（道路与铁道工程专业论文）高速公路拓宽工程新老路基不均匀沉降计算与对策分析.pdf

i c a l c u l 棚o na n dc o u n t e r m e a s u r eso f d i f f e r e n n ai 。s et t l e m e n tb et 伽enn ewa n d e s r 】n ge m b a n k m e n t si nf r e e a y w i d e n i n ge n g i n e e n g at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e b y di n gl u l i n g s u p e r v is e db y p r o f e s s o rh u a n g x i a o m i n g s c h o o lo ft r a n s p o r t a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 9 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。 研究生签名：翌童途 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。 研究生签名：! 垒硷导师签名日期： l 摘要 高速公路拓宽工程新老路基不均匀沉降计算与对策分析 摘要 研究生：丁录玲 导师：黄晓明教授 ( 东南大学交通学院江苏南京2 1 0 0 9 6 ) 高速公路的改扩建工程是扩大道路通行能力、满足交通量增长需求的一种重要手 段。利用现有旧路，对其进行加宽加铺改造，可提高其道路等级或改善道路服务功能， 从而改善现有道路路网服务水平，使具有较高的技术经济价值。同时旧路利用可以少占 土地并有利于环境保护，具有重大的长远发展意义和经济效益。高速公路拓宽工程面临 着的很多关键技术难题，其中新旧路基的不均匀沉降和新旧路基的不良结合是高速公路 拓宽工程两个关键技术问题，两者的合理设计与施工对提高高速公路改扩建工程质量具 有非常重要的理论意义和使用价值。本文结合高速公路拓宽工程的特点和实体工程，采 用a b a q u s 有限元软件对加宽工程中新老路基的相互影响和变形性状进行了研究。 首先，运用a b a q u s 有限元软件建立了拓宽工程新老路基不均匀沉降的计算模型， 确定有限元分析的本构模型、单元类型及材料计算参数；拓宽工程中为减小新老路基差 异沉降，经常对新路堤下地基进行一定的处治以提高地基的承载能力，本文根据不同地 基处治方式分别建立相应的计算模型；通过有限元计算结果与理论计算或观测资料对 比，验证所建模型的正确性。 接着，通过查阅资料，分析新老路基差异沉降的产生机理；针对不同的影响因素， 通过有限元计算分析其对差异沉降的影响，分别考虑地基参数、土基模量、填料性质、 加宽方式、加宽宽度、路堤高度等因素，从而对新老路基差异沉降的产生及影响因素有 较为全面的认识。 然后，分析了台阶开挖、土工合成材料应用和管桩复合地基等处治技术在加宽工程 中的应用效果；对各种处治方式分别进行影响因素分析，为加宽工程中减小新老路基差 异沉降的处治措施提供了参考依据。 最后，通过国内改扩建工程中地基处理的调研和实体工程分析，结合各种地基处理 方法在加宽工程中的应用情况，对比分析各种地基处理的适用性，从技术和经济两个方 面进行了不同处治方式的对比分析；通过不同性质路堤填料的对比分析，分析轻质路堤 对新老路基差异沉降的影响。针对减小新老路基差异沉降的措施提供一定的依据及建 议。 关键词：拓宽工程；新老路基；不均匀沉降；有限元；地基处理 a b s t r a c t c a l c u l a t i o na n dc o un t e r m e a s u r e so fd i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n tb e t w e e nn e wa n d e x i s t i n ge m b a nk m e n t si n f r e e w a yw i d e n i n ge n g i n e e r i n g a b s t r a c t m s cc a n d i d a t e ：d i n gl u - l i n g s u p e r v i s o r ：p r o eh u a n gx i a o - m i f l g ( s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o n , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ，n = 1 j m gj i a n g s u2 1 0 0 9 6 ，c h i n a ) t h er e c o m t r u e t i o na n dw i d e n i n gp r o j e c to f f l l e w a yi sa ni m p o r t a n ti n e a mt oe 冲a n dt h e m a dc a p a c i t ya n dr r e tt h eg r o w