（道路与铁道工程专业论文）新老路基路面结合处治技术及机理研究.pdf

摘要 本文对国内外关于新老路基拓宽处治问题进行了大量的调研，从中 熟悉、了解、比较现有的处治办法及其研究理论、方法，并通过现场调 研，总结出路基拓宽的常见病害并分析了其形成机理，指出应从地基、 路基、路面三者全面着手考虑问题，对拓宽问题进行综合处治。并从三 者之间建立有限元计算模型，研究分析它们的相互作用、影响机理，最 后总结并提出了用于拓宽工程的技术控制措施，并在试验路中加以实证。 论文所采用的有限元分析软件为2 d s 软件；试验路段为陕西省铜川 市锦阳路和安康市安平路两地。 本文具有较强的总结性，并在此基础上进行理论分析论证，指出拓 宽工程中比较重要的关键问题，同时提出具体的处治办法。本文可以为 新老路基拓宽工程提供理论依据和施工指导。 关键词：新老路基不均匀沉降2 d o 有限元分析软件结合处治 公路拓宽 a b s t r a c t t h r o u g hl o t s o fs u r v e ya b o u t o l da n dn e we m b a n k m e n tw i d e n i n g p r o b l e m s ”i nt h ew o r l d ，i mf a m i l i a rw i t ha n dc o m p a r et h e t h e o r i e sa n d m e t h o d so ft h ew i d e n i n g p r o b l e m si nr e s e a r c h ，a n db ys u r v e y i n gm a n y p r o j e c t s i ns i t e ，is u mu pt h eu s u a lr i s k so fe m b a n k m e n tw i d e n i n ga n d a n a l y z et h em e c h a n i s m i ti si n d i c a t e dt h a tw es h o u l dg i v ec o m p r e h e n s i v e t r e a t m e n t st ot h ew i d e n i n gp r o b l e m sb yt a k i n gg r o u n d w o r k ，e m b a n k m e n t a n dr o a ds u r f a c ei n t oa c c o u n t t h ef e m c a l c u l a t i n gm o d e li se s t a b l i s h i n gb a s i n go nt h ec o r r e l a t i o no f g r o u n d w o r k ，e m b a n k m e n ta n dr o a ds u r f a c e ，t h e n i a n a l y z et h em u t u a l e f f e c t sa n dm e c h a n i s mo ft h e m ，f i n a l l y ，is u mu pa n dp u tf o r w a r dt h e t e c h n i c a lc o n t r o l l i n gm e a s u r e sf o rr o a dw i d e n i n gp r o j e c t s ，a n dv a l i d a t e t h e mi nt h et e s ts e c t i o n so ft w or o a d s t h ea n a l y z i n gf e ms o f t w a r ei s2 d - s ，t h et e s ts e c t i o n so ft w or o a d sa r e j i n y a n gr o a di nt o n gc h u a nc i t y ，a n p i n gr o a di na nk a n gc i t y ，s h a nx i p r o v i n c e t h i sp a p e rc a nb et h o u g h ta sas u m m i n g u pp r o d u c t i o ni ns o m ea s p e c t s ， b a s i n go nw h i c h ，ia n a l y z ea n dd e m o n s t r a t et h o s et h e o r i e s ，a n dp o i n to u tt h e i m p o r t a n tc o m m o np r o b l e m si nw i d e n i n gr o a d s ，i nt h es a m et i m e ，1p u t f o r w a r ds o m ec o n c r e t et r e a r m e n t s t