（道路与铁道工程专业论文）新老路基结合处差异沉降非线性研究.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， 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， 认为新老路基结合部位的不均匀沉降是路基拓宽工程病害的根本 原因之一。 本文研究了铺设土工网+ 设置挡土墙、仅设置挡土墙、仅铺设 土工网和不铺设土工网+ 不设置挡土墙等四种不同处治方式对新老 路基不均匀沉降的作用和机理，还研究了选择合适填料和控制压实 度、设置路堤挡土墙、改变台阶的开挖尺寸等方法和措施对新老路 基不均匀沉降的影响。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。 本文的试验路段为陕西省铜川i 市西环线和安康市安平路。将土 体材料视为d p 材料，通过室内的压缩试验、击实试验和筛分试验 以及现场压实度试验来获得材料的物理、力学特性。建立土体的弹 塑性模型，采用a n s y s 有限元软件计算新老路基在自重作用和外 荷载作用下的沉降，研究新老路基不均匀沉降的规律。通过与依托 工程的实测数据比较，验证了所选模型的正确性。并采用非线性最 小二乘法来拟合沉降曲线，得到沉降与时间的方程式，用来预估新 老路基任一时刻的沉降值和最终沉降值。 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。本文正确认识和反映新老路基 不协调变形的特征，将对旧路拓宽工程建设具有一定的理论指导和 实际应用价值。 关键词：新老路基；不均匀沉降：a n s y s 有限元分析软件：结合处 治：公路拓宽 a b s t r a c t a ne x t e n s i v e i n v e s t i g a t i o no n t h e “0 1 da n dn e we m b a r k m e n t w i d e n i n gp r o b l e m b o t hi nd o m e s t i ca n da b r o a di sc o n d u c t e di nt h i s p a p er ，t hr o u g hw h i c hw es y n t h e s i z e a n dc o m p a r et h et 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 gp r o b l e m s a f t e rs ur v e y i n gm a n yp r a c t i c a l p r o j e c t si ns i t u ，w ec o n c l u d et h a tt h eu n e v e ns e t t l e m e n ta tt h ej o i n to f o l da n dn e we m b a r k m e n ti so n eo ft h em a i nr e a s o n sf o rt h es u b g r a d e w i d e n i n ge n g i n e er i n g f o urm e t h o dspr o c e s s i n gt h ep r o b l e mo fu n e v e ns e t t l e m e n t ，i e t h eg e o n e t & r e t a i n i n g - w a l l ，n o - g e o n e t & r e t a i n i n g - w a l l ，g e o n e t & n o r e t a i n i n g - w a l l ，n o g e o n e t & n o - r e t a i n i n g - w a l l ，a r es t u d i e di nt h e p a p e r b e s i d e s b yc o n s i d er i n gs e l e c t i n ga p pr o p r i a t ef i l l i n gm a t e r i a l a n dc o n t r 0 1 1 i n gt h ed e g r e eo fc o m p a c t i o n ，s e t t i n gt h ee m b a r k m e n t r e t a i n i n g w a l l ，c h a n g i n gt h es i z eo ft h ee x c a v a t i o nd i m e n s i o n ，e t c ， w es t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r so nt h eu n e v e ns e t t l e m e