高速公路加宽改建路基路面工程关键技术研究毕业论文.pdf

长安大学 硕士学位论文 高速公路加宽改建路基路面工程关键技术的研究 姓名：罗波 申请学位级别：硕士 专业：交通运输工程 指导教师：沙爱民 20101125 摘要 本文在系统分析目前国内外关于高速公路加宽改建工程方面研究现状的基础上，阐 述了研究目的和意义。对高速公路加宽旧路的病害检测、病害成因进行了研究，并提出 了相应的处治措施。分析了高速公路拼接加宽路基存在的问题，提出了解决这些问题需 要采取的措施，并阐述了路基加宽拼接技术措施在安新高速公路加宽扩建工程中的应 用。研究了加宽高速公路路基路面破坏模式及破坏机理，并对加宽高速公路的路基路面 设计理论进行了探讨。最后，对高速公路加宽工程的施工组织设计原则及应用进行了研 究。提出了本文的研究成果，并对进一步的研究提出建议。 关键词：高速公路加宽：旧路处治：路基拼接：设计理论：施工组织 a b s t r a c t t h i st e x tm a k e st h es y s t e m i ci n t r o d u c t i o nt ot h es i t u a t i o no nt h ew i d e n i n go f h i g h w a ya t h o m ea n da b r o a d ，e x p a t i a t i n gt h er e s e a r c hp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e d i s e a s ee x a m i n a t i o n s a n dd i s e a s ec a u s e so ft h eo l dr o a do fw i d e n i n go f h i g h w a yw a ss t u d i e d , a n dt h ec o r r e s p o n d i n g m e a s u r e sf o rt h et r e a t m e n tw a sp r o v i d e d t h e n ，d e s c r i b e dt h et e c h n i c a lm e a s u r e so fs u b g r a d e w i d e n i n gs p l i c i n ga ta na p p l i c a t i o no ft h ea n x i nf i e c w a yw i d e n i n gp r o j e c t s t u d yt h ed a m a g e p a t t e r n sa n dm e c h a n i s mo ft h ep a v e m e n ta n ds u b g r a d e a n dd i s c u s st h ed e s i g nt h e o r yo f w i d e m gf r e e w a yp a v e m e n ta n ds u b g r a d e f i n a l l y , r e s e a r c ht h ec o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o n d e s i g np r i n c i p l e so ft h ef r e e w a yw i d e i n gp r o j e c t p u tf o r w a r dt h er e s u l t so fr e s e a r c ho nt h i s a r t i c l e ，a n dm a k et h er e c o m m e n d a t i o n so ft h ef u r t h e rs t u d y k e y w o r d ：f r e e w a yw i d e i n g ；t r e a m e n to ft h eo l dp a v e m e n t ；s u b g r a d es p l i c i n g ；d e s i g n t h e o r y ；c o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o n s i i 长安大学工程硕士学位论文 1 1 研究课题的提出 第一章绪论 随着我国经济的持续、健康和快速的发展，我国的公路建设取得了巨大的成就。1 9 4 9 年建国时，我国公路总里程仅1 3 万公里，勉强维持通车的只有8 0 7 万公里。自十一届 三中全会以来，我国公路得到了迅速发展，截止2 0 0 9 年底，我国高速公路总里程达到 6 5 万公里，继续位居世界第二位。自1 9 9 8 年中国开始建设高速公路以来，中国高速公 路建设向世界前列高速发展。1 9 9 8 年底，中国高速公路通车总里程达到6 2 5 8 公里，居 世界第八；2 0 0 1 年底达到1 9 万公里，居世界第二。我国用十多年时间完成了发达国家 三、四十年的发展历程。公路的建设与发展，极大地提高了中国公路网的整体技术水平， 优化了交通运输结构，对缓解交通运输的矗瓶颈”制约发挥了重要作用，有力地促进了 中国经济的发展和社会的进步。 