h i sp a p e rc a na l s ob et h o u g h ta st h et h e o r e t i cb a s e sa n dt h eg u i d a n c e o ft h e o l da n dn e we m b a n k m e n tw i d e n i n g ”p r o j e c t si ns o m ed e g r e e k e yw o r d s ：o l da n dn e we m b a n k m e n t ， a n a l y z i n gs o f t w a r e ，t r e a t m e n t si nj o i n t s ， i i d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ，2 d 一0f e m r o a dw i d e n i n g 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者虢；兰舻、 日期：2 心年乒月留日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借浏。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 导师签名 e t g q ：刎s 年尹只砧日 吼衙月铲 长沙理t 人学申请硕上学位论文第一章前击 1 1 研究背景 1 1 1 国外研究背景 第一章前言 对于新老路基的研究与分析，美国哥伦比亚大学对用加筋土挡墙进 行路基拓宽的设计和施工作了深入研究。该研究对地质勘查、材料( 填 土、加筋材料) 准备、设计分析和施工都提出一系列要求。设计分析中 包括稳定性分析、挡墙应力分析和地基沉降变形分析。其中，稳定性分 析包括内部稳定性分析和外部稳定性分析，考虑的荷载条件包括：路基 白重荷载、行车荷载、施工器械荷载、地震荷载及风荷载。进行内部稳 定性分析时，采用两楔块模型：进行外部稳定分析时，采用f e l l e n i u s 分 析法。地基沉降变形分析采用e p 曲线和分层总和法，当地基固结变形超 过1 0 c m 时，需要采用有限元计算固结变形导致的不协调变形在加筋挡墙 中产生的附加应力。 美国盐湖城i 1 5 公路w 的改扩建工程，有2 7 k m 的道路位于强度较低、 固结时间长的软弱地基上，但路基容许施工期限很短( 1 2 1 8 个月) ，为 保证路堤施工的稳定性并减小工后不协调变形，采取了多项工程措旌。 其中包括：设置塑料排水板、置换地基、路堤分期施工、轻质路堤、加 筋挡墙和设置桩基础等。 另外，美国a a s h t o 一2 0 0 2 版设计方法”。老路拓宽部分的设计中强 调了新路和老路必须良好结合，要求新拓宽的路面结构性能尽可能和原 有路面相近。认为在常规设计下，旧路拓宽工程中沿结合面的破坏是不 可避免的，a a s h t o 仅提出了以上一些原则和技术措施的建议，但没有 提供明确的有针对性的结构设计方法。 意大利m i l a n o s e r r a v a l l e m ( 伦巴底米兰一热那亚) 高速公路公司 决定加宽高速公路的米兰一波河路段，该路堤的基层有大量高塑性、高 压缩性的粘土层，并且这些粘土已大量沉降。工程师们采用了如下措施， ( 如图1 1 ) ：在地基上铺设一层t e n a xt n t5 0 0 复合排水网用于排水； 铺设一层0 3 0 m 的粒料并压实到9 5 的改良密度：铺设一层t e n a xl b o 3 0 1s a m p 双向土工格栅用于加固地基，然后用0 3 0 m 的压实粒料覆盖。 t e n a xl b o3 0 1s a m p 士工格栅经过特别设计，通过均匀分配荷载来加 固地基。通过对地基土和上工格栅加固层进行平扳载荷试验发现，地基 长沙理t 大学申请硕士学位论文第一章前吉 土上的弹性模量是3 - 4 m p a ，加固层上的弹性模量是1 7 1 8 m p a ，而 $ e r r a v a l l e 公路要求的弹性模量至少为1 5 m p a ，处治措旌满足了设计要求。 图1 1土工格橱处理软土路基 澳大利亚交通部门曾在对南澳洲一条e y r e 高速公路拓宽改建”1 时， 对拓宽部分软弱地基表层土体，出于当地部门对环保的要求，采用专门 机械翻松表层土，再掺加一定比例的生石灰、粉煤灰和路邦( r o a d b o n d ) 液体固化剂进行混合搅拌来进行处治。处治后通过落锤式弯沉仪检测路 基路面整体抗变形能力满足设计要求。通车2 年后道路状况良好，未发 现相关病害产生。 r 本对软土地基上的路基不均匀沉降控制方面进行了多方面的研 究，其中包括针对半幅拓宽路堤提出了一系列工程措旖“1 。公路拓宽时将 原有双向车道保留，作为拓宽后新路的一个方向的车行道，而在一侧不 远处( 相距1 3 m ) 增设一新路堤作为新路的另一个方向的车行道。此 时原有修筑的路堤已经完成固结沉降而处于稳定，而由于拓宽路堤的影 响，老路堤也倾向于新路堤一侧沉降。