（道路与铁道工程专业论文）水泥路面加宽改造结构组合研究.pdf

r e s e a r c ho ns t r u c t u r a lc o m b i n a t i o nf o r0 l dc o n c r e t ep a v e m e n t u n d e rw i d e no rr e b u i l d at h e s i ss u b m i t t e dt o so u t h e a s tu n i v e r si 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 z h a n gm e i k u n s u p e r v i s 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 2川3哪635 肼7，iiiily t ， 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文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： 碰 脚血 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： 日期： 摘要 水泥路面加宽改造结构组合研究 摘要 研究生：张美坤 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 ) 旧水泥路面改造是公路工程领域内的一大技术难题，从总体趋势看，再生利用型技 术是发展的主流方向。然而，目前应用中存在应用标准混乱、应用条件难以界定等问题， 给技术方案选择带来不确定因素，加之不少改造工程有拓宽要求，使得改造中路面结构 选用困难，技术难度大幅度增加。 新旧路基，路面由于道路施工时问的差异，造成路基固结程度及各结构层压缩程度 的不同，从而造成新旧路基，路面的差异沉降，进而导致结合部路面出现裂缝，破损， 沉陷，行车不舒适等现象，进而导致路面使用寿命的衰减。因此如何选择加宽路面加铺 层及新建路面结构显得尤为重要，合适的路面结构会减小差异沉降引起的附加应力，从 而间接提高路面的使用寿命。 结合合宁高速公路改扩建工程，以有限元为主要手段，在进行结构再利用的前提下， 结合加宽问题，研究了路基加宽引起的差异沉降。以设计路面结构为基础，拟定了3 种 加铺结构和4 种加宽结构，分析了在拟合的差异沉降曲线下路面结构的受力状况，对比 旧板块存在脱空情况下的直接加铺，以结合部最不利受力为标准，明确了拓宽情况下路 面结构组合优化的基本原则。然后进行了路面结构组合的优化分析，通过不同结构组合 的受力分析对比，确定了冲压和碎石化合理的控制要求，提出了结构再利用时的加铺结 构组合优化要求，结合拓宽、加铺两方面的结构组合优化原则，提出了碎石化后加宽加 铺的路面结构优化方案。 最后，本文探讨了加宽结合部的受力状况，通过对荷载作用位置的分析，得出最不 利荷载作用位置，并由此得出合理的拼接缝位置。然后对加宽路面结构组合的变化对结 合部受力影响分析，得出最佳的加铺及加宽路面结构组合。在拓宽的过程中，由于高差 的存在，结合部边缘的拓宽结构存在一定的压实不足现象，对压实范围及压实程度变化 对结合部受力影响进行了相应的分析。 关键词：水泥混凝土路面：路面改造；拓宽：结构组合；差异沉降；结合部 a b s t r a c t r e s e a r c ho ns t r u c t u r a lc o m b i n a t i o nf o r0 l dc o n c r e t ep a v e m e n t u n d e rw i d e no rr e b u i l d a b s t r a c t t h er e c o n s t r u c t i o no fo l dp a v e m e n to fc e m e n tc o n c r e t ei sad i f f i c u l tt e c h n i c a lq u e s t i o n 。 