（道路与铁道工程专业论文）高速公路路基强夯技术施工质量控制指标的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 近年来随着公路运输的发展，许多公路有待提高道路等级。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，使其具有更高的技术经济价值，同时旧路利用可以少占土地 并有利于环境保护。在旧路基综合改造利用中，强夯法是一种简单、经济、省 时的方法，但大部分在质量控制时都采用贯入度等指标，没有考虑与道路路基 压实规范的衔接，即没有提出一套与压实度有关的强夯控制标准。 本文依托威乳路的改建，通过研究利用旧路基修建高速公路引起的不均匀 沉降规律和机理，为地基的处理、路基的加固提供指导性建议通过数值分析、 现场试验研究，制定一套科学合理的强夯施工方案，以有效地利用旧路基来修 建高速公路。同时提出一种与我国道路施工规范接轨的、满足压实度要求的路 基有效加固深度公式及普适的止夯标准。 关键词：高速公路旧路基不均匀沉降强夯止夯标准 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a n yr o a d s n e e dt ou p g r a d et h er o a dg r a d i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o a d t r a n s p o r ti nr e c e n ty e a r s m a k i n gg o o d 峨o fe x i s t i n go l dr o a da n dw i d e n i n gi t s o v e r l a yw i l lb ea b l et oe n h a l l c 宅i t sr o a dg r a d e so ri n l p m v em a d 8 a v i c ef u n c t i o n s ， w h i c hi sm 哦t e c h n i c a la n de c o n o m i cv a l u e i tc a nu s el e s sl a n d sa n dp r o t e c t e n v h o m n e n li nt h eo l dr o a d b e du t i l i z a t i o no f t h eo v e r a l lt r a n s f o r m a t i o n , t h em e t h o d o fd y n a m i cc o m p a c t i o ni 8as i m p l e ，e c o n o m i c a l ，t i m e - s a v i n gm e t h o d b u tm o s to f t h eq u a f f t yc o n t r o lu s e dp e n e t r a t i o nd e g r e e s , a n do t h e ri n d i c a t o r sc o n s i d e r e dr o a d s u b g r a d cc o m p a c t i o ns t a n d a r dc o n v e r g e n c et h a ti sn o tad e g r e eo fc o m p a c t i o n 谢t h t h ed y n a m i cc o m p a c t i o nc o n t r o ls t a n d a r d s w es t u d ym e c h a n i s mo fu n e v e ns e t t l e m e n tc a u s e db yt h ec o n s t r u c t i o no f h i g h w a yu s i n gt h eo l dr o a d b e d , s ow e c a np r o v i d eg u i d a n c er e c o m m e n d a t i o n st ot h e r e i n f o r c e m e n to ff o u n d a t i o n sa n ds u b g r a d e w eg e tas c i e n t i f i ca n dr a t i o n a l d e v e l o p m e n to f d y n a m i cc o n s t r u c t i o np r o g r a mw i t hn u m e r i c a la n a l y s i sa n df i e l dt e s t i no r d e rt oe f f i c i e n t l yu s et h eo l dr o a d b e dt ot h ec o n s t r u c t i o no f e x p r e s s w a y s w eg e t t h ee m b a n k m e n tr e