i n gd e m a n df o rt r a n s p o r ti tc a ni m p r o v et h ec l a s so f r o a do r i m p m v er o a ds e r v i c ef u n c t i o n sb yw i d e n i n ga n dr e c o m t r u c t i o nu s i n gt h ee x i s t i n gr o a d ， t h e r e b yi tg e t sh i g ht e c h n i c a la n de c o n o m i cv a l u et h r o u g hi m p r o v i n gs e r v i c el e v e lo ft h e e x i s t i n gr o a dn e t w o r k a tt h es a m et i m et h eu s eo fo l dr o a dc a no c c u p yl e s sl a n da n db e c o n d u c i v et oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , s oi th a sg r e a ts i g n i f i c a m eo fl o n g - t e r md e v e l o p m e n t a n de c o n o m i cb e n e f i t s d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ta n db a dc o m b i m t i o nb e t w e e nn e wa n de x i s t i n g e m b a n k m e n t sa l lt w ok e yt e c h n i c a lp m b b m st h a t f r e e w a yw i d e n i n gp r o j e c t sf a c e t o r e a s o m b l e d e s i g na n dc o m t r u e t i o nh a v ev e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a l v a l u e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f f l l e w a yw i d e n i n gp r o j e c t sa n de n t i t yp r o j e c t , i n t e r a c t i o n a n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o rb e t w e e nn e wa n de x i s t i n ge m b a n k m e n t sa r es t u d i e d u s i n g a b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e f i r s f l y ，c o m p u t a t i o n a lm o d e l o fd 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 nn e wa n de x i s t i n g e m b a n k m e n t si se s t a b l i s h e db ya b a q u s 血沁e l e m e n ts o f t w a r e t h ec o n s t i t u t i v em o d e l , t h e e l e m e n tt y p ea n dr m t e r i a lc a l c u l a t i o np a m r m t e r sa r ed e t e r m i n e di nt h ea n n l y s i s i no r d e rt 0 r e 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 nn e wa n de x i s t i n ge m b a n k m e n t si nf i e e w a yw i d e n i n g , t h ef o u n d a t i o nu l k l e rn e we m b a n k m e n ti so r c ng i v e ns o m gt r e a t m e n tt oi m p r o v et h ec a r r y i n g c a p a c i t y t h ec o r r e s p o n d i n gc o m p u t a t i o m lm o d e l sa l ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt od i f f e r e n t f o u n d a