（岩土工程专业论文）软土地基上高速公路扩建工程变形特性研究.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，将是本世纪初我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。本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 ) 在此基础上，采用摩尔一库仑理想弹塑性有限元方法对新老路堤的相互作用机理进行研究，分 析了老路边坡开挖和加宽部分路堤填筑对老路沉降和侧向位移的影响。分析表明：加宽部分路堤的填筑 将会使得老路中心上抬，路肩点发生较大附加沉降，引起老路路肩与路中心间差异沉降的产生，极易导 致对原路堤、路面的拉裂、明显加大路面横坡，降低道路等级。因此，必须采用合适的软基处理方案对 加宽部分软基进行处理，降低扩建部分对原有道路的影响程度： ( 3 ) 扩建工程中，对浅层软土和深厚软土两类软基情况分别采用粉喷桩复合地基和深搅桩隔离墙处 理，采用摩尔一库仑理想弹塑性有限元方法分析了不同软基处理条件下加宽部分路堤填筑对老路沉降和 侧向位移的影响。并分析了深搅桩隔离墙的最佳墙体设置位置、隔离墙适宜的墙体强度和厚度； ( 4 ) 从路面功能性要求和结构性要求两方面分析了扩建工程中容许的不均匀沉降。根据路面横坡、 纵坡和平整度要求探讨路面功能性要求：采用弹性力学多层路面结构体系理论分析路基不均匀沉降引起 的路面结构层中附加应力，并考虑车辆荷载的作用。探讨路面结构性要求容许的不均匀沉降；根据容许 不均匀沉降，探讨了软土地基上高速公路扩建工程中的工后沉降控制指标，得到了一般路段和与桥梁邻 接路段的容许工后沉降计算式。 关键词：软土地基：高速公路：扩建工程：弹塑性有限单元法；相互作用；粉喷桩：隔离墙；不均匀沉 降；工后沉降 a b s t r a c t a b s t r a c t w i d e n i n go fh 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 fh i g h w a ya n di sak e y p r o b l e m t h a tm u 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 h c 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 t g r o u n d m a y m e e t w i t h t h e i s s u e ss u c ha s t h e i n t e r a c t i o no f t h eo l da n dn e we m b a n k m e n t s ，t h e j u n e t u r eo f o l d a n dn e wa b u t m e n t ，d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ta n dp a v e m e n tc r a c k i n ga l o n gt h ej o i n tb e t w e e nt h eo l da n dn e w e m b a n k m e n t s ，u n f o r t u n a t e l y t 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 t t e c h n i q u e so f w i d e n i n g a r e s c a r c e t h ei n t e r a c t i o na n dd i f f e r e n d a ! s e t t l e m e n tb e t w e e nt l eo 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 s p a l ：i e l ( 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 ep r o b l e m s o f w 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 tf 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 f n 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 gc r i t e r i aa b o u tt h es e t t l e m e n to fn e we m b a n k m e n t a n dd i f i e r e n t i a ls e t t l e m e n to f t h en e wa n do l de m b a n k