i n f o r c e m e n td e p t he f f e c t i v ef o r m u l aa n dt h eo n l yu n i v e r s a l c o m p a c t i o ns t o p p i n gs t a n d a r d , w h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n t s o fc h i n a t $ r o a d c o n s t r u c t i o nn o r l n sc o n v e r g ea n dc o m p a c t i o n k e yw o r d sjh i g h w a y ；, o l de m b a l l l 【；u n e v o ns e t t l e m e n t ；d y n a m i cc o m p a c t i o n ； c o m p a c t i o ns t o p p i n gs t a n d a r d 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：逢垂压 e t 论文作者签名：硅型! 丛期：兰竺! ：! ：三f 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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 文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：锺垒垦导师签 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 改革开发以来，我国的公路建设取得了令人瞩目的成就，截止到2 0 0 6 年底， 全国公路总里程达到3 4 8 万公里，而高速公路建设更是异军突起，自从1 9 8 8 年 1 0 月我国首条高速公路沪嘉高速正式通车以来到2 0 0 6 年底的1 8 年间，我国的 高速公路通车里程已达4 5 4 万公里，其里程总数已跃居世界第二位。但是近年 来随着我国经济的快速发展，交通量的迅猛增长和大轴载车辆的增加使原有的 高速公路已经远远不能满足要求，原有高速公路的加宽以及将低等级的道路改 建成高速公路也就势在必行。 路基是整个公路构造的重要组成部分路基承受由路面传来的行车荷载以 及路基本身及路面的重力，均可能使路基产生各种变形，直接导致路面的破坏。 路基的强度和稳定性，是保证路面强度和稳定性的基本条件对原有高速公路 进行加宽以及将低等级的道路改建成高速公路，旧路基的利用问题则是关键的 技术问题。 ， 在老路基自重荷载作用下，老路基下的地基经过多年的固结变形，在目前 路基高度下沉降已基本结束，而新加宽侧地基则不然这样，不同高度旧路基 上填筑不同高度的土层时，将出现新老路基下地基的不均匀沉降。老路基的压 实度受当时施工条件和压实标准的控制，低于现行高速公路路基压实标准，若 老路基不经压实处理就利用，老路基与新填筑的路基会存在差异沉降变形。新 老路基接茬部位既是压实不足的薄弱区，又是新老路基变形不均引起拉裂的薄 弱带。如何控制新老路基及地基的不均匀沉降成为旧路改造的最为关键的技术 问题之一 强夯法，国际上又称为动力固结法或动力压实法这种方法是反复将很重 的锤提到一定的高度然后使其自由落下，给路基或地基以冲击和振动能量，从 而提高强度并降低压缩性通过强夯可以加快新地基的固结速度，提高老路基 的压实度，从而避免新老路基的不均匀沉降因此强夯法成为旧路改造过程中 一种切实可行的方法。 l 山东大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 强夯法的发展及工程应用现状1 9 1 1 2 4 1 1 5 9 1 1 9 7 0 年，法国的路易梅那( l _ m e n a r d ) 创立了强夯加固技术，简称强夯法。 其基本原理是将重型的夯锤( 8 - 4 0 吨) 从很高的落距( 5 - 3 0 米) 自由落下，对土体产 生巨大的冲击能，强大的冲击波通过地表迅速到达一定深度，从而导致地基士 体产生物理力学性质的一系列变化，地基立即压缩下沉，有效地改善地基的承 载能力。强夯法因其处理效果好，应用范围广，受到各国土木工程界的重视， 并且很快得到广泛推广应用。 强夯法，当应用于粗粒土和低饱和度的细粒土时称动力压密法( d y n a m i c c o m p a c t i o n ) ；当应用于高饱和度的细粒土，特别是在淤泥、淤泥质土和泥炭土 等软粘土地基时称动力固结法( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ) 。强夯法文名称为 c o n s o l i d a t i o nd y n a m i q u e ，英文统称为d y n a m i cc o m p a c t i o n ，也称d e e pd y n a m i c c o m p a c t i o mh e a v yt a m p i n g , p o u n d i n g , d y n a m i cr e c o m p r e s s i o nt r e a t m e n t , i m p a c td e n s i f i c a t i o n 等，不同的名称也揭示了强夯法机理和作用的不同方面。 