由于受建设时期经济水平和思想的制约，我国已经建成的高速公路以双向四车道为 主，占高速公路总里程的8 8 左右。目前，随着我国经济的快速增长，特别是加入w t o 以来，物流业的发展，城市间的合作往来更加紧密，高速公路的交通流量日益增加，原 ” 有高速公路的设计通行能力己远不能满足日益增长的交通需求。根据一项针对全国高速 公路运营情况的调查，我国大部分高速公路的交通量处于预计水平之上，平均日交通量 达1 6 0 0 0 辆小汽车，是现有一般国道的2 4 倍。而今，经济发达地区的一些高速公路开 始出现拥挤现象。随着我国社会经济的进一步发展，对原有的高速公路，或拓宽，或改 造，或另辟新路，都势在必行。旧路的改扩建就是在原路基础上进行技术改造，加宽旧 路路基和提高道路等级的一种技术措施。这些旧路的改扩建，充分利用了原有路基，既 少占了公路建设用地，又满足了社会发展的需求。 自1 9 9 7 年，我国首条高速公路加宽扩建工程广佛高速公路扩建工程就已动工， 之后也先后有海南环岛东线、沪杭雨、沈大等高速公路相继局部或全线扩建加宽。虽然 这些工程的完工显示了我国在高速公路加宽建设方面的迅速发展，但与发达国家相比我 国在此方面仍是起步较晚，且国内尚无具体的设计和施工技术规范。与新建公路相比， 旧路加宽改造工程具有施工难度大、工艺复杂、质量要求高等特点。因此我们有必要对 高速公路加宽改建工程中的关键问题进行研究，通过不断探索，寻求比较合理、科学的 解决方法，为今后旧路加宽改造工程的设计、施工提供科学依据，确保高等级公路加宽 第一章绪论 改造工程的质量。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 高速公路起源于德国，1 9 2 8 年至1 9 3 2 年德国建成通车的波恩至科隆高速公路，是 世界上第一条高速公路。1 9 3 3 年又建成了从柏林至汉堡的高速公路，在1 9 3 3 年至1 9 3 9 年间，德国先后建成高等级公路3 4 4 0 公里，第二次世界大战结束时，己增至4 0 0 0 公里。 截至1 9 9 1 年，该国高速公路总里程达1 1 万公里并连接成网，使全国5 万人以上的城 市及5 万人以下城市的9 0 通了高速公路，构成了欧洲最庞大的高速公路网。1 9 9 0 年， 两德统一后，制定了1 9 9 1 至2 0 1 0 年州际高速公路发展计划，计划期内，新建高速公路 2 3 1 3 公里，改建高速公路2 3 8 0 公里。美国是世界上拥有高速公路最多的国家，其中纽 约至洛杉矶高速公路全长4 1 5 6 公里，其长度为世界之冠。美国的第一条高速公路是位 于西部的洛杉矶至帕萨迪纳的旱河谷中的旅游公路，全长6 公里，于1 9 4 0 年通车。二 次世界大战后，为了增强战争时期调动部队和输送战争物资的快速反应能力，美国政府 构思要在全美范围内的大都市问修建高速公路网，从5 0 年代中期开始有计划地建设高 速公路。1 9 5 6 年国会通过了“州际和国防高速公路网计划法案，计划建设连接所有5 万人以上的城市、服务于全国的约6 8 万公里的高速公路网。当时所规划的后来只有局 部建成，其中有很多的原来双向2 车道的干线公路改扩建成双向4 车道，这些公路设计 采用的是二十世纪四十年代的技术标准。因为当时经验非常有限，这些公路在七、八十 年代因为路基横断面和路线几何设计等方面的缺陷进行了重建。美国四、五十年代所修 建的高速公路出现了不少问题，这个时期的高速公路后来成为美国二十世纪六十年代中 期研究的对象和总结的资源积累了许多经验和教训，这为修改美国四、五十年代规范提 供了宝贵的经验，六十年代中期以后，便出现不计其数的学术论文或设计文献的修订本， 这从一个侧面反映出美国对四、五十年代高速公路的研究总结取得了成功。美国在公路 设计和建设中坚持长远的观点，例如美国的高速公路中间带通常设计得较宽，1 9 5 6 年国 家州际公路和国防公路几何设计标准中规定城区高速公路中间带宽4 9 米，乡村区的高 速公路中间带宽1 1 米：1 9 6 7 年出版的a a s h t o 规范中推荐的最小中间带宽1 8 , - - , 2 4 米，靠 近城区的中间带宽管线的布设和交通安全等设施的设置，用于将来扩宽道路及车道的翻 新。较宽的中间带有利于中央分隔带排水、同时还有利于行车的安全，减少交通事故。 2 长安大学工程硕士学位论文 欧、美等发达国由于修建方式的不同，公路加宽方案值得我国借鉴的地方不多。 1 2 2 国内研究现状 我国是从2 0 世纪8 0 年代开始兴建高速公路的，进入2 l 世纪后，最早修建的高速公路 逐渐进入大修期，部分路段己不能满足当地交通量发展的需要。为适应高速公路发展的 需要，除了大量新建公路外，对老路改扩建也是一种十分重要的途径。利用老路进行改扩 建，具有占地拆迁较少、工程投资相对较小等优点。 2 0 世纪8 0 年代初期，我国大陆还没有高速公路，为适应国民经济和社会发展的需要， 在“七五期间，我国建成了以沈大、沪嘉、广佛、西临为代表的高速公路5 2 2k m ，实现 了高速公路零的突破：在“八五期间，又相继建成了京津塘、济青、京石、沈铁、合 宁等高速公路1 6 1 9 k i n ，年均建成3 2 4k m ，是“七五”期间的3 倍：“九五”期间太原- 石家 庄、南京一上海、沈阳长春、石家庄一新乡、福州一厦门、北京一沈阳等一批高速公 路相继竣工通车，年平均建成2 0 0 0 k m ，是“八五期的6 倍。