导致老路堤路表平整度下降，路 面丌裂。推荐采取的措施一般有：通过在原有路堤外侧路肩处竖向打入 一定深度的板桩，使新拓宽路堤的沉降隔离在板桩处，以起到消除由于 新路堤的沉降给老路堤带来的连带沉降影响；或通过在新路堤地基部分 设置挤实砂桩、石狄桩等复合地基来减小新路堤的沉降量，最终达到减 小对老路堤的影响：以及通过在新填路堤地基处打入预制桩来减小新路 堤的沉降。 a n g v a nm e u r s 和a v a nd e l lb e r g n ，针对软士路基上加宽路基填 筑施工提出了间隙法( g a pm e t h o d ) ，这足种二步填筑法，先在距离老路 基一定距离外填筑部分新路基，新老路基之州留有一定间隙( g a p ) ，然后 再填筑新老路基之间的间隙。由于在第一阶段新路基填土自重作用下的 1 盍| 结会使新老路基问隙下的软土强度和水平应力提高，因而可以有效减 小第：阶段填士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。 2 长沙理工人学申请硕士学位论文第一章前言 国外软基道路拓宽多采用轻质材料，例如p u f ( p o l y u r e t h a n e f o a m ，聚氨酯泡沫) 、s l m ( 以膨胀珍珠岩为母体，掺加一定比例的水泥 和s l m 溶液加水拌制而成的混合料) 、e p s ( e x p a n d e dp o l y s t y r e n e 膨胀 性聚苯乙烯泡沫) 等，但这些材料价格昂贵，国内应用较少。 1 1 2 国内研究背景 周志刚等利用有限元对老路拓宽设计方法作了大量研究n ，其方法 为假定路基土体为线弹性体，得到路堤顶面不均匀沉降的特征函数，然 后假定土层内部各点在重力作用下产生的弹性变形和流动变形成比例， 用分层总和法计算出的最大沉降值修正得到小均匀沉降的实际形状和大 小。这种方法比分层总和法更能准确地反映新老路基的相互作用。但是 由于土体复杂的本构关系，用线弹性模拟然后修正的方法具有一定的局 限性。并且，在有限元计算中没有考虑固结理论，计算得到的沉降为施 工期脚产生的沉降和工后沉降的总和，而对路面结构产生不利影响的只 有工后沉降这一部分。 另外，周志刚等通过非线性有限元计算分析1 ，结合现场沉降观测、 f w d 弯沉检测，研究了采用层铺土工格网处理填挖交界路基非均匀沉降 的机理，认为“在填挖交界路基中分层铺设土工格网，可以改善填土的 支承刚度，降低路堤内的垂直应力，有效缓解填挖交界路基沉降的非均 匀程度，从而解决路基非均匀沉降问题。并且铺设后，路基顶面和路面 结构层表面的水平拉应力和剪应力有较大幅度的减小，从而降低了路基 顶面和路面结构拉裂或剪裂的可能性”。 孙四平等对路基拓宽的处治方案及理论分析做了初步探讨n “，认为 在对旧路进行加宽改造时，必须综合分析加宽路基的稳定性和新旧路基 间的整体性、地基沉降和路堤自身的压缩变形、路基土的累计塑性变形 等造成的不均匀沉降，以及新旧路基间的刚度差异等对路面结构的影响。 嵇如龙在新老路基差异沉降的计算中，应用分层总和法，做了很多 有益的探讨”“。拓宽路基后的工后沉降值为新路基的最终沉降量减去老 路基已完成的沉降量差值再乘上未完成的沉降系数，即：s 目= ( s * o u s ：4 ) ( 1 一u 。) ，其中，ut 为拓宽施工前老路基的固结度，u ，为新路 基在施工完成后的固结度。但是，应用分层总和法没有办法考虑新老路 基的相互影响，在新老路基结合处的差异沉降计算值偏大，不能有效地 模拟差异沉降的横断面形状。并且，分层总和法只能计算出地基顶面的 不均匀变形，却无法反映出路堤顶面的实际沉降横断面图，而后者才影 长沙理t 大学申请硕上学位论文第一章前击 响着路面结构的受力状态。 贾宁等m ，认为应从应力分析着手，分析拓宽路堤沉降及变形问题； 拓宽路面铺设时间，不宜参照软土地基上新建路堤的工后沉降控制标准， 而应在分析新、老路堤沉降规律的基础上，以新、老路堤工后沉降差作 为控制标准。 高翔、刘松玉n ”等对软土地基上高速公路路基扩建加宽中的关键问 题进行了研究，认为高速公路加宽工程软基处理最好采用快速固结方法， 以加快施工周期，降低施工期间维持交通正常营运的费用。复合地基法 是可行的方法；施工过程中要进行沉降和稳定动态观测，控制填筑速率； 模型试验和非线性有限元法以及现场测试相结合，可以较好的分析软土 地基上高速公路加宽工程的力学特性和变形特性。 余常俊m ，根据对杭甬高速公路红垦沽渚段拓宽工程实际情况，认 为新老路基采用宕渣分层填筑、土工格栅加筋连接，新老路面采用玻璃 纤维网连接。根据软土厚度情况，分别设置：路堤桩结合土工格栅、塑料 排水板结合等载预压、一般预压、等载预压、砂砾垫层、土工格栅等形 式进行软基处理。路堤高出原地面后，埋设各种沉降标，对老边坡清表、 开挖台阶，根据沉降观测控制路基分层填筑速度。路基填筑完毕，拆除 路幅外缘的波形护栏和交通设施，挖除土路肩和部分硬路肩，配合原路 面修补罩面，采取顺接的形式进行新老路面拼接。 