如在强夯法施工初期，仅对浅层素填土、碎石填土、砂土进行加固，这时尚处 于重锤夯实( h e a v yt a m p i n g ) 阶段。随着工程实践的增加，并且对某些条件下的 细粒土软弱地基的处理也取得了一定的效果，于是就发展成为动力固结法 ( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ) 。 我国从1 9 7 8 年起也开始使用，很快受到工程界的重视和欢迎。自1 9 7 9 年 以来强夯法已在铁路及公路路基、桥梁基础、机场跑道、储油库、油罐、仓库 码头、船坞、海港设施、矿山冶金以及人防等有关的各类地基处理工程中推广 应用，已处理的地基工程数以千计。与此同时，有关强夯处理方法的工程试验 和理论研究工作也在加紧进行。大量的工程实践和试验研究表明，强夯法可用 于处理各类不同地基，如高填土、湿陷性黄土、杂填土、高水位的轻亚粘土、 饱和粘土、以及粉细砂土等。强夯法施工简便，速度快，可基本达到预期的地 基处理深度，有效地改善地基承载力，基本消除地震时可能产生的地基液化， 所需费用大大低于各类桩基的费用，综合经济效果非常显著。 经验表明，经强夯一遍，可使5 1 2 米厚的砂质冲积层产生瞬间沉降1 5 5 0 2 山东大学硕士学位论文 厘米；再夯一遍，又可产生瞬时沉降约为初始沉降的6 0 。这种强迫沉降的速 度是一般堆载预压法所不能比拟的。每台设备加固地基的效率平均每天为 3 0 0 - 6 0 0 平方米( 根据土质及处理深度而异) 。当强夯设备退场时，地基上各种施 工工程可立即开始，无须等待，因而较其它方法缩短工期。强夯处理技术较之 其它加固或处理方法( 如桩基、换填、预压等) 的费用可减少好几倍。由于机械 周转、回旋等因素，对于大面积地基采用强夯处理较为经济 在公路工程中，强夯法主要被用于处理各种不良地基情况，在此方面英国、 奥地利、瑞士、法国以及日本等许多国家都有相关的资料报导，例如，瑞士b e r n e 至b c = i n 鹏高速公路，在3 公里路段，曾使用了4 0 吨夯锤，4 0 米的落距，进行 强夯施工七十年代末，法国p o r t 至i , e u c a t e 沿海公路，首次对高路基采用了 强夯补强处理。该公路平均填土高度5 米，最高处达1 5 米，由于各种原因导致 路基施工压实质量差，道路通车后高路基发生坍陷、下沉、边坡开裂、渗水等 不良现象。为此，采用9 5 吨夯锤，1 0 米的落距，进行强夯补强，取得了较为 满意的效果 近几年，国内一些路基也开始使用强夯来处理。如沈大高速公路扩建工程 就用强夯来处理新老路基的结合带，分别对路基顶面以下8 0 c m , 2 g e m 各夯一 次；渝邻高速公路因为挖方深度大、工期长，所以为减小工后沉降采用了强夯 的压实措施。所用夯锤为圆柱形，重1 0 吨，直径2 米，落距l o 米，夯点三角 形布置，中心距为3 米，采用隔点不隔行进行施工。运城一三门峡高速公路张 店镇附近，需填筑深达4 1 米的冲沟，沟底有小溪和积水，如用分层碾压的方 法施工较为困难，且周期长经反复比较，并进行了现场试验，采用了袋装砂 井处理过湿土地基。其上每层填土厚度达4 6 米，主夯单击能量为2 0 0 0 k n m ， 填土的含水量为7 一1 9 ，均达到了压实度的设计要求。铜黄高速公路为减小 黄土路基的湿陷性，用强夯进行了处理，惠州火车站惠河高速公路连接道也使 用了强夯进行施工。 1 2 2 强夯法加固机理 i e o n 认为，考虑强夯法加固地基的方式、加固作用与土层在被处理过程中三 种明显不同的机理有关。即：第一，加密作用，指空气或者气体的排出；第二， 3 山东大学硕士学位论文 固结作用，指水或者流体的排出；第三，预加变形作用，指各种颗粒成分在结构 上的重新排列，还包括颗粒组构或型态的改变【l l 。在第十届国际土力学和基础工 程会议上，美国教授m i t c h e l l 在“地基处理”的科技发展水平报告中指出当强夯法 应用于非饱和土时，压实过程基本上同实验室中的击实法( 普氏击实法) 相同，在 饱和无粘性土的情况下，可能会产生液化，压密过程同爆破和振动压密的过程相 似”。他认为：强夯对饱和细颗粒土的效果尚不明确，成功和失败的例子均有报 道，对于饱和细粒土，需要破坏土体的结构，产生超孔隙水压力以及通过裂隙形 成排水通道，孔隙水压消散土体才会压密。闭 1 2 3 强夯处理的质量控制指标 我国在1 9 9 1 年颁布了强夯法地基处理的行业规范，作为建设部部颁标准， 国外的相应规范内容上基本与国内相似，仅在时间先后上稍有不同。因此，我 国现在对强夯效果的检验主要根据建筑地基处理技术规范进行原位测试和 室内实验分析。在高速公路建设中利用强夯法加固路基，若按现行的公路规范 以压实度作为质量控制指标，检测过于浪费时间，影响施工。 采用夯沉量和最后贯入度控制强夯处理质量，方法较简便。