n ta t t h ej o i n to fo l da n dn e we m b a r k m e n t f i n a l l y ，w ep u tf o r w a r da t e c h n i q u ew h i c hc a nb eu s e d i nt h eh i g h w a ys u b g r a d ew i d e n i n g e n g i n e e r i n g t h i st e c h n i q u eh a sa l s ob e e n t e s t e di n p r a c t i c a lr o a d e n g i n e e r i n g t h et e s t i n gs e c t i o n so ft w or o a d sa r ej i n y a n gr o a di nt o n g c h u a n c i t y ，a n - p i n g r o a di na n k a n gc i t y ，s h a n x ip r o v i n c e t ur k m e n i s t a nt e r r ai sc o n s i d er e da sd pm a t er i a la n di t sp h y s i c a la n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa r eo b t a i n e db yt h ee x p e r i m e n t so fi n d o o r c o m pr e s s i o nt e s t ，b e a t i n gc o m p a c t i o n t es t ，s i f t i n gt e s ta n df i e l d c o m p r e s s i o nt e s t u s i n g a n s y ss o f t w ar e ，w ee s t a b l i s h a n e l a s t i c - p l a s t i cm o d e lf o rt h es o i lb o d y ，c a l c u l a t et h es e t t l e m e n to ft h e o l da n dn e we m b ar k m e n tu n d ert h es e l f w e i g h ta n do t h e rl o a da n d f i n do u tt h ep a t t er no ft h es e t t l e m e n t t h er e s u l t sc a l c u l a t e da r e c o m p a r e dw i t h t h eo b s e r v e dd a t a ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tm o d e l u s e di nt h ec a l c u l a t i n gp r o c e ssi sc o r r e c t w ea l s oa d o p tn o n l i n e a r 1 e a s ts q u a r em e t h o dt os i m u l a t et h es e t t l e m e n tc ar v e ，a n dd e r i v et h e f o r m u l af o rt i m ed e p e n d e n ts e t t l e m e n tw h i c hc a nb eu s e dt oes t i m a t e t h ev a l u e sa t a n yt i m ea n dt h ef i n a lv a l u eo ft h es e t t l e m e n ta t t h e j o i n to fo l da n dn e we m b a r k m e n t t h ep a p e ri so fc o n c l u s i v e ，g i v i n gat h e o r e t i c a lr e a s o n i n go nt h e i i b a s e s i tp o i n t so u tt h ec r i t i c a lp r o b l e msi nt h ew i d e n i n ge n g i n e er i n g i tc o r r e c t l ys h o w sa n dr e f l e c t st h ef e a t ur e si nt h eu n e v e ns e t t i e m e n t a tt h ej o i n to fo l da n dn e we