉降曲线近似平行下移。 图2.3软基深度变化时地表沉降4、地基压缩模量的影响分析由图2.4可以看出，随着软基土压缩模量（地基刚度）的增加，附加沉降逐渐减小。当软土模量由1000kPa逐渐增加到2000kPa、3000kPa、4000kPa时，老路中心的沉降由12.5cm，逐渐减小为11.7cm，10.9cm，10.2cm，沉降减小幅度为6.4，12.8，18.4；新路的最大沉降值由52.5cm，分别减小为36.9cm，28.4cm，23.4cm，沉降减小幅度为29.7，45.9，55.4，最大沉降位置点保持不变，在距老路中心21.9m附近。同时也可以看出，当模量从1000kPa逐渐增加到2000kPa时，新路附加沉降减小很快，但从3000kPa增加到4000kPa时，附加沉降减小幅度就开始减小，这表明在地基处理时，当地基强度较低时，处理效果比较明显，地基强度较高时，同样的处理方法，其效果不及前者显著。 图2.4 软基模量变化时地表沉降5、老路固结程度的影响分析对一些刚建不久的公路可能又要考虑其他高速公路的衔接互通，需要进行拼宽，此时老路在其本身荷载作用下，还存在一定的固结变形，沉降还没有稳定，此时沉降计算中应该考虑老路荷载对沉降变形的影响。在具体计算时应根据老路的实际加载历程进行沉降固结计算，然后将新拼接荷载作为下一级荷载施加，计算拼接后的沉降变形规律。本次计算选取老路固结度U=0.8、0.9、1（按沉降控制固结度）这三种情况进行计算。计算结果见图2.5，由图可以看出：当固结度U=1.0逐渐减小到0.9、0.8时，老路中心的附加沉降由11.3cm 分别增加到21.9cm和 30.7cm，其增加率为93.8、171.7，老路未固结完成时，忽略老路的影响来计算沉降将会引起较大误差。当老路固结度U=1.0逐渐减小到0.9、0.8时，新路相应的沉降由40.1cm，分别增加到45.7cm和50.4cm，沉降增加率为14.0和25.7。这是因为老路沉降将引起新路地基的附加沉降。二者会相互作用、相互影响。 图2.5固结状态变化时地表沉降在拼宽工程中，新路堤宽度、路堤高度、软基深度、地基压缩模量、老路固结度等因素会对新老路路基沉降变形有较大影响。随着新路堤宽度和高度的增加，地表沉降显著增大；随着地基压缩模量和老路地基固结度的增加，地表沉降减小。三、研究和分析纵向裂缝的防治措施，新老路基的拼接处理方法和施工工艺，以便减小拼接段路基差异沉降和及病害在旧路改建中，拓宽后路基的质量问题，很大程度上决定着改建后公路的使用寿命。而控制延缓结合部处的开裂是保证拓宽改造公路质量的关键之一。由于路基原因引起的路面纵向开裂有两大类，一类是由于路基拓宽后新老路之间的不均匀沉降造成的，这也应该是引起在结合部位置产生纵向裂缝的主要原因，前面已经对此做了讨论;另一类是由于路基填土的强度不足造成的，新填筑的路基土顶面的当量回弹模量和原路面顶面的当量回弹模量相差较大时，就会在新铺设的路面结构内造成应力重分布，特别是在交界处位置产生较大应力，甚至产生局部应力集中，从而引起路面开裂。因此，需采取各种处治措施，以减少新拓宽路基的沉降量，进一步缩小新老路基的沉降差;同时加强新老路基的衔接，并保证路基的填筑质量，用来减轻新老路基性质差异所产生的危害。 1、低路堤处治技术分析对于低路堤，当地基土并不是十分软弱时，新拓宽段地基部分可以按一般路基要求执行(在有必要时也可进行换填、加固)，主要是因为路基填土高度较小，作用于地基上的应力不大，当地表有硬壳层时，路基下土层实际附加应力更小。因此设计及施工中应尽量利用原状土结构强度，不扰动下卧层。在路基填筑时如有必要可铺设土工布或土工格栅，以加强路基的整体强度及板体作用，防止路基因不均匀沉降而产生反射裂缝。 2、高路堤处治技术分析 高路堤拓宽部分地基必须进行特殊处理，这是由于高路堤引起的沉降较大，如不进行处治，必然会引起较大的不均匀沉降，从而导致纵向裂缝的产生。