（岩土工程专业论文）软土地基上高速公路拼接实例分析.pdf

摘要 摘要 软土地基上高速公路扩建工程是高速公路建设的新阶段，将是本世纪初中国公路建设 亟待解决和必须解决的重要问题软土地基上高速公路的扩建工程必然涉及到新老公路的 融合贯通、新老桥台的拼接组合、新老路堤的差异沉降、新老路堤的相互影响等问题该文 针对软土地基上高速公路扩建工程中新老路堤的差异沉降和新老路堤的相互影响问题进行 了系统的研究 ( 1 ) 全面回顾了国内外关于高速公路扩建工程的研究现状，对软土地基上高速公路 扩建工程中存在的主要问题进行了初步分析； ( 2 ) 结合工程地质勘察报告，对常澄高速公路横林枢纽互通拼接的工程概况、拼接 段路基纵向裂缝病害概况、自然地理、地貌进行了详细的调查研究； ( 3 ) 应用统计分析，对横林树扭裂缝段区域地基土进行了系统的研究，并与规范土 体的分类进行了对比，提出合理的分类依据； ( 4 )对横林枢纽与沪宁拼宽段地基处治方案、裂缝处置措施及加固技术进行了分 析，并应用规范规定的路基稳定计算方法和有限单元方法对横林枢纽路基边坡 滑动稳定进行了研究； 关键词：软土地基，高速公路，扩建工程，土体分类，不均匀沉降，有限单元法，稳定性 摘要 o nac a s eh i s t o r yo fw i d e n i n go fh i g h w a yo ns o f tg r o u n d a b s t r a c t w i d e n i n go f h i g h w a yo ns o f tg r o u n di san e wc h a l l e n g ei nt h ec o n s t r u c t i o no f h i g h w a ya n di s ak e yp r o b l e mt h a tm a s tb es o l v e du r g e n t l ya tt h eb e g i n n i n go f 2 1 t hc e n t u r yi nc h i n a w i d e n i n go f h i g h w a yo ns o f tg r o u n dm a ym e e tw i t ht h ei s s u e ss u c ha st h ei n t e r a c t i o no ft h eo l da n dn e w e m b a n k m e n t s ，t h ej u n e t u r eo f o l da n dn e wa b u t m e n t ，d i f e m n t i a ls e t l e m e n ta n dp a v e m e n tc r a c k i n g a j o l 培t h ej o i n tb e t w e e nt h eo l da n dn e we m b a n k m e n t s u n f o r t u n a t e l yt h es y s t e m a t i ca n a l y s i so f p e r f o r m a n c ea n dt r e a t m e n tt e c h n i q u e so fw i d e n i n ga r es c a g g a ：t h ei n t e r a c t i o na n dd i f e r e n t i a l s e t l e m e n tb e t w e e nt h e o l da n dn e we m b a n k m e n t sa r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ( 1 ) b a s e do nt h er e v i e wo fw i d e n i n go fh i g h w a y ，ac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o ni sg i v e nt ot h e p r o b l e m so fw i d e n i n go nt h es o f tf o u n d a t i o ns u c ha st h ec a l c u l a t i n gm e t h o d s ，t h es o f t f o u n d a t i o nt r e a t m e n td e s i g n , l i n k i n gm e a s u r e so fn e wa n de m b a n k m e n t s ，t h ec o n t r o l l i n g c r i t e r i aa b o u tt h es e t l e m e n to f n e we m b a n k m e n ta n dd i f e r e n t i a ls e t l e m e n to f t h