n b a r k m e n t ，a n dh a sag u i d a n c ev a l u ef or t h ep r a c t i c eus e k e yw o r d s ：o l da n dn e we m b a r k m e n t ：u n e v e ns e t t l e m e n t ；a n s y s s o f t w a r e ；t r e a t m e n to f j o i n t ；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 何其他个人或集体县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。 作者签名： ? 鸳葛晦 日期：知巧年f 月均日 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 被查阅和借阅。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“”) 作者签名： 导师签名： 日期：加巧年，月讨日 日期：口z 年j ，月斫 1 1 选题的背景 第一章绪论 改革开放以来，我国国民经济蓬勃发展，基础建设中的公路建设随之进入了 一个全新的时期。现代化公路运输，不仅要求道路能全天候通行车辆，而且要求 车辆能以一定的速度，既安全又舒适的在道路上运行，这就要求道路必须具有良 好的使用性能。 目前，我国公路通车里程达1 9 8 6 万公里，高速公路4 6 万公里，一级公路 3 8 万公里，二级公路2 3 2 万公里。从这些数据可以看出，我国的公路网已基本 形成，但二级以上的公路仅约占1 5 ，大部分还都是一些公路等级低、路面等级 低、通行能力差的“两低一差”公路。另外，近些年来一些地区在公路建设时， 对经济发展速度估计不准。随着经济的迅猛增长，交通量剧增，许多原来修建的 二级以上的公路不堪负荷，使得道路的使用性能降低。这就要求通过新建和改建、 拓宽原有公路来改善这种“两低一差”的状况。 鉴于我国用地问题和经济问题的制约，大部分地区采用了将旧路拓宽的办法 来解决这一难题。旧路拓宽一般是采用沿老路两侧加宽或单侧加宽的方式。在旧 路拓宽的工程中，由于老路路基在多年的运营使用和长期荷载的作用下，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：并且加载时间的不同，地 基受力不均匀，必然会造成新老路基的不均匀沉降，导致路面开裂和破损，影响 公路的使用性能。可以看出新老路基之问的不协调变形是导致路基路面病害的根 本原因，路基处治的核心是新老路基不协调变形的控制，新老路基不协调变形的 控制实质就是减少和控制新路基的不均匀沉降。 从过去的研究和调查情况来看，拓宽公路在开放交通一段时间后，由于新路 基的工后沉降等原因，出现纵、横裂缝等病害，特别在新老路基交界处。这些病 害大大降低了路面结构的整体强度和稳定性，还由于地表水的渗入会导致路基的 坍塌，造成严重后果。这要求在工程扩建过程中解决两个关键问题：一是要保证 新路基的稳定和沉降控制；二是新老路基结合部位的处理。这对保证路面的设计 寿命，改善路面的使用性能，减少路面的损坏和降低路面的养护维修支出等都具 有特别重要意义。 在我国西部地区，由于历史的原因以及受当时的经济条件的限制，大部分道 路为低成本道路，所修建的路面结构较简单、厚度较薄，不能满足经济发展的需 求。在进行路面拓宽建设中，所遇到的新老路基差异沉降问题就更加的多。因此， 处理好了新老路基差异沉降的问题，对于依托工程而言，有关研究成果将直接用 于指导实体工程，提高工程的可靠性和科学性；从技术上可以指导其他地区的改、 扩建工程，而且建成后将加快经济的发展。 1 2国内外对老路基拓宽问题的研究现状 1 2 1新老路基结合部出现病害的原因 老路基拓宽的问题实质上就是旧路改扩建工程的问题，也就是新老路基的结 合问题。改扩建工程和新建工程相比无论是对设计、施工技术的要求还是施工的 难度上，都要大得多。首先在路基施工时要保证车辆的正常运行和安全；另外， 要进行改扩建的公路一般多为我国早期修建的高速公路，由于当时的历史条件所 限，存在设计技术标准偏低，施工质量有缺陷等问题；更加是在软土地基段，由 于其本身特点，使得新加宽的路基和原有公路的路基间的差异沉降较大，纵横向 不易衔接。近年来，多数道路改扩建工程，在工程完成之后，在新老路基结合部 位常出现纵、横向裂缝等病害。裂缝宽度视路堤的填土高度，以及填土的性质而 不同。