m e n t s ( 2 ) t h ef i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u eu s i n gam o h r - c o u l o m be l a s t i c p l a s t i cs o i lb e h a v i o rm o d e la r ea p p l i e dt o t h ea n a l y s i so fi n t e r a o t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h eo l da n dn e we m b a n k m e n t si nt h ew i d e n i n go fh i g h w a y e m b a n k m e n t so ns o f tf o u n d a t i o ns o i l s c o n c l u s i o n sa r eg a i n e dt h a tt h ec o n s t r u c t i o no fn e we m b a n k m e n t i n d u c ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb e t w e e nt h ec e n t e ra n dt h es h o u l d e ro f o l de m b a n k m e n t ，t h e np a v e m e n tc r a c k i n g i sc o m ef o r t ha n dt h eg r a d eo f h i g h w a y i sd e b a s e d r i g h tt r e a t m e n tt e c h n i q u e ss h o u l db et a k e nt or e d u c et h e i n f l u e n c eo f t h ew i d e n i n go nt h eo l de m b a n k m e n t ( 3 ) d r y j e tm i x i n gt o j m ) a n d d i a p h r a g m w a l ls h o u l db e a p p l i e ds e p a r a t e l y t os h a l l o ws o f ts o i l sa n dd e e p s o f t s o i l s i n w i d e n i n go fh i g h w a y t h ef e ma r ea p p l i e dt o t h ea n a l y s i so ft h ed e f o r m a t i o nf e a t u r e so f e m b a n k m e n t s ，a n dt h el o c a t i o n ，s t r e n g t ha n dt h i c k n e s so f d i a p h r a g m w a l la r es t u d i e d - ( 4 ) b a s e do n t h ef u n c t i o n a l i t y r e q u e s t a n ds t r u c t u r a l r e q u e s to fp a v e m e n l ，t o l e r a n t d i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t sa r er e s e a r c h e di nw i d e n i n go fh i g h w a y t h e np o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n tc a l c u l a t i n gf o r m u l a o fa s e c t i o no fah i g h w a ya n dac o n n e c t i o ns e c t i o nw i t hab r i d g ea r ep u tf o r w a r ds e p a r a t 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 , f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，i n t e r a c t i o n ，d r yj e tm i x i n g ( d j m ) ， d i a p h r a g mw a l l ，d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ，p o s t - c o n s t r u c t i o n s e t t l e m e n t 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。 