胡汉兵n7 ，等结合武汉绕城公路的实际，认为施工时应采用与原路基 相同或物理力学性能较好的材料填筑，并适当提高新填路基的压实标准， 填筑时严格控制含水量，保证所需的压实遍数，确保达到压实标准，减 小新路堤堤身压缩量；沉降中心在新老路堤交界面附近，填土荷载引起 的最大主应力增量在堤底区域为最大( 接近填土荷载) ，附加应力水平在 新老路堤结合部位下部地基中最大，因此新老路堤结合部位及其下部地 基应作为加固处理的重点。 桂炎德n “等在沪杭甬、杭金衢高速公路拓宽工程中，对结合部采取 了路基填筑控制( 采用土石混合料和砂砾作为填筑材料，其中砂砾主要用 于桥头与结构物连接部位；为了尽量减小因填筑速率过快，而产生的剪切 变形引起的沉降量，填筑过程将严格控制填筑速率：软基路段填土高度 3 o m 以内，按0 2 m 4 d 的填筑速率，填筑高度 3 m 时，按0 2 m 7 d 的填筑速 率，同时结合沉降速率的控制，每层最大压实厚度为2 0 c m 。) 、防水防裂纹 ( 路面底基层与路基的交界面铺设高强土t 格栅材料；原路面边部各结 构层均挖成台阶状；基层项面洒铺封层油，新老路面接缝处设置玻璃纤 维网；各面层问均设粘层油，上面层建议采用调整的密实型沥青混凝上 4 长沙理工人学申请硕士学位论文第一章前言 抗滑表层。) 、排水( 在结合部其面层下设置开级配碎石排水带，将渗入 老路路面结构内的水排至新建部分的级配碎石底基层排出) 等措施；同 时，强调要妥善处理软土地基、老路硬路肩( 早期建成的高速公路硬路 肩一般不设底基层，而该位置在拓宽以后可能成为主车道，不能满足使 用要求，故应挖除重建。但在挖除的实施过程中会对既有高速公路的正 常运营带来安全隐患，故挖除并非良策。可对老路路面进行弯沉检测， 并收集路面加铺资料，若累计路面厚度和弯沉值达到设计要求则不再挖 除；若弯沉值达不到要求，则采用竖向、水平向钻孑l 注浆的方法。) 杨卫东n ”等采用对附加应力进行修正的改进分层总和法来估算新加 宽路基的沉降，其竖向附加应力的修j 下算法即以拓宽带来的道路横截面 变化( 即路基荷载自重应力) 作为修正因子。该算法对修正因子的考虑 有很大缺陷，并且存在对附加应力的认识误差。 苏超m ，等在沪宁立交匝道拓宽处，在匝道桥接坡直接拼宽段采用了 粉喷桩复合地基处理，粉喷桩桩径为5 0 c m ，桩距1 2 m ，桩长1 5 m 。在分 离式路堤拼接处采取了高压注浆形成地下连续沉降隔离墙的措施，来消 除由于新填路堤的沉降给老路堤带来附加沉降。 王艳茹”“在黑龙江省密山市方虎公路拓宽工程中，对拓宽部分路基 采取了风化碎石土填料填筑，结合面清除腐植土，挖设土质台阶等措施。 陈玉良n ”等采用地基弹性理论方法以及考虑应力历史影响的沉降计 算方法进行定性分析研究，得出新老路基出现差异沉降是路面产生裂缝 的结论。 黎志光“3 ，在广佛高速公路加宽扩建工程中，认为新老路衔接处理措施 应从新老路基和新老路面两方面着手。对前者，严格按照施工规范中对 新老路基衔接的要求开挖台阶，而且台阶的数量尽可能多，为新老路基 的衔接提供更多接触面，更利于新老路基的接合。在部分填方较高的路 段采取逐步开挖的方式施工，同时做好排水与安全防护工作；严格控制 新老路基接合带的压实，对新老路基接合带f 大型压路机的压实施工死角) 用打夯机分薄层填筑压实；在路槽纵向铺设2 m 宽跨施工缝的土工格栅， 加强新老路基的横向联系，减少裂缝反射。对后者，从标高与横坡的接 顺、路面防水与排水处理( 在底基层下面增设由1 2 c m 厚的级配碎石上垫 层和5 c m 厚的中粗砂下垫层组成的排水挚层，并在超高路段设置纵、横排 水盲沟，以消除老路基长期积水对新路的影响，延长路面的使用寿命) 、纵 向裂缝的控制和处理沉降速率稳定在3 m m 月以内方可铺设面层；对基层 面已经出现的裂缝，缝宽大于5 m m 的采用压浆处理，压浆强度2 o m p a ： 缝宽小于5 m m 的采用水泥浆或沥青灌封，防止观测期间雨水渗入路基； 长沙理丁大学申请硕士学位论文第一章前言 将老路面边缘6 0 c m 宽范围内呈疏松状态的沥青砼面层和水泥稳定基层 挖除，在新路面施工时一齐回填压实，结合前述在路槽跨旋工缝设置土 工格栅的措施增强路面整体性) 三方面进行处理。 钱劲松”“经研究，发现老路拓宽差异沉降采用分层总和法不能考虑 新老路基的相互作用；而非线性有限单元法能够较好地反映老路拓宽的 实际情况，故后者优于前者。拓宽宽度和拓宽方式对差异沉降有影响( 当 拓宽路堤宽度不大，最大差异沉降将发生在拓宽路堤边缘处；当拓宽宽 度超过老路坡脚一定距离后，最大差异沉降将发生在拓宽路堤边缘内侧； 采用双侧拓宽比较有利) 。另外，路堤高度也对差异沉降产生影响( 随着 填土高度的增加，最大差异沉降逐渐向外侧移动，且最大沉降值也在增 加) 。 刘桂强”“依据广东省省道$ 3 6 2 线沙湾至紫坭段软弱地基上旧路加宽 路基综合处治的设计，认为，应该从地基和路基两方面进行综合处治。 李锁平n “经比较研究分析认为土工格栅砂砾垫层在软弱地基路基加 宽段中可以应用并推广。 