近期由于我国经济的快速发 展和加入w t o ，原有高速公路己有部分路段不能满足交通量发展的需要。素有“神州第一 路美誉的沈大高速公路己于2 0 0 2 年5 月开始改造成8 车道高速公路的施工，拉开了我国 大规模高速公路改扩建的序幕。 沪宁高速公路1 9 9 6 年刚通车时，平均日车流量仅1 万辆左右，2 0 0 2 年己达到2 5 万辆， 无锡以东地区最高达4 8 万辆，少数路段甚至达n 5 4 万辆，以致常常出现拥堵塞车现象。 有关部门决定，2 0 0 3 年在加快苏南沿江、宁杭等高速公路建设的同时，将实施沪宁高速 通道扩容工程。扩容有2 种方案可供选择：一种是从无锡以东全线建高架桥，好处是节省 土地，但投资甚巨，每l k m 需耗资9 0 0 0 7 元：另一种方案是在现有基础上扩建为8 车道。 广佛高速公路1 9 8 9 年8 月正式通车，交通量由通车初期的6 2 1 6 辆昼夜，增加至u 1 9 9 4 年3 7 3 1 7 辆昼夜( 混合车型) ，现有双向4 车道己不能适应交通量增长的要求。决定对该 路进行扩建，具体做法为：起点至雅瑶立交扩建为双向8 车道，雅瑶立交至终点扩建为双 向6 车道。 但是高速公路改扩建工程这一新课题，在设计和施工中存在许多新问题，且国外可 借鉴的成功经验不多，需要不断地探索，寻求较为合理、科学的解决方法，为今后高速公 路改扩建工程的设计、施工提供科学依据，确保高速公路改扩建工程的质量。由于我国 高速公路改扩建工程刚刚起步，国内尚无具体的设计和施工技术规范。现在，我国经济发 达省份广东的广州到佛山高速公路、南京至上海的沪宁高速公路、杭州至上海的沪杭甬 3 第一章绪论 高速公路也陆续进行了高速公路的改扩建工程。 1 3 课题研究的主要内容及意义 1 3 1 课题研究的主要内容 本文以京珠国道新乡至安阳高速公路改扩建工程为研究载体，以路基路面加宽为研 究对象，进行高速公路加宽工程的关键技术研究。其中，安阳至新乡高速公路( 以下简 称安新高速) 是京珠国道主干线河南省境内的重要组成部分，北接京珠高速公路河北段， 南接刚建成的京珠高速公路新乡至郑州段( 郑州黄河二桥) ，向北直至首都北京，向南 至广东沿海地区，是承载国家南北运输的公路大动脉，而且也是河南省南北向最为繁忙 的运输通道，是河南省经济发展的“基轴“ 之一。安新高速公路1 9 9 4 年9 月开工建设， 1 9 9 7 年1 1 月建成交付使用，是一条功能设施齐全、全封闭、全立交的四车道高速公路。 近年来，京珠高速公路安阳至新乡段以其高速、平稳、畅通的优质服务承担着繁重的运 输任务，2 0 0 3 年平均日交通量达小轿车1 9 0 0 0 辆日。目前，其过境交通压力日显突出， 1 9 9 9 年至2 0 0 3 年交通量平均增长率为6 1 3 ，是京珠线河南境最繁忙的段落，也是交 通量年均增长速度最快的路段，其公路服务水平逐渐下降，已不能满足经济发展的需求， 改扩建工程势在必行。 论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 高速公路加宽旧路的处治 结合依托工程的实际，选择典型断面进行地质勘查，并对路基路面的使用性能和所 产生的病害进行检测。分析评价检测结果找出病害成因，并提出补强处治措施。 ( 2 ) 高速公路加宽中新旧公路的拼接 分析高速公路加宽中路基拼接段存在的问题，并针对高速公路加宽中产生的问题提 出处治措施。 ( 3 ) 加宽公路的路基路面设计方法及探讨。 ( 4 ) 高速公路加宽施工组织设计。 1 3 2 课题研究的意义 随着我国公路建设事业的飞速发展，交通量的迅速增加，原有公路通行能力已不适 应新增运力的需求，在原有旧路的基础上进行加宽改造，提高速公路通行能力以适应不 断增长的交通量的需要已成为我国公路建设面临的现实问题。在高速公路加宽工程中， 4 长安大学工程硕士学位论文 特别是路堤加宽施工中，新旧路堤填料的颗粒组成、含水量、密实度、强度及弹塑性变 形等方面存在着很大的差异，同时新旧路堤下天然地基性状也存在一定的差异，在行车 荷载、气候等因素的作用下，如何有效控制高速公路新旧路堤的整体稳定性和不均匀沉 降，减少由此引起的上部路面的开裂，降低管理、养护费用以及保持良好的行车路况是 道路工程中一项关键技术问题。 由于公路加宽扩建没有十分成熟的经验，设计、施工、质量控制标准等内容在规范 中涉及较少，且与新建项目相比，设计方法、计算模式的不同，勘察手段、施工工艺上 的差别，使新旧路堤的变形与稳定性控制问题更为复杂和突出，因此，对高速公路路堤 加宽中的关键技术问题进行系统深入地研究是十分必要的。本论文旨在对高速公路路基 路面加宽关键技术问题进行研究，对解决这些关键问题的技术措施进行分析评价。 5 第二章高速公路加宽旧路的处治 第二章高速公路加宽1 日路的处治 近年来，随着国民经济的高速发展，道路交通量日益增大，车辆迅速大型化且严重 超载，使道路路面面临严重考验，许多高等级沥青路面建成通车不久，由于不适应交通 快速发展的需要，发生了较为严重的早期破损现象。