但在正式施工 前的试夯过程中，一般需进行多种测试工作，以便通过对测试结果的比较和分 析，确定相应的地基或路基特点和土体性质，达到工程要求的强夯处理效果时， 对土体的总夯沉量和最后贯入度【3 l 。 在公路工程中，强夯法主要被用于处理各种不良地基情况，一般以贯入度 作为质量控制指标。津汕线大高至鲁冀界段高速公路对地基进行强夯处理，以 5 c m 的贯入度强作为止夯标准，夯后地基土密实、无局部隆起。2 4 8 省道济阳 至商河段同样以5 e m 的贯入度强作为止夯标准。强夯施工结束后间隔一定时间 对地基质量进行了检验，根据土性和设计要求，检测了地基承载力，回弹模量， 弯沉，压实度。 近年来，强夯法应用到高速公路加宽工程中。沈大高速公路扩建工程就用 强夯来处理新老路基的结合带，用规范中的压实度作为质量控制指标。2 4 8 省 道济阳至商河段，单边加宽，新老路基各占半幅。强夯新路基至新老路基结合 部位，以5 e m 的贯入度强作为止夯标准。 4 山东大学硕士学位论文 但是梁少阳在高速公路路基压实质量控制方法中提到“现行的止夯条 件及标准，不一定适合公路工程，这是由于目前普遍认为前后两次的夯沉量的 差值不大于5 c m 就可停夯但是此时如停夯将不满足沉降标准。”嘲 1 3 存在的问题 1 ) 关于强夯法加固土体的机理，国内外的不同研究者都从不同角度进行了 大量的研究，对于路基强夯加固的机理，目前看法还不一致，也还没有形成一 套完整的理论。 2 ) 规范中并未给出路基强夯中参数的确定方法，往往通过经验值来确定， 缺乏一套完整的设计体系。 3 ) 路基强夯处理有高效、经济、省时的特点，但大部分在施工质量控制时 都采用贯入度等指标，没有考虑与道路路基压实规范的衔接，即没有提出一套 与压实度有关的强夯控制标准 1 4 研究内容 1 ) 研究分析旧路基沉降规律和强夯法的机理，确定旧路利用工程中强夯法 的可行性 2 ) 通过现场试夯和室内模拟计算，研究旧路基利用中强夯处理工艺参数 3 ) 提出一种适合风化料路基强夯夯实的质量控制标准，即提出一种能适用 于风化料土性的止夯标准。 1 5 技术路线 1 ) 对老路基及地基取土样，进行土性分析及土力学参数测试。 2 ) 针对强夯会引起路基压实度的不均匀性，从而引起路面局部弯沉过大的 问题，对其进行力学分析。若这种不均匀性没有影响，提出试夯方案，确定旧 路利用施工工艺。 3 ) 进行试夯，并对试夯中的关键参数( 路基、地基的压实度和夯沉量) 进 行测试。对试夯结果进行分析。 5 能。 6 山东大学硕士学位论文 钔根据试夯及试验结果进行室内计算，确定一般路基强夯加固的单击夯击 5 ) 确定风化料路基的止夯标准。 山东大学硕士学位论文 第二章旧路基利用路基强夯方案的可行性研究 在高速公路改扩建工程中，遇到的主要问题是因为新老路基不均匀沉降、 新老路基不能稳定衔接所产生的危害。由于新旧路基、地基在沉降、变形、和 刚度等方面的差异可导致改扩建后路基、路面产生纵向裂纹为主的破坏，因而 在设计中要研究路基在沉降、变形和刚度方面差异量所产生的内部应力、应变 状态，为工程设计及施工技术标准提供控制指标另外在旧等级路改建高速公 路中，还存在老路基压实度不足的问题。这些问题很大程度上决定着改建后公 路的使用寿命。本文将结合威乳路工程进行研究 2 1不均匀沉降的规律研究 2 1 1 数值计算的技术路线 下面将用l a g r a n g i a n 差分程序f l a c 3 d ( f a s tl a g r a n g i a n a n a l y s i so f c o n t i n u a i n3d i m e n s i o n s ) 对不均匀沉降进行计算。计算技术路线如下： ( 1 ) 现场对老路基与新地基取土芯，同时取填筑新路基所用土场的土对 它们进行室内土力学试验，测得计算所需的土力学参数。 c 2 ) 选取合适的本构模型。 ( 3 ) 建立地基与老路基的几何模型 ( 4 ) 初始应力计算。对老路基与天然地基( 包括老的与新的) 进行计算。 因为老路基自重产生的沉降已经完成，所以该步计算完毕后强制土体 的变形与位移为零，但保留应力，作为真正沉降计算的初始应力状态。 ( 5 ) 沉降计算。添加新路基，然后进行正式沉降计算计算中将路面各结 构层重量换算为均布载荷。据经验，总沉降的3 0 ，即为工后沉降 ( 6 ) 对计算结果进行整理分析。 f 1 a c 3 d 是由美国i t a s c a 咨询公司于2 0 世纪9 0 年代中期在原有的二维分析 7 山东大学硕士学位论文 软件f u 屺基础上开发的一种工程计算处理软件它采用拉格朗日差分公式来 处理有限变形问题，计算过程中允许材料发生屈服及流变，适合于解决岩土工 程中经常遇到的大变形，是一种流行的岩土工程计算软件。f l a c 3 0 计算区域划 分为若干六面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性 本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着 材料的变形而变形，这就是所谓的l a g r a n g i a n 算法，这种算法可以准确地模拟 材料在达到强度极限或屈服极限时发生的屈服、塑性流动、软化直到大变形， 尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优 点。