王志俊”通过对土工布技术在北方地区旧路改造中的应用研究，认 为土工布适合在水泥稳定层过渡层、沥青混凝土下面层及新建路面的黑 色路面结构之间铺设，不适合于路基破坏严重的路段；能延缓反射裂缝， 克服收缩裂缝，减少裂缝宽度，防止雨水下渗；同时，降低工程造价2 9 及延长疲劳寿命，并且缩短施工期，为旧路改造充分发挥其经济效益。 1 1 3 小结 国外对新老路基结合问题的研究总体较少，其原因是在于国外很多 发达国家比较客观地预测了交通量，在规划和设计公路网时考虑比较成 熟，公路在运营中不需要进行拓宽或者已经预留了用于拓宽的中央分隔 带。没有大量的实际工程需要，国外对拓宽工程病害及不协调变形的研 究远没有形成体系。 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， 但大多建立在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 等人对一般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，但并末涉及软土地基上路基加宽的 问题。 美国、加拿大、日本、挪威等国家的学者曾做过一些理论分析和实 验研究。日本和挪威主要针对的是软上地基上的新老路基拼接，采用路 6 k 沙理工人学申请硕| ：学位论文 第一章前言 堤加筋的方法来减少新老路基的不均匀沉降。美国、加拿大和印度除了 涉及到软土地基上的路堤拼接以外，未涉及山区公路的路基拓宽问题。 对于加宽工程的理论分析计算，国内外主要采用如f3 种方法： ( 1 ) 有限单元法 目前，国外多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v o s ( 1 9 9 4 ) 、a n g v a nm e u r s ( 1 9 9 9 ) 等人 对加宽路基的间隙法( t h eg a p m e t h o d ) 填筑进行了有限元数值计算，r b j b r i n k g r e v e 和p a v e r m e e l ( 1 9 9 4 ) 针对软土地基上的加宽路基工程分 析了有限元计算中不同本构模型的选取所引起的计算差异。t u h a f o r s m a n 和v e i i m a t t iu o t i n e n ( 1 9 9 9 ) 3 0 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 ) 反分析法 ( 3 ) 模型试验法 a g i h j o r t n a e s p e d e r s e n 和h b r o e r s ( 1 9 9 4 ) 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 ) 3 0 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 对加宽路基的影响。 我国对旧路改扩建的研究起步较晚，我国公路法出台比较晚， 早期修建的高等级公路对红线内的地下、地上建筑物控制不严，造成新 加宽地公路路基下管网密集，地上构造物复杂，拆迁工程非常巨大。大 多改扩建工程都是基于软土地基的不均匀沉降对路面结构的影响，或者 是半填半挖路基不均匀沉降的沉降规律或者由于不均匀沉降所产生的附 加应力，而且，研究都是基于弹性体系的基础上。 关于路基拓宽和新老路基结合部处治，以前在我国并不突出，现行 公路路基设计规范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) 、公路路基施工技术规范( j t j 0 3 3 9 5 ) 、公路设计手册一一路基以及其它相关规范均涉及甚少( 尽管 公路路基设计规范专门列出了“路基拓宽改建”一节的内容) ，有关 工程经验也比较欠缺，对成因机理、结构响应和工程对策等方面的研究 才刚刚起步”1 。 这一领域实际工程中面临的主要技术问题： ( 1 ) 相关现行规范所依据和反映的是9 0 年代初期之前我国公路路基 设计与施工的研究成果和经验，而新老路基的拼接和结合部处治的问题 是在9 0 年代中后期以来彳曰渐突出的。这些问题和经验亟待总结和研究， 并及时反映在路矮设计和施工规范中，以指导今后的公路建设。 7 k 沙理工人学申请硕，i 学位论文第一章前言 ( 2 ) 实际工程中缺少经济、有效的处治技术( 尤其是针对西部地区特点 的处治技术) 可供选择；对已经应用的技术措旌也少有系统的监测、分 析和总结，对应用效果和适用条件大多没有明确的定论。 ( 3 ) 目前采用的处治技术和方案设计主要是定性的，缺乏科学的设计理 论、方法和参数，相当程度上影响了工程的技术水平。 总体来说，国外对该工程问题的研究相对较少，而国内仍处于仅对 某一个相关工程的处治措施进行施工经验介绍和总结的水平，并没有对 相关病害和各种处治措施进行系统的研究与分析，缺乏全面系统的理论 依据；且一些尝试性的计算分析在模型的建立和应用范围方面存在很大 缺陷。所以，迫切需要根据我国国情，对路基拓宽的病害机理进行全面 系统的理论分析，并对相关处治措施进行评价和总结。 1 1 4 本论文研究的意义 本文立足点是针对西部地区公路改扩建设工程。