t i o nt l l a t m e r a c o m p a r s i o ni sr m d eb e t w e e nf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nr e s u l t sa n d t h e o r e t i c a lo ro b s e r v a t i o m ld a t at ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h em o d e l s e c o n d l y ，t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo f d i f f e l i n t i a ls e t t l e m e n ti sa n a l y z e db yr e f e r r i n gt o i n f o r m a t i o n t h ei m p a c to f d i f f e l i n tf a c t o r so nd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ti sa m l y z e d ，c o n s i d e r i n g f o u n d a t i o np a r a m e t e r s ，s u b g r a d em o d u l u s ，f i l l e rn a t u r e ，w i d e n i n gw a y , w i d t ho fw i d e n i n g e m b a n k m e n ta n de m b a n k m e n th e i g h ts o 雒t oh a v ean x ) l lc o m p r e h e m i v eu n d e r s t a n d i n go f t h eg e n e r a t i o na n di n f l u e n c ef a c t o r so f d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t t h i r d l y , t h ea p p l i c a t i o ne f f e c to fs o m e 慨t m e mt e c h n o l o g yi nw i d e n i n gp r o j e c ti s a n a l y z e ds u c h 嬲s t e pe x c a v a t i o n , g e o s y n t h e t i cm a t e r i a la p p l i c a t i o na n dp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n a n da l s ot h ei n f l u e n c ef a c t o r so f t h e s et r e a t m e n tm e t h o d sa r ea m l y z e dt op r o v i d e s o m er e f e r e n c ef o rt r e a t m e n tm e t h o d st or e d u c ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t f i l l a u y ，r e s e a r c ho nf o u n d a t i o nt r e a t m e n to fd o m e s t i cr e c o m t r u c t i o na n dw i d e n i n g p r o j e c t si sl m d et ou n d e r s t a n dt h ea p p l i c a t i o no fv a r i o u sf o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d s t h e a p p l i c a b i l i t y o fv a r i o u sf o u n d a t i o nt m a t m e mm e t h o d si s a n a l y z e dc o m p a r a t i v e l yf r o m 东南大学硕士学位论文 t e c h n i c a la n de c o m m i ca s p e c t s t h ee f f e c tt h a tf i g h t - w e i g h te m b a n k m e n t sm a k eo l lt h e d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ti sa n a l y z e dt h r o u g hd i f f e r e n te m b a n k m e n tl o a d s o m es u g g e s t i o n sa n d r