（道路与铁道工程专业论文）高速公路扩建工程差异沉降控制技术研究.pdf

摘要 目前我国高速公路改扩建工程刚刚起步，国内尚无具体的设计和施工技术规 范。尽管2 0 0 4 版公路路基设计规范对路基拓宽改建做出了一些规定，但基本都 是原则性的一般规定，对高速公路拓宽改建只有简短的说明，因此有必要对拓宽 路基进行深入研究。和新建高速公路相比，改扩建工程具有施工难度大、工艺复 杂、质量要求高等技术特点。而降低新旧路基的差异沉降是高速公路改扩建工程 的主要关键技术。 本文针对高速公路改扩建工程的特点，在降低新旧路基的差异沉降方面迸行 了理论探索和工程试验，主要进行了以下几方面工作： 1 ) 在调研国内外大量高速公路拓宽工程的基础上，对拓宽路基存在的问题 进行了初步分析，对目前高速公路拓宽工程中采取的技术措施进行了分析评价， 并分析了拓宽路基差异沉降机理和主要影响因素； 2 ) 建立了有限元分析模型，分析模拟了加宽方式、路基高度、地质条件等 多个因素对差异沉降的影响规律，并模拟分析了差异沉降作用下路面结构的力学 响应，重点分析了路面结构层受附加拉应力作用的特征和行车荷载对拓宽路面的 力学影响，进而提出了差异沉降的控制指标与分级标准，并对安新高速全线进行 了差异沉降计算和分级： 3 ) 通过理论分析和试验路验证，提出了一系列降低新旧路基差异沉降的技 术措施，主要包括台阶开挖、地基处理、应用土工合成材料、控制压实度和填料 等方面。并对各类措施的处治效果进行了分析，重点分析了土工格室在拓宽路基 中的应用效果； 4 ) 针对拓宽路基施工的技术特点，并通过试验路分析，提出了一系列拓宽 路基施工质量控制措施，对安新高速扩建工程的台阶开挖和冲击压实进行了重点 研究。 关键词：高速公路；拓宽路基；差异沉降；控制指标；技术措施 a b s t r a c t e x p r e s sh i g h w a yw i d e n i l l go fo u rc o u n t r yn o wi si ni t se a r l ys t a g e a 1 1 dn os p e c i n cd e s 和o rc o n s t m c t i o ns p e c i f i c a t i o ni sa v a i l a b l ef o ri t c o m p a r i n gt on e w l y - b u i l de x p r e s sh i g h w a y ，w i d e n i i l gp r o j e c ti sm o r e d i 蜀c u i tt oc o n s t m c ta i l dt h et e c h n o l o g yi sm o r ec o m p l e x t bm i t i g a t e 吐1 e d i 行宅r e n t i a ls e t t l e m e n ti st h e k e yt e c h n o l o g y f o r e x p r e s sh i g h w a y w i d e n i n g w i t hr e g a r do f 廿1 ec h a r a c t e r i s t i c so fe x p r e s sh i 曲w a yw i d e n i l l g p r o j e c t ，t l l i sp 印e r c o n d u c t e dr e s e a r c ho nm i t i g a t i n gt 1 1 ed i f 梵r e n t i a l s e t t l e m e n to fw i d e nr o a d b a s e ，w h i c hm a i n l yc o n t a i n e df o u rp a r t sa s f o l l o w s ： 1 ) b a s eo ni n v e s t i g a t i n ge x p r e s s1 1 i g h w a yw i d e n i n gp r o j e c t sa th o m e a 1 1 da b m a d ，廿1 ee x c i t i n gp r o b l e m s ，t l l em e c h a l l i c sa 1 1 dt l l ek e yi n n u e n t i a l f a c t o r so f d i 蔬r e n t i a ls e t t l e m e n to fw i d e nr o a d b a s eh a v eb e e na i l a l y z e d 2 ) f i l l i t ee l e m e n tm o d e lw a sb u i l tt oa 1 1 a l y z em el a w so fd i 虢r e n t i a l s