a n dt h er e u s ea n dr e g e n e r a t i o ni st h em a i nd i r e c t i o n a tp r e s e n t ，t h ea p p l i c a t i o ns t a n d a r d sa n d c o n d i t i o n so ft e c h n i q u e sa r eu n c l e a r , i tb r i n g su n c e r t a i ni n f l u e n c e s ，a d d i t i o n a l l y , m a n y p r o j e c t sh a v et h ew i d e n i n gd e m a n d ，a n d i tm a k e st h ep r o b l e mm o r ed i f f i c u l t yt os o l v e b e c a u s eo fd i f f e r e n td e g r e e so fc o n s o l i d a t i o na n dc o m p r e s s i o n ，d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t w i l lo c c u rb e t w e e nn e wa n do l ds u b g r a d ew h i c hw i l lc a u s ec r a c k ，d a m a g e ，s u b s i d e n c ea n d d r i v i n gc o m f o r t l e s s n e s si nt h ei o i n to fn e wa n do l de m b a n k m e n t s ，s ot h el i r eo f r o a d s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e s t h e r e f o r e ，h o wt oc h o o s es u r f a c i n ga n dn e wp a v e m e n ts t r u c t u r ei s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t s u i t a b l es t r u c t u r ec a nr e d u c e t h ea d d i t i o n a ls t r e s sc a u s e db y d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t a n di n d i r e c t l yi n c r e a s et h eu s i n g1 i f e 。 o nt h eb a s i so fh e - n i n gh i g h w a yr e c o n s t r u c t i o np r o je c t ，u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ， u n d e rt h ec o n d i t i o no fs t r u c t u r er e u s e ，c o m b i n i n gt h ew i d e n i n ga n do v e r l a p p i n ga f t e rb r e a k i n g ， t h ed i f f e r e n c eo fs e d i m e n t a t i o ni sa n a l y z e d r e f e r e n c et od e s i g n e ds t r u c t u r e s ，s i xs t r u c t u r e s f o ro v e r l a y i n ga n dt h r e ef o rw i d e n i n ga r ec o n f i r m e d ，c o m p a r e dw i t hd i r e c t l yo v e r l a y i n go n o l dc r a c ks l a b ，t h em e c h a n i c ss i t u a t i o n su n d e rf i t t i n gc u r v eo fs e d i m e n ta r ec o m p u t e d ，w i t h t h es t r e s so fc o m b i n e dp a r t ，t h em a i np r i n c i p l e so fs t r u c t u r ec o m b i n a t i o na r em a d ec e r t a i n t h e n ，t h r o u g ht h es t r e s sc o m p a r i s o no fd i f f e r e n td i s p o s i n gm e t h o d so fo l ds l a b ，t y p i c a l p a v e m e n t