签名：越日期：丝监哆。7 关于学位论文使用授权的说明 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a 本八 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。 签名：丝导师签名：盟日期：兰幽 蔓= 兰丝笙 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 随着国民经济的迅速发展，我国高速公路的建设十分迅猛，截止2 0 0 2 年底全国高速公路总里程 达2 5 1 3 0 公里，比2 0 0 1 净增加了5 8 7 7 公里，高速公路总里程居世界第二位。由于受建设对社会经济水 平、技术水平和建设思想的制约，在已经建成使用的高速公路中，绝大多数是双向四车道，六车道和八 车道高速公路所占比例较低。截止2 0 0 1 年底我国不同车道高速公路所占比例统计结果见表卜lf ”。现 在有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。解决这一问题 有两种途径：一是近距离新建高速公路，另一种方法是改扩建现有高速公路。由于近距离新建高速公路， 投资规模大，占用土地多，且容易造成路阿分布不均，因而在现阶段我国高速公路扩建大多采用老路加 宽的方案。自1 9 9 7 年8 月我国首条高速公路扩建加宽工程广佛高速公路加宽工程动工以来，先 后有海南环岛东线、沪杭甬、沈大、南京绕城、沪宁等高等级公路相继局部或全线扩建加宽。津京唐高 速公路等的加宽也在可行性研究之中。结合国外经验及根据国家未来经济发展，可以断亩，全国主要经 济干线走廊带内，如京广、京沪、京沈等，远期将需要1 0 条左右车道的高速公路的通行能力口l 。因此， 从长远发展和经济效益的角度讲，高速公路的改扩建工程将是本世纪初我国公路建设亟待解决和必须解 决的重要问题。 表卜l2 0 0 1 年底我国不同车道高速公路所占比例统计表1 f 四车遭六车道a 车道 总计】 l 里程( k m )1 7 1 1 82 2 7 06 51 9 4 5 3 i l 比例( )8 8 ，01 1 70 31 0 0 j 在我国尤其是东部沿海已经建成使用的高速公路中。有相当一部分是建在软土地基上。以沪宁高 速公路例为例，沿线软土成因复杂，总长度达9 2 k m 。超过了全线里程的1 3 ，而且软土厚度变化大，个 别地段厚度超过3 0 m 。改扩建的高速公路绝大部分都位于我国沿海东部经济发达地区，对这类高速公路 的扩建加宽就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、相互影响 等问题。主要表现在路基沉降和整体稳定两个方面： ( 1 ) 原有路基经过多年运营，沉降已基本完成，在其边瑗上迸行扩建加宽，新填的土方和运营后的汽 车荷载必然会引起既有路基的附加沉降，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，影响道路服务性能；由于新老地基固结程度不同，将会在新老路基之间产生相对过大的差异沉 降，进而会引起既有路基变形严重时则出现路基拉裂，下沉过速等病害，进而导致路面开裂，将会对 高速公路的正常营运带来难以估量的不良后果。 ( 2 ) 新老路基之间如何保证紧密衔接形成整体也是路基加宽工程成功与否的关键衔接部分处理不当 同样会引发路面的纵向裂缝。因此如何分析计算新老路基的差异沉降，提出适合扩建工程的地基处理方 法和新老路基的衔接技术，是高速公路加宽改建迫切需要解决的工程问题。 但是高速公路的扩建工程在我国还是一个刚刚开始的新生事物，如何进行改扩建没有成熟的经验 可循，设计、施工、技术控制标准等内容规范都涉及不多，同时高速公路的改扩建约束条件多，用新建 工程的思路和设计方法不能解决改扩建的问题。另外，在已完成的改扩建工程中也存在着一些技术问题， 工程营运效果还有待时间的考验。因而对高速公路改扩建工程中存在的问题进行研究具有非常重要的现 实意义和前瞻性。 1 2 国内外软土地基上高速公路加宽工程研究现状 东南大学硕士学位论文 自1 9 9 7 年8 月，我国首条高速公路扩建加宽工程广佛高速公路扩建工程动工以来，先后有海 南环岛东线、沪杭甬、哈大、沈大、沪宁、南京绕城等高速公路相继局部或全线扩建加宽，具体情况见 表卜2 _ “。另外，华北的津京唐高速公路、京沪高速公路江苏段等，现有的双向四车道已不能适应交 通量增长的要求，其加宽工程也即将展开。 