西部公路建设除了 大规模新建公路，提高路网密度之外，另外一个重点就是对既有公路的 改造和扩建，提高公路的技术等级。 因路基拓宽、新老路基结合而引起的路基路面变形、开裂甚至是滑 移破坏现象，在工程中十分常见，加之西部公路建设中常遇到软基、湿 陷性黄土、膨胀土等特殊地质条件，因此，1 日路改造的难度较大，出现 问题也较多。 目前，对新老路基结合部的处治，国内外做了很多的研究工作，并 在实际工程中成功地应用，取得了一些阶段性的经验。而2 0 0 1 年至2 0 0 3 年同济大学和长沙交通学院共同承担的西部课题“新老路基结合部处治 技术”，则较系统地、全面地分析了这类新老路基结合问题，如路基拓宽 的技术特征、设计理论和方法，新老路基不协调变形机理、计算方法、 对路丽结构的影响，新老路基结合部处治原理、方法与施工技术等。 在这些科研中，许多都用有限元分析方法、软件进行数值分析，如 采用p d s s 程序、f l a c 差分法、m a t l a b 软件、德国a s k a 、英困p a f e c 、 法国s y s t u s 、美国a b a q u s 、a n s y s 、e l a s 、a d l n a 、m a r c 、b o s o r 、 b e r s a f e 、c o s m o s 、s t a r d y n e 软件、日本的2 d 一盯及3 d o - 软件。 但是，新老路基结合部的作用机理和相应的设计方法，困内外尚未 作系统的研究或是研究还有待加深。本文正是基于此考虑，用有限元方 法及软件较全面地分析了新老路基路面结合部的作用机理，奉文采用 2 d 一盯有限元软件分析。 长沙理工人学申请硕上学位论文第一章前言 1 2 研究内容及拟解决的问题 本论文探讨了新老地基、路基、路面本身的结合及相互之间的结合 机理问题，通过有限元分析得到了一些结论。在此基础上验证了试验路 段所采用的处治方法的正确性、合理性。 1 2 1 复合地基的分析 针对我国西部地区存在软土、湿陷性黄土、膨胀土等特殊地基，采 用碎石桩、砂桩、搅拌桩、挤密桩等处理地基。 ( 1 ) 说明用碎石桩、砂桩、搅拌桩、挤密桩等处理上述特殊路基的有效性， 可有效消除新老路基工后沉降的一个方面一一地基的沉降； ( 2 ) 提出黄土地区路线跨越冲沟时的处置措施； ( 3 ) 指出灰土桩处理试验路段的挤密加固原理。 1 2 2 新老路基结合处治机理分析 分析如何消除新拓宽路基的沉降，如何解决新老路基的结合问题， 如何减小因新拓宽路基对老路基的上覆压力和负摩阻力而引起老路基及 地基的沉降问题。 ( 1 ) 用2 d 一盯软件分析采用沿沿老路边坡开挖台阶：用轻质材料填筑，如 粉煤灰、二灰土、e p s 、p u f 、s l m ：砂砾填筑拓宽路基挡土墙背， 地基换填砂砾、碎石、卵石、素土、灰土、矿渣等：土工格栅、土 工网、土工格室、土工膜等加筋处理：拓宽部分高填方路段设置矮 墙或反压护道等措施处理老路基拓宽问题的机理，是如何减小拓宽 路基和整个拓宽后路基的沉降的。 f 2 ) 考虑新老路基下地基的特性( 地质条件) 不一致，分析因此而出现的 不协调变形机理。 ( 3 ) 考虑不同台阶尺寸条件下的新老路基结合效果。 ( 4 ) 考虑不同拓宽宽度条件下，新老路基的结合处治问题。 ( 5 ) 考虑不同拓宽方式( 单侧拓宽、双侧拓宽、由两边向中央分隔带拓 宽三种形式) 时新老路基结合问题。 1 2 3 新老路基、路面的结合处治机理分析 针对路基与路面的结合处理中采用铺设粒料基层或整层，另外在基 层与路基、基层与路面、旧路面和新路面之间铺设土工材料等的方法， 9 长沙理工人学申请硕上学位论文第一章前言 分析作用机理，说明用此种施工方法可以减少路基不协调变形和对路面 结构的力学响应，同时可防止路基裂缝向上的反射。并探求较好的路基 和路面结合处治措施。 1 3 技术路线、思路 ( 1 ) 对国内外最新的新老路基路面结合处治措施进行总结、分析。 ( 2 1 现有有限元方法、软件对新老路基路面处治分析的评价。 ( 3 ) 简介课题组设计的实验路段( 采用的技术措施、施工工艺控制、数 据收集、处理情况) 。 f 4 1 从地基、路基、路面三方面的结合处理及新老路基路面的结合处理 进行有限元分析，验证课题组所采用的处治措旌的合理性、有效性，同 时提出新的技术方法。 ( 5 ) 对本论文进行总结。 】o 长沙理工大学申请硕士学位论文第二章公路改扩建工程病普及机理分析 第二章公路改扩建工程病害及机理分析 2 1 公路改建工程常见病害 公路改扩建后，出现的病害经调查分析认为，有如下四种：路面破 坏、路基及地基不均匀沉降与失稳、边坡坍塌、支挡结构损坏等。 2 1 1 路面破坏 如果路面是沥青路面，通常是产生纵向裂缝，这种裂缝往往会贯通整 个加宽路段；如果路面是水泥混凝土路面，在初期面板下面出现翘空， 在重荷载或长期荷载作用下，面板纵向断开。如图2 1 ，图2 2 ： 图2 1 水泥路面纵向裂缝、断裂图2 2 沥青路面纵向裂缝 2 1 2 路基、地基不均匀沉降与失稳 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。