en e wa n do l d e m b a n k m e n t s ； ( 2 ) c o m b i n i n g w i t ht h e e n g i n e e r i n gg e o l o g ye x p l o r a t i o nr e p o r t , g e n e r a l s i t u a t i o no f c h a n g - c h e n gh i g h w a yh e n g l i nh i n g ei n c l u d i n gt h ec r a c kd i s e a s e ，n a t u r a lg e o g r a p h ya n d p h y s i o g n o m yw a si n v e s t i g a t e dd e t a i l y ； ( 3 ) b a s e do nt h es t a t i s t i c a la n a l y s i s , t h es p e c i a lg r o u n ds o i lo fc h a n g c h e n gh i g h w a yh e n g l i n h i n g ew a sr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l y c o m p a r e dw i t ht h ec l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r di nt h ec o d eo f d e s i g no fh i g h w yb r i d g ea n dc u l v e r tf o u n d a t i o n , s o m er e s e a n a b l ec l a s s i f i c a t i o nc r i t e r i o n w a sa l s ob r o u g h tf o r w a r d ； ( 4 ) g r o u n di m p r o v e m e n tm e t h o d , c r a c kt r e a t m e n tm e a s u r ea n dt e c h n i q u e o fc h a n g - c h e n g h i g h w a yh e n g i i ni n t e r a c t i o nw a sa n a l y z e d ，a n dw i t ht h ea p p l i c a t i o no fs t a b i l i t yc a l c u l a t i o n m e t h o dp r o p o s e di nt h ec o d ea n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d t i l es t a b i l i t yd u r i n gt h ep e r i o do f w i d e n i n gw a sa l s or e s e a r c h e dc o m p r e h e n s i v e l y k e y w o r d s ：s o f tg r o u n d , h i g h w a y , w i d e n i n g , s o i lc l a s s i f y i n g , d i f e r e n t i a ls e t t l e m e n t , f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，s t a b i l i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一虢, 越v t 聊虢烨一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 近年来，随着国民经济的迅速发展，我国高速公路的建设十分迅猛，通车里程已近2 万公里。在已经建成使用的高速公路中，由于受建设时社会经济水平、技术水平和建设思 想的制约，有相当一部分已不能适应交通量增长和社会发展的要求，有的还出现了比较严 重的路面病害。1 9 9 7 年8 月，我国首条高速公路加宽扩建工程一广佛高速公路扩建工程动 工，之后先后有海南环岛东线、沪杭甬、沈大等高速公路相继局部或全线扩建加宽，沪杭 甬、沪宁高速公路也即将开始拓宽。此外，随着高速公路逐步向网络化发展，高速公路的 相交日益增多，新建的高速公路必然遇到与己建高速公路的拼接问题，如宁杭高速公路与 宁高高速公路的结合部、扬州茜北绕城高速公路与京沪高速公路的结合部、宿淮高速公路 与淮江、宁连高速公路的结合部等。 高速公路的改扩建和拼接必然会遇到新老路堤的相互影响、新老高速公路的融合贯通、 新老桥台的拼接组合等问题。