其病害原因主要有以下几点”“： 1 )在新老路基结合部位，此处路基材质和路面结构层厚度、强度不一，特 别是一边为新路基，一边为老路基，质量也存在差异，在结合部位产生一个交界 面，为道路开裂留下隐患： 2 )在新老路基结合部位沉降量不一致，产生沉降差值，特别是新填筑的路 基沉降较大，而老路基已完成相当的工后沉降量，这样不可避免地在结合部位产 生一个沉降差值突变点，成为道路产生裂缝的主要原因： 3 ) 新老路基结合部位工艺较复杂，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等，也是产生裂缝的原因之一； 4 ) 设计不周产生路基沉降，许多新老路基结合部位的设计只要求回填土的 压实度，没有交界面形式和工艺的要求； 5 ) 对基底设计未作必要的处理，或处理不当留下隐患； 6 ) 为节省投资，就地取材选择填料而不作适当处理，使其质量欠佳： 7 ) 对路面水处理不良，致使水沿裂缝渗入路基，加剧差异沉降的产生； 8 )施工质量控制不严，留下沉降隐患； 9 )施工不符要求，路基填土速度过快，对差异沉降缺乏足够的认识，没有 严格把握好质量关；没有按分层填筑、分层碾压、分层检测的步骤进行施工；没 有选择合适的气候进行施工等，而产生差异沉降； 1 0 ) 支挡结构的破坏，即高填方路堤边坡的挡土墙的整体滑移或倾覆。 从这可以看出新老路基之间的不协调变形是导致路基路面病害的根本原因， 路基处治的核心是新老路基不协调变形的控制。新老路基不协调变形的控制实质 就是减少和控制新路基地不均匀沉降。国内外对新老路基不均匀沉降问题的研究 主要从两个方面进行，其一为沉降处治措施；其二为沉降计算和预估方法。 1 2 2新老路基差异沉降的处治措施 新老路基差异沉降的处治措施主要有4 】【5 l ，【6 l ： 1 )采用合适的路基填料或与原路基相同的材料，如石灰改良土，轻质填料 等； 2 )严格控制好压实度，要达到压实标准，最好是采用高一级的压实度标准， 并正确选择压实机具与压实方法： 3 ) 在新老路基结合部、拼接部采用土工格栅、土工网，在路基与路面之间 铺设土工布； 4 ) 在局部高路堤段( 尤其在桥头处) ，可在路面下增设配筋混凝土板，以 此解决桥头跳车的问题； 5 ) 采用多种排水措施，减少地面水和地下水的影响，以保证路基强度和稳 定； 6 ) 可适当采用挡土墙、路堤挡土墙( 矮墙) 等支挡设施，以减少填土土体 的水平位移，增强路基稳定性； 7 ) 采用低级路面临时过渡。 1 2 2 1国内外对新老路基差异沉降处治措施的研究 对于新老路基差异沉降的处治研究与分析，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。 美国1 盐湖城i 一1 5 公路的改扩建工程，为保证路堤施工的稳定性并减小工后 不协调变形，采取了多项工程措施：设置塑料排水板、置换地基、路堤分期施工、 轻质路堤、加筋挡墙和设萱桩基础等。 美国削a a s h t o 一2 0 0 2 版设计方法中陈述，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。仅在老路拓宽部分的设计中强调了新路和老路必 须良好结合，要求新拓宽的路基路面结构性能尽可能和原路相近。 意大利h m i l a n o - - s e r r a v a l l e ( 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：在地基上铺设一层t e n a x t 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 o3 0 ls 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 土工格栅经过特别设计，通过均匀分配 荷载来加固地基。通过对地基土和土工格栅加固层进行平板载荷试验发现，地基 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s 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 ，处治措施满足了设计要求。 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。 日本”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施。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，路面开裂。采取的措施有：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、 石灰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 gv a nm e u r s 和a v a nd e nb e r g i j 叫针对软土路基上加宽路基填筑施工 提出了间隙法( g a pm e t h o m ，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。由于在第一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。 