e 仕l e m e n tu 1 1 d e rd i 虢r e n tc o n d i t i o n ss u c ha sw i d e nm e m o d s ，m eh e i 曲t o fr o b a s ea i l dt l l eg e o l o g i 亡a lc o n d i t i o n s f i l l i t ee l e m e n tm o d e lw a sa l s o b u i l tt os i m u l a t et l l em e c h a i l i c a lr e s p o n s eo f t l l ep a v e m e m ，b a s eo nw i l i c h c o n 廿o lc r i t e r i o no fd i f i e r e n t i a is e t t l e m e n tw a sp u tf o r w a r d 3 ) b a s eo nm e o r e t i c a la n a l y s i sa 1 1 dt r i a lp a v e m e ms e c t i o n ，s o m e m e a s u r e sh a v eb e e np u tf o n v a r dt om i t i g a t ed i 毹r e m i a ls e 砌e m e mo f w i d e nr o a d b a s e ， i 1 1 c l u d i n g s h o u l d e r c u t t i l l g ，g r o u n d 扛e a 缸n e n t ， t i l e a p p l i c a t i o no fg e o s y n l e t i c s ，a i l ds oo n 4 )c o n s i d e r i n gn l ec h a r a c t e r i s t i c so fw i d e nm a d b a s e ，s o m e t e c l u l o l o g i e sa n dm e a s u r e st om a i n t a i l lt 1 1 ec o n s t n 】c t i o nq u a l i 够w e r ep u t f o n v a r d s t u d yw a sm a i n l yc o n d u c t e do nt l l es h o u l d e rc 吡i 1 1 9a i l di m p a c t c o m p a c t i n go f a n 一ne x p r e s sh i 曲w a yw i d e l l i l l gp r o j e c t k e yw o r d s ：e x p r e s sh i 曲w a y ； w i d e nr o a d b a s e ；d i 鼠r e n t i a ls e t t l e m e n t ； c o n t r 0 1c r i t e r i o n ； t e c h n o l o g i e sa i l dm e a s u r e s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 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。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：f 孑。鼍u k 年月1 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： i5 7 肇毛 燃 多唧g 年g 月日乃唧6 年6 月f 日 妒6 年乡月2 1 日 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来，我国高速公路建设事业蓬勃发展，2 0 0 4 年底通车里程己超过3 4 万公里。由于受当时社会经济水平、技术水平和建设思路等多方面的限制，我 国在上世纪铺设的高速公路绝大部分为双向四车道高速公路，如沈大高速公路、 广佛高速公路、沪宁高速公路等。近年来，随着我国经济的快速增长，特别是 加入w t 0 以来，物流业的发展和城市间的合作往来更加紧密，高速公路的交通 流量日益增加，沿海发达城市之间，原有高速公路的设计通行能力己远不能满 足日益增长的交通需求，许多高速公路运输能力均已达到饱和。 沪宁高速公路1 9 9 6 年刚通车时，平均日车流量仅1 万辆左右，2 0 0 2 年己 达到2 5 万辆，无锡以东地区最高达4 8 万辆，少数路段甚至达到5 4 万辆， 以致常常出现拥堵塞车现象。有关部门决定，2 0 0 3 年在加快苏南沿江、宁杭等 高速公路建设的同时，将实旌沪宁高速通道扩容工程。