国外改扩建高速公路主要有荷兰鹿特丹( r o t t e r d a m ) 一安特卫普( a n t w e r p ) 的a 1 6 号高速公路、 荷兰鹿特丹( r o t t e r d a m ) 一乌得勒支( u t r e c h t ) 的a 2 号高速公路、日本名神( 名古屋一神户) 高速公 路、韩国1 号高速公路，德国开姆尼茨一德累斯顿的a 4 号联邦高速公路、美国印第安纳州( i n d i a n a ) 的高速公路、田纳西州( t e n n e s s e e ) 7 5 号和1 5 3 号州际公路的交接段、4 3 4 号州际公路从t u s k a m i l l a 至4 1 7 号州际公路段( 2 1 2 k m ) 、以及i 一8 0 号高速公路从a s h b y 到a v e n u e s 大学段等等。 国内由于高速公路加宽工程刚刚起步，研究水平主要停留在工程实践的水平上，相关的理论研究无 论在深度还是广度上更是存在着严重的不足，需要作更加深入系统的研究。国外对于软土地基上高速公 路加宽工程的理论研究尽管起步较早，但大多都建立在离心模型试验和有限元模拟分析的基础之上。主 要开展了以下几方面的研究。 1 2 1 软基处理方案优选 软土地基上高速公路改扩建工程中。选取合适的地基处理方案，减少新老路堤的差异沉降，是扩建 工程的关键技术之一。高速公路软基处理方法很多，但对于改扩建工程而言，由于工期紧、施工场地狭 窄，同时还要维持既有道路交通正常运营等原因，软基处理较新建高速公路具有更高的要求。目前，在 扩建工程中最常用的软基处理方法有隔离墙、桩网复合地基、塑料排水板、湿喷桩( 粉喷桩) 复合地基、 c f g 桩复合地基、轻质路堤等等。具体情况见表卜3 。 ： ! 竺型l 一卜_ _ 些! 一 图卜1 锡澄高速公路与沪宁高速公路分离式拼接示意图 r 一 iif 桩 日hhh t hh目h 日rh huhk i hh日h * i 目hh目 “ 目n目 目*hh 老路基经过多年的运营使用和长期荷载作用，沉降己趋于稳定，而新路基成型后必然要经历一个沉 降过程，在新老路基地交界处极易产生不均匀沉降，从而引起纵向开裂并将裂缝反射到路面，影响道路 的使用性能。为保证施工期间及投入营运后高速公路新老路基稳定，以及解决新老路基之间的差异沉降， 新老路基拼接技术是迫切需要解决的实际问题。新老路基拼接技术包括新老路基拼接的设计方法、施工 2 交螽宴 l l 娶 螫 鞲硷 2 t d 耸i 罂 弈 【 薹囊i蓦翥 螽辞。坦瓣 * 搬 辎掰 篓餐篓采 末剥| i 萋蓦蕈 萋虽 鞋督 毒$ 鎏羹 齄整 墓耋誓囊 剽皤 烈褂 v 最 嚣【一 螫翊采 杂筐 悼 * ， 翳 蕤 萋蠼 茁 枯宾 鞭，癌葵， 坪剐 橐癣 碡出撼蜊螺 萋薹 静 蠢薰 鬈 测h 刖隧蝼 蓁霉翼 锰* ，刊 嗣鬓穹骅 剐超 基刍辎，崩 最 罐鹚蟮螫臻鞭 球 * 辋埏* 舆 酬念 耜 刊 碟发 l h 支 - h矗 蓬帮 餐 恃 垂誉命 萎唑三 嚣鬟进 罂哿 餐 餐蕃 鑫 ! 誉匠 撵囊 骶 = 蟮吐冀 拳熙刊爿 略磊嚣蠼 蝴| l 目孵 馥叫蝇磊 刊 制薹d刊赋卜 舞 餐 卺 照 稻 翥 辐 鏊 瑟 i 冀 酷 萄g 三 】i ! 排 蚓球叫 酃艋硷 蔷霎 费晖 ， 暑州 一暇叫_ h撂 址 三 墨瓣 葛 媸 曩薹 点嚣 ， 刊 刊 酰蜡据 舔 噬窝 收 j 娶耳冀 舞需琼剽 噬 释 一舞 卫圃餐 囊羹 盘撼 ， 蓁_ | | ； 萋髅 器 是 望f 鄙蟊州 瓣 髓 巨 i n 瓣卅一并巡名蜮 刊 垛 状目棵 翥蕞罂尊 州群赦噬撩崮 帐 蒸 援卿 耋藿 蹲 萋萋 j 唧捌捌 椒 做* 抖褂针 抖 砸 坶长 ，嵌 赶霍 足鼬翟 是 辐 求| 荽 睦 隧融醛 谍涮 删捌捌 卿 捌 椒抖 *抖抖 抖 捌 捌 * ：七臣 目 睦目 目 抖 * 臣 魁厘 叵馨匠 楚 雹 臣 足 隧隧 隧* 潞 蠊 _ 匣 逗 赫 | 荽 餮 隧 幅 髑 倔韫橱悄 轻瞿 悄删 椒 曩 旱蔷露蕈 憾匿 露蕃露暮 廿骚蹩垃 量j 般 番窆尊 逝 囊羹 躁韶舞 捌蝌 螺馥 $ 审 k 1 ik 审 匪* 疆器惺韶螺匈 l 制留增嚣蝴 嫩曰 卅1 1* 匈候硝 垤 幢挂藩 塔 羁证j 暄 赋窭氍h艘辖镫蛰舀嘲枢瞰州哑繇n上僻 嵇辩栅1 瓣 挡 雾掣篓 惩删腥倒 稚 蟮b蟮b 鄹 整 塞 掰 墨，、羁 h 岛 幅 艇赵 囊粪掣箍鏊 舄 b 襄 求群澳 惺匈嚣 1 , 4 撵 翠 韶h 搀 袜 由 铷洲 氍 帮 辐删 h 曜 密蚓 * 粕v 磊 蚓蠹 l惺如， 拒审拈 期稚 - i k 硝胖k 淄嬲犟镧驰恼 嵴盛墨枢h螭恒hl _ 喧h 靛 耀智 $ 恻 h 忙罡 目栏 霎童善 螋 删蟮 埋杠 畸掣嗥井却 榛譬 趔 趔醛 堙忙 嚣h 斟蝰器 蠢誊谴 粤燃妲馏 乱到 碘耀 垂粪螽 埘椒h*稚嚣目 制磊 螽攘去 辐 蜊喝懈 咖g 翻 吲。窭鬟 ， h 萋遗耀盏卿 臻 ，蜂瓤 嵌骣懈 掣卜辎 芒刊 _ r 群 谵礤旺 辅妇$植嚣譬 艇掣捌掣匿 扭桐唧删蝰。 。 聪答罂斗 1 5 0 9 0 零填及路堑路床 0 3 09 5 注：压实度以部颁公路士工试验规程重型击实试验法为准 图卜5 路基顶面衔接处强夯 7 东南大学硕士学位论文 加宽路基允许工后沉降和新老路基差异沉降的控制标准 沈大高速公路改扩建工程路基加宽技术研究课题组提出了新加宽路基工后沉降量不大于8 c m 的控 制标准p 1 。