s t r u c t u r ea r ei m p r o v e d ，c o n t r o l l i n gr e q u e s t s a r e b r o u g h tf o r w a r d f i n a l l y , c o m b i n i n gt h ew i d e n i n ga n do v e r l a y i n gr e q u e s t s ，t h e s t r u c t u r e sf o rr u b b l i z a t i o na r e o p t i m i z e d f i n a l l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef o r c es t a t u so f j o i n tp a r t b yt h el o c a t i o no f l o a da n a l y s i s ， f i n d i n gt h em o s tu n f a v o r a b l el o a d i n gp o s i t i o n ，a n dt h u sa r r i v e a tar e a s o n a b l ef i g h tj o i n t p o s i t i o n w i d e nt h ep a v e m e n ts t r u c t u r ea n dt h e nm i xw i t ht h ed e p a r t m e n to ff o r c ec h a n g eo n i m p a c ta n a l y s i s ，o b t a i n e dt h eb e s tp a v e da n dw i d e n e dr o a d ss t r u c t u r a lc o m b i n a t i o n s i nt h e w i d e n i n gp r o c e s s ，d u et ot h ep r e s e n c eo fh e i g h td i f f e r e n c e ，c o m b i n e dw i t ht h ee x p a n s i o no f t h em i n i s t r yo ft h ee d g eo ft h es t r u c t u r et h e r ei sac e r t a i nl a c ko fc o m p a c t i o np h e n o m e n a ，t h i s p a p e rc o m p a c t i o nc h a n g e si nt h es c o p ea n dd e g r e eo fc o m p a c t i o nf o r c ew i t ht h em i n i s t r yo f t h ei m p a c to ft h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i s k e y w o r d s ：p a v e m e n to f c e m e n tc o n c r e t e ( p c c ) ；p a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o n ；w i d e n i n g ； s t r u c t u r ec o m b i n a t i o n ；d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ；j o i n tp a r t 目录 目录 摘要i j f b s t r a c t i i 第一章概述1 1 1 问题的提出1 1 2 我国高速公路改扩建现状1 1 3 国内外研究现状4 1 3 1 国内旧水泥混凝土路面改造技术状况4 1 3 2 差异沉降对路面结构影响分析5 1 3 3 新老路结合部研究概况9 1 4 论文的主要研究内容和技术路线1 0 第二章水泥路面典型病害与加铺层结构适应性分析1 2 2 1 引言1 2 2 2 力学模型的建立及材料参数1 3 2 2 1 路面结构与材料参数1 3 2 1 2 碎石化加铺结构有限元模型1 4 2 1 3 冲击破碎加铺结构有限元模型1 5 2 1 4 整板加铺结构有限元模型1 5 2 3 旧水泥板碎石化加铺层受力分析1 6 2 3 1 碎石化程度对加铺层受力影响分析1 6 2 3 2 加铺层参数敏感性分析2 1 2 3 3 加铺结构组合建议2 4 2 3 旧水泥路面冲压破碎加铺层受力分析2 4 2 3 1 荷载作用不同位置受力分析2 4 2 3 2 破碎程度变化时受力分析2 5 2 4 整板加铺加铺层受力分析2 7 2 4 1 荷载作用位置影响分析2 7 2 4 2 脱空对加铺层影响分析2 8 2 4 3 传荷能力变化对加铺层受力影响分析：。