由于新老路堤结合部存在道路施工时间的差异，导致地基固 结程度不同和路堤压缩程度不同而产生的新老路堤的不均匀沉降，进而导致结合部路面出 现裂缝、破损、高差、行车不舒适性等现象，会影响高速公路安全并造成服务水平的降低， 软土地基上新老高速公路的拼接还可能引起路堤的失稳和滑坡。 一般来讲，在已经或即将沉降稳定的高速公路路堤旁填筑新路堤时，新建路堤将以边 载的形式对已有路堤附近压缩稳定的地基土中进行应力叠加从而产生新的附加压缩，从而 导致已有路堤的裂损。同时，新建路堤的施工对已有建筑物的影响也不可忽视，填土超载 预压可能引起路堤两侧的软土地面上升挠曲，这种上升严重时会造成已有建筑物失稳坍塌； 而且新建路堤土体向老路堤方向的挤压将会引起老路堤的水平移动或倾斜。目前我国多条 高速公路拼接段发生的路堤滑坡、路面裂损以及桥台开裂多属于此种情况。新老路堤结合 部的破坏主要表现在路堤的差异沉降和整体稳定两个方面： 1 ) 原有路堤经过多年运营，沉降基本完成，在其边坡上进行扩建填筑后，新填土方和 运营后的汽车荷载必然会引起既有路堤的附加沉降，既有路堤不同位置的附加沉降不同， 从而引起老路表面横坡比的改变，影响路面服务性能，在附加沉降较大时有可能使路面出 现纵向裂缝。 2 ) 软土地基上新老路堤拼接时，新建路堤工后沉降远大于老路堤，引起新老路堤变形 不一致，严重时出现新路堤下沉过速导致滑动破坏。 因此，如何分析计算新老路堤的差异沉降和整体稳定性，提出适合结合部路堤的地基 处理方法和新老路堤的衔接技术，保证新老路堤紧密衔接形成整体，是迫切需要解决的工 程问题。 1 2 国内研究状况 国内对新老路基结合部处治技术研究的成果较少，主要对匝道拼接技术、路堤加宽技 术、路基填挖结合部的处治技术等有一定的工程实践。 宁连公路于1 9 9 4 年建成通车，雍六高速公路于2 0 0 0 年1 0 月建成通车。结合部的路基 高度达8 1 0 米、地基又属于软土地基、外侧设计有超高，新加宽路基如设计与施工不合 理，将导致接入车道出现工后变形。因此，该路段实际采用水泥粉体深层搅拌桩处理软土 地基，减少软土地基的固结沉降；加宽路基和老路基首先挖台阶，然后填土时每隔4 0 e m 加 一层双向土工格栅，一般加5 6 层双向土工格栅，同时填土掺石灰进行处理，要求各层填 土的压实度达到9 5 ，实践表明这种处理方案使用效果良好。 沪宁高速公路1 9 9 7 年建成通车，锡澄高速公路1 9 9 9 年开工兴建。锡澄高速公路与沪 宁高速公路接合部直接式拼接和分离式拼接采取了不同的处治技术。直接拼接段为加速地 基同结沉降，采取超载预压法，经计算，该地段采取了清表超载预压的处理方案。对桥头 段和过渡段路基，除采用超载预压处理外，为安全起见，又进行了粉喷桩处理。根据以往 经验，分离拼接段实施后，会引起沪宁高速公路路基中心工后沉降量增大，路肩出现反坡， 路面出现开裂。设计中考虑了多种拼接处理方案，最后决定在新老路堤之间采用分隔墙处 东南大学硕士学位论文 理方案( 见图1 1 ) ，采用的分隔墙法实际上是路堤加固技术中侧向约束法的一种。该法通 过在路堤两侧或一侧堤角附近打入水泥墙、钢筋混凝土桩，或者设置片石齿墙等，来限制 基底软土的挤动，从而减小边载对原路堤引发的附加沉降。 直接式拼接分离式拼接 图1 1 锡澄高速公路与沪宁高速公路结合部处治技术 马芜高速公路是于2 0 0 2 年初开工建设，预计2 0 0 4 年底通车运营，其中芜湖东处互通 立交存在与已有芜宣高速公路的结合部，且属于软土地基。设计方案采用粉喷桩预压处理， 桩顶做3 0 c m 厚碎石( 砾石) 垫层，用于调整桩顶应力的分布，同时路床顶铺设2 5 c m 厚土 工格室装碎石回填、压实，宽度为3 0 m ，新老路基交接处左右各1 5 m 宽，然后进行预压。 庐( 庐江) 铜( 铜陵) 高速公路与老合铜路结合部地基为淤泥质低液限粘土，厚度大，分 布广，为提高地基承载力并消除新老路基差异沉降，采取粉喷桩和c f g 桩联合处理方案( 图 1 2 ) 。 图1 2 庐( 庐江) 铜( 铜陵) 高速公路与老合铜路结合部结合部处治技术 软土地基上的现有高速公路的改建拓宽工程实践也有不少，见表1 1 。 表1 1 我国主要高速公路改扩建工程概况 在理论分析方面，河海大学的苏超、徐泽中等人利用原高速公路的监测沉降记录，对 拼接地区的地基参数进行反馈分析，以确定能综合反映当地地基状况的参数，应用土体固 结非线性有限元法，对锡澄与沪宁高速公路拼接段中的隔离墙在工程中所起的作用进行数 值模拟。长沙交通学院的周志刚等人运用弹性力学平面应变有限元法，分析了新路在自 重作用下的沉降和应力分布规律，提出了防止新旧路相接处产生裂缝的处理方法 1 9 - 2 0 j 。陈 海珊，胡永深介绍了采用粉喷桩复合地基进行高速公路扩建工程软基处理的技术和方法1 2 4 。 张嘉凡和张慧梅假设路面各结构层在交通荷载与自重作用下随之下沉层间不会出现脱 一2 第一章绪论 空现象，沥青面层、基层和底基层间为连续接触条件，按平面应变问题以解析解表达式分 析了不均匀沉降对路面结构附加应力的影响，认为当不均匀沉降量超过2 e m ，即坡差2 ( 3 7 5 3 2 ) = o 3 5 1 1 ；j ，半刚性基层底面就会产生拉裂破坏网。