周志刚”1 等通过非线性有限元计算分析，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。 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，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 新旧路基问的刚度差异等对路面结构的影响。贾林”等从应力分析着手，分析拓 宽路堤沉降及变形问题；在拓宽路面铺设时间的问题上，认为应在分析新、老路 堤沉降规律的基础上，以新、老路堤的工后沉降差作为控制标准，而不宜参照软 土地基上新建路堤的工后沉降控制标准， 余常俊”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。胡汉 兵”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”等在沪杭甬、杭金衢高速 公路拓宽工程中，对结合部采取了对路基填筑控制、防水防裂纹和排水等措施； 同时，还强调要处理软土地基和老路硬路肩。苏超”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，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”叫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。 黎志光“”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 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、纵向裂缝的控制和沉降速率的控制来确定铺设面层的时间；然后在新路 面施工时，结合前述在路槽跨施工缝来设置土工格栅以增强路面整体性。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“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。 另外【2 5 l 【2 “，在拓宽改造工程中新旧路面结合部的不均匀沉降问题可以通过 加铺土工格栅的方法解决。土工加筋材料作为一种新型的人工合成岩土加筋材料， 自上世纪6 0 年代加筋土理论的提出，经过几十年的工程实践显示了土工合成材 料的广泛应用前景。在现今的实体工程中，各种措施尽管一定程度上可以避免差 异沉降的产生，土工合成材料以其良好的特性，被普遍认为是处理不均匀沉降的 有效措施，但其作用机理、结构形式等问题有待进一步完善。大量的土工合成材 料加筋工程实例表明加筋土的作用主要集中在以下几个方面： 1 ) 加筋土抗剪强度和刚度的提高使其剪切变形较素土小。 2 )加筋土在承受荷载时，土体的侧向变形受到加筋的抑制 之提高，趋近弹性范围内工作。 3 ) 加筋土使土体上的作用荷载较均匀地扩散到加筋土层上 积的受荷减小。 承载能力随 单位土体面 虽然土工合成材料处理桥头跳车、软基、堤坝等获得了许多的成功经验，但 目前尚无完善的土工合成材料的设计施工规范。在国外，瑞典将土工合成材料作 为柔性褥垫处治半挖半填路基不均匀沉降获得满意效果。土工合成材料处理新老 路基的技术研究还处于摸索阶段，有许多问题有待解决，土工网的布设及回填料 的选择，做到既经济，又能合理解决新老路基的差异沉降是值得深入研究的问题。 1 2 3 国内外对新老路基差异沉降的计算和预估方法 不均匀沉降对路面结构、路面性能和路面寿命的影响是路面工程中的重要研 究课题之一。由于不均匀沉降引起路基路面结构内部的应力重分布和相对附加应 力，从而导致路面结构的早期破坏，因此，在路基路面结构设计中，必需充分认 识到不均匀沉降对路面的影响，并在设计阶段即时采取有效的方法，在施工阶段 采用严格的技术标准，限制路面由于不均匀沉降引起的破损率，保证路面的长期 性能和使用寿命。从而改善目前的“两低一差”的状况。 地基沉降是土力学中的一项重要研究课题，1 9 2 5 年t e r z a g h i 就在其著作中 提出著名的有效应力原理，并据此建立了一维固结理论，成为土力学发展史上的 一个重要里程碑。1 9 3 6 年r e n d u l i 将t e r z a g h i 的一维固结理论发展n - - - 维、三 维，得出t e r z a g h i r e n d u l i c 扩散方程，并在简单的几何形状和边界条件下求解； 对于复杂的条件，只能借助有限元进行求解。1 9 4 1 年b i o t 根据有效应力原理、 土的连续条件和平衡方程，提出了考虑固结过程中土体平均总应力随时间变化的 b i o t 固结理论。1 9 7 0 年c h r i s t i a n 等人应用虚功原理推导出b l o t 固结理论的有 限元方程，拓展了研究思路和有限元的应用深度。