3 0 2 5 本章小节3 3 第三章加宽路面结构组合与差异沉降关系分析3 5 3 1 路基加宽时路面结构的计算模型3 5 3 1 1 路面结构组合设计3 5 3 1 2 有限元的假定3 6 3 1 3 位移荷载的施加3 7 3 2 差异沉降对老路路面结构的影响3 8 3 2 1 不同旧路处置方式加铺层结构对差异沉降适应性分析3 8 3 2 2 碎石化上层模量对沥青面层附加应力的影响3 9 3 2 3 碎石化下层模量对沥青面层附加应力的影响4 1 3 3 加宽路面不同结构组合附加应力分析4 3 3 3 1 不同路面结构组合对差异沉降适应性分析。4 3 目录 3 3 2 路面结构二水泥稳定碎石层的附加应力分析4 4 3 3 3 路面应结构二应力控制层的附加应力分析4 5 3 4 本章小节4 7 第四章路基路面加宽结合部受力分析4 9 4 1 有限元模型4 9 4 2 路面结构类型及材料参数4 9 4 3 荷载作用不同位置影响分析5 1 4 4 路面结构变化影响分析5 5 4 4 1 旧路不同处置方式对结合部受力影响分析5 5 4 4 2 不同加宽路面结构对结合部受力影响5 7 4 4 3 地基承载能力变化对结合部的受力影响5 8 4 5 压实不足影响分析5 9 4 5 1 压实不足范围变化对结合部受力影响5 9 4 5 2 压实程度不同时结合部受力状况6 1 4 6 本章小节6 2 第五章结论与展望。6 4 5 1 主要结论6 4 5 2 进一步研究的建议6 4 至i 谢6 6 参考文献6 7 作者简介。7 0 2 第一章概述 1 1 问题的提出 第一章概述 旧路经过多年的行车荷载作用已经产生了不同程度的破坏，不能直接加铺沥青混凝 土层，因此需要对旧路面针对不同病害进行相应处理，以使其强度达到加铺要求，同时 也有助于提高加铺层的整体寿命。然后根据老路典型病害处，差异沉降影响分别研究， 通过对不同的结构组合以及结构材料参数的分析，得出最佳加铺层和新建路面结构组 合。 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，从设计到施工，高速公路改扩建工程尚无统一的规范和标准，现行的规范、 标准尚不能涵盖扩建工程的所有项目。同时高速公路的改扩建约束的条件多，用新建工 程的思路和设计方法不能解决改扩建的问题。 我国上世纪九十年代建成的很多二级及其以上公路水泥混凝土路面都已进入大修 改造期，每年的工程建设任务和压力巨大，而相应的改造技术方案目前呈现出多元化的 趋势，相关技术的研究进展程度不一，面向实际工程时，还没有一套针对旧路不同实际 状况提出的系统技术体系。这种状况可能导致我国目前的公路旧水泥混凝土路面改造具 体工程存在以下技术风险： ( 1 ) 技术体系不完整，可能对不同的旧路状况采用单一改造技术，旧路资源利用 率低或技术应用效果差； ( 2 ) 加铺的路面结构设置不合理，新路面结构使用年限缩短或早期病害严重。 ( 3 ) 加宽路面结构与旧路结构之间的结合问题，新老路存在使用寿命差异以及新 老路结合部处置不当会造成路面结构的早期破坏。 以上几个问题都会带来经济上的极大浪费，也会给公路技术部门造成负面的社会与 环境影响。 本文以合( 合肥) 一宁( 南京) 高速公路改扩建工程为依托，重点围绕其旧水泥混 凝土路面的处置方式、拓宽加铺结构组合选择及其他相关技术问题展开研究，力图为同 类工程提供系统的旧水泥路面结构与材料再生利用的方案参考，为旧水泥路面改造技术 体系的完善服务。 1 2 我国高速公路改扩建现状 在己经建成使用的高速公路中，由于受建设时社会经济水平、技术水平和建设思想 的制约，有相当一部分己不能适应交通量增长和社会发展的要求，有的还出现了比较严 重的路面病害。从长远和经济的角度讲，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。相对于新建公路而言，改扩建原有道路提高 现有线路的等级更显得经济实用。自1 9 9 7 年8 月我国首条高速公路加宽扩建工程一广 东南大学硕士学位论文 佛高速公路扩建工程动工之后，先后有海南环岛东线，沪甬杭，沈大，沪宁，南京绕城 等高速公路相继局部或者全线扩建加宽，下面介绍我国几条主要的高速公路改扩建工 程。 ( 1 ) 广佛高速公路 广州至佛山高速公路，是广东省自行设计、施工的第一条高速公路，全长1 5 7 k m ， 于1 9 8 9 年建成通车。