日前f u 屺已广泛应用于岩土工程领域，能解决流固耦合、动态、蠕变等 问题。 f l a c 3 d 使用了如下三种计算方法【3 2 l ：( 1 ) 离散模型方法：连续介质被离散为 若干六面体单元，作用力均被集中在节点上；( 2 ) 有限差分方法：变量关于空间和 时问的一阶导数均用有限差分来近似；( 3 ) 动态松弛方法：由质点运动方程求解， 通过阻尼使系统运动衰减至平衡状态。 与有限元法相比，f l a c 3 d 主要有以下优点： ( 1 ) 采用混合离散化法，正确的模拟了塑性破坏及塑性流动； ( 2 ) 采用动态方程求解，克服了系统模型内的不安定因素； ( 3 ) 采用显式解析法，不需要建立刚性矩阵，节省内存，在解决非线性问 题时大大提高了运算速度。 本文中所有的计算分析都是借助于v l a c 3 d 来实现的 2 1 3 本构模型的选取及力学参数的确定 计算将采取常用的莫尔一库仑弹塑性模型作为路基、地基土的材料模型， 该模型可用下式表示： f - - o 。t a n 2 i 7 + 争一0 3 + 2 c 吒+ 争= 0 ( 2 - 1 ) 弹塑性模型的基本假设是：总应变率为弹性应变率与塑性应变率之和，即： e = | + e 。q - 2 ) 式中：舌、丘、舌，分别为总应变率、弹性及塑性应变率。 8 山东大学硕士学位论文 彦= 见也= 见( 毒一号9 ) = 见( 舌一互( 2 - 3 ) p _ - 罢方：0 ( 2 - 4 ) 户= 芸叩一互芸见罢= o ( 2 - 5 ) m 上式- t w i ，将互代入式( 2 3 ) 中，得： 扣哦一赞扛舌 9 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 图2 1 所示的新老路基的相对位置是最容易产生不均匀沉降的情形( z 方向代表路基的横向，) 方向代表路基的纵向) 。图2 1 中不同的格子 用到了不同的材料参数。其中新填路基按规范中规定的9 3 、9 4 、9 6 区 选用不同的材料参数；老路基根据实际钻芯情况，不同深度选用不同 材料参数。各参数取值如表2 1 和式( 2 7 ) 所示。 1 0 r s t x a g ：l _ ht kl n o 图2 1 几何模型简图 筮吒 8 卜蛊i n食卜28 睬籁 一 1 一 一一一一 = 瘿媳 宁 o 宁穹宁宁穹号 o 筮。 囊寸 翟 on 寸 葛 睬籁qq 瘿舔 。d。ooo。o 筮q 导8 善 垛籁 o 蝗 g “ 舞舔 “ 一 一一 “ g 8 葛葛号 鬈蒸t oddodoodd 籁 盏_ nno 口 簧 on 一一 t t nn 一 辎 昱 筮 蜜 畸峋 蜂奇 宝 6oo 。 茸 6ooo 萋董 na 9q n nn ：昌 藻善 o o oo 0 o 。 9 0 1 ooa a , q - 高 繇o 一一一 蓄毯善 8 茇 塞嚣 犟墓 蛊葛 专8 卜 葛衣 一 一 一 一 - 一 一一 雾墓 。 卜 衣衣88 寸 一一 一一“nn 趟* 幂 q 峨舡i o - _ 蓁翼窑 岛 叼 o 一 n崎 葛 n 高昌 - _ n 鬟 口! 卜 一寸 q 爨 崔瑙 o, q -l o_n 州 州鞋魍喇 神密糊稍鲁醐 辐舞埔辐密醐 _ d 僻 联晕手辞罐霍删 钗秘犁扑书隧扑k长r11 山东大学硕士学位论文 2 1 5 计算结果及其分析 2 1 5 1 计算结果 1 2 1 图2 2 2 3 是新路基高度h 为6 m ，老路基高度日分别为l m 、6 m 对 应的沉降云纹图；图2 4 - 2 5 是新路基高度 为6 m ，老路基高度日 分别为l m 、6 m 对应的质点速度向量图。可知：土体质点向新地基 处运动趋势较大，造成该处产生大的沉降。这一方面因为老路基自 重作用下的固结沉降以前已经完成了，另一方面因为老地基比新地 基有更大的刚度与强度。 图2 2 图2 4 图2 3 图2 5 而图2 6 2 2 1 是老路基高度日和新路基高度h 分别取不同值时得到 的地基表面与路基表面沉降曲线。可见，地基表面沉降曲线与路基 表面沉降曲线都不是对称的，都发生在新填路基位置，而且发现路 山东大学硕士学位论文 摹的琢睁丰摹旱申华摹够诳睁弓i 每昀 暑 皇 迸 塔 暑 皇 进 鳝 e 皇 逝 鳝 oo舯1 ) 【，m 图2 6 1 0 0 】，m 图2 7 o加舯伯o ) 【，m 图2 8 山东大学硕士学位论文 1 4 e 皇 避 器 e 皇 逝 器 量 里 姓 漏 o拍1 0 0 ) c ，m 图2 9 o柚1 0 0 ) 【，m 图2 1 0 o 2 0柚柏1 0 0 ) ( ，m 图2 1 1 山东大学硕士学位论文 o o 1 0 0 ) 【，m 图2 1 2 柏1 0 0 ) 【，m 图2 1 3 o 2 01 0 0 】( ，m 图2 1 4 量。，世器 舭舢舶：；舶舢：；枷 e。