路面的破损对车辆的行驶速度、荷 载能力、机械磨损、燃油消耗、行车舒适性、交通安全以及环境保护会造成较大的影响。 因此，路面的养护、维修与改扩建就成为保证其服务质量和使用寿命的重要手段。 ，- ? 2 1 旧路的检测与分析评定 沥青路面在使用过程中，在行车荷载和自然因素的反复作用下，路面将产生各种各 样的破损。对于半刚性基层的沥青路面，由于行车荷载压密和半刚性基层材料路龄的增 长，其强度和刚度在使用初期( 1 2 年) 呈增长趋势，表现在整体回弹弯沉的降低，此 后由于路面材料的逐渐疲劳，其强度和刚度逐年降低。而沥青路面的表面破损、平整度、 车辙和抗滑性能，则从路面投入经营后呈逐年衰减过程。现有道路路面状况的检测，可 以为各级管理部门计划资金需求和资源分配的决策提供依据；为制定道路大、中修与改 扩建项目的对策方案提供依据。 安新高速于1 9 9 7 年1 1 月建成通车，经过7 年多的运营，由于各种因素的影响，路 面出现了沉陷、裂缝、拥包、唧泥、车辙等不同类型不同程度的病害，己无法满足高速 公路的服务水平，影响车辆的高速、快捷、安全、舒适及畅通。为了对安新高速使用性 能进行全面评价，并为该段公路4 车道改8 车道设计提供设计依据，于2 0 0 4 年1 1 月1 6 日至2 0 0 4 年1 2 月5 日对安新高速进行了路表回弹弯沉值检测、路面平整度检测、路面 抗滑性能检测、沿线路况调查、路面钻芯取样检测及室内沥青混合料试验。 2 1 1 路面结构强度 路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，不同路面结构具有不同的路表弯 沉值，因此，不能单独以最大弯沉值大小来判断路面结构的剩余寿命。路面结构的承载 能力在使用过程中逐渐下降，反映在弯沉值变化上，路段的代表弯沉值随时间( 轴载作 用次数) 的增加而逐渐增长。随着弯沉值的增长，路面逐渐出现车辙变形和裂缝等损坏。 定义某种程度的损坏作为临界状态，相应于这种损坏状况的路面弯沉值，即为路面结构 的极限承载能力。为此，要判断现有路面结构的承载能力( 剩余寿命) ，除了由测定得 6 长安大学工程硕士学位论文 到代表弯沉值外，还须知道路面的结构类型，路面损坏状况或者调查测定路面已承受的 标准轴载作用次数。 落锤式弯沉仪( f w d ) 的测定结果，可以为路面结构材料动态模量的反算积累充分、 可靠的试验数据，同时还可以为进一步深入研究路面结构动态响应的特性，进行相关的 静态弯沉和承载板试验对比提供依据。 此次检测即采用d y n a t e s t - 8 0 0 0 落锤式 弯沉仪( f w d ) 。检测方法：按左、右半幅在行 车道、超车道上每间隔l o o m 测一点，在每一 个测点上落锤3 次。每一公里测一次路表温 度，通过有关地区气象台了解检测前5 天至 检测结束期间的日平均气温，以便对实测弯 沉值进行修正。 1 、数据处理 按照公里桩划分评定区间，每公里作为一个评定单位，先对超出3 倍标准差的实测 弯沉值数据予以剔除，然后计算每一评定路段路表弯沉的代表值： = 三+ 乙x s ( 2 2 ) 式中：评定路段的代表弯沉值( 0 o l m m ) ； s 评定路段各实测弯沉值的标准差( 0 o l m m ) ； 三路段内原路面上实测弯沉的平均值( 0 o l m m ) ； 乙与保证率有关的系数，按照公路工程质量检验评定标准( j t j 0 7 1 9 8 ) 附录i 规定，当路面按公路柔性路面设计规范( j t j 0 1 4 - 8 6 ) 设计时，高速公路、一级 公路乙= 1 6 4 5 。 由于京珠高速公路沥青面层的厚度均大于5 c m ，回弹弯沉值均应进行温度修正。即 将不同路表温度和气温下测得的弯沉值换算成平均温度为2 0 “ ( 2 时的计算弯沉值，具体换 算公式如下： k = x k( 2 3 ) 式中：l ，代表弯沉值( 0 0 1 m m ) ； k 温度修正系数，与路表温度、检测前5 天平均气温、沥青层平均温度、基 7 第二章高速公路加宽旧路的处治 层类型、沥青层厚度有关，其值按公路路基路面现场测试规程( j t j 0 5 9 9 5 ) 中有关 图表确定； k 换算为2 0 “ c 温度下的沥青路面计算弯沉( 0 o l m m ) 。 2 、路面强度评价 以弯沉为指标的沥青路面结构承载能力采用强度系数( s s i ) 作为评定指标。 r s s l = 旦 ( 2 - 4 ) k 式中：路面实测计算弯沉值( 0 o l m 衄a ) ； 厶路面容许弯沉值； 路面强度评价标准见表2 1 。 表2 1 路面强度评价标准 评价 指标 优良中次差 公路高速其它高速其它高速其它高速其它高速其它等 等级级等级一级等级 一级 等级一级等级 一级 级 强度 0 8 3 0 ，呈软塑 流塑状态，其承载力较低，影响路线长度为1 2 6 3 k m ，厚度约3 8 m 。 此次扩建工程解决的主要问题是如何减小新老路基的差异沉降，防止纵向裂缝的产 生，因此设计中充分考虑了新路基的地基处理，以避免新老路基的不均匀沉降，采取的 主要措施是清除表土3 0 c m 后，用水泥搅拌桩( 湿喷法) 对地基进行加固处理，并回填 4 0 c m 厚的砂砾垫层。 