广佛高速原路面结构为：4 c m 中粒式沥青混凝土+ 5 c m 粗粒式沥青 混凝土+ 6 c m 沥青碎石+ 2 5 c m 水泥稳定石屑+ 2 8 c m 水泥稳定土： 1 9 9 3 年全线采用n o v o p h a l t 改性沥青加铺了4 c m 改性沥青罩面层。由于种种原因， 罩面半个月后，局部出现了坑槽、松散等病害破坏。随着行车荷载作用次数的增长，广 佛高速病害越来越严重，使道路服务水平大大降低。至1 9 9 8 年时已出现较大量的裂缝、 松散、沉陷等病害，致使日常养护工作异常繁重。为缓解交通压力，广佛高速于1 9 9 9 年1 0 月进行改扩建，采用部分路段四车道加宽为六车道，其余为八车道的双向整体拼 接的形式；在加宽工程开工后，由于路基边坡开挖与施工车辆影响，病害呈现进一步扩 大趋势。 加宽工程开始后，将老路边缘6 0 c m 宽范围内呈疏松状的沥青混凝土面层和水泥稳 定基层挖除，在新路面施工时起回填压实，结合路槽施工缝设计土工格栅来增强路面整 体性。投入运营之后，通行能力大幅提高，在高峰交通量达1 1 0 0 0 0 辆昼夜繁重交通作 用下，加宽工程的质量比较良好。2 0 0 0 年1 1 月对加宽工程缺陷责任期路况调查资料表 明，新建路基基本稳定，无显著下沉或开裂，新路面没有出现积水现象和因设计或施工 原因导致的破损。2 0 0 3 年7 月，路况出现明显下降，出现横向裂缝、网裂、坑槽等病害， 但基本没有出现因路基拼接、差异沉降造成的路表纵向裂缝和反坡。 ( 2 ) 沪杭甬高速公路 杭甬高速公路扩建工程始于2 0 0 0 年1 0 月，采取分段逐步实施的方式进行扩建，采 取两侧拼接扩建方式，路幅宽度有6 车道和8 车道两种。沪杭甬高速公路扩建在方案中， 为了克服拼接宽度过大造成右侧硬路肩无法设置的难点，采用了灵活的“紧急停车带“的 措施，具有一定的创新和突破性。沪杭甬八车道拓宽工程是国内第一条在不中断交通、 不对车辆进行分流的情况下，按照“边营运、边施工”方式实施拓宽改造的高速公路。 为保证新老路良好的结合，防止路面结构层积水等不良现象，主要采取以下措施： 路面底基层与路基的交界面铺设土工格栅，老路路面各结构层挖除台阶状，并要求结合 密实；在新老路面相接处，面层下设置开级配水泥稳定碎石排水带：新老路基层顶面洒 铺封层油，在接缝处铺设宽度为5 0 c m 的玻纤网，并撒布热沥青作为粘层油。为了保证 新老路基结合部位的稳定，缓解新老路基拼接部位的应力集中现象，杭甬高速公路扩建 工程的新老路基拼接采取台阶接触的方式。台阶尺寸控制为1 - 2 m 。杭甬高速采取较大 的台阶尺寸主要是基于杭甬高速公路老路的填料为岩渣、老路路基尤其是边缘压实度不 足的考虑。 拼接后路段的总沉降量为1 0 c m 2 0 c m ，远小于设计的3 0 c m 9 0 c m 。拼接后新路基月 2 第一章概述 沉降速率为3 m m 5 m m 。目前沪杭甬高速加宽工程宁波至杭州方向半幅已基本稳定，没 有出现明显病害，无下沉或开裂现象。 ( 3 ) 沈大高速公路 2 0 0 2 年沈大高速进行封闭单幅全线扩建施上，2 0 0 4 年完成通车。沈大高速公路开 创了国内高速公路大规模扩建的先河，充分的比选了两侧对称拼接方案和单侧拼接方 案，为其他类似工程积累了宝贵的经验。尝试了全封闭施工、全部路面重建、全部桥梁 上构重建( 含利用) 、全部交通工程及沿线设施重建的沈大模式。扩建规模为4 扩8 ；改 扩建后，沈大高速公路由原来的双向4 车道、宽2 6 米“变成”双向8 车道、宽4 2 米的“神 州第一路”。它也是目前我国批准立项标准最高、里程最长的双向8 车道高速公路。 经过对路基沉降、土压力、位移、空隙水压力和测斜五个项目一年时间的观测，从 获取数据上分析，沉降量在最初的六个月增长较快，基本达到2 1 c m 2 3 c m ，以后增长缓 慢，逐步趋于稳定，满足设计沉降要求：同时观察新老路基结合部，纵向未发现裂缝， 表明路基是稳定的。 ( 4 ) 沪宁高速公路 为满足经济社会进一步发展的需要，2 0 0 3 年对沪宁高速公路进行改扩建，采用的扩 建方案：两侧拼接为主，局部两侧分离。沪宁高速公路扩建工程是在不中断交通的条件 下完成的，工程实施中既充分考虑了老路的利用( 路面、结构物、交通工程等) 又对老 路存在的病害进行了较为彻底的整治，工程建设既追求高质量又避免盲目高指标，在技 术指标合理利用和旧材料利用方面取得了明显的成绩。沪宁高速改扩建项目，提出了“可 持续发展与方案选择的结合”，提出了全线采用“集散加快速通道方案”，是非常重大的 突破。 ( 5 ) 海南环岛东线高速公路加宽工程 海南环岛东线高速公路，位于国家公路主干线黑龙江同江至海南三亚的最南端，北 起海南省省会海口，沿岛东南而下，经琼山、琼海、陵水，止于三亚，全场2 5 2 公里。 