e c o m m e n d a t i o 璐a r eg i v e nw h i c ha i ma tr e d u c i n gt h ed i f i e r e n t i a ls e t t l e m e mb e t w e e n 地w a n de x i s t i n ge m b a n k m e a t s k e y w or d s ：w i d e n i n ge n g i n e e r i n g ；i 跚a n de x i s t i n ge m b a n k m e n t ；d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；f o t a z l a t i o nt r e a t m e n t 目录 目录 摘要i a b s t r c t 第一章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 拓宽工程路基差异沉降的分析方法2 1 2 2 高速公路路基拓宽工程的技术措施4 1 3 本文主要研究内容和技术路线7 第二章高速公路拓宽工程新老路基不均匀沉降计算模型及验证。8 2 1 基本模型的建立8 2 1 1 有限元计算方法8 2 1 2 基本假定8 2 1 3 模型的几何参数9 2 1 4 土的本构关系：9 2 1 5 材料的计算参数1 1 2 1 6 边界条件和单元类型1 1 2 2 路基加宽处治的计算模型1 2 2 2 1 土工格栅的有限元分析模型1 2 2 2 2 管桩复合地基的有限元分析模型1 4 2 3 计算结果及模型验证1 5 2 3 1 计算结果1 5 2 3 2 模型验证17 2 4 本章小结1 8 第三章新老路基工后差异沉降的影响因素分析1 9 3 1 新老路基结合部差异沉降原因分析1 9 3 1 1 地基条件的差异1 9 3 1 2 新老路基本身的特性差异1 9 3 1 3 荷载的影响1 9 3 1 4 新老路基结合部位施工的原因1 9 3 2 加宽路堤几何参数的影响分析2 0 3 2 1 加宽方式的影响分析2 0 3 2 - 2 路基加宽宽度的影响分析2 2 3 2 3 路堤填筑高度的影响分析2 5 3 3 加宽路堤填料性质的影响分析2 8 3 3 1 加宽路堤刚度的影响分析2 8 3 3 2 路基填料重度的影响分析3 0 3 4 地基参数的影响分析3 3 3 4 1 土基模量的影响分析3 3 3 4 2 软土地基深度的影响分析。3 5 3 5 本章小结3 8 第四章路基处治技术与不均匀沉降的计算及分析m 3 9 4 1 边坡削坡与台阶开挖3 9 东南大学硕士学位论文 4 1 1 原路边坡削坡与台阶开挖的作用_ 3 9 4 1 2 削坡与台阶开挖方式3 9 4 1 3 边坡削坡与台阶开挖深度影响的计算结果与分析4 2 4 2 土工合成材料应用。4 7 4 2 1 土工合成材料种类及主要功能4 7 4 2 2 土工格栅的应用与加筋机理4 9 4 2 3 土工格栅加筋参数分析5 0 4 3 管桩复合地基5 5 4 3 1 复合地基的加固机理【5 6 1 。5 5 4 3 2 管桩复合地基影响因素分析。5 5 4 4 本章小结6 2 第五章高速公路拓宽工程减小新老路基差异沉降的措施研究。6 4 5 1 地基处理的目的6 4 5 2 加宽工程地基处理措施【5 8 】6 4 5 2 1 换土垫层法：。6 5 5 2 2 预压法6 6 5 2 3 复合地基法6 7 5 3 轻质路堤分析6 9 5 3 1 轻质路堤填料。6 9 5 3 2 路基不同填料的特性比较。7 l 5 4 不同处理方案的技术经济性分析7 2 5 4 1 不同轻质路堤填料的技术经济性分析7 2 5 4 2 不同处理技术措施的技术经济性分析7 3 5 5 本章小结7 6 第六章结论与展望7 7 6 1 主要结论7 7 6 2 进一步研究建议7 7 参考文献。：。7 8 致谢8 l 攻读硕士学位期间发表的论文。8 2 v 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 近年来，随着国民经济的快速发展，我国高速公路的建设十分迅猛，截止2 0 0 8 年 底，全国高速公路通车总里程已达6 0 3 万公里，居世界第二位。高速公路具有运量大、 速度快、辐射远、效率高等特点和优势，不仅带动了运输结构的改善和运输效率的提高， 而且也促进了沿线产业结构的优化和区域经济的发展。我国高速公路建设起步于1 9 8 4 年，最早开工的是沈大高速公路，最早建成通车的是沪嘉高速公路。但是早期建设的高 速公路，由于受建设时社会经济水平、技术水平和建设思想的制约，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。现在有相当一部分已不能适应交通量增 长和社会发展的要求，迫切需要扩大道路通行能力。 自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、沪宁等高速公路相继局部或全线 扩建加宽。结合国外经验及根据国家未来经济发展，可以断言，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【1 1 。