何兆益和周虎鑫在上述同样的假设 下，采用平面应变八节点等参元法分析了不同不均匀沉降值的路面响应，提出软土地基的 不均匀沉降指标容许值为5 5 c m ，容许沉降坡差为5 5 1 4 11 = 0 4 。 1 3 国外研究状况 国外对于软土地基上高速公路加宽工程的理论研究起步较早，大多建立在调查分析、 离心模型试验和有限元模拟分析的基础之上。 1 9 9 9 年美国普渡大学的r i c h a r dj d e s c h a m p s 等人对加宽路基进行了研究，提出了加宽 路基的设计指南和施工步骤，并对相应的规范进行了修订。主要内容如下： 1 ) 道路的加宽包括以下两种类型： 保持边坡坡比不变的加宽 保持坡脚位置不变，使边坡变陡的加宽 2 ) 报告对印第安那州( i n d i a n a ) 五条加宽的道路进行了调查，其中三条加宽成功，两 条失败。加宽失败路段的调查包括现场测试和室内试验，包括标准规贯入度试验( s p t ) 和 锥贯入试验( c p t ) 、钻孔试验、现场密度试验、液塑限试验、压实度检测和强度试验。 调查表明加宽失败路段的主要失败原因：不合标准的压实度；不合适的台阶开挖；道 路表面水流的渗透也会饱和和软化路基土，导致加宽失败。 3 ) 加宽时要考虑的问题： 台阶的开挖。印第安那州( i n d i a n a ) 规范规定坡比大于1 ：4 的道路加宽台阶宽度 应大于3 m ，台阶高宽比为l ：1 ，这样会形成3 m 高的竖直断面，有可能影响老路路堤的稳 定，研究表面台阶的竖直高度不宜超过1 5 m 。 压实度的控制。加宽处的压实度应达到大于等于9 5 的标准，含水量应在最佳含水 量的一2 + 1 范围内波动。 新填土的渗透性应与老路基土尽量保持一致。如果新填土的渗透性高于老路基土， 雨水很可能透过上层路面结构聚集在老路基土中，这将使土的软化，大大减小剪切强度。 完善的路表排水系统的设计和对地下水的适当的考虑。 坡比与土的塑性指数的关系。研究表明，土的有效应力摩擦角随土塑性指数的增大 而减小，推荐的塑性指数和坡比的关系见表1 , 2 。 表1 2土塑性指数和坡比的关系 塑性指数口l a s t i c i t yi n d e x ) ( )坡比( s l o p el n c l i n a t i o n ) ( h ：v ) 0 2 02 2 1 2 52 2 5 2 6 - 3 52 5 4 6 - 5 53 综上所述，国内外对高速公路加宽中新老路堤的相互影响问题进行了一定的研究，但 研究并不系统和深入，在有限元分析中选用何种土的本构更反映真实的情况，如何正确的 模拟土和加筋材料的界面机理，如何考虑新老路堤的整体稳定性，如何在离心模型试验中 准确模拟拼接加宽的过程，这些问题都值得进一步探讨。此外，国内外并没有对新老路基 的拼接提供系统的设计方案和施工工艺，没有提出新老路堤差异沉降的控制标准，这些都 是工程实际迫切需要解决的问题。 1 4 本文的研究内容 实践表明，了解新老路堤相互影响，相互作用的机理，进而对新老路基结合部采取适 当的处治技术可以有效改善路基结合部的变形性能，减少新老路基的不均匀沉降和加宽路 堤的整体稳定性，保证路面的使用寿命和服务水平。 为了达到上述目标，本文主要在数值模拟和试验方面做了以下工作： 1 ) 分析新路堤作为附加荷载对老路堤和地基的影响，包括沉降、水平位移、最大剪应 力和孔隙水压等，以及加宽路堤的整体稳定性； 2 ) 结合新老路基结合部的处治的特殊性，对比分析加筋路堤、粉喷桩复合地基、隔离 一3 一 东南大学硕士学位论文 墙、轻质路堤四种处治技术的设计思路、适用场合、工程效果和参数敏感性。为实际工程 中处治技术的采用提供选择的依据。 3 ) 通过离心模型试验模拟旧路堤填筑、有无路堤加筋的拼接加宽和极限破坏四种情况， 探求新老路堤的相互影响，对比分析有无路堤加筋加宽的效果，并对极限状态下加宽路堤 的破坏方式和位置进行探讨，再加上试验段工程，验证和修正有限元分析的结果； 4 ) 从结合部不均匀沉降对路面结构的影响入手，对结合部沉降的控制标准进行一定的 探讨 一4 第二章工程背景 第二章工程背景 2 1 工程概况 常州至江阴高速公路路线( 下文简称为常澄高速) 起于武进市新常漕公路，终于江阴 市境内的锡澄公路，与正在建设的江阴至太仓高速公路青阳互通衔接。常州至江阴高速公路 主要控制点有；路线起终点；跨越3 1 2 国道、京杭大运河、沪宁铁路的位置；跨越沪宁高速 公路横林枢纽等。常澄高速路线全长约3 1 9 7 5 k m 。常澄高速采用全封闭、全立交的四车道 高速公路标准。设计行车速度1 2 0 k m h ，路基宽度2 8 0 m 。设计车辆荷载为汽车一超2 0 级、 挂车1 2 0 。 横林枢纽位于常州市区以东约1 5 k m 的横林镇境内。