扩容有两种方案可供选 择：一种是从无锡以东全线建高架路，好处是节省土地，但投资甚巨，每公里 需耗资9 0 0 0 万元。另一种方案是在现有基础上扩充为八车道。 京珠高速公路安阳至新乡段于1 9 9 4 年9 月开工建设，1 9 9 7 年1 1 月建成交 付使用，是一条功能设施齐全、全封闭、全立交的四车道高速公路。近年来， 京珠高速公路安阳至新乡段以其高速、平稳、畅通的优质服务承担着繁重的运 输任务，2 0 0 3 年平均日交通量达小轿车1 9 0 0 0 辆日。目前，其过境交通压力 日显突出，1 9 9 9 年至2 0 0 3 年交通量平均增长率为6 1 3 ，是京珠线河南境最繁 忙的段落，也是交通量年均增长速度最快的路段，其公路服务水平逐渐下降， 已不能满足经济发展的需求，改扩建工程势在必行。 拓宽的路面在开放通车后的一段时问内，个别地段在老路部分相继发生了 纵向开裂现象，裂缝宽度视路堤高度、软土厚度及其性质等变化而不同，雨水 由此渗入，加剧了路面结构层的破坏。裂缝产生的原因主要是由于在拼接荷载 的作用下，新老路基之间产生的反盆形不均匀沉降。因此高速公路拼接工程中 的差异沉降，是设计中应考虑到的一个关键性问题，如处理不当，极易导致路 面的拉裂，影响路堤的使用，给行车安全带来隐患。 从我国现有的高速公路改扩建实践来看，基本上都没有对高速公路扩建工 程的沉降变形规律进行深入的分析研究，对其处理对策也没有作较为系统的分 析，大部分只是基于经验认识，这往往造成工程处理不当或工程处理过度而导 致工程浪费。目前我国高速公路拼接技术的设计、施工基本上无规范可循，尽 管2 0 0 4 版公路路基设计规范对路基拓宽改建作出了一些规定，但基本都是原则 性的一般规定，且对高速公路拓宽改建只有不到一页的说明，因此有必要对高 速公路扩建工程降低差异沉降技术进行较为系统的研究。 1 2 国内外研究概况 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方法、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 等人对加宽路基进行了研究 【5 】，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。主 要内容如下： 1 ) 道路的加宽包括以下两种类型： 保持边坡坡度不变的加宽： 保持坡脚位置不变，使边坡变陡的加宽； 2 ) 报告对印第安那州( i n d i a n a ) 五条加宽的道路进行了调查，其中三条 加宽成功，两条失败。加宽失败路段的调查包括现场测试和室内试验，包括标 准贯入度试验( s p t ) 和锥贯入试验( c p t ) 、钻孔试验、现场密度试验、液塑限 试验、压实度检测和强度试验。调查表明加宽失败路段的主要失败原因是：不 合标准的压实度；不合适的台阶开挖；道路表面水流的渗透也会饱和软化路基 土，导致加宽失败。 3 ) 加宽时要考虑的问题： 台阶的开挖。原印第安那州( i n d i a n a ) 规范规定坡比大于1 ：4 的道路 加宽台阶宽度应大于3 ，台阶高宽比为1 ：1 ，这样会形成3 m 高的竖直断面， 有可能影响老路路堤的稳定，研究表明台阶的竖直高度不宜超过1 5 m 。 压实度的控制。加宽处的压实度应达到大于等于9 5 的标准，含水量 2 应在最佳含水量的一2 + l 范围内波动。 新填土的渗透性应与老路基土尽量保持一致。如果新填土的渗透性高于 老路基土，雨水很可能透过上层路面结构聚集在老路基土中，这将使土软化， 大大减小剪切强度。 完善的路表排水系统的设计和对地下水的适当的考虑。 美国盐湖城i 1 5 公路的改扩建工程，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，采取了多项工程措施。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。 澳大利亚交通部门出于对环保的考虑曾在南澳洲一条高速公路拓宽改建 时，对拓宽部分软弱地基表层土体，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行车道，而在不远处( 相距1 3 米) 增设一新路 堤作为新路的另一个方向的行车道。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 路堤表面平整度下降，路面开裂。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扳桩，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 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。 