利 用现有旧路，对其进行加宽加铺改造，可提高其道路等级或改善道路服务功能，从而改 善现有道路路网结构，使具有较高的技术经济价值，同时旧路利用可以少占土地并有利 于环境保护。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我国本世纪 初公路建设所面临的非常重要和必须解决的问题。 高速公路拓宽工程面临着的两个关键技术难题是新旧路基的不均匀沉降和新旧路 基的不良结合。主要表现在：( 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。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，特别是在软土地基路段，这个问题更加突出； ( 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， 提出适合拓宽工程的地基处理方法和新老路基的衔接技术，是高速公路拓宽改建迫切需 要解决的工程问题。 高速公路的改扩建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。目前，我国公路 部门对公路路基拓宽结构设计方法做了一定的研究，在交通部颁布的公路养护技术规 范、公路路基设计规范中，列入了有关路基拓宽设计的条款，但只对新旧路基交接 部分的连接提出了一些具体的设计要求和施工要点，并未就旧路拓宽时普遍存在的不均 l 东南大学硕士学位论文 匀沉降对路基整体结构的破坏作用提出相应的设计方案。因此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理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状 国外对于高速公路拓宽工程的理论研究，特别是软土地基上高速公路拓宽工程起步 较早，大多建立在设计施工技术方法、离心模型试验和有限元模拟分析的基础之上。国 内由于高速公路拓宽工程刚刚起步，研究水平主要停留在工程实践的水平上，相关的理 论研究还处于初级阶段，需要作更加深入系统的研究。目前国内外开展的研究主要包括 以下几个方面： 1 2 1 拓宽工程路基差异沉降的分析方法 目前针对路基加宽工程路基差异沉降的数值计算分析方法主要有有限元法、反分析 法和模型试验法等三种。 ( 1 ) 有限元法 有限元分析的关键是材料本构模型的确定。国外应用较多的是弹塑性摩尔库仑模型 或修正c a m - c l a y 模型。rb j b r i n k g r e v e 和e 八v e r m e e r ( 1 9 9 4 ) 【2 】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，并指出应用 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。l u d l o w s 等( 1 9 9 2 ) 【3 l 利用帽子弹塑性硬化模型( c a p e l a s t i c - p l a s t i cw o r k - h a r d e n i n gm o d e l ) 对软土地基上的加宽路基进行了有限元分析。e v o s ( 1 9 9 4 ) 4 1 以及a n gv a nm e t w s 等人( 1 9 9 9 ) 【5 】对加宽路堤的间隙法填筑施工方 法进行了有限元数值计算。 周志刚等( 1 9 9 5 ) 【6 】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。章定文( 2 0 0 4 ) 【7 】采用摩尔库仑理想弹塑性有 限元方法对新老路堤的相互作用机理进行了研究，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，以及不同软土地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。钱劲松等( 2 0 0 3 ) t s l j $ 过分析老路拓宽差异沉降的研究现 状，指出了目前计算方法的不足，并结合通用有限元程序a n s y s ，运用d p 材料来模 拟土体的非线性，对老路拓宽工程进行了非线性有限元分析，总结了差异沉降的规律， 并依据计算结果对老路拓宽的设计提出了建议。孙伟等( 2 0 0 4 ) 【9 】对双侧加宽工程中的 水平位移和地基沉降进行了有限元计算，分析了地基和路基模量对路基最大沉降量、最 小沉降量及差异沉降的影响，认为提高地基模量可以有效降低路基沉降量，而提高路基 模量对其沉降量影响不大。贾宁等( 2 0 0 4 ) 1 0 1 以杭甬高速公路拓宽为背景，分析了拓宽 路堤附加应力对老路堤的影响，基于摩尔库仑模型，研究了老路堤和拓宽路堤的沉降 变形规律，与实测结果作了对比，并探讨了拓宽道路路面的合理施工时间，认为拓宽路 堤路面铺设时间应以新老路堤工后差异沉降大小为控制标准。张军辉等( 2 0 0 6 ) 1 l 】采用 2 第一章绪论 a b a q u s 有限元软件对软土地基上高速公路双侧加宽工程进行了数值分析，证明加宽 后老路堤横断面沉降由弯沉盆状变成了反盆状，差异沉降呈马鞍形分布，且最大值发生 在新路堤形心位置处。 ( 2 ) 反分析法 在对路基路面工程问题进行计算与分析时，通常根据工程实际情况确定几何条件、 荷载条件和边界条件，通过工程地质勘探和室内外试验确定地质条件、本构模型和力学 参数等，通过解析法、半解析法或数值仿真方法求解结构或岩土介质的物理量( 如应力、 应变等) ，这一求解过程称为正分析。而反分析则是利用工程中的实测数据( 如应力、 位移、孔压等) ，通过数值计算确定岩土介质的力学参数，甚至是本构模型，与此同时 求得问题所需的物理量。反分析又可分为模型参数反分析和模型识别过程的反分析。 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。基于反分析的参数，可以利用常规方法或有限元方法计算加 宽路基的应力应变特性，预测工后沉降。反分析法的基础数据来自工程现场实测信息， 使得结果更具有实用性和可靠性。陈国荣等( 1 9 9 8 ) 【1 2 】根据施工期实测资料，采用粘弹 性有限元和非线性二乘法阻尼优化方法，反演了路基土体的地质力学参数，然后计算路 面铺筑后的工后沉降，编制了有限元正反分析程序，并对沪宁高速公路某路段进行了反 分析计算，得到了令人满意的结果。苏超等( 2 0 0 0 ) 1 3 】针对高速公路拼接段工程，应用 蓼 土体固结非线性有限元法，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，该方法在锡澄与沪宁高速公路拼 接段上应用，经一年多的现场监测表明取得了良好的效果。 肇 ( 3 ) 模型试验法 室内模型试验可以获得较充分的测试数据来验证理论分析结果，与有限元法有机结 合，可以有效解决工程实际问题。通过模型试验可以研究加宽路堤的应力与位移的分布 ； 规律，为有限元法计算与验证提供可靠的依据。a gi n j o a n a e s p e d e r s e n 和h b r o e r s ( 1 9 9 4 ) 1 4 j 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。研究表明，离心模型试验与有限元分析具有较好的 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j e c a m - c h y 模型的计算值和实测值比较相近。h gb a l l e r s m a 等人( 1 9 9 4 ) 5 j 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的失稳破 坏和两种不同填筑方法( 普通水平填筑和间隙法填筑) 对加宽路基的影响。研究表明， 加宽路基的间隙法填筑较普通水平填筑可以有效地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。 南京水利科学研究院( 1 9 9 3 ) 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。冯光乐等( 2 0 0 3 ) 1 1 6 】采用四种离心模型试验方案，对不同布置方式、不同 压实度情况下的土工合成材料处理桥头过渡段路基的沉降变形进行了研究，得出土工合 3 不雨大学硕士学位论文 成材料处理的主要作用是使过渡段路基台阶型沉降转化为沉降坡差。汪浩( 2 0 0 4 ) 1 7 】 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，量 测加宽过程中不均匀沉降和孔隙水压的发展以探求新老路堤的相互影响。贾圣东等 ( 2 0 0 8 ) i l8 j 以佛开高速公路项目为依托，利用离心模型试验研究了土工格栅加筋路堤的 稳定性，并分析了土工格栅加筋间距对路堤变形的影响。 高速公路拓宽工程的设计目前还没有规范的分析方法，需要在已有较成熟的计算方 法中针对拓宽工程的具体情况寻找能够解决问题的新途径，合理分析加宽路堤作为边载 形式引起既有路基产生的附加沉降和不均匀沉降。 1 2 2 高速公路路基拓宽工程的技术措施 高速公路路基拓宽工程的技术措施主要有地基处理方法、结合部处治技术和轻质路 堤法等。 ( 1 ) 地基处理方法 由于高速公路拓宽工程一般工期比较紧，而且多数情况下要保持正常的交通，所以 施工场地狭窄，又要保证拓宽以后新、旧路面的差异沉降不能过大。因此要考虑不同路 段的地质情况、路堤填筑高度、拓宽宽度等因素，兼顾工期、施工难度、加固效果、工 程造价等多方面问题，必须选择经济、快速、有效的地基处理方法。j h a n ( 2 0 0 2 ) 1 9 1 以及h h a b i b 等( 2 0 0 2 ) 2 0 】研究了桩网复合地基法( g r p s 桩承加筋路基) 在路基加宽 工程中的应用，研究了相关设计和分析方法，并采用有限元方法( p h x i s ) 对其工程特 性进行了分析。研究表明，桩承加筋路基可以有效减小软土地基的路堤差异沉降和总沉 降。稽如龙等( 2 0 0 2 ) 2 1 】根据软土地基上道路拓宽所出现的不均匀沉降和路面裂缝等病 害，从软土地基沉降入手，并结合软土地基处理、新老路基结合部位处理等进行分析研 究，通过高、低路堤试验路段的实践，提出比较合理的路基拓宽处理方法。吉文志( 2 0 0 3 ) 僻j 结合淤泥河试验路段的详细设计施工情况及沈大路加宽技术研究课题组的研究成果， 论述了塑料排水板法在沈大路软土路基段加宽工程中的适用性。