水泥搅拌桩采用等边三角形进行布置，桩的直径为3 5 m ，桩长采用6 米，桩间距采 用2 “ - 3 m ，处理宽度为原有旧路路基最底下一级台阶至距离坡角3 米的宽度。水泥桩的 掺水泥剂量按加固土体的8 - - - 1 0 进行计算，采用湿喷法进行施工。 3 、路基填料与路基压实 本路段路基填料主要为亚粘土，鉴于素土强度低，且难以碾压成型，为满足路基填 料强度和压实度要求，并结合以往施工经验，确定对路床0 “ - - 0 3 m 范围掺8 石灰、0 3 0 8 m 范围掺6 石灰进行改性处理。 为使路基获得足够的强度、稳定性和抵抗路面荷载下传产生的变形能力，保证路基、 路面的综合服务水平，路基压实采用重型击实标准，路基压实度及填料强度应符合表3 2 的要求。 第三章高速公路加宽新旧路基的拼接 表3 2 路基压实度 路床顶面以下填料最小强度填料最大粒径 填挖类别压实度( ) 深度( m ) ( c b r ) ( )( c m ) 零填及及挖 方 o o 8 09 681 0 o o 8 09 681 0 填方0 8 0 1 5 0 9 44 1 5 1 5 09 33 1 5 土路肩 9 341 0 4 、新旧路基衔接设计 为增加新旧路基的整体稳定性，避免或减少横向错台和纵向裂缝的发生，在填筑加 宽路基前，先对老路基边坡进行3 0 c m 厚的清坡处理，并在原路基边坡上开挖台阶，台 阶底向内倾斜4 ，同时自下而上，开挖一阶及时填筑一级，台阶的宽度为2 o i i i ，最上 一级台阶由老路基边缘向里5 o m 开挖原路床5 0 c m 厚填土。并在路床、基底及台阶上铺 设一定数量的强度、张拉力、柔韧性更优的土工格栅。土工格栅伸入新路基部分不小于 5 米。 3 3 2 路基加宽关键性技术问题的对策 现有国内其它高速公路拓宽改建后，部分地段的老路部分相继发生了纵向开裂现 象。纵向裂缝作为公路拓宽改造的质量通病，也是安新高速拓宽改建工程的关键性技术 问题。本设计认为，纵向裂缝的防治应遵循：“预防为主，及时处治”的原则，在设计 和施工过程中通过合理设计，提高施工工艺和施工质量等方法进行有效预防，努力减少 路基的差异沉降，最大限度地减少和延缓裂缝产生的概率和程度，对已发生的裂缝及时 采取有效措施进行处治、控制裂缝的发展、恢复路面功能、延长路面的使用寿命。本次 对旧路进行加宽加铺改造时，对一般填方路基设计特别注意了以下关键性技术问题： l 、新旧填方路基间的不均匀沉降以及新路基的塑性累积变形对路面结构的影响。 2 、新旧路基间的刚度差异对路面结构的影响。 3 、面层反射裂缝的防治。 针对以上问题，为了保证加宽路基与旧路基的良好衔接、避免或减少纵向裂缝的发 生，特采取以下技术措施： 1 、基底和路基压实度处理 本项目所在区域地层主要为第三系和第四系松散物沉积，其物质组成主要为粉质亚 长安大学工程硕士学位论文 粘土和亚砂土，河流两岸地下水位较高，地基工程地质条件差。因此，必须彻底对基底 进行清理、压实及换填，提高路基基底强度，以避免或减小新旧路基间的纵向裂缝。 2 、台阶开挖与构筑 为增加新旧路基的整体稳定性，避免或减少横向错台和纵向裂缝的发生，在填筑加 宽路基前，先对老路基边坡进行3 0 c m 厚的清坡处理，并在原路基边坡上开挖台阶。台 阶底向内倾斜4 ，同时自下而上，开挖一阶及时填筑一级，台阶的宽度为2 0 m ，最上 一级台阶由老路基边缘向里5 0 m 开挖原路床5 0 c m 厚填土。 3 、土工合成材料的应用 在路床、基底及台阶上铺设一定数量的强度、张拉力、柔韧性更优的玻纤格栅，当 填土高度小于4 米时，在路床及基底各铺设一层双向土工格栅；当填土高度大于4 米时， 中间增铺一层土工格栅；当填土高度大于6 米时，中间增铺两层土工格栅。土工格栅伸 入新路基部分不小于5 米。 3 4 本章小结 本章介绍了高速公路拼接加宽路基的结构特点及常见病害，并对其进行了机理分 析。针对原有路基和加宽路基的常见病害特点及其成因，提出了相应的技术对策。最后， 通过所依托的安新高速加宽扩建工程的路基设计，介绍了高速公路拼接加宽的关键性技 术问题的对策。 笺 2 7 第四章高速公路加宽路基路面设计方法 第四章高速公路加宽路基路面设计方法 4 1 高速公路加宽路基路面破坏模式及破坏机理 4 1 1 高速公路加宽路基路面破坏模式 l 、路基失稳 表现为拓宽路基沿新老路基结合面发生滑移，严重时甚至发生整体坍塌。这种病害 在山区陡坡地形、软弱地基、高填方路堤等拓宽路段较容易发生。当拓宽路基沿结合面 滑移量较小时，新老路基结合面会产生错台，导致新老路基结合部位的路面开裂，雨水由 裂缝进入，结合面强度急剧降低，给路基稳定性留下更大的隐患：当滑移量较大或整体坍 塌时，造成拓宽路面整体破坏，甚至使原有路基相继出现失稳，并导致原有路面也发生结 构损坏和使用功能的下降。 2 、支挡结构损坏 支挡结构损坏是路基损坏的特殊形式。表现为挡墙墙面开裂、墙体整体滑移、倾覆 等。若墙底受水浸泡、冲刷，或墙体本身处于潜在滑坡体内，当挡墙所受土压力过大时， 将产生挡墙墙体开裂、整体滑移或绕墙趾倾覆等现象。支挡结构发生损坏后，拓宽路基 也随之发生稳定性问题，给拓宽路面的正常使用带来隐患。 3 、路表开裂 旧路拓宽工程中较严重的道路病害就是路表出现宽度不一的裂缝，此裂缝的走向往 往同新老路基结合面的走向相一致，并随着时间的推移而呈进一步张开的趋势。