，进漏 舶帕邮棚舶姗舶枷舶棚：； e 3 ，世蛙 山东大学硕士学位论文 1 6 e 皇 擞 器 量 皇 进 器 o e 皇1 麓 媛 - 2 0拍 舯1 0 0 x ，m 图2 1 5 0柏柚1 0 0 】【，m 图2 1 6 02 0柏1 0 0 ) c ，m 图2 1 7 o 4 五 4 r 山东大学硕士学位论文 e 皇 盘 翳 e 皇 迸 蟮 e 皇 盘 螗 o2 04 080 x ，m 图2 1 8 os o o 枷 图 枷 图 山东大学硕士学位论文 1 8 e 皇 链 嚣 旧路的存在会使得地基面沉降曲线出现如图2 2 2 所示的a 、b 、c 三 个特征点。在旧路不存在的情况下，曲线会沿着a b 发展。但由于 老路基的存在，使得引发新的沉降的荷载成为偏心荷载，而且由于 新老地基固结程度不同导致的它们的刚度不同，以至出现b c 曲线变 缓段，而在老路基右边坡处出现a c 曲线变陡段。不均匀沉降一般 用沉降曲线的缓陡即单位宽度上的绝对沉降差来表示，而且在不均 匀沉降大的位置土体的剪切变形就大，路基及路面结构就越容易破 坏。所以在对沉降进行评估时往往用不均匀沉降作为评估指标。因 为最大不均匀沉降发生在老路基的右边坡即新老路基接茬处，所以 接茬处是地基处理的重点部位。 e 皇 进 嚣 o40柏1 0 0 x ，m 柏踟埘 圉 ，o一盘dt蠢彳 山东大学硕士学位论文 地基的最大沉降与不均匀沉降是旧路利用中待解决的关键问题，若不慎重考 虑，将造成严重后果。故下面将对它们随新老路基高度及新老天然地基力学参数 的变化规律进行细致分析。 2 1 5 2 地基沉降分析 1 沉降大小分析。在新路基高度不变的情况下，随着老路基高度的增大， 地基面的最大沉降逐渐减小，如图2 2 3 所示。这一方面因为老路基越 高，对新天然地基的反压作用就越大，也就是说老路基高度日与最大 沉降成反比；另外，老地基越密实，最大沉降越小，如图2 2 4 所示， 而老地基的密实程度与老路基高度成正比，所以从地基刚度角度看， 最大沉降同样间接地与老路基高度日成反比另一方面最大沉降还与 载荷大小有关，这里的载荷指新填路基部分的自重，所以新路基高度 越大，地基最大沉降越大，如图2 6 - - 2 2 1 所示 量 皇 避 器 2340 h m 图2 2 3 山东大学硕士学位论文 o2 0柚 1 0 0 x ，m 图2 2 4 2 地基最大沉降点的位置分析。图2 2 5 所示为地基最大沉降点的位置。 图中新路基的高度h 为6 m ，纵坐标o 一矗) f 为一无量纲量，其中x 为 图2 1 中所示的横向坐标，x 。为新路基对称轴对应的横向坐标，f 为新 路基顶面宽度的一半。“一x ) l = 0 表示最大沉降点在新路基的中间 位置；o 一并。) ，= l 表示在新路基的右路肩位置：o 一) ，f = 一1 表示 在新路基的左路肩位置。引起地基发生新的变形的路基只有图2 1 所示 的阴影部分，可见该荷载为典型的偏心荷载。为了分析方便，在此引 入新的变量一偏心度e = h i h 来表示偏心程度。当h = 0 时，e = 0 ，表 示路基全为新填路基，没有偏心；当h = h 时，e = 1 ，表示偏心达到最 大值，老路基与新路基同高。由图2 2 5 可见，当e 在肛1 0 之间变化时， o h ) ，在肌1 0 之间变化，这表示随着偏心度增大，地基面最大沉 降点的位置逐渐右移。另外，从地基刚度考虑，老路基越低，老天然 地基越不密实，导致最大沉降点的位置越接近老地基，如图2 2 5 所示。 综合考虑以上因素，我们可以认为：e 与日越大( 即在新路基高度h 不 变的情况下，日越大) ，最大沉降点的位置越远离老地基。这样，为了 减小地基和路基的不均匀沉降，需采取“主动”措施，对新天然地基进行 加固，减小地基的绝对沉降。 1 o 一五4 o 毒毒彳 e 3 ，盘瓣 山东大学硕士学位论文 234 h i m 图2 2 5 2 1 5 3 地基不均匀沉降分析 ( 1 ) 从地基刚度的角度考虑，老地基越密实，地基的不均匀沉降越大，这可从图 2 2 4 中看出，图2 2 4 中新老路基高度分别为6 m 和1 m 也就是说地基的不 均匀沉降与老路基高度日成正比同时，地基不均匀沉降还与载荷偏心度e 有关，不均匀沉降随e 的增大而增大另外，不均匀沉降还与地基上平均上 覆荷载有关，平均上覆荷载可表示为曲+ b ( k 一日) ( 式中：a 、b 为正的系 数) ，上覆荷载越大，沉降越大，如图2 2 7 所示，不均匀沉降也越大在日、 e 、a k + 6 ( 一哪三个变量中，前两个与日成正比，最后一个与日成反比 所以不均匀沉降不像上面分析的最大沉降那样，随老路基高度日单调变化， 而是在3 5 m 时不均匀沉降最大，如图2 2 6 所示在对图2 2 6 所示的不均匀 沉降进行计算时，老天然地基的力学参数是根据老地基高度在新老天然地基 芯样对应的参数值之间进行插值得到的，由此得到的参数值随老路基高度增 大而增大。至此我们可以得到关于不均匀沉降的较全面的结论：新路基高度 越大，不均匀沉降也越大；而且对一定的新路基高度，当老地基高度为新地 基高度的一半左右时，不均匀沉降最大 山东大学硕士学位论文 e 皇 遵 嚣 o1 0 0 x ，m 图2 2 6 2345 h m 图2 2 7 ( 2 ) 地基的不均匀沉降可以通过“主动”地减小地基的总沉降进行有效地控制。对 总沉降的控制，新天然地基的处理是关键。