常澄高速公路横林枢纽互通和沪宁 高速公路拼宽段，起点桩号为n k l 2 1 + 8 5 0 ，终点桩号为n k l 2 4 + 4 0 0 ，全长2 5 5 0 m 。横林枢 纽互通式立交有3 座跨越宁沪高速公路高架桥，分别为：横林枢纽主线桥第五联、c 匝道桥 第二联、d 匝道桥第二联。跨沪宁段桥梁上部结构为现浇预应力砼连续箱梁结构，采用匝道 分流、封闭沪宁高速公路宁沪方向的方法施工。横林枢纽共有5 个匝道与沪宁路拼接，分别 为a 、b 、d 、e 、f 匝道，加宽段挖方总体积为3 7 5 6 3 m 3 ( 其中利用土方2 8 7 4 8 m 3 ，废弃土 方8 8 1 5 一) ，填方总体积为1 0 2 1 8 2 m 3 。该段路基高度( 包括路面) 3 0 3 5 m ，路基加宽值为 1 8 2 4 m 。 沪宁高速公路n k l 2 3 + 5 0 0 一n k l 2 3 + 6 3 0 路段，原有软土地基处理，采用了两种形式，即： n k l 2 3 + 5 0 0 一n k l 2 3 + 6 0 0 为5 0 e m 厚砂垫层+ 预压处理； n k l 2 3 + 6 0 0 n k l 2 3 + 6 3 0 为2 5 m 长塑料排水板+ 预压处理，间距为1 5 - 2 0 m ，呈梅 花型布置。 横林枢纽a 、c 匝道与老沪宁高速公路直接拼宽段，即沪宁路n k l 2 3 + 5 0 0 一n k l 2 3 + 6 3 0 段，由于地质较差，软土地基路堤设计按稳定和沉降进行双控，平面设计图，参见图2 1 。 横林枢纽a 、c 匝道与沪宁高速公路拼宽段，软基处理采用湿喷桩+ 土工格栅+ 填土预压。其 中，沪宁路南侧湿喷桩桩长为l = 2 2 m ，北侧桩长为l - - 2 0 m ，桩间距均为s = 1 2 m ，梅花型布 置，参见图2 2 。 图1 1 横林枢纽沪宁路n k l 2 3 + 5 0 0 一n k l 2 3 + 6 3 拼接段平面图 一5 一 东南大学硕士学位论文 oooooooooooo ooooo oooo oooooo ooooooo o ooooo ooooooo oooooooooooo ooo oooooooooo 图2 2 湿喷桩处理平面布置图 根据常州至江阴高速公路施工图设计，第四施工标段工程地质勘查报告( 下文中简称为 “施工图工程地质勘查报告”) 资料揭示，上部土层1 9 8 m - 2 6 2 m 为全新统( q 4 ) ，灰色、 黄灰色( 亚) 粘土，并有深灰色流塑状态淤泥质( 亚) 粘士，混粉砂，工程性质较差。中部 土层为上更新统( q 3 ) ，为黄灰色、灰黄色( 亚) 粘土，可塑硬塑状态，中偏低压缩性， 工程性质良好，该层分布连续，层厚8 8 m 1 1 4 m ，其间夹灰色、黄灰色可塑软塑状( 亚) 粘土透镜体。下部为中更新统( q 2 ) ，灰黄色、黄色( 亚) 粘土，硬塑可塑状态，中等中 偏低压缩性，工程性质良好，该土层在区内分布连续，该土层未被揭穿，部分钻孔揭示厚度 大于2 0 m 。 2 2 拼接段路基纵向裂缝病害概况 2 2 1 施工概况 2 0 0 2 年6 月2 0 日，施工单位首先完成b k 0 + 3 6 0 b k 0 + 5 1 0 段，即对应沪宁高速公路 n k l 2 3 + 5 0 0 一n k l 2 3 + 6 4 0 左侧便道施工后。开始进行浜塘处置，即抽水和清淤。该路段处置 的浜塘与沪宁路老路基相毗邻。浜塘处置完成后，立即安排了素土回填施工，回填完成后即 进行湿喷桩地基加固施工。施工概况如下： 2 0 0 2 6 2 0 2 0 0 2 6 2 5 ，约5 d 。采用水冲吸淤法，进行了上述浜塘清淤。浜塘水位 为+ o 9 m ，清淤前平均淤泥 面高程为- 0 7 m ，清淤后平 均地面高程降低到2 8 m 。 2 0 0 2 6 2 5 2 0 0 2 6 2 9 ，约4 d 。 浜塘回填素土至标高 + 1 3 m 。 2 0 0 2 7 1 2 0 0 2 8 1 3 ，约4 5 d 。 沪宁路南、北两侧拼宽段堤 基加固区域内，水泥土湿喷 桩基本完成。 2 0 0 2 8 1 2 ，在沪宁路基边坡 开挖开始之前，拼宽路段内 区域内，沪宁老路行车道出 现严重纵向裂缝。 2 2 2 路基出现局部滑移情况 2 0 0 2 8 1 2 正常巡查时，发现横林 枢纽a 、c 匝道与沪宁高速公路拼宽 路段的老沪宁路行车道出现明显纵向 繁豢，的嘉羹姜舞妻黑黧塞喜薹念墨对 图2 一i 沪宁路面纵向裂缝开展情况 出现的裂缝进行表面灌缝封堵处理。 团矿t 埔删珊j 口| 甜理丌质1 月仉 裂缝开展和表面处置情况，分别参见图2 1 和图2 2 。 一6 一一6 一 第二章工程背景 图2 2 沪宁路面纵向裂缝表面处置情况 通过初步踏勘发现，沪宁高速公路南侧，即南京至上海方向的裂缝相对更加严重。纵向 裂缝从n k l 2 3 + 6 1 7 9 开始，收敛于n k l 2 3 + 5 1 1 9 ，连续长度约1 1 0 m ，宽度2 “m m ，并伴有 显著错台，高差最大约2 - 3 e m 。部分路段有两条裂缝，呈不规则分布。