通常新 老路基间的差异沉降首先导致基层的开裂，并反射到沥青混凝土面层或水泥混凝土板块 上来。水泥混凝土路面和沥青混凝土路面上产生相关裂缝的规律有所差异，通常水泥混 凝土路面上由于新老路基产生的差异沉降导致的路面破坏，首先会使混凝土板块的某条 纵缝或横缝扩展、张开，进一步发展才会导致板块的断裂，裂缝方向大体沿着新老路基 结合的方向：而沥青混凝土路面在路表产生的裂缝要早，裂缝形成方向亦较水泥混凝土 路面与新老路基结合面走向更吻合。路表开裂是高速公路加宽工程中最常见的病害之 一o 4 、路面整体性能下降 随着路面病害的产生和道路横坡的变化，道路结构性能和服务性能也随之下降。当 路面状况指数( p c i ) 、结构承载力及平整度等下降到一定水平时，还将影响行车安全。 长安大学工程硕士学位论文 4 1 2 高速公路加宽路基路面的破坏机理 引起加宽工程路基路面破坏的主要原因是新老路基的不协调变形引起。新老路基不 ， 协调变形以不均匀沉降为主，是地基和路基沉降及变形的空间差异在路基顶面的反映。 由于新老路基的填筑历史不同，拓宽路基引起的地基变形在新老路基顶面形成不协调变 形；由于新老路基的填筑材料和施工工艺差异，拓宽路基的压缩变形在新老路基顶面形 成不协调变形；由于新老路基结合部结合强度不足，拓宽路基沿新老路基结合面的蠕滑 或滑移在新老路基结合部形成不协调变形。另外，由于路基填筑材料或压实度的差异也 会导致新老路基、路面整体回弹模量存在差异，即抗变形能力存在差异。 1 、土的变形原理及路堤压缩变形分析 土的变形性质，即土的压缩性，是土的工程地质性质中最重要的部分之一，与工程 建筑物的稳定和正常使用关系极为密切。 土的压缩性是指在压力作用下发生压缩变形，体积变小的性质。土是一种多孔分散 体系，土体积被压缩变小只有三种可能：一是土粒本身的压缩变形；二是孔隙中不同形 态的水和气体的压缩变形；三是孔隙中部分水和气体被挤出，土粒相互靠拢使孔隙体积 减小。工程实际证明，在一般建筑物荷重作用下，土粒和水的压缩量极小，不及气体压 缩量的1 4 0 0 ，通常认为是不可压缩的；气体的压缩性较强，在密闭的体系中，土的压 缩即是气体压缩的结果，但压力消散后，土体的体积基本恢复，即土成弹性变形。自然 界的土处于开启系统，孔隙中的水和气体在压力作用下不可能被压缩而被挤出。因此， 土的压缩变形主要是由于孔隙中的气体和水分被挤出，土粒相互靠拢，孔隙体积减小而 引起的。这种压缩变形的过程与水和气体的排出速度有关，开始时变形速度较大，然后 随着颗粒间的接触点增加，变形逐渐变弱。 对饱水土来说，孔隙全部被水充满，土的压缩主要是由于孔隙中的水被挤出，孔隙 体积的减小所致，压缩过程与排水过程相一致。压缩结果使土密度提高，含水率降低。 饱和砂土粒间孔隙较大但孔隙体积较小，透水性强，在压力作用下孔隙中水很快被排出， 压缩很快完成，但压缩量小；饱和的粘性土粒间孔隙较小，孔隙体积较大，土粒周围存 在结合水膜，透水性弱，在压力作用下孔隙排水速度慢，因此，压缩需要较长时间才能 完成，压缩量较大。 非饱和土的压缩，首先是气体的外逸；随时间的延续，土的饱和度逐渐增大。当气 体全部排出，土达到饱和状态后，其压缩过程与饱水土相同。 2 9 第四章高速公路加宽路基路面设计方法 根据工程的不同特点，土的压缩变形可能在不同的条件下进行。如受压土的周围受 到限制时受压过程中基本上不能向侧面膨胀，只能发生垂直向变形，称为无侧胀压缩或 有侧限压缩，基础砌置较深的建筑物地基土的压缩近似此条件。如受压土的周围基本上 没有限制，受压过程中除垂直方向发生变形外，还将发生侧向的膨胀变形，这种情况称 有侧胀压缩或无侧限压缩，基础砌置较浅的建筑物或表面建筑( 飞机场、道路) 的地基土 的压缩近似此条件。 土基是路面结构的最下层，承受着由面层传下来的车辆荷载和上部结构的自重。实 践证明，没有一个坚实、均匀的土基，即使采用很坚固的面层，路面结构在车辆荷载作 用下，也会很快发生破坏。实际工程中，无论是水泥混凝土路面还是沥青路面出现的损 坏现象，大部分都是由于土基强度不足，稳定性变差，在外荷载作用下产生的过量变形 所致。因此，设计和构筑一个坚实、均匀、稳定的土基，提高土基的抗变形能力，是保 证公路路面结构具有良好使用品质的根本措施。 长期以来，对土基自身压缩变形问题的研究相对较小。随着公路等级的提高，高填 方路堤和旧路路基加宽改造工程大量出现，由于填料自重应力引起的土基自重压缩变形 量较大，由此造成的路基表面不均匀沉降将会对路面结构产生诸多不利的影响， 对土基自身压缩变形的研究，水利部门在类似结构，如土石坝方面积累了一定的经 验。近年来，我国公路部门也有采用非线形有限元分析方法和改进的分层总和法等，对 土基自身压缩变形问题进行了研究，一般能取得较满意的结果。 2 、地基中的应力 ( 1 ) 自重应力 在荷载作用以前，地基中存在初始应力场。初始应力场与土体自重有关，与地下水 位有关，也与地基土层的地质历史有关。在荷载作用下，地基中应力场发生改变。变化 的部分称为附加应力场。荷载相同，地基土层几何形状相同，但地基土体结构模型不同， 附加应力场分布也不同。若结构模型是非线性的，附加应力场分布还与初始应力场大小 有关，与荷载大小有关。