河海大学9 】( 2 0 0 3 ) 在沪宁高速公路拓宽工程试验段地基处理中期报告中指出：拼接路基施 工后，原高速公路路基中心与新路肩的横坡度增大值应小于0 5 ，与原公路横坡相比不得出现反坡， 拼接路基施工后，原路中心处附加沉降量应小于3 c m 。 ( 2 ) 新老路基拼接的施工工艺 新老路基拼接的施工工艺研究包括新老路拼接的施工方法、施i i 序及流程等，如边坡削坡、台阶 开挖、排水措施、土工合成材料的铺设、路堤填筑等等。 国外针对软土路基上加宽路基填筑施工提出了间隙法( t h eg a p m e t h o d ) 2 5 - 2 7 i 施工，这是一种二 步填筑法，先在距离老路基一定距离外填筑部分新路基，新老路基之间留有一定间隙( g a p ) ，待地基固 结一段时间后再填筑新老路基之间的间隙。由于在第阶段新路基填土自重作用下的固结会使新老路基 间隙下的软土强度和水平应力提高。因而可以有效减小第二阶段填土对老路基产生的附加变形而且这 种分步填筑法要比一次性整体填筑对老路基产生的变形要小。 7 一一i j 鬲i 毒磊7 1 | 原有鞴堤； 1 7； 。”、。_ ”。 l ( a )水平填筑( b )间隙法填筑 图1 6 加宽路堤填筑方法 1 2 3 加宽工程中的计算分析方法 软基上高速公路加宽工程的设计目前还没有规范的分析方法，我们需要在已有较成熟的计算方法 中去寻找能够解决问题的新途径。 ( 1 ) 有限元法数值计算 目前，国外多采用p l a x i s 岩土有限元软件，利用弹塑性摩尔库仑模型或修正c a m c l a y 模型对加宽 路基进行有限元模拟计算，如h g b a l l e r s m a 等人( 1 9 9 4 ) 口q 利用小型离心机模型结合p l a x i s 有 限元程序分析了加宽路基两种不同填筑方法( 普通水平填筑和间隙法填筑) 对加宽路基的影响。关于这 一点，还有a n g v a nm e u r s ( 1 9 9 9 ) 【2 7 】，e v o s ( 1 9 9 4 ) 【2 8 】等人的研究工作，他们都得到相似 的结论：加宽路基的间隙法( t h eg a p - m e t h o d ) 填筑较普通水平填筑可以有效的减少既有道路的水平变 形( 3 0 ) ，但是对竖向变形没有明显影响。h g b a 1 l e r s m a l 2 6 】还发现新老路基之间的问隙宽度对 新老路堤的稳定性有很大的影响，间隙较小大时，新老路堤都不易发生失稳，间隙变大时，老路堤不易 发生失稳，新路堤容易失稳。 r b j b r i n k g r e v a 和p a v e r m e e r ( 1 9 9 4 ) 口9 1 针对软土地基上的加宽路基工程分析了有限元 计算中本构模型的选取不同所存在的计算差异，指出应用弹塑性摩尔库仑模型或修正c a m c l a y 模型计 算的竖向变形比较接近，而采用修正c a m c l a y 模型计算的水平变形较采用弹塑性摩尔库仑模型计算的 水平变形小一些，前者和实测资料比较一致。这和a g i h j o r t n m s p e d e r s e n 和h b r o e r s ( 1 9 9 4 ) p o j 的研究成果是相吻合的。 a g ，i h j o r t n m s p e d e r s e n 和h b r o e r s ( 1 9 9 4 ) 3 0 l 曾利用大型离心机模型试验和p l a x i s 有限 元程序分析了加宽路基施工过程中软土地基的力学特性和变形特性。离心模型试验和有限元分析具有较 8 第一章绪论 好的一致性，但也有一定的差异：加宽部分软土中量测的孔隙水压力较有限元分析值大1 5 ；离心模 型试验中加宽部分刚填筑完时。实测沉降是有限元分析值的2 2 5 倍，但固结度达到8 0 时，两者又 十分吻合；对于水平位移，采用弹塑性摩尔库仑模型的计算值是实测值的2 3 倍。而采用修正c a m c 1 a y 模型的计算值和实测值比较相近。 周志刚等”运用弹性力学平面应变有限元法，分析了非高速公路加宽中新路在自重作用下的沉降 和应力分布规律，并根据强度理论，提出了防止新旧路相接处产生裂缝的处理方法。 对于新老路基结合部土工合成材料的加筋处理，可以引入土工合成材料单元以及相应的接触面单 兀包括g o o d m a n 单元、d e c a l 单元及刚塑性薄层单元等，以模拟筋土之间的相互作用，计算土工合成 材料和新老路基结合部的应力一应变特性和整体稳定性。j u h af o r s m a m 和v e li - m a t t iu o t i n e n ( 1 9 9 9 ) ”“利用p l a x i s 有限元程序分析了土工合成材料在软土地基上加宽路基工程中的应力应变特性。 ( 2 ) 沉降计算的参数反分析法 利用非线性或者弹塑性有限单元法是目前计算软基沉降最有效的方法之一，它可以反映地下水渗 流、土体侧向变形和对闭效应影嫡。