表现为拓宽路基沿新老路基结合面发生滑移沉降，严重时发生 整体性坍塌。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，引起新老路基结合部位的路面开裂，这样雨水由裂缝进入，结 合面强度逐渐降低，给路基稳定性留下更大的隐患；当滑移量较大、甚 至整体坍塌时，造成拓宽路面整体破坏，甚至使原有路基相继出现失稳， 致使原有路面也发生结构损坏和使用功能的下降。 2 1 3 边坡坍塌 氏沙理工大学申请硕士学位论立 第二章公路改扩建t 程病害及机理分析 此病害主要发生在改扩建后的沿溪线和高路堑地段。改扩建时对沿 线地质水文情况调查、勘探不充分；对于较难开挖的岩石边坡，路基边 坡未达到设计边坡等，都可以导致改扩建后路基边坡坍塌。如图2 3 ，图 2 4 。 图2 3 边坡坍塌引起大树开裂图2 4 边坡整体性坍塌 2 1 4 支挡结构损坏 表现为挡墙墙面开裂、墙体整体滑移、 倾覆等。一旦墙底受水浸泡、冲刷，或墙 体本身处于潜在滑坡体内，或者挡墙所受 土压力过大，或墙背回填土不实，选料不 合格，回填上不是分层洒水夯实，填料的 内摩擦角小于设计填料的内摩擦角等，都 可能将导致挡墙稳定性不足，从而产生挡 墙墙体丌裂、整体滑移或绕墙趾倾覆等。 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。如图2 5 。 图2 5 支挡结构( 图中右侧) 损坏而使 路肩和行车道分离 长沙理工大学申请硕士学位论文第二章公路改扩建工程瘸害及机理分析 2 2 公路改建工程常见病害机理分析 原因是多方面的，如沿线地质水文情况调查、勘探不充分，设计的 问题，施工质量未达到要求，管理不严格、不合理，。斯老路基本身的特 。 性等。按照病害的类型，可以从两个主要方面分新豢产生机理：稳定性 问题：新老路基路面及地基的不协调变形。 2 2 1 新老路基路面及地基的不协调变形 么堑牛_ 一葛坠一 j _ 一一? 。 l _ 老路基形成的沉降分布圈2 新老踏基拼接形成的沉降分布圈 图2 6 不协调变形 如图2 6 。不协调变形主要是指不均匀沉降，它是地基和路堤沉降和 压缩变形空间差异在路基顶面的反映，包括道路纵向不协调变形和横向 不协调变形。本论文主要讨论横向变形的不协调，出现不协调变形的原 因有： ( 1 ) 新老路基本身的特性差异。 新老路基拓宽处理后结合部位路基材震和路两结构层厚度、强度不 同，一边为新做璐基，一边为原有老路基，质量存在差异，在结合部位 产生一个界面，为道路纵向开裂留下黪患。 老路基由于长期承受大量行车荷载的作用，其客观上已经历了反复 多次的振动、冲击和压实，同时也经受了多年的自然环境循环作用，所 以路基土的压实度应该已接近或达到最大密实度，路基自身固结充分、 沉降也趋于稳定。 而新填路基，即使严格按照规范进行设计和施工，也必然要经历进 一步的固结、压密等过程，加上新老路基填筑材料的不同，势必要产生 一定的差异沉降。 这样，新老路基拓宽处理后，在结合部位沉降量不一，产生一个沉 降差值突变点，成为道路产，生纵向裂缝的主要原因。 ( 2 ) 新老路基下地基沉降的差异( 即地基地质条件的差异) 。 对于地基条件较差的路段，由于土体压缩性大、固结时间长，在新 填路基施工结束后仍然会发生较大的沉降；而老路基下的地基固结变形 已经完成或基本完成，这同样会造成地基的差异沉降，随之会反应到路 长沙理工大学申请硕士学位论文第二章公路改扩建工程病害及机理分析 基和路面上。 ( 3 ) 新老路基结合部位施工的原因。 结合部位施工工艺较复杂，施工难度较大，往往在此产生人为的质 量因素，如密实度达不到设计标准；对于较高填方路堤，未开挖或未合 理开挖台阶；未清除老路边坡的草皮、树根、腐植土、杂土等：新老路 基结合部压实处理不好等等。 ( 4 ) 行车荷载的影响。 老路加宽后，行车荷载位置向外扩展，一般来说荷载力大部分分配 到新填路基上，其中，重车荷载基本都由拓宽路基承担，从受力角度上 讲，新路基所受的承载力比旧路基大，因此，下滑或沉降的可能性也就 更大，如图2 7 ，箭头方向表示来、去向车流。 重车重车重车重车 i ffll 一一一厂一一一 原路基原路基 、拓宽路基 。：，一 ，j。：，。，。，+、，一 图2 7 行车荷载影响新老路基的不均匀沉降 ( 5 ) 路堤横断面竖向宽度不同引起的不协调交形。 拓宽路堤和一般新建路堤一样，横断面沿竖向由于填土宽度不同会 发生不协调变形。由于新建路堤和拓宽路堤均设置边坡，横断面存在自 重荷载的变化，导致由于路堤自身压缩变形和地基固结变形产生的沉降 在横断面上分布不均这种不协调变形在路堤较高或者地基软弱时比较 突出，反映到路瑟结构上，可导致路面结构的损坏。 2 2 2 稳定性问题 稳定性问题是指拓宽路基自身稳定性不能满足稳定要求，或者新老 路基结合部结合强度不足而引起失稳。弓i 起此类问题的具体原因： ( 1 ) 地基过陡。 在西部山区道路拓宽工程及半填半挖工程中，往往地质、地形条件 复杂，经常需要在陡坡地基上进行拓宽鼹萋的填筑( 如图2 8 ) 。