海南环岛东线高速公路采用分幅修建的形式，1 9 8 7 年4 月开工，半幅工程权限于1 9 9 5 年1 2 月2 7 日建成通车。由于半幅双向行车没有达到高速公路技术功能要求，交通事故 时有发生，难以保证现有交通量的需要和行车安全，因此1 9 9 6 年1 1 月进行了海南东线 高速公路( 左幅) 扩建工程。 工程中为了保证新老路基良好联结，采用了一下工程措施。老路路基拼接部位开挖 台阶，在原有半幅左侧路堤边坡处从坡脚向上挖成宽1 1 5 m ，内倾2 - 4 的反向台阶。 坡脚附近的台阶宽一些，通常为2 - 3 m 。然后逐渐天竺新路基，台阶部位需及时和重点 碾压。对高于4 m 的填方路基、底基层下以及桥涵台背处，在新老路连接处设置塑料土 工格栅。 加宽工程新老路基拼接处基本无异常现象，仅在大茅隧道引道分离高填路堤处沥青 路面因压实度等原因出现约2 0 0 m 纵缝及约2 0 条横缝，加宽总体拼接效果良好。 3 萋 东南大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 我国高速公路改扩建始于本世纪初，目前关于高速公路的加宽技术研究也主要集中 在新旧路堤的不协调变形及控制技术，现行公路路基设计规范对旧路加宽有明确的 指标和设计要求，但对于平原软土地区而言，其深度和广度远远不够，而针对路基和路 面双协调的研究更是寥寥无几。本文主要研究旧水泥混凝土路面加宽改造过程的结构组 合问题，首先要考虑旧路结构再利用与加铺相结合问题，其次就是要考虑加宽路面结构 如何与旧路加铺结构相协调。现在将相关的研究情况介绍如下。 1 3 1 国内旧水泥混凝土路面改造技术状况 目前，我国有大量的旧水泥混凝土路面已到了使用末期，这些水泥混凝土路面大部 分建成于9 0 年代早期，服务期十年左右，但是我国迅速发展的公路运输的交通需求下， 年平均日交通量快速增长，有相当一部分路面结构的荷载作用次数已达到了使用年限， 已出现或很快会出现大范围的破坏。 对于水泥混凝土路面大量出现的病害，目前的主要处置方式有三种：一是破碎后移 除；二是对原水泥混凝土板进行压浆后，加铺基层，然后再做沥青面层；三是采用冲击 压实机械原位破碎后加铺基层后铺筑面层。 ( 1 ) 破碎后移除方案。钻机破碎后移除重新做路面各结构层，旧水泥混凝土板必须 挖除，造成环境污染、资源浪费，是最初的处置方式，将逐步淘汰。 ( 2 ) 压浆稳定加铺方案，对原混凝土板进行压浆稳定后，加铺基层，然后再做沥 青面层，现有的工程案例如下 1 0 4 国道济宁段，即泰安至曲阜一级公路改造工程。原路面结构为2 4 c m 水泥混凝土 路面。对旧路面进行压浆稳固，检测合格后，加铺1 5 c m 水泥稳定碎石基层+ 8 沥青路 面。1 9 9 7 年通车，从1 9 9 9 年开始出现大量板块反射裂缝，维修压力很大，2 0 0 5 年确定 将加铺的面层、基层清除，对旧混凝土板进行破碎稳固或碎石化。 枣庄一木石高速公路，原路面结构为2 4 c m 水泥混凝土路面。对旧路面进行压浆稳 固，检测合格后，加铺18 c m 水泥稳定碎石基层+ 9 c m 沥青路面。2 0 0 0 年通车从2 0 0 2 年开始出现板块反射裂缝，目前仍在使用，每年都要对裂缝进行两次灌缝维护。 ( 3 ) 冲击压实破碎稳固加铺方案，利用冲击压实识别原位破碎后加铺的板块尺寸相 当于打裂压稳工艺处理后的板块尺寸川，板块往往在纵向3 0 5 0 c m 间距处出现横向贯穿 板厚的裂缝，在这种情况下，因板块尺寸较大，对基层薄弱环节的消除作用不明显，小 尺寸板块下仍有可能出现脱空情况，加铺路面结构后，出现反射裂缝的可能性依然存在， 代表的工程有： 1 0 4 国道泰安段，即泰安至曲阜一级公路改造工程。原路面结构为2 4 c m 水泥混凝土 路面，设计荷载汽1 0 ，验算荷载挂1 0 0 。旧路面采用五边型压实机冲压破碎，作为 新建路面结构底基层，然后加铺1 8 c m 水泥稳定碎石基层+ 1 5 c m 沥青路面或1 2 c m 沥青 4 第一章概述 大碎石基层+ 9 c m 沥青混凝土面层两种结构。2 0 0 3 年通车，已经出现板块反射裂缝，目 前仍在使用，每年都要对裂缝进行两次灌缝维护。 2 0 5 国道( 新线) 天长段，即宁连公路安徽省天长段改造工程。原路面结构为水泥 混凝土路面，设计荷载汽一超2 0 ，验算荷载挂一1 2 0 。旧路面采用s p - 1 0 型五边型压 实机冲压破碎，作为新建路面结构底基层，然后加铺水泥稳定碎石基层和水泥混凝土面 层结构。通车半年后的路面状况优良。 3 2 3 国道广东省南雄市附城至始兴县交界段修复工程。原水泥混凝土路面建成于 1 9 9 4 年，部分路段是在原沥青路面上铺筑。