认真考虑这些因素的影响将使问题变得非常复杂，在工程应用 上常常将地基视为半无限空间各向同性线性弹性体，采用布西涅斯克解得到附加应力场 分布。初始应力中竖向应力只考虑土体的上覆土重，水平向应力则通过静止土压力系数 k 。来确定。 若地基土体是成层的、各向异性的，也可通过成层弹性体和各向异性体弹性理论来 得到地基中的附加应力。 3 0 长安大学工程硕士学位论文 地基中附加应力分布还受上部结构刚度的影响。考虑上部结构、基础和地基共同作 用分析可以得到更合理的附加应力场，但需采用数值分析方法。 在荷载作用前地基中存在初始应力场。初始应力场常与土体自重、地基土地质历史 以及地下水位有关。在工程应用上，计算初始应力场时假设天然地基为水平均质各向同 性半无限空间，土层分界面为水平面。于是在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。 地基中初始应力场，即地基中任一点的自重应力，只需用竖向应力和水平表示。竖向应 力和水平应力均与深度成线性关系。在地下水位以下土层中，初始应力场中总应力和有 效应力是不相等的。成层地基中第n 层土底自重应力计算式为： 贰= 以岛q2 己以吩 t = l 矾= k 仃： 式中： n 第i 层土天然重度，地下水位以下取浮重度； 曩第i 层土厚度； ( 4 - i ) ( 4 - 2 ) 第n 层土静止土压力系数。 地下水位以上土层中，初始应力场总应力与有效应力是相等的。在地下水位以下土层中， 总应力等于有效应力与静空隙水压力之和，其表达式为： 仃，= 吒+ 凡死 ( 4 3 ) = 一+ y 。丸= k 仃：+ 凡丸 ( 4 4 ) 式中：凡水的高度； 丸水头高程； 仃：，巩分别为竖向和水平有效应力。 土体静止土压力系数k 与土的地质历史、土的种类、土体结构等因素有关。各国 学者己提出许多测定土体静止土压力系数的方法、包括室内实验和现场试验测定两大 类，并提出一些计算各类土的静止土压力系数的公式，下面作一简要介绍： 土体静止土压力系数k 是荷载作用下土体保持侧向变形为零时水平向有效应力仃： 与竖向有效应力仃：之比，即： 3 1 鍪 第四章高速公路加宽路基路面设计方法 k ；4 ( 4 5 ) 口v 采用室内、外试验测定k 值的基本思路是保持土体侧向变形为零，测定水平相有效 应力与竖向有效应力之比。 一维压缩试验满足侧向变形为零的条件，采用一维压缩试验测定k 值的关键是测 定水平向有效应力。已发展一些k 系数测定仪，通过测定一维压缩试验过程中土体的 水平向有效应力和竖向有效应力测定k 值。这类仪器的缺点是通过传感器测定压力， 而传感器是用及微小的位移作为信息测定水平向应力的，水平向位移违背侧向变形为零 的值条件，无疑会带来误差。 在三轴仪中通过自动改变轴向加载量和压力腔内围压值的比值，使土体在径向不发 生变形。在荷载作用并不产生径向变形条件下，土体固结完成并稳定后可得到静止土压 力系数k 值。 k 值也可通旁压仪原位试验测定，也可通过劈裂试验测定。正常固结粘土地基k 值 通过常可采用下列计算【j a k y ，1 9 8 4 ) ： k = 1 一s i n q ， ( 4 6 ) 式中：9 土体有效内摩擦角。 也有学者建议采用下述计算式计算k ： g o = o 9 5 一s i n e ( 4 7 ) g o = 1 0 5 一s i n 9 ( 4 - 8 ) 还有些式子介于上述两式之间。 对超固结比o c r 小于5 的情况，w r o t h ( 1 9 7 5 ) 建议采用下式计算： 民= o c r k 一寺( 懈_ 1 ) ( 4 - 9 ) 式中： 如正常固结静止压力系数； o c r 超固结比： 3 2 长安大学工程硕士学位论文 p 土体有效应力泊松比。 若土体属于弹性体，则静止土压力系数k 值可由下式计算： k 2 尚( 4 - 1 0 ) 式中：j l l 弹性体泊松比。 表4 1 给出各类土静止土压力系数值的变化范围： 表4 1 各类土静止土压力系数k 参考值 对欠固结土地基，地基土体在自重应力作用下尚未完全固结，超空隙水压力尚未完 全消散，随着时间的发展，地基产生固结沉降。在计算荷载作用下欠固结土地基的沉降 量时，应考虑土自重引起的这部分固结沉降。 地下水位的变动将改变地基中的应力场，地下水位下降将使地基中部分土层上覆压 力增大，地基土产生固结，地面产生沉降。地下水位上升使地基中部分土层的上覆压力 减少，卸载使地基竖向变形产生回弹现象。不少城市因从地下抽去大量生活用水和工业 用水，致使地下水位陡降，引起城市地面大面积沉降。工业地基也会因地下水位下降产 生地面沉降现象。 ( 2 ) 附加应力 路基可认为是具有一定宽度的无限长条形基础，其面积上受有分布荷载，且荷载在 长度方向的分布规律不变。其地基中的附加应力计算是属于平面问题。载荷在这种作用 下，地基中每个垂直于长度方向截面上的附加应力分布，显然是相同的。亦即在每个垂 直截面上，各相应点附加应力值必相等。这样，只要计算地基中一个垂直截面上附加应 力即可。 平面问题的计算，是从线性分布荷载着手。首先在无限长直线上取得一小段d y ，以 3 3 第四章高速公路加宽路基路面设计方法 d y 上的荷载p d y 当作集中力，利用以下公式，即得线性分布荷载作用下，地基中任一点 的附加应力计算公式： 吒= e 丽毒与和= 孑2 p 研z 3 = 万p z c o 湘 ( 4 - 1 1 ) 呼丽2 p x 2 z = 笔c 。