沪宁高速公路北侧， 即上海至南京方向的纵向连续裂缝长度约4 0 m ，呈断状布置，裂缝两侧轻微错台。 2 0 0 2 8 1 4 上午，有关单位组织相关工程技术人员对沪宁高速公路横林枢纽纵向裂缝段 两侧进行了细致的现场踏勘，发现沪宁高速公路南侧坡脚外侧5 m 范围内，地表有多道与路 基纵向平行的裂缝，裂缝宽度多在4 , - 8 m m 之间，最大宽度达到1 5 m m ，裂缝长度与路面裂 缝相对应。但是，裂缝相对较轻的沪宁路北侧，踏勘未发现坡趾处及其附近有类似裂缝。同 日下午，再一次现场观察时，发现纵横向裂缝均较以前有所发展。 2 0 0 2 8 1 6 下午，发现中央分隔带内侧偏南有纵向裂缝，其范围与路面裂缝相对应，裂 缝宽处3 - 5 e m ，窄处l c m 。后及时采用水泥浆液体封层防渗处理，参见图2 3 和图2 - 4 。 综上所述，横林枢纽与沪宁拼接段路面纵向裂缝病害具有如下基本特征 ( 1 ) 裂缝发生在时间上比较突然，最初阶段裂缝发展也十分迅速。 ( 2 ) 裂缝发展平面上呈现多条纵向裂缝，但最先发现的行车道裂缝，相对开展程度 最为严重； ( 3 ) 裂缝段新拼接路基荷载尚未填筑，老路基开裂与拼接路基新填土边荷载产生差 异沉降基本无关； ( 4 ) 路面开裂伴随着老路基趾部附近地表纵向开裂，具有显著的整体滑动失稳征 兆： ( 5 )接踵而来的沪宁路中部分割带中的纵向裂缝，表明地基不均匀沉陷已十分严 重，且发生沉陷土层埋置较深； ( 6 ) 在无填土荷载状态下，地基发生的新的沉降与不均匀沉降、以及老路基边坡滑 动失稳征兆如此之严重，表明在施工过程中，该场址较深范围内地基土物理力 学性状、应力状态等发生了显著的改变。 东南大学硕士学位论文 图2 3 沪宁路面中心带纵向裂缝开展情况图2 4 沪宁路面中心带纵向裂缝水泥浆液封层 2 3 自然地理、地貌 为了进一步查明横林枢纽与沪宁高速公路拼接段路面裂缝发生的原因，同时为进一步加 固处理设计施工提供依据，更好指导拼接段匝道与沪宁高速公路施工，常州市高速公路建设 指挥部委托常州市煤炭地质勘察院对横林枢纽与沪宁拼接段，进行了工程地质补充勘察。 2 3 1 地形地貌与地下水 长江发源于青海唐古拉山主峰各拉丹冬的姜迪根如冰川，在上海市注入东海，全长 6 3 8 0 k m ，是我国第一大河。长江流域面积1 8 0 8 5 0 0 k m 2 ，占我国总面积的1 8 8 。长江1 ：3 年 径流量9 2 8 2 x 1 0 8 m 3 ，占我国江、河年入海总帚的三分之一以 ：，年输沙量4 9 9 6 x l o s t 。 图2 5 长江口地区卫片图 长江干流宜昌以上为上游，宜昌至江西省鄱阳湖湖口为中游，湖口以下为下游。自安徽 大通向下至水下三角洲前缘为长达7 0 0 多公里的河口区。根据动力条件和河槽演变特性的差 异，长江河口区可化分为三个区段：大通至江阴( 洪季潮流界) ，长4 0 0 k m ，河槽演变受径 流和边界条件控制，多江心洲河型，为近口段；江阴至口门( 拦门沙滩顶) ，长2 2 0 k m ，径 一8 8 第二章工程背景 流与潮流相互消长，河槽分汉多变，为河口段；口门向外至黄海3 0 _ - 5 0 m 等深线附近，以 潮流作用为主，水下三角洲发育，为口外海滨。大量研究资料已经证明，现代长江三角洲形 成于全新世海侵发生以后，来自长江上源的陆源物质，在这里不断地堆积，而导致长江三角 洲的形成和今日三角洲岸线的存在，参见图2 5 。 横林枢纽位于长江三角洲南侧太湖边湖沼积平原工程地质区，参见图2 6 。 图2 6 长江三角洲地貌图 i1 陆上三角洲平原：l 上三角洲平原；2 古贝堤；3 汉道河床；4 下三角洲平原fi2 水下三角洲平 原：5 三角洲平原；6 河口拦门沙系；i i1 ：7 滨海海积平原；：8 湖沼积平原；9 河口湾堆积平原； 1 0 潮滩l “冲刷槽：v ：1 2 潮流辐射沙洲；z1 3 晚更新世晚期三角洲；1 4 继承性水下古河谷；1 5 埋藏 古河谷；：1 6 古海滨平原 太湖水网平原工程地质哑区，区内水网交错，浜塘密布，地面标高0 6 - - 2 4 m ，地势较 为平坦，坡降极小，故地表径流滞缓，加之太湖水位及长江高潮位项托，排水不畅，每到丰 水期，河湖水位同时剧涨，易对公路路堤产生不利影响。长江三角洲南侧太湖边湖沼积平原 工程地质区，与长江口陆上三角洲平原比邻，具有部分上三角洲平原沉积物的特点，例如广 泛分布有介于一般粘性土和砂性土之间的，粉粒粒组成分为主的亚砂土层，以及粘性土层与 细粉砂互层，粘性土层夹砂、互砂等现象。 2 3 2 气象 该区属于北亚热带湿润季风气候区。受季风环流及海洋水体影响，区内气候温和，雨量 充沛，光照充足，无霜期长，四季分明。横林枢纽裂缝发生期间，降水量很大，加剧了路基 病害的发展。 2 3 3 地质构造与地震 测量区潜水位埋深为o 1 - 2 0 5 m ，该区域资料由于近二十年来超量开发地下水，下部砂 砾石层承压水水位埋深降到4 0 m 左右，使上覆松散层被压密，而导致地面不同程度沉降。 