图2 2 8 将地基未处理与处理( 在 1 5 m 范围内天然地基土的刚度与强度参数都增加了o 5 倍) 的情况进行了比 较，可见地基处理后其最大沉降和不均匀沉降都相应减小 珏：暑拍 避翳k嚼醐舞 山东大学硕士学位论文 02 08 0 8 0 1 0 0 】，m 图2 2 8 ( 3 ) 由图2 6 2 2 1 可见堆摹够晕本不掺匀诳眵霉攀睾车孝肇摹布穆咎咎，卑 苹晕额孝肇摹擎葶咎所以接茬的处理也是要解决的关键问题 2 1 5 4 路基沉降分析 路基沉降由地基沉降与本身的压缩两部分组成。 ( 1 ) 路基最大沉降点位置分析。由图2 2 5 可见，在新路基高度一定的情况下，路 基的最大沉降点位置随老路基高度增加先右移，然后左移，最后再右移。这 是因为路基沉降由地基沉降与本身的压缩两部分组成，而路基本身的压缩是 由新路基的压缩和由上覆新填路基自重引起的老路基的压缩两部分组成。当 天然地基沉降及新路基高度不变时，主要受老路基本身的压缩量控制。因为 老路基本身的压缩量是变形沿其高度进行积分，所以随老路基高度日增大而 增大，即与日成正比；同样随老路基上覆载荷( 可用h - h 表示) 增大而增大， 即在j i 一定时与日成反比。所以应该存在一个老路基高度的临界值，使老路 基本身的压缩量最大。由此，我们可以解释路基最大沉降点位置的变化规律。 ( 2 ) 路基最大沉降分析路基面最大沉降的变化规律则不是单一的，如图2 2 3 所 示这同样可用上面的分析进行解释。 2 1 5 5 路基不均匀沉降分析 由图2 6 2 2 1 可见，路基的最大不均匀沉降比地基的最大不均匀沉降还小 1 o一童4t 4 4 彳 e。，世媾 山东大学硕士学位论文 这是因为老路基的力学参数明显低于新路基的参数，使得填筑新路基后老路基产 生很大的自身压缩量，从而抵消了部分新老路基的不均匀沉降。但是路基下部的 不均匀沉降仍然很大而且老路基压实度不满足规范要求，还需要对其处理，所 以加固后新老地基的不均匀沉降会传递到路基上去，使得路基表面的不均匀沉降 超过路面结构的容许值，从而产生路面裂缝等病害。 2 2 强夯加固的机理1 3 j 【9 l 众所周知，土体是由土的固体颗粒、土中水及土中气体组成的三相分散体。 土体的压缩主要是由于土中气体的压缩和土中水的排出导致的，土颗粒本身的变 形可以忽略不计。土体的强度受到颗粒间的有效接触应力的控制，并随有效应力 的增大而增大土体中孔隙体积愈小，亦即土中水和气体所占体积愈小，土体的 压缩性愈小，强度愈大。因此，对土体进行强夯处理的目的可归结为减小土体中 气体和水所占体积。夯击加固土体的方法就是通过施加外力使士中孔隙体积减 小，土颗粒间更加靠近。对于土体中气体来讲，较容易在压力作用下压缩或从孔 隙通道排出；只有封闭的微气泡不易压缩，但所占体积相对较小。对于土体中水 来讲，其本身的压缩性可忽略不计，只有畅通的排水通道才有可能使其排出，只 有受到外界施加的压力才能摆脱重力、毛细作用力以及土颗粒表面分子引力的约 束作用而被排出。因此，足够大的外加压力和较为畅通的排水通道是土体被夯击 压实的充分条件。这也表明，非饱和土体较之饱和土体更容易被压实，粗粒土较 之细粒土更容易被压实。 强夯法对路基土的加固作用概括为如下几方面： ( 1 ) 压实作用。巨大的强夯冲击能不仅使土中空气所占体积被压缩，也使水 中的封闭微气泡被压缩。 ( 2 ) 土体局部液化。当能量以反复冲击荷载的形式施加于土体时，气体逐渐 被压缩；土颗粒表面的结合水膜被扰动，使其摆脱分子引力的约束。当含气量为 零时，土体中孔隙水压力急聚上升，局部发生液化。 ( 3 ) 孔隙水从裂隙中排出，土体固结。在巨大的强夯冲击能作用下，土中产 生裂隙；结合水的转化也导致土体的渗透性增大。因此，土体得以排水固结。 ( 4 ) 土体触变的恢复过程。强夯期间，土体强度大幅度降低当土体接近或产 山东大学硕士学位论文 生液化时，强度处于最低值，此时土体处于完全破裂的状态。同时土体中结合水 部分地转化为自由水。在孔隙水压力逐渐消散的同时，土颗粒间进一步靠近以及 新的结合水膜逐渐形成，抗剪强度和变形模量随之恢复和增加 强夯与土体的作用实际上是应力波在土体中的传播过程。在重锤作用于地面 一瞬间，产生的冲击波开始向四周传播如图2 2 9 所示。振动在介质内传播形成 的波，根据其作用、性质和特点的不同，可分为体波和面波两种。 止 图2 2 9 夯锤冲击地面引起的波在地基中的传播 强夯主要是体波起加固作用，体波又分纵波和横波，纵波是由震源向外传 递的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向一致，同时伴随着产生体积的变化， 一般表现为周期短，振幅小。横波是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向 与波的前进方向垂直，不产生体积的变化，一般表现为周期较长，振幅较大。横 波只能在固体里传播，而纵波在固体、液体里都能传播。面波不但起不到加密的 作用，反而对地基表面产生松动，对邻近建筑物造成危害，故为无用波或有害波。 在强夯过程中，土体的压密状态可分为四层，第一层是扰动层，土因冲击 力而受扰动，主要是横波和面波的干扰。