对路基沉降定量分析的另一个主要因素是地基参数的可靠性，参数 误差过大势必影响我们作出正确的结论。对于天然的软土地基，由于离散性和不均匀性，参数的室内实 验又受到尺寸效应的影响，很难得到理想的计算参数。传统的室内实验方法对解决实际工程问题存在一 定的局限性，不能在宏观上完整地反映特定地点和特定条件下的力学性质。对于路基加宽工程，可以利 用老路基的现场实测资料，采用参数反分析的方法来确定地基参数以综合反映地基的基本特性。拥有 大量的现场观测资料反演土性参数这是高速公路加宽工程较新建工程的优势所在。苏超( 2 0 0 0 ) 口。” 成功的将地基参数反分析方法应用到锡澄一沪宁高速公路的拼接工程。 进行反分析的方法很多，直接反分析法是其中有效、稳定的方法之一。最终反分析结果是把直接反 分析法问题转化为一个数学模型的优化问题。数学上的优化方法很多，常见的有：单纯形法、r o s e n b r o k 法、拟梯度法、p o w e 1 法及复合形法等。由于复合形法可以在全部可行域内寻优。性能稳定、可靠， 编程方便，对解决工程问题有较强的适应性。 采用现场实测沉降资料进行地基参数反馈分析，利用土体固结非线性有限元方法对高速公路加宽工 程地基处理技术进行数值模拟是可行的，反分析方法可以有效地反演地基参数，从而为解决一直困扰工 程技术人员的计算参数问题提供一个新的途径。该方法的基础数据来自工程现场实测信息，所得结果更 具有实用性和可靠性。 ( 3 ) 模型试验分析 利用模型试验可以探索用数学方法不易解决的问题并且可以和有限元法结合起来，通过模型试验 来研究加宽路基的应力与位移场的规律，以便为有限元法编制合理程序提供依据然后可以用一系列不 同参数进行有限元分析，再利用更完善的模型试验来验证有限元分析的正确性，使模型试验与有限元法 互为验证，提高计算效率，减少工作量。 a 离心模型试验 利用离心机模型试验来模拟软土地基、新老路基及加筋土工合成材料，量测加宽路基的沉降量及孔 隙水压力的消敬情况。沉降量的测定可以用细蕊条布置成方格网测定试验前后的相对变形，从而定量 测出沉降量。孔隙水压力可以用微型孔隙水压力传感器来测定。在运转过程中，由数据采集系统进行测 量。从而预测软土地基处理效果，新老路基沉降以及整体稳定性。南京水利科学研究院( 1 9 9 3 ) ”1 曾进 行过沪宁高速公路的路基离心模型试验，取得了较好的结果。a g i h j o r t n m s p e d e r s e n 和h b r o e r s ( 1 9 9 4 ) i 嘲曾利用大型离心机模型试验和p l a x i s 有限元程序分析了加宽路基施工过程中软土地基的力 学特性和变形特性。h g ，b a l l e r s m a 等人( 1 9 9 4 ) 【”利用小型离心机模型结合p l a x l s 有限元程序 分析了加宽路基的失稳破坏和两种不同填筑方法( 一般水平填筑和间隙法填筑) 对加宽路基的影响a b 光弹模型试验” 利用光弹材料制作加宽路基光弹性模型，通过光弹模型试验来研究加宽路基在各种荷载作用下的鹿 力分布特征与变形、位移规律，周时为有限元计算分析提供参照。 东南大学硕士学位论文 1 3 存在的主要问题 国内外由于高速公路加宽工程研究水平主要停留在工程实践的水平上，相关的理论研究无论在深度 还是广度上更是存在着严重的不足，需要作更加深入系统的研究。 1 3 1 地基处理方法的优选 加宽工程与普通高速公路的区别在于新老路堤的相互不利影响，新建公路中的问题可以在施工中加 以解决，但扩建工程中加宽部分路堤作为边载形式引起既有道路产生的附加沉降和新老路基之间的不均 匀沉降，只有在理论分析的基础上寻找经济、实用的工程加固措施。使新老路基成为一个良好的整体， 以确保在新老路堤拼接过程中使新老路堤的不均匀沉降控制在可以接受的范围之内。由于高速公路扩建 工程工期紧、施工场地狭窄，同时还要维持既有道路的正常交通运营等原因，软基处理方法的优选是应 解决的关键技术之一。 高速公路软基处理方法很多，但对于扩建工程而言，软基处理较新建高速公路具有更高的要求。目 前，在扩建工程中最常用的软基处理方法有隔离墙、g e o s y n t h e t i c r e i n f o r c e da n dp i l e s u p p o r t e d ( g r p s ) e m b a n k m e n t s ( 桩承堤) 、塑料排水板、湿喷桩( 粉喷桩) 复合地基、c f g 桩复合地基、轻质路 堤等等。针对扩建工程的特点可以开发实用的地基处理新技术，如刚柔结合的处理方法等。从技术可行 性、经济合理性、施工便捷性等多方面综合优选适宜的软基处理方法是扩建工程的首先应解决的问题。 1 3 2 新老路基结合部的处治技术 老路基经过近十年的运营使用和长期荷载作用，沉降已趋于稳定，而新路基成型后必然要经历一个 沉降过程，将会造成新老路基的不均匀沉降，从而引起纵向开裂并将裂缝反射到路面。为保证施工期间 及投入营运后高速公路新老路基稳定，扩建加宽工程设计中一个重要问题是如何处理填方段新老路基之 间的衔接，即如何处理新老路堤的不均匀沉降。