如果高路堤拓宽部分为软土地基，就更应采取措施加强处治。因此设计及施工中为了确保路基稳定、减少路基工后沉降，对高路堤拓宽可采取粉喷桩、CFG桩、管桩等处理措施，并配合填筑轻型材料。广佛高速第一次扩建、沪宁高速公路拓宽工程等工程软土地基采用复合地基处理，效果相当明显，它确保了高路堤路基稳定，最大限度的降低了施工沉降和工后沉降，从而减少了新老路基的不均匀沉降，并能缩短工期，确保工程按质按时完成。在高路堤的处治过程中，不宜单独采用换填砂石或加固土处治，因为这些方法只适合于浅层处治以及路基填土较低的情况，根据对土工格栅加筋效果的分析可知，单独采用土工格栅进行处治也是徒劳无功的，它只能缓和沉降差，加强新老路基结合部位强度，对于减少大规模沉降是不起作用的，但土工格栅可以结合复合地基等措施，铺设于新老路基结合部位开挖台阶处，从而形成综合处治措施。高路堤路基一侧拓宽时，还应防止新路基失稳，由于路基不均匀沉降差值大，易在结合部位产生滑动剪切面，若施工填土过快，极易使路基滑动。因此，高路堤拓宽时，一定要加强路基稳定性验算，采取有效措施，防止路基失稳。3、土工合成材料在加宽路基结构中的应用土工合成材料用在旧路加宽工程当中，主要是利用其加筋功能，利用土工合成材料的高强度、韧性等力学性能，在新老路衔接的台阶处设置土工合成材料，可有效加强新旧路基间的联结，减少不均匀沉降和侧向位移。土工合成材料的加固机理存在于土工合成材料与被加固材料的相互作用中。其一：土工合成材料的表面与被加固材料产生摩擦；其二：土工合成材料和结点产生被动抗阻作用。此外，对土工格栅等网状材料而言，由于网孔的存在，网格上层的填料与下层的填料可以相互作用，对加固材料产生锁定作用。因此土工合成材料与被加固材料具有较强的摩擦性和一体性，其抗拔能力明显高于其他加筋构件，在半刚性基层中作为抗拉构件，类似钢筋混凝土中的受拉钢筋，传递拉应力和分布基层中的应力，约束基层的侧向位移。由于土工合成材料的上述作用机理，在旧路加宽改造中，使用土工合成材料会产生以下的加固效应：(1)限制了软土地基的侧向变形：由于织物和土体间存在摩擦力，这种摩擦作用将改变体系的应力场和位移场，而限制地基的侧向变形是其直接效果之一。侧向变形减少的幅度是随着路堤高度而增大的。这是由于路堤填高后，织物的变形增加，其加筋作用越加明显的缘故。(2)减少地基的沉降和不均匀沉降：对于加筋能否减少地基沉降量，目前工程界尚有不同看法。一种观点认为加筋垫层不但能提高地基承载力，而且能减少地基沉降量;另一种观点则认为加筋垫层能显著提高地基承载力，但对减少沉降量是无效的。曲向进通过大量的有限元分析对比后发现，对于不同形状的路堤和地基土层，加筋后都能使堤轴线处的沉降量减少10%30%，不均匀沉降(定义为堤轴处与堤趾处沉降量之差)有一定的缓解作用。对于这一结果，可作如下解释:地基的总沉降量是由不排水沉降量Sd，固结沉降量Sc和次固结沉降量Ss三部分组成的。由前述可知，加筋后地基的应力扩散了，如果认为加筋前后地基土的压缩模量未发生变化，则竖向应力的减少必然导致固结沉降量的减少。另外，由于地基的不排水沉降量是荷载作用瞬时，址基土形状发生改变(但体积不变) 而引起的，加筋后这种形状改变受到筋材“侧限作用”的限制而减少，其结果必然减少了不排水沉降量。(3)加强新旧路基的整体结合性:在路堤底面铺设土工织物与砂石等组成的加筋垫层，可分散荷载，增大土体的刚度模量，保持基底完整连续，改善软基浅部的位移场和应力场，均化应力分布，从而提高新路基下软土地基的承载能力和稳定性，调整不均匀沉降，使新旧路基的整体结合性加强。综上所述，高速公路的加宽处理，可以采用土工合成材料，其实际意义在于：(l)土工合成材料的抗拉强度增加加宽部分与旧路基之间的结构联系，使两者具有足够的整体性；(