地下水矿化度 l 鲫，侵蚀性c 0 2 l m g l ，对钢筋混凝土无侵蚀性。 ( 1 ) 区域地质构造 根据区域地质资料及江苏省地震工程研究院常州至江阴高速公路工程场地地震基本烈 度复核工作报告( 2 0 0 1 0 3 ) 显示，近场区与地震关系密切的主要区域断裂有f 5 断裂，据 l ：1 0 万常州市基岩地质图( 1 9 9 0 年) ，从前州经青龙至西夏墅附近，推断存在一条北谣向隐 伏f 5 断裂。此外近场区还推断存在f 3 和f 6 两条隐伏断裂，他们的规模相对较小，活动时 代亦较早。区内第四系覆盖层厚度较大，工程勘察钻孔揭示近7 0 m 范围内未发现基岩出露， 加之f 5 断裂为推断隐伏断裂，并未发现该断裂。 ( 2 ) 地震 根据复核报告) ) ( 2 0 0 1 0 3 ) ，横林枢纽场址区基本烈度为v i 度( 地震动峰加速度0 0 6 7 9 ) 。 按公路工程抗震设计规范( j t j 0 0 4 8 9 ) 有关规定可不考虑砂土液化不良地质问题 一9 东南大学硕士学位论文 第三章岩土工程地质特性统计分析 3 1 施工图工程地质勘查报告 根据常澄高速横林枢纽施工图阶段工程地质勘查报告，得到各个土层物理力学性质指标 统计表及承载力建议值，如表4 1 所示。可以看出，横林枢纽与沪宁拼接段，地基主要软土 层为上部土层中1 2 及2 1 层。其中， 1 - 2 层软土主要为灰色淤泥质( 亚) 粘土，混粉砂，偶夹泥炭及腐质物。其中，基 本物理性指标中含水量w = 3 3 3 5 3 5 ，孔隙比e = 1 0 0 5 1 5 1 5 ，塑性指数i = 1 4 9 ， 液性指数i l - - 1 0 3 1 5 1 ；基本力学指标中静力触探口。= 0 3 3 o 6 4 m p a ， f = 6 扣1 7 8 k p a ，十字板测定原位不排水抗剪强度c ，= 3 1 o 3 6 o k p a ； 2 - 1 层软土主要为灰色淤泥质( 亚) 粘土，局部混粉砂，含水量w = 3 3 1 , , - 4 5 3 ， 孔隙比e = 1 0 0 3 1 2 7 ，塑性指数i p = 1 3 1 1 3 7 ，液性指数i l = 1 0 3 1 3 1 ，静力触探 q c = o 3 6 - - 0 7 2 m p a ，疋巧6 - - 1 6 o k p a ，十字板测定原位不排水抗剪强度 c u - - 2 9 0 - - 3 7 o k p a ； 另外还有1 - 2 a 层、2 3 层及3 - 4 层软弱土分布，软弱土层性质与上述软土相近。 土层物理力学性质指标统计表及承载力建议值表3 1 1 1 亚粘土 2 9 608 7 01 9 23 6 82 1 31 5 5o 5 7 l - 2 a 软亚粘土3 3 607 8 l1 8 83 5 02 0 71 4 30 9 1 l 2 淤泥质亚粘土 4 0 01 2 0 41 8 23 6 92 1 21 5 7l1 9 l - 3 亚粘土 2 4 9 1 0 8 5 2 o l3 6 72 1 21 550 2 3 2 - 1 a 软亚粘土 3 3 21 1 7 41 8 53 8 92 4 61 4 30 8 7 2 1 淤泥质亚粘土3 9 21 0 3 31 8 13 6 02 1 1 501 2 2 2 2 亚粘土夹粉砂 3 19 1 0 5 9 1 9 23 2 82 021 2 60 8 7 2 3 软亚粘土 3 8 40 9 4 51 8 43 3 82 0 31 3 51 3 5 2 - 4 亚粘土夹粉砂 3 3 0 o 9 1 21 9 23 4 82 0 6 1 4 20 8 1 3 1 a 亚粘土夹粉砂 3 1 70 9 3 8l ，9 23 3 32 01 3 30 8 2 3 - 1 粘士、亚粘土 2 6 40 8 6 11 9 83 5 52 0 91 4 60 2 5 3 3 a 亚粘土 2 7 6 0 8 3 51 9 73 3 0 2 0 11 2 90 ，5 6 3 - 3 亚粘土夹粉砂 3 1 1 0 9 5 61 9 l3 1 5 1 9 61 1 91 0 2 3 - 4 软亚粘土4 0 6 0 8 4 91 8 34 2 82 31 9 80 8 8 4 1 a 亚粘土 2 8 6 0 7 5 21 9 53 8 42 1 6 1 6 80 6 6 4 - 1 粘土 2 6 5 0 6 9 31 9 8 4 1 02 2 31 8 702 1 接上表3 1 同结试验快剪 承载力 层号土层名称嬲系数 t - 1 2 m p a e 压s 恭_ 2 m p 量a 1 系0 篓s v - 。1 罄0 。m c h z $ - ，内聚c k p 力a 内簇角 ”a t 慨 a 1 i。1 。 