为保证 拓宽路堤的稳定性，拓宽常采用重力式挡墙或者柔性挡墙的支挡结构。 如果原地基边坡存在潜在破裂面或滑移面时，拓宽路基将沿此破裂 面或滑移面产生滑移，从而导致整体失稳；另外地基土的抗剪强度可能 受到外界各种因素的影响而降低，如雨水侵入使土湿化、干湿循环、冻 1 4 长沙理工大学申请硕士学位论文第二章公路改扩建工程病害及机理分析 图2 8 地基过陡时导致失稳 融循环而使地基土发生松动。做支挡结构设计时，获取的道路沿线地质 资料不够完整，因此挡墙设计一般以经验为主，套用通用图，对挡墙缺 乏必要的稳定性验算，实际施工时基础埋深随意性强，影响支挡结构的 稳定性。 ( 2 ) 雨水渗透加剧不均匀沉降。 当新老路基出现不均匀沉降而导致路面出现裂缝后，雨水会由裂缝 进入，结合面强度逐渐降低，给路基稳定性留下更大的隐患。( 如图2 9 ) il 竺登 ，一。专 “ 7 ，裂 r 簟篓学，警 老痞基 雨水蝰透 t + 叠、r 一一、 董、 新拓宽路基、 图2 9 雨水渗透引起拓宽路基失稳 ( 3 ) 地基存在软弱下卧层。 当地基存在软弱下卧层，如，压缩系数大、流变性显著的软士，可 能形成自结合面至软弱层顶面的滑动面( 如图2 1 0 ) 。另外，软弱下卧层 具有流变性，侧向变形非常大，软弱地基土向路堤外侧挤出，拓宽路基 坡脚出现隆起现象，并伴随塑性区域的开展，最终导致边坡失稳。 长沙理工大学申请硕士学位论文第二章公路改扩建工程病害及机理分析 “0 “、。，软弱下卧层”。”。”。”。 图2 1 0 地基存在软弱下卧层时导致失稳 ( 4 ) 地下水位下降引起的失稳。 在拓宽过程中，常遇到河塘邻近路堤坡脚的情况，为满足分层填筑 时能确保形成千地施工条件，常进行抽水清淤，此时如果原地基是采用 塑料排水板处理或地基透水性能较好，将会造成老路基和两侧抽水后地 基坑底形成水位差，迫使老路基下的地下水向路堤外侧形成渗流，弓l 起 了一定范围内地下水位的降低( 如图2 1 1 ) ，使原来处于地下水位以下的 地基土变成了水上部分，它的容重由浮重度变成湿熏度，这样，对路基 额外地增加了由于地下水位的降低而形成的呈三角形或梯形分布作用于 地基的垂直向偏心荷载。在偏心荷载的作用下，对原路中心而言，将引 发反盆形沉降增量，从而引起原路基、路面拉应力的产生，当拉应力超 过路堤的抗拉强度时，将导致路面的开裂。同时，地下水位的降低，又 会引起路堤坡脚处地基土壤渗透变形的产生，对原路造成很大的危害， 因此除路堤荷载外，必须重视施工过程中降低地下水位所引起的失稳。 - 1 。_ 1 。1 ， ，新拓宽路基 一一 | i ! ：一i 二竺竺二 焉i 翟恕日 地下本位l 、l 、li 地下水位降低引起的附加荷载q 、r 图2 1 l 抽水清淤地下水位悻低附加荷载影响示意围 ( 5 ) 新老路基结合部强度不足。 有如下几个方面( 如图2 1 2 ) 原因： 新老路基结合部工艺较复杂，施工难度较大，往往在此产生人为 的质量因素，如密实度达不到标准、开挖台阶没有达到设计要求、老路 边坡没有处理完奎等，造成了结合部的强度不足。 1 6 长沙理工大学申请硕士学位论文第二章公路改扩建工程病害及机理分析 在新老路基结合部没有设置土工格栅，或者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。 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。山区路基填土多为土石混合料，对路表水和地 下水有一定渗透能力，填料中细颗粒材料通常占很大比重，渗水时易发 生淘蚀。 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。路基士受水浸泡而湿软，强度急剧下另外，山区暴雨可能 造成坡体发生很小的坍塌，淤塞道路内侧边沟，养护不及时可导致路基 上侧雨水漫过路面，水雨可能从路面渗入路基。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。 边淘淤毫 裹馘 图2 1 2 羲老路基结合部强度不足导致失稳 1 7 长沙理t 大学申请硕士学位论文第三章新老路基路面结合处治作用机理有限元分析 第三章新老路基路面结合处治 3 1 基本理论介绍 作用机理有限元分析 3 1 1 有限元方法简介 有限单元法( f i n ir ee 】e m e n tm e t h o d ，缩写为f e m ) 是根据变分原理 求解数学物理问题的一种数值计算方法，可以考虑复杂的边界条件、模 拟材料的非线性以及状态的非线性、处理非均质材料等诸多问题，在道 路工程中的应用越来越广泛。 本文有限元软件采用同本软脑株式会社( s o f t b r a i nc o l t d ) 开 发的2 d o 软件。该分析系统能按输入的宏观条件自动生成各种有限元数 据并进行分析，同时以图形方式显示各种分析结果；它具有普遍意义的 力学问题的自动化系统，具备一般旋工所需要的分析功能：非线性、弹 塑性分析，热应力、惯性力分析，挖掘、开采、填土、筑坝等施工操作； 可以快速进行大容量分析、对比反分析，最适于进行方案对比、工程投 标设计、