1 9 8 8 年m i y a k e 等利用离心模 拟试验研究了冲填海相粘土泥浆层在自重作用下的沉积固结过程；同时，t e r a s h i 针对超软粘土地基上通过设置加筋织物修筑路堤的工程实例，借助离心模型试验 研究了路堤的变形和稳定性以及地基土的固结变形性状。 目前，国内对于路基沉降量的计算一直沿用分层总和法“。由附加应力引起 的土基沉降，用此法来计算压缩层范围内的总沉降量，并用太沙基固结理论来计 算不同时间的沉降量。但是，该法引入了概念及数值均不明确的经验参数，使得 计算精度偏低。另外，对于填筑体的自身瞬时压缩变形和不同时间的压缩变形计 算，目前还没有通用的办法。为此，国内的一些科研机构进行了一些探索研究， 有的提出采用改进的分层总和法来分析路堤的沉降。当前很多研究者提出用有限 元法来计算填筑体的沉降，因为此法能适应各种边界条件和几何形状的变化，并 能处理非均质材料。 1 9 7 7 年沈珠江首先把b i o t 固结理论的有限元法应用于固结分析，其中对位 移和孔隙水压力都取线性模式，应用变分原理得到b i o t 固结理论的有限元方程， 用以计算软土地基的变形。1 9 7 8 年殷宗泽等人根据流量平衡概念，结合虚位原理 也得到了类似的方程，以分析饱和土的平面固结问题。1 9 8 4 年龚晓南采用等价结 点流量等于等价结点压缩量的饱和土条件，推导出b l o t 固结理论的连续方程。 1 9 8 7 年谢康和用b i o t 固结理论对砂井地基的平面变形空间渗流进行了有限元分 析，揭示了砂井地基沉降、侧移和孔压的性状。1 9 8 8 年冯光愈等人和1 9 9 2 年饶 锡保等人先后分别用长江科学院的离心机对岱黄公路和宜黄公路的软土地基采用 不同路基处理方案的可行性进行对比分析，为工程设计提供依据。 李善果等认为路堤的沉降量是路堤本身及其基底土层在填土静载和列车动 荷载作用下的压缩之和，采用单向压缩层总和法计算；柴锦春等认为路堤堤身的 沉降可分为施工期的沉降和竣工后的沉降，而竣工后的沉降又可分为自重作用下 的沉降和由列车动荷载引起的沉降。近年来郝传毅等用非线性有限元分析方法， 对填土自身压缩问题进行了研究，由于采用邓肯一张模型作为土的本构模型，计 算参数较易获取，所以得到较为广泛的应用。郑治等在分析填土自身压缩特点的 基础上，对分层总和法进行改进，采用逐级加载方法计算填土自身压缩量，用 t e r z a g h j 的一维固结理论近似计算填土的固结沉降。 近十几年来，我国高等级公路迅速发展，部分学者开展了一些新老路基变形 方面的研究。姚祖康“在关于软土地基不均匀沉降对路面结构影响分析的研究 中，提出了基于弹性力学理论位移函数法，可以得出解析解答的弹性地基上具有 弹性夹层的双层板力学模型。该模型假设地基为温克尔( w i n k l e r ) 地基，基层材料 和面层均为弹性薄板，地基沉降断面采用抛物线或正弦曲线进行拟合，并假设沉 降曲面可采用双向叠加而得到。因此该模型可以作为刚性路面结构( 如水泥混凝土 路面和机场道面) 分析中不均匀沉降的研究模型。 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；认为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。杨卫东”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正算法即以拓宽带 来的道路横截面变化( 即路基荷载自重应力) 作为修正因子。陈玉良”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。钱劲松”“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。 实际上纵向形变造成路面大波浪型的不平整、沉降产生的路面沉陷或桥头跳 车、路基压实度不够导致路基路面局部沉陷变形或纵向裂缝、基层质量不好造成 的块状裂缝或网裂，在许多高速公路上都出现过。在填土路堤上的路面竣工后和 开放交通后，路基会产生不均匀沉降，导致其上路面顶面产生波浪式的不平整， 使路面的行驶性能显著下降，而且在行车荷载作用下会使路基路面发生结构性破 坏。沙庆林”“、高大钊”、黄俊”等都对对产生这一现象的原因进行了分析。 沙庆林等指出：一方面地基受到外加恒载的作用，使地基原有的平衡状态遭到破 坏，地基土在路堤恒载作用下逐渐产生固结变形，达到新的平衡状态为止；另一 方面路堤内的任一层土，只要其施工碾压时的初始密度小于在公路使用期间所能 达到的最终密度，该层土都会产生固结变形。该层土的压实度或初始密度愈小， 产生的固结变形将愈大。因此，增加路基的压实度可以显著减少路堤的固结变形， 同时增加路基的强度和稳定性。黄俊等采用分层总和法和太沙基一维固结理论分 别计算了软基在经处理后的沉降和工后沉降，确定出最佳的工后沉降标准。并从 公路路面功能性指标、结构性指标两个方面阐述了在软土地基上修筑高等级公路 路面容许不均匀沉降指标，确定出不均匀沉降指标为0 4 。