因横波传播方向和质点振动方向垂直， 面波分别按椭圆形运动和按地面水平向运动，其都是在地表层传播使土体产生上 下运动，导致土体松动而形成松弛区域；第二层是压缩波的反复作用使地下应力 超过了土体的破坏强度的区域，因吸收纵波能量最多，所以这一层的固体效果最 山东大学硕士学位论文 好；第三层是压缩波衰减，也就是动应力在土体屈服强度与破坏强度之间，使固 结效果迅速下降的区域；第四层是地下应力处于土体的屈服强度内，能量消耗己 无法引起土体的塑性交形，此层基本上没有固结作用，此时波衰减为弹性波。 对路基进行强夯不仅提高路基的压实度，而且提高路基的稳定性。其在旧 路利用工程中是可行的。 在强夯加固过程中，体波是以震源( 夯点) 为中心向土体的深处呈发射状 传播，夯点之间土体的加固是若干体波交替作用的结果，其与夯点下方的土体必 定存在不均匀性。路基夯实区的这种不均匀性是否影响路面的弯沉，在车载作用 下薄弱部位是否可能会发生很大竖向位移，从而影响路面的抗车载能力。针对这 种情况，下面将对强夯引起的路基不均匀性对路面弯沉的影响进行分析，从而从 路面抵抗变形的角度，对旧路基利用方案进行论证。 2 3 强夯引起的路基不均匀性对路面弯沉影响的数值模拟 2 3 1 论证思路 对以下几种情况进行路面弯沉分析： ( 1 ) 各层都是均匀的。分层碾压，各层压实度按规范设置。 ( 2 ) 8 0 c m 路床区是均匀的，路基其它部分是不均匀的。虽然夯实区是逐渐 向下扩大的，但是车载引起的应力在路基内衰减很快，所以可忽略夯 实区向下的几何扩大效应，将不均匀性简化。假设一系列圆柱夯实区， 圆柱体内土体比相应层位规定的压实度高2 个百分点，圆柱体外土体 小2 个百分点。而路床区是均匀的，仍按规范规定设置。轮载当量圆 有两种布置方式：一是位于夯点的中央( 强化区) ；一是位于夯点间隙 的中间( 薄弱区) 。 ( 3 ) 整个路基都是不均匀的。整个路基的不均匀性都按上述简化处理。 通过上述( 1 ) 、( 2 ) 结果的比较，论证强夯方案的有效性，即方案中夯点的不 均匀性不会产生大的路面弯沉；通过( 2 ) 、( 3 ) 结果的比较，论证路床区分层碾压 的必要性。 山东大学硕士学位论文 2 3 2 数值计算步骤 1 ) 建立路基的几何模型。 2 ) 选择本构模型，输入力学参数 3 ) 进行计算首先对其自重应力引起的路基的变形与应力进行计算，将此 时路基内的应力作为初始应力进行保留，但将路基的变形设为0 ，然后将 标准荷载作用在路面上后进行计算。 ( 1 ) 几何模型与车载模型 路基的填高为3 5 m ，标准轴载影响深度远小于该值，因此并不考虑地基的 情况。采用等效双圆垂直均布荷载模拟轮载，对路面弯沉进行了三维计算分析， 如图3 1 5 所示，轮载当量圆半径6 为1 0 6 5 c m 。 基层 底基层 路基 图2 3 0 轮载模型 根据中国现行的沥青路面设计规范，由标准轴载( b z z - 1 0 0 ) 得到的轮载压 力为0 7 m p a 。 夯锤的直径为2 3 m ，夯点间距取3 2 m ，根据轮载当量圆布置位置的不同， 建立如下两种几何模型： 轮载当量圆位于夯点的中央时，x ，y ，z 方向的尺寸依次为7 6 m 、7 6 m 、 4 1 8 m 。 轮载当量圆位于夯点间隙的中间时，x ，y ，z 方向的尺寸依次为7 6 m 、6 0 m 、 4 1 8 m 。 其中：x 道路横向；y 苣路纵向；叠竖直方向，垂直于地面， 采用八节点六面体单元。经过试算，在保证结果足够精确的前提下，轮载当 单 山东大学硕士学位论文 量圆周围采用较小的网格单元( 1 5 m 2 m ) ，其它部分采用相对较大的网格单元 ( 2 m x 2 m ) ，如图2 3 l 所示。 图2 3 1 网格的划分 ( 2 ) 路基材料的本构关系及计算参数的确定 本文的有限差分计算中，土的本构模型均采用m o h r - c o u l o m b 理想弹塑性模 型。路面结构采用线弹性模型。各层材料的参数如表2 2 所示。 各层材料的计算参数值表2 2 厚度 体积 剪切 密度 粘聚力内摩擦 分层名称材料 模量模量 ( k g m 3 ) ( k p a ) 角( a )( c m ) ( m p a )( m p a ) 细粒式沥 41 5 8 05 9 4 2 6 5 0 青混凝土 中粒式沥 面层 61 3 6 05 0 72 4 6 0 青混凝土 粗粒式沥 81 1 3 04 2 42 5 4 0 青混凝土 水泥稳定 基层 3 22 0 0 05 7 72 1 9 0 碎石 底基层二灰土 1 81 3 3 02 7 8 01 9 8 0 。l 路床 9 6 压实区 8 0 4 6 81 5 62 0 7 92 9 02 9 5 0 0 翌i 上路基 9 4 压实区 7 08 0 32 6 82 0 3 61 7 02 8 6 0 0 i 下路基 9 3 压实区2 0 01 0 3 l3 4 42 0 1 41 5 02 6 7 0 0 ( 3 ) 计算结果与分析 图2 3 2 以3 6 所示为几种工况对应的质点竖向位移云纹图。可见几种情况对 应的路面弯沉分布规律相差不大。但需要指出的是，由于挤压的作用，路基远区 山东大学硕士学位论文 质点的运动方向不是向下，而是向上。 图2 3 2 分层碾压对应的质点竖向位移云纹图 图2