舒晓武( 2 0 0 5 ) 2 3 】运用 有限元分析软件p l a x i s ，系统分析了g r p s 系统复合地基在加宽路基中的作用机理。 ( 2 ) 结合部处治技术 为了使加宽部分路堤和既有路堤紧密衔接形成整体，减少新老路堤的不均匀沉降， 防止路面开裂，加宽工程中经常采用的措施有边坡削坡与台阶开挖、土工合成材料的应 用、填筑工艺和压实度控制等。 边坡削坡和台阶开挖 高翔( 2 0 0 6 ) 1 2 4 j 用有限元方法模拟不同削坡方式和开挖顺序对新老路基的影响，研 究表明，变坡度削坡比等宽度削坡对老路基表面横坡比的影响要小；自下向上的开挖方 式对老路基路表变形的影响比自上向下的方式要略小一些，但没有明显的优势。台阶的 开挖尺寸( 宽度和高度) 有一定的限制。我国几条高速公路加宽工程都把台阶高度控制 在8 0 c m 以内，台阶宽度根据边坡坡度确定，在6 0 一- 2 0 0 c m 之间。美国普渡大学的r i c h a r d j d e s e h a m p s 等人( 1 9 9 9 ) 【2 5 】通过对非软土地基上五条加宽道路( 其中三条加宽成功， 4 第一章绪论 两条失败) 的调查后指出，不合适的台阶开挖会导致加宽工程的失败，指出台阶的竖直 高度不宜超过1 5 m 。 关于台阶面上的内倾角，国内高速公路扩建工程中大多采用2 4 的内倾角，出 发点是利用内倾角的嵌锁作用增强新老路基的衔接，但是沪宁高速公路扩建工程课题组 【2 6 1 建议不设置内倾角。理由是内倾角的存在影响台阶面的压实效果，且内倾角不利于排 水。内倾角的嵌锁作用不明显，新路基的典型破坏形式是路基顶部拉裂和差异沉降，如 果拼接路基边坡较陡，此时的破坏形式为近似圆弧状的滑移线，而不是新老路基沿拼接 面的水平滑移。 土工合成材料的应用 为了使加宽部分路堤和既有路堤紧密衔接形成整体，减少新老路堤的不均匀沉降， 防止路面开裂，加宽工程中经常采用土工合成材料处理。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元，包括g o o d m a n 单元、d e c a i 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应变特性和整体稳定性。l u d l o w s 等( 1 9 9 2 ) 【3 】路基加宽 工程的有限元分析表明；加筋材料的类型、模量对加宽路基特性有较大的影响，同时加 筋材料应用于加宽路基工程中可以有效的减小路基的侧向位移。j u h af o r s m a n 和 v c l i - m a t t iu o t i n e n ( 1 9 9 9 ) 2 7 j 利用p l a x i s 有限元程序和现场试验进行研究，发现使用 土工合成材料可以降低由于路堤自重引起的水平应力，从而减少水平位移，有效地防止 路面开裂。影响作用效果的主要因素是土工合成材料的刚度，并且刚度越高作用效果越 好。李锁平等( 2 0 0 1 ) 团】将土工格栅砂砾垫层用于软土地基上既有道路改造工程，认为 土工格栅砂砾垫层能够有效地加强新填路基与既有路基的整体性，提高地基的承载力和 解决路基的不均匀沉降。何通海( 2 0 0 3 ) 1 2 9 针对高速公路改扩建工程的特点，对软土地 基段新老路基间的衔接技术特别是土工合成材料的应用进行了分析和探讨，并提出了相 关的设计方案和施工工艺。顾长存等( 2 0 0 5 ) 3 0 】采用a b a q u s 程序分析了土工格栅加 筋前后软土路堤的竖向位移和侧向位移，结果表明，土工格栅能有效地降低路堤的竖向 位移和侧向位移。 目前这方面的设计和施工方法大多为经验性的，台阶开挖的尺寸、内倾的角度，加 筋材料协调变形的机理、加筋的位置、数量等都存在较大的差异，都缺乏必要的理论分 析。 填筑工艺 高速公路一般都采用普通的水平填筑工艺。国外针对软土地基上加宽路基填筑施工 提出了间隙法 5 1 ( g a p m e t h o d ) ，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 ) ，然后再填筑新老路基之间的间隙。国 外有一些学者和工程师就两种填筑工艺的作用效果做了大量的研究。大多采用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 gb a l l e r s m a 等人( 1 9 9 4 ) 1 5 】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的失稳破坏和两种不同填筑方法( 普通水平填筑和间隙法填 5 东南大学硕士学位论文 筑) 对加宽路基的影响，此外还有ev o s ( 1 9 9 4 ) 【4 】以及八n gv a nn 呛u r s 等人( 1 9 9 9 ) 5 1 的研究工作，他们都得到相似的结论：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。但从施工角度讲，中间留出的空隙不利于机械化施工，并且这种施工 方法人为地在新路基中设置了新的拼接面，反而不利于新路基的稳定，同时施工工期也 会相应延长。 ii 加宽部分原有道