要采取有效的技术措施保证加宽路基与老路基的良好衔 接，使其成为一个良好的整体，避免或减少横向错台和纵向裂缝。 新老路相互作用影响分析；台阶开挖尺寸和开挖方式对老路基应力和应变特性影响分析；加宽部分 路基填筑对老路应力和应变特性影响分析；老路基对加宽部分地基应力分布、地基沉降规律的影响分析 等等。 土工合成材料种类繁多，分析不同土工合成材料的加筋效果：另外，土工合成材料的铺设层数和位 置也有待进一步研究。 新老路基拼接的控制标准研究：扩建工程的压实度控制标准、新老路基拼接的承载性能控制标准、 新老路基差异沉降和工后沉降控制标准等等都需要深入研究。 1 3 3 新老路基拼接的检测方法研究 新老路基的处理效果如何，实用的检测方法和检测指标研究是很有实际意义的。快速无损检测的手 段是检测方法的发展方向。根据扩建工程的技术要求。新老路基拼接的检测方法、评价指标体系需要完 善。 1 3 4 新老路基拼接的理论研究与计算方法 物理力学模型的建立：高速公路扩建工程的路基、路面结构是一个多材料组成、结构层层间结台状 况难以确定的承重结构，承受自重荷载、车辆冲击荷载或车辆临时停车静荷载，以及自然环境影响。在 荷载作用下，各层材料，尤其是新、老路基都呈现各向异性、非均质、非线性等复杂特性。性质差异的 新老路基土以及处理材料的相互作用，新老路基拼接的应力一应变特性，荷载传递规律，物理力学模型 的建立都有待于进一步研究。 拼接路基沉降规律研究：新老地基采用不同的地基处理方法，老路基的附加沉降分布规律不同，因 10 第一章绪论 此必须研究不同地基处理方法条件下地基沉降变形规律。 1 4 本文主要研究内容 软土地基上高速公路扩建工程是高速公路建设的新阶段。将是本世纪初我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、相互影响等问题。本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 ) 在此基础上，采用摩尔一库仑理想弹塑性有限元方法对新老路堤的相互作用机理进行研究，分 析了老路边坡开挖和加宽部分路堤填筑对老路沉降和侧向位移的影响。分析表明：加宽部分路堤的填筑 将会使得老路中心上抬，路肩点发生较大附加沉降，引起老路路肩与路中心间差异沉降的产生，极易导 致对原路堤、路面的拉裂、明显加大路面横坡，降低道路等级。因此，必须采用合适的软基处理方案对 加宽部分软基进行处理，降低扩建部分对原有道路的影响程度； ( 3 ) 扩建工程中，对浅层软土和深厚软土两类软基情况分别采用粉喷桩复合地基和深搅桩隔离墙处 理，采用摩尔一库仑理想弹塑性有限元方法分析了不同软基处理条件下加宽部分路堤填筑对老路沉降和 侧向位移的影响。并分析了深搅桩隔离墙的最佳墙体设置位置、隔离墙适宜的墙体强度和厚度： ( 4 ) 从路面结构性要求和结构性要求两方面分析了扩建工程中容许的不均匀沉降。根据路面横坡、 纵坡和平整度要求探讨路面功能性要求；采用弹性力学多层路面结构体系理论分析路基不均匀沉降引起 的路面结构层中附加应力。并考虑车辆荷载的作用，探讨路面结构性要求容许的不均匀沉降；根据容许 不均匀沉降，探讨了软土地基上高速公路扩建工程中的工后沉降控制指标，得到了一般路段和与桥梁邻 接路段的容许工后沉降计算式。 东南大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章高速公路扩建工程有限元分析方法 有限元方法分析土体的应力应变，可以考虑各种复杂情况，如土体的应力应变的非线性，复杂边界 条件和加荷条件，水与土骨架的应力耦合关系，时间因素等等，现已被广泛且成功的应用于岩土工程。 对于软土地基上高速公路的扩建工程这类复杂问题，应用有限元分析方法可以更深入的了解新老路堤的 相互作用及其变形规律。 本文在有限元法分析时，做了如下一些假设： 路堤是足够长的，按平面应变问题处理： 路堤填土和地基土的本构关系采用m o h r c o u l o m b 理想弹塑性模型； 深搅桩隔离墙和耪喷桩采用一维梁单元模拟。其材料为线弹性； 地基土中地下水位以下的土体考虑土的固结，圃结理论采用b l o t 固结理论； 界面单元采用g o o d m a n 单元。竖向刚度和切线刚度系数均为定值； 采用初始应力状态和载荷步技术模拟老路路基的先期固结和扩建路堤的分布加载。 2 2 土的本构关系和有限元分析 2 2 1 弹塑性模型 土是一种比较典型的塑性材料，许多情况下处于塑性工作环境。目前可供采用的本构模型很多， 其中以邓肯张模型、剑桥及修正剑桥模型、d r u c k c r - p r a g e r 模型、m o h r - c o u l o m b 模型等最为著名。本 文采用于m o h r - c o u l o m b 模型。 弹塑性问题的分析9 ”，主要假定包括：( 1 ) 破坏准则和屈服准则；( 2 ) 硬化规律；( 3 ) 流动法 则。 ( 1 ) 破坏准则 判断岩土破坏与否的标准，称为破坏准则。