经过多年使用，混凝土路面出现破碎、断裂、 沉陷、脱空等严重病害，混凝土路面平均断板率达到3 9 ( 最大5 1 ，最小2 3 ) ，路 面状况处于极差状态。旧路面采用型号为i m p a c t o r 2 0 0 0 单轮式四边形冲击压实机平 均冲压8 遍，再撒布约l c m 厚的石屑填缝振压，并开放交通碾压：底基层采用1 5 c m 厚 4 水泥稳定碎石，设计弯沉值1 1 8 ( o 0 1 m m ) ；基层采用1 5 c m 厚5 水泥稳定碎石，设 计弯沉值6 3 ( o 0 1 m m ) ；下面层为5 c m 中粒式沥青混凝土，上面层采用4 c m 细粒式沥 青混凝土。该工程于2 0 0 2 年9 月开工，同年1 2 月完成下面层的施工，于2 0 0 3 年6 月 完成沥青混凝土上面层的施工。自通车以来，路面在部分路段，主要是高填方路段，出 现纵向、横向裂缝。 总之，目前国内旧水泥混凝土路面的大修和改造各种方案中都有明显的不足，病害 出现时间较早，还需继续寻求新的解决方案。 1 3 2 差异沉降对路面结构影响分析 黎志光 2 0 0 1 在高速公路加宽扩建工程新老路衔接的处理措施【2 】中介绍了广佛高 速公路扩建工程中的经验。他提出对于路面基层已经铺设完的路段，沉降速率稳定在 3 m m n 以内可以铺设面层。这可以看作是早期高速公路扩建中对不均匀沉降的控制， 但是他并未给出这个控制指标的任何根据。 廖荣辉 2 0 0 3 在路基差异沉降引起的路表附加应力分析【3 】中，采用三层弹性层状 体系的力学模型，利用有限元对由于地基不均匀沉降引起的路面附加应力进行计算和分 析。得到构造物台背出差异沉降对路面受力状态的影响，并对台背处差异沉降的允许范 围进行了探讨，得出当表面层为细粒式沥青混凝土，1 5 。劈裂强度为1 2 m p a 时，台背 处容许差异沉降为2 c m 。 杨建斌 2 0 0 3 在加宽道路开裂的有限元分析【4 】中运用平面应变有限元法对加宽沥 青路面进行了分析。计算了加宽道路的不均匀沉降以及由此引起的附加应力，并对影响 路面附加应力的参数进行了分析，探讨了加宽道路的设计方法。并以津汉公路为例，计 算处基层顶面预留量。 余常俊 2 0 0 4 在高速公路加宽工程新老路结合部施工技术【5 】中提出在老路基层、 沥青下面层、沥青中面层上分别设置拼接台阶，以增加新老沥青混凝土路面的连接性， 并介绍了拼接台阶的具体施工技术。 东南人学硕：1 ：学位论文 桂炎德 2 0 0 4 在高速公路加宽设计方法初探【6 】中介绍沪杭甬高速公路扩建工程中 关于新老路结合技术的设计：新老路结构宜采用相同的形式；路面底基层与路基的交界 面铺设高强土木格栅材料；愿路面边部各结构层均挖成台阶状；基层顶面洒铺封油层， 新老路面接缝处设置玻璃纤维网：各面层间均设粘油层等。 曾庆春、廖建春在基于路面应力分析高速公路加宽工程差异沉降控制标准【7 j 中 结合佛开高速公路加宽工程运用有限元法分别模拟计算了高速公路加宽工程新老路基 发生差异沉降时沥青混凝土路面、水泥混凝土路面两种路面结构的应力状态，对差异沉 降引起的路面结构层不同为止、水泥稳定碎石层中的附加拉应力和剪应力进行分析。认 为新老路基的差异沉降会引起路面结构中产生较大的附加应力，发生破坏的模式是：补 强调平层上部最先破坏，产生裂缝；裂缝逐渐扩大，应力重新分布；最后达到路面的极 限破坏强度，导致路面层开裂。决定路面抗新老路基差异沉降能力的关键是补强调平层 上部的抗拉强度。并提出高速公路扩建工程沥青混凝土路面新老路基差异沉降控制应选 择工后路向沉降比，即工后路基路拱横向坡度变化为0 3 5 的控制标准。 吴志刚、孙四平在旧路加宽路面结构层参数变化的敏感性分析【8 j 中运用三位有 限元分析了结构层参数变化对层底脱空状态路面结构受力影响的敏感性，认为基层厚度 是改善表面变形和层底拉应力的主要影响因素，并提出了在旧路加宽加铺改造工程中可 供借鉴的结构层参数取值。 沈大高速公路改扩建工程路堤加宽技术研究课题组提出新加宽路堤工后沉降量不 超过8 e m 的控制标准一j 。 河海大学( 2 0 0 3 ) 在沪宁高速公路加宽工程试验段地基处理中期报告中之处：拼接 路基施工后，原高速公路路堤中心与新路肩的横坡度增大值应小于0 5 ，与原公路横 坡比不得出现反坡【l 。 扬州西北绕城京沪拼接工程【i i j 认为，路面结构容许的不均匀沉降坡比为0 4 ，路 面功能容许的不均匀沉降的坡比为0 1 5 ，并建议一般路堤匝道不超过2 0 e m ，桥头段 不超过1 0 e m 。 章定文【1 2 】从路面结构的功能性要求和结构性要求着手，分析了软土地基上高速公路 加宽工程半刚性基层沥青路面容许的差异沉降，认为0 4 的坡差对于路面结构性要求 和功能性要求都是合适的。 