s 2 蛐2 p ( 4 - 1 2 ) 仃露= f 曩= 二i 2 孑p 研x z 2 = 2 巧p z c 。s 3 0 s i n 9( 4 1 3 ) 由式中可见，附加应力与y 轴无关。然后利用线性分布荷载公式在宽度方向进行积 分，即可得任意条形荷载作用下的附加应力计算公式。 当受条形均布荷载p o 作用时，经积分后求得地基中任一点m ( x ，z ) 的附加应力计算公 式，为计算方便，可采用极坐标公式，并取条形荷载的中点为坐标原点，则有如下公式： a ：2 仅：p o ox 5 a x 氏 t a 2 伐a p q 式中：a ：，a ，r 曩应力系数，均为x b 和x b 的函数。 ( 4 - 1 4 ) ( 4 - 1 5 ) ( 4 - 1 6 ) 通常由公路路基和堤坝引起的地基应力增量一般不大，可按弹性理论进行计算，这 时假定地基土是各向同性、均质的弹性半无限体。若在半无限体表面上作用无限长条形 的分布荷载，荷载在宽度方向的分布是任意的，但在长度方向上的分布规律则是相同的。 在计算土中任意一点m 的应力时，只与该点的平面坐标i x ，z ) 有关，而与荷载长度方向y 轴坐标无关，这种情况属于平面问题。虽然在工程实践中不存在无限长条分布荷载，但 一般常把路堤、堤坝以及长宽比i b i o 的条形基础等均视为平面应变问题计算。 地基中某点m 由梯形分布的长条形荷载引起的附加竖向应力的计算图如下： 3 4 长安大学工程硕士学位论文 图4 1 梯形分布荷载作用下土中竖向应力计算简图 将梯形分布荷载的边坡向上延长得到如图4 2 所示的三角形分布荷载作用下土中竖 向应力吒，计算简图，因此可将此梯形分布荷载( a b c d ) 分解成为两个三角形分布荷载( e b c ) 及( e a d ) 之差。 o 图4 2 三角形分布荷载替代梯形分布荷载示意图 如图4 3 所示，设置三角形分布条形荷载最大值p ，计算土中m 点( ，z ) 的竖向应力仃：为： 3 5 第四章高速公路加宽路基路面设计方法 呼鲁r 高 = _ 万p - p 刀( 舭旦m 一蝴盟m ) 一茄- i - m 万i 刀一1 ) 。 2 a j 式中：口，应力系数，它是玎= 及m = 的函数。 dd z ( 1 7 ) 坐标原点在三角形荷载的零点处。 图4 3 三角形分布荷载作用下土中竖向应力计算简图 通过用三角形荷载替换梯形荷载，使得梯形分布的条形荷载在地基中任意的附加竖 向应力的计算问题变得易于解决。 3 、沉降的组成部分 地基在顶部荷载及重力下，将发生压缩变形，从而引起地基沉降。地基的沉降量是 指地基土压缩变形达固结稳定时的最大沉降量，或称最终沉降量。一般来说，地基的最 终沉降按其成因可分为三个部分： ( 1 ) 主固结沉降s 。，也叫固结沉降，主要是指饱和粘性土在载荷作用下，孔隙水被 挤出而产生渗透固结的结果。即孔隙水压力逐渐消散，使土体积压缩而引起的渗透固结。 ( 2 ) 次固结沉降s 。，是指超静孔隙水压力基本消散之后，主要由土粒表面结合水膜 发生蠕变等而引起，它将随时间极其缓慢地沉降。 ( 3 ) 瞬时沉降s d ，是荷载刚加上时，在很短的时间内产生的沉降。对于饱和土地基， 土中水尚未排出的条件下，沉降主要由土体侧向变形引起，这时土体不发生体积变化。 基础的最终沉降量应为上述三部分之和，即s = s c + s s + s d 。 在基础沉降过程中，虽然不同阶段以某一部分沉降为主，但实际上它们是无法截然 长安大学工程硕士学位论文 分开的。对于饱和及非饱和的无粘性土，固结速度很快，瞬时沉降和固结沉降难以分开， 主要表现为瞬时沉降。对于一般饱和粘性土，固结沉降是主要的，瞬时沉降占少量，次 固结沉降占比例更小。但对于含大量有机质的饱和软粘土，则次固结沉降就起主要作用 了。关于瞬时沉降的计算，一般都采用弹性理论；对于固结沉降，常采用分层总和法。实 际上，分层总和法在经过一定经验修正后，常用来计算各种地基的总沉降。 ( 1 ) 主固结沉降的计算 主固结沉降一般采用分层总和法计算，压缩试验资料可用e - p 曲线、压缩模量e 。 或e l g p 曲线。 采用e - p 曲线计算主固结沉降 采用e - p 曲线时，主固结沉降( s 。) 应按下式计算： 5 喜薏 ( 4 - 1 8 ) 式中：n 地基沉降计算分层数； 鬼地基沉降计算分层第i 层计算分层厚度，一般宜为o 5 m - - - 1 o m ； 地基中第i 层分层中点，在自重应力作用下稳定时的孔隙比； e l 。地基中第i 层分层中点，在自重应力和附加应力共同作用下稳定时的孔隙 比。 用压缩模量e s 计算主固结沉降 采用压缩模量e s 时，主固结沉降( s 。) 应按下式计算： & = 童铷( 4 - 1 9 ) n = lo 鲥 式中：e s 地基中第i 层压缩模量； 舰地基中各分层中点的附加应力增量； 她地基中第i 层计算分层厚度。 用e - i g p 曲线计算主固结沉降 采用e i g p 曲线时，主周结沉降( s 。) 按地基分正常固结、欠固结和超固结三种情况计 算： a 正常估计、欠固结条件下 第四章高速公路加宽路基路面设计方