表达式为： ，( 盯“) = k ( 2 一1 ) ，( 。) 是应力分量的某种函数值，驯破坏函数；k 是试验确定的常数。若j r ( 吩) = 0 ，则破坏： ，( 盯“) 0 ，应力增加后引起新的塑性应变，称之为加 d 载。 理想塑性材料。屈服面就是破坏面。应变硬化岩土体，屈服面随应力增大而不断扩大，达到破坏 面时，两者重合。应变软化时，破坏后的屈服面不断收缩，最后收缩的屈服面与残余破坏面一致。 对弹塑性进行描述经典的屈服准则有t r c s c a 准则和m i s e s 准则。由于它们不考虑静水压力对材料 屈服的影响，不适合描述混凝土、岩土等拉压性能明显的材料。而在其基础上提出的m o h r - c o u l o m b 屈 服准则和d r u c k e r - p r a g e r 屈服准则较适合岩土及混凝土材料本构关系的描述。本文采用m o h r - c o u l o m b 屈服准则，下面将简单介绍m o h r - c o u l o m b 屈服准则。 摩尔库仑( m o h r - c o u l o m b ) 屈服准则 对于土体，m o h r - c o u l o m b 强度理论得到广泛应用 r 。2c 一盯。t g 妒 其表达式为： ( 2 3 ) 式中：f 。一为极限抗剪强度 盯。一为剪切面上的法向应力以拉为正； c 一为土体的粘聚力；p 一为土体的内摩擦角。 式( 2 3 ) 库仑公式在盯一- 平面上是线性关系。利用库仑定律，可以把式( 2 3 ) 推广到平面应力 状态，如图2 - 1 。 f n 。 ) 扩砾、鼍 汰 l y 图2 - 1莫尔库仑屈服条件 因为t n = r c o s p 仃。= 委( 仃。+ 盯，) + g c o s p 仃n = 互【仃x + 盯y ) + = 1 2 ( 盯。+ 仃3 ) + 丑c 。s p 、 l j 。 所以，由式( 2 3 ) 得； = c c o s p 一半s i n 妒 式中r 是莫尔应力圆半径 l3 ( 2 4 ) r = - - i ( o 。- o y ) 2 + r 。卜三( a i - - 0 3 ) 池s ) 式( 2 - 4 ) 还可用主应力盯l 、盯3 表示成 寻( 盯。一巳) = c c o s 妒一丢( q + 乃) s i n 矿 ( 2 6 ) 写成一般届服条件形式，为 f = 三1 ( 吼一c r 3 ) + 鼻b ( 仃。+ 盯，) 1 = 。 ( 2 7 ) 即 一 f 叫t n 妒+ 芳【c o s 铲万is ；n 铡n 伊卜c o s 妒 陋s ， 式中：p = o m = ( q + 盯2 + 盯3 ) ： g = 弓亍【( 盯，一仃。) 2 + ( 盯。一盯，) 2 + ( 仃，一盯，) 2 】； 色为洛德( l o d e ) 角( 见n 2 - 2 ) ，由方程s i 醒：3 二, r i 4 了决定。 鸲乒 将式( 2 8 ) 代入口：婴可确定和m 。h r - c 。u 1 。m b 屈服准则相对应的流动矢量： 口= c a , + c ：0 2 + c ：吗( 2 9 ) 对于平面应变问题有： 口j = 【1 10 1 】 ( 2 1 0 a ) 咖赤k 口 q 1 = ( 似割( 螂手) 一醚q ( 奇剀( 2 - 1 0 c ) c i = 扣伊( 2 - 1 0 d ) c 2 = c o s o ( 1 + , g o t 9 3 0 ) + s i n 妒( t 9 3 0 一t g o ) , g j ( 2 1 0 e ) q = s i n 0 + c o s 0 s i n o ) ( 2 j ；c o s 3 目) ( 2 l o f ) 当0 = + 3 0 。时，c l 和c 2 值无定义，这时取： c - 7 1 洒伊，c 2 = 致压+ 警j c 3 一o 。 m o h r - c o u l o m n 屈服条件的屈服面在n 平面上是个不等角的等边六边形。在三维主应力空间中所 表达的屈服面为一不规则的六角锥体，如图2 - 2 所示。 m o h r - c o u l o m n 屈服准则没有考虑中主应力对强度的影响，也没有反映高压力作用下，强度随平均 应力非线性变化的性质，而且破坏面有尖角，使该点塑性应变增量方向不易确定。 ( 3 ) 硬化规律 岩土材料屈服后式( 2 2 ) 中的k 将变化，如何变化，影响因素是什么，即是所谓的硬化规律。 对于理想塑性材料，屈服面在塑性变形阶段是不变的，k 不变。而对于加工硬化材料，k 将增大。常用 硬化模犁有等向硬化模型、随动硬化模型和组合硬化模型。 l4 第二章高速公路扩建工程有限元分析方法 图2 2m o h r - c o u l o m n 准则在主应力空间内的破坏面 本文采用等向硬化模型即随七值变化， 而日通常取为塑性功w 的函数，表达式为 k = f ( h ) w k 扣4 d s g 后继屈服面均匀扩大或缩小。k 为硬化参数日的函数 则完整的屈服准则为：厂( q ) = f