刘汉清等【1 3 】通过对一条二级公路加宽工程计算后认为，0 6 e m 的新老路基工后不均 匀沉降值和o 3 的沉降坡差是容许的。 曾国东等【1 4 】通过对一条二级公路加宽工程计算后认为，新老路基工后不均匀沉降值 0 5 e m ，容许沉降坡差为0 2 5 。 国外对于软土地基上高速公路加宽工程的理论研究起步较早，大多建立在调查分 析、离心模型试验和有限元模拟分析的基础之上。 1 9 9 9 年美国普渡大学的形等人【l5 】对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，并对相应的规范进行了修订，但并未涉及软土路基上路基加宽的问题。 6 第一章概述 l u d l o w s 等( 1 9 9 2 ) 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减少路基的侧 向位移。 由于国外加宽工程较少，且工程情况与我国有较大的差异，因此可借鉴的不多。新 老路基的差异沉降带来的主要问题是对路面结构的损害，这种损害包括结构性损坏和功 能性损坏，所以要求路面结构应力小于路面结构所能允许的应力，满足路面结构性能的 要求：差异沉降引起的路面变形还应满足路面使用功能的要求。目前对高速公路工后差 异沉降的控制主要从结构性和功能性两方面来考虑。 功能性要求确定差异沉降 在路面结构自重和行车荷载的作用下，结合部路面结构顶部会产生弯拉应力，由于 新老路面结构的结合部是加宽路面结构的薄弱环节，路面的开裂实际受到粘结强度的影 响，因此当路面结构所受的拉应力超过路面结构层的容许弯拉应力时，就会造成路面结 构的破坏和新旧结合部纵向裂缝的出现。同时根据新老路基顶面的沉降变化规律，老路 基顶面沉降曲线呈上凸式下沉，因而老路路面顶面会产生弯拉应力，诱发老路路面顶部 的开裂；而新路路基顶面的沉降曲线则呈下凹式下沉，路面结构层的应力则表现为底部 受拉，容易发生新路路面结构底部的开裂。从整体而言，新老路基顶面的的不均匀变形一 在结合部路面结构中产生的附加应力是导致路面损坏的主要原因，因而新老路基横坡的 变化率是差异沉降的控制指标。 y x 图1 1 路基顶面差异沉降曲线 目前对于不均匀变形在路面结构中产生的附加应力计算方法主要有两种：一种是弹 性理论分析法，一种是数值分析法。弹性理论分析法根据弹性层状体系理论，通过假定 路基顶面位移函数，利用弹性力学的方法计算路面结构由于路基顶面不均匀变形而产生 的附加应力。数值分析法则利用有限元的方法，假定路基路面的结构模型，通过计算或 给定路基顶面的位移，来计算不同位移条件下的路面结构的附加应力。由于新老路加宽 已经不能完全满足弹性层状体系的要求，目前较为流行的是数值分析法。 沥青路面在使用后期，结构层抗弯拉能力以路面材料的容许拉应力表征，结构层材 料的容许拉应力是路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力。当 7 东南大学硕士学位论文 沥青路面结构层产生的附加拉应力大于路面结构材料的容许拉应力时，即仃 仃。时，沥 青路面就会产生裂缝。其中 仃尺= 仃肋k ， ( 1 - 1 ) 式中：路面结构层材料容许拉应力，m p a u 甲结构层材料劈裂强度，m p a 矿 a s 抗拉强度结构系数 对于沥青混凝土面层 k ，= 0 0 9 a 。n 。o 2 2 a 。 ( 1 - 2 ) 式中： j 4 公路等级系数，高速公路一级公路为1 0 ，二级公路为1 1 心沥青混合料级配系数，细、中粒式沥青混凝土为1 o ，粗粒式为1 1 州e 设计年限内一个车道累计当量轴次 由此便可满足结构受力要求的差异沉降控制标准，但是由于新老路面的底基层和部 分基层存在裂缝，由于这些裂缝的存在使得新老路结构不是一个整体，形成路面结构的 薄弱部位，因此在路面拉应力没有达到容许拉应力时，路面结构就有可能会发生开裂， 但在计算中无法考虑基层和底基层的裂缝，因此实际的差异沉降控制指标应小于上述计 算值。 按路面功能性确定差异沉降控制标准 由于扩建工程路基纵向的不均匀变形特性与新建公路区别不大，其纵坡变化的功能 性要求可以参照新路的相关控制标准。与新建公路不同的是，扩建工程的差异沉降主要 体现在路基横向的不均匀变形，而路基横向的不均匀变形会直接影响路拱的横坡度。新 建高速公路的路基横向不均匀沉降呈“中间大、两边小 的正盆形，随着工后不均匀沉 降的增大，其路拱横坡度会逐渐减小：而扩建高速公路的横向沉降形态与新建公路恰恰 相反，呈“中间小、两边大”的反盆形，路拱横坡度随着新老路基工后差异沉降的增加 而增加。 高速公路路面一般为沥青混凝土或水泥混凝土，所以路拱坡度的取值范围一般为 1 - 2 ，设计中通常取2 。路基不均匀变形引起的路拱横坡度的变化