从黄俊等的分析可知， 当不均匀沉降控制在0 4 以内，既不会导致路面功能性损坏，也不会使路面结构 解体而破坏，因此可以认为：0 4 的沉降坡差作为不均匀沉降的指标是合理的， 该点与周虎鑫”等所提出的标准是相吻合的。 线路横向的不均匀沉降在路面工程实践中表现更为普遍”1 ”儿”。特别是由 于填挖过渡段不均匀沉降引起的路面早期破坏极其严重，并已有大量的相关研究 工作开展。填挖过渡段引起的不均匀沉降是引起路面早期破坏的重要原因之一。 由于现行沥青路面设计规范是采用波密斯特( b u r m i s t e r ) 线弹性层状体系理论，不 能分析由于路面不均匀沉降引起的附加响应，于是也就不能分析沥青路面由此造 成的早期破坏影响。在有关不均匀沉降对路基路面结构的影响研究中，混凝土路 面己有相关研究成果提出了分析模型；在沥青路面结构中，相关研究处于定性描 述阶段。 在沉降预报的方面，王坚一1 等采用灰色理论为基础建立的灰色预报模型即 g m ( 1 1 ) 模型。它是一种外推型模型，属连续型预报方法，是用来处理动态观测数 据的一种有效工具，其应用在矿井的生产期间。这期间矿井会受到多相采动及其 他工程因素的综合影响，使用建立的预报模型对沉降控制点沉降量进行预报，及 时推算矿井将来的沉降趋势为治理工作顺利进行提供依据，减小损失。陈国荣等 ”根据施工期间的实测资料，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。张本东”等通 过对高速公路软土地基沉降变形监测的非等步长观测序列进行数据处理后，变成 等步长的数据序列，再运用g m ( 1 1 ) 模型进行变形分析与预报，得出了有益的结 论。王华俊”根据九寨一黄龙机场高填方地基现场沉降监测资料，运用数理统计 原理，选择不同参数模型对其进行回归分析，并根据分析结果得出适合于其工程 的最佳回归参数模型，为机场后续工程起到优化施工和安全预报的作用，对其他 类似工程也有借鉴意义。杨涛一1 基于人工神经网络理论，提出了根据前期沉降观 测资料进行沉降预报的人工神经网络模型，并用于汕汾高速公路预压荷载卸荷时 间预报。钟才根”1 借助人工神经网络模型，建立公路软基沉降预测的神经网络结 构，并将前期沉降观测值作为样本，通过神经网络结构的训练寻求沉降及其主要 影响因素的内在关系，据以预测后期沉降量。 上述的那些理论都是将土体视为饱和土来进行研究和分析的，但由于路基填 土为非饱和土，因此非饱和土的沉降计算是各国研究的热点问题。目前，加拿大、 美国等国学者已提出了一些计算理论和计算方法并开发了相应的计算软件供工程 应用。 目前我国公路部门尚缺乏成熟的、统一的路面拓宽设计方法，存在一些亟待 解决的问题。在规范中虽然安排了有关路面拓宽的条款，但只是针对新、老路基 路面交界部位的连接问题，提出了一些具体的设计要求和施工要点，并未就路面 拓宽时普遍存在的新老路基差异沉降对路面整体结构的破坏作用，提出相应的设 计指标和施工控制指标，以避免或减轻在拓宽路面时因新老路基差异沉降所引起 的结构性破坏。 1 3 本文研究的意义 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。而我国在这方面的研究起步较晚，对这方面的研究也大多是基 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，现在的研究都是基于 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 g d 3 0 2 0 0 4 ) 、公路路基施工技术规范( j t j0 3 3 9 5 ) 、公路设 计手册路基以及其它相关规范均涉及甚少，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。 该领域实际工程中面l 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 中后期以来刁日渐突出的。这些问题和经验亟待总结和研究，并及时反映在路基 设计和施工规范中，以指导今后的公路建设； 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施也少有系统的监测、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。 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。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、对路面结构的影响，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 、英国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 i 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 一盯软件。 