叫度 ” 1 - l 亚粘土o 3 36 2 32 9 6 430 5 34 7 71 2 91 4 03 5 l 2 a 软砸粘土0 2 6 9 6 64 3 7 23 5 0 22 9 41 5 31 2 03 0 1 2 淤泥质亚粘土o 5 53 4 94 2 8 53 4 4 92 1 85 6 9 02 0 i 3 亚粘土o 2 l8 5 03 2 7 52 5 4 07 0 11 5 32 0 05 0 2 1 1 t 软亚粘土0 2 3 6 5 74 0 6 83 2 3 82 6 11 2 61 4 03 5 2 - 1 淤泥质亚粘士o 6 0 40 0 2 7 2 42 1 6 32 0 56 4 9 02 0 2 - 2 亚粘士夹粉砂0 3 9 53 235 9 32 7 5 93 i 01 1 01 4 03 5 2 - 3 软砭粘土 04 85 1 33 6 5 62 7 0 32 3 91 2 29 02 0 2 4 亚粘土夹粉砂0 3 5 48 8 3 2 4 72 8 7 23 8 11 5 5 1 6 04 0 3 l a 亚粘土夹粉砂0 3 95 2 53 6 5 62 1 4 23 8 81 5 11 6 0 4 0 3 - l 粘土、亚粘土0 2 1 8 3 83 7 8 82 9 6 l5 4 51 4 62 8 07 0 3 - 3 a 亚粘土 0 2 48 3 84 3 9 33 6 3 94 2 01 6 22 0 05 0 3 3 亚粘土夹粉砂0 2 6 7 8 24 3 5 33 4 9 02 9 51 5 81 3 03 5 3 4 软砭粘土0 4 8 4 5 32 0 9 71 ，5 0 63 6 31 0 4 9 0 3 5 4 1 a 亚粘土0 2 1 9 3 84 4 4 03 6 0 94 4 81 5 81 8 04 5 4 - 1 粘土0 1 71 1 1 93 9 8 731 4 3 5 9 01 5 53 0 0 7 5 1 0 l o 第三章岩土工程地质特性统计分析 根据常澄高速横林枢纽施工图阶段工程地质勘查报告，得到各个土层物理力学性质指 标统计表及承载力建议值，如表4 1 所示。可以看出，横林枢纽与沪宁拼接段，地基主要软 土层为上部土层中l - 2 及2 - 1 层。其中， 1 - 2 层软土主要为灰色淤泥质( 亚) 粘土，混粉砂，偶夹泥炭及腐质物。其中，基 本物理性指标中含水量w 司3 3 - 5 3 5 ，孔隙比e = 1 0 0 5 1 5 1 5 ，塑性指数i p = 1 4 9 ， 液性指数i l = i 0 3 一1 5 1 ；基本力学指标中静力触探q c = o 3 3 - - 0 6 4 m p a 。 f = 6 4 - - , 1 7 8 k p a ，十字板测定原位不排水抗剪强度c ，= 3 1 0 - 3 6 o k p a ； 2 1 层软土主要为灰色淤泥质( 亚) 粘土，局部混粉砂，含水量w = 3 3 1 4 5 3 ， 孔隙比e = 1 0 0 3 1 2 7 ，塑性指数i p - = 1 3 1 1 3 7 ，液性指数i l - - i 0 3 1 3 1 ，静力触探 q 。= 0 3 6 - , 0 7 2 m p a ，f - 5 6 - - 1 6 o k p a ，十字板测定原位不排水抗剪强度 c u - - 2 9 o 3 7 o k p a ； 另外还有1 2 a 层、2 3 层及3 4 层软弱土分布，软弱土层性质与上述软土相近。 3 2 工程地质补充勘察 在常澄高速横林枢纽a 、c 匝道与沪宁高速公路拼宽路段，老沪宁路行车道路面发生纵 向裂缝之后，常州市高速公路指挥部委托常州市煤炭地质勘察院对沪宁高速公路 n k l 2 3 + 6 3 4 n k l 2 3 + 5 3 5 约l o o m 长的区域内，3 0 m 以浅土层进行了详细的补充勘察，并提 交了工程地质补充勘察报告。 补充勘查共钻探1 1 个技术孔，静力触探孔1 2 孔，各钻孔平面布置，参见示意图3 - l 。 根据工程地质补充勘察报告，揭示横林枢纽沪宁路裂缝段的地基主要土层分布及其工程地质 性质。 根据工程地质补充勘察报告，揭示横林枢纽沪宁路裂缝段，地基主要软弱土层分布及其 工程地质性质如下： 横林枢纽拼接段软( 弱) 土层物理力学基本指标表3 - 3 123 4 5 6 7 8 压缩指标强度指标原位测试指标 压缩系数压缩模量内聚力内摩擦角静力触探十字板标贯击数 约：2 尘翌型i ：趔p ! ! 塑! 贮 g ! 竺! 璺! 塑! 型童 91 01 11 21 31 41 5 0 3 5 - i 2 72 - 1 91 2 - 2 90 2 9 0 7 1 3 05 2 - - 07 030 3 - 39 61 3 1 616 - 3 50 6 8 - - 07 0 根据常州市煤炭地质勘察院提交的工程地质 补充勘察报告，可以将横林枢纽裂缝段主要土层 简单划分为4 个层次，即路基填土层l ，表层亚 粘土互或夹亚砂土层2 ，中间弧砂土层3 ，以及下 卧亚粘土层4 ，简化的地层剖面示意图，参见图 3 2 。通过总计近1 8 0 组原状样的室内试验，统计 后主要物理力学指标，参见表3 _ 4 。从上述图表 可以清楚看出，横林枢纽与沪宁拼接裂缝开展段， 地基具有如下基本特征： 1 路基主要影响范