但是，新老路基结合部的作用机理和相应的设计方法，国内外尚未作系统的 研究或是研究还有待加深。本文基于此类考虑，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，本文采用a n s y s 有限元软件分析。并找 出新老路基不均匀沉降的规律，为西部公路建设中的改扩建公路的新老路基结合 部不均匀沉降的提供理论依据。 1 4 本文研究的内容和解决的问题 本论文探讨了新老路基的结合机理，通过有限元分析得到了一些结论。在此 基础上验证试验路段所采用的处治方法的正确性、合理性。 在本论文中，分析了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，如何减小新老路基的不均匀沉降的问题。 1 )用a n s y s 软件分析采用土工格栅加筋处理新老路基接合部的措施来减 小新老路基的不均匀沉降的机理。 2 )用a n s y s 软件分析采用在新路基路段设置路堤挡土墙( 矮墙) 、在沿 河路段设置混凝土挡土墙等措施处理老路基拓宽问题的机理，减小整个拓宽后路 基的沉降的问题。 3 )用a n s y s 软件分析在考虑不同台阶尺寸条件下的新老路基结合效果。 4 )用a n s y s 软件分析在考虑填料的弹性模量不同的条件下，来分析在压 实度不同时的新老路基不均匀沉降的问题。 5 ) 根据依托工程的实测沉降值和理论计算值来比较论文中所采用有限元模 型是否正确：并且根据实测沉降值来预估工后沉降值。 1 5 本文的技术路线和思路 1 ) 对国内外最新的新老路基路面结合处的处治措施进行总结、分析。 2 ) a n s y s 有限元软件在对对新老路基处治分析时所采用的模型、求解原 理以及在工程中的实际应用。 3 )根据依托工程的实验路段，从新老路基的结合处理进行有限元分析，验 证课题组所采用的处治措施的合理性、有效性，同时提出自己的观点。 4 )根据依托工程的实验路段所得到的沉降观测数据来预估工程的工后沉降 值。 5 ) 对本论文进行总结。 第二章有限元计算方法及在a n s y s 上的实现 有限元方法 4 6 8 1 4 7 l ，【4 8 】 【4 9 聃l 是五十年代开始作为结构分析的工具发展起来的， 现己日趋成熟，它对分析路面结构层脱空、裂缝和温度应力等情况是弹性层状体 系所难以做到的，而且有限元对分析非线性、粘弹性结构有独到之处，此外还可 分析动力学问题和疲劳问题。 2 1 有限元法概述 有限元法的基本思路是：将连续的结构离散为一组有限个按一定方式相互联 结在一起的单元的组合体，单元类型可以是一致的，也可以是不同的，但要求在 联结处有相同的自由度。有限元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在 每一个单元内假设的近似函数来分片表示全求解域上待求的未知场函数，单元的 近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表 示。这样一来，个问题的有限元分析中，未知函数或其导数在各个节点上的数 值就成为新的未知量( 即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的 有限自由度问题。只要求出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内 场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解，若近似解在某些区域不连续 还可以通过加权平均等一定的方法进行处理，保证有限元解在全求解区域的连续 性。 由于有限元进行数值求解首先要将求解区域进行离散网分，很明显数值解与 实际理论值的近似程度将随着单元数目的增加而不断改进。如单元是满足收敛要 求的，近似解最后将收敛于精确解。 有限元法与以往的近似计算方法相比，有以下几个主要特点： 1 )概念浅显，容易掌握。可以在不同的水平上建立起对该法的理解：可 以通过非常直观的物理概念来理解；也可以建立基于严格的数学分析的理论： 2 )可以用不同大小及形状的单元来模拟一个复杂的求解区域； 3 ) 使用性强，应用广泛，适应各种荷载及边界条件： 3 ) 能由几种不同类型的单元来模拟实际问题，使模型更加真实； 4 ) 在单元内构造近似函数进行插值，大大降低了计算量。 2 2 有限元分析的基本过程 有限元分析的基本过程可分为以下几个过程。 2 2 1 结构的离散化 结构离散化就是将要分析的结构分解为有限个单元体，并在单元体上指定节 点，相邻的单元通过节点连为整体，同时使单元有关参数具有一定的连续性。单 元划分的疏密程度对计算结果的精度有很大影响。 2 2 2 选择位移模式 完成了结构的离散化后，就可以对各类单元进行特性分析。为了能用节点的 位移来表示单元体的位移、应变与应力，同时考虑到单元体的连续性，必须对单 元体中的位移分布作出假定，即假