国外针对软土路基上加宽路基填筑施工提出了间隙法( t h eg a p m e t h o d ) ( 见图l 一1 ) 施工，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 ) ，待地基固结一段时间后再填筑 新老路基之问的间隙。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。 b )州隙让j 矗筑 图1 1 加宽路堤填筑方法 一般的地基沉降估算多采用分层总和法，固结计算大多采用太沙基一维固 结理论，假设地基只产生竖直变形和渗流。实际上，土体存在侧向变形，软土 侧向变形尤为显著，土体水平向渗流对固结的影响有时比竖向的更大。另外， 加宽工程的新老路基施工时间相差几年，因此应该采用二维分析方法进行固结 和沉降的计算。国外对此类问题多采用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，美国普渡 大学的l u d l o w 提出了采用剑桥弹塑性模型分析软土地基上路堤变形的步骤，认 为不排水剪切强度和超固结比是影响结果的主要因素【5 1 。谢永利等人和t a k a d a 等人采用离心模型试验分别研究了不同方法处置软土地基后土体的变形性状 1 4 】；荷兰d e l f t 大学的h g b a l l e r s m a ，e v o s ，a n g v a nm e u r s 等人将离心 模型试验、有限元程序分析和现场试验结合起来，研究了加宽路基施工过程中 软土地基的力学特征和变形特性【“】。 对于新老路基结合部土工合成材料的加筋处理，可以在以上基础上，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 i n 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。英国剑桥大学的j s s h a r m a 等人 利用离心模型试验和c r i s p 9 3 非线性程序进行了软土地基加筋效果的对比验证 分析【剐。芬兰的j u h af o r s m a n 利用p l a x i s 有限元程序和现场试验分析了加筋 加宽时地基的变形特性和加筋的效果【l ”。 综上所述，国外对高速公路加宽中新老路堤的相互影响问题进行了一定的 研究，但研究并不系统和深入，在有限元分析中选用何种土的本构关系可以既 反映真实的情况又便于得到计算参数，如何正确的模拟土和加筋材料的界面机 4 理，如何考虑新路堤加载时地基土因横向固结度不同而导致的强度差异，如何 考虑新老路堤的整体稳定性，如何在离心模型试验中准确模拟拼接加宽的过程， 这些问题都值得进一步探讨。而对于施工工艺的研究也只是稍加改动，对差异 沉降控制没能起到本质的改善作用。 近年来，随着国民经济的快速发展，我国高速公路交通量增长迅速，8 0 、 9 0 年代修建的高速公路纷纷进入改扩建阶段。我国主要高速公路改扩建工程概 况见表l l 。表 1 1 我国主要高速公路改扩建工程溉况 加宽原设计 项目名称扩建方案 方式方案 部分双向八车道 广佛高速两侧加宽双向四车道 部分双向六车道 沈大高速两侧加宽双向四车道双向八车道 沪杭甬高速两侧加宽双向四车道分段拓宽成双向六车道 沪宁高速两侧加宽双向四车道双向八车道 海南环岛东线两侧加宽非标准四车道扩建左幅双向四车道 南京绕城高速公路两侧加宽双向四车道双向六车道 目前，国内由于高速公路加宽工程刚刚起步，研究水平主要停留在工程实 践的水平上，主要在设计施工上采取一系列经验措旖降低新老路基差异沉降。 新老路基拼接的处理措施主要有：选取合适的软基处理方法并保证软基处理质 量、边坡削坡和台阶开挖、土工合成材料的应用、路堤的压实度控制、采用高 强度的路基填料等等。 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 扩建工程课题组建议不设置内倾角，理由是：1 ) 内倾角的存在影响台阶面压实 效果：2 )内倾角不利于排水，旌工过程中突然降雨，建造成角隅处积水；3 ) 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渭移线，而不是新老 路基沿拼接面的水平滑移。 在土工合成材料的应用上，一般采用土工格栅进行加筋，近年来土工格室 也逐渐得到广泛应用。目前国内研究对土工合成材料的应用尚缺乏系统研究， 基本基于经验或个别试验路得出的结论进行推广应用。例如，国内学者对沈大 高速公路加宽工程中土工合成材料不同的铺设层数和位置对路面结构的表面主 应力、表面变形以及层底主应力的影响进行了分析，指出以铺设二到三层土工 合成材料为宜，在铺设两层土工合成材料时，铺设在图l 一2 所示的第1 层和第 3 层时，路面结构的受力状态最佳。土工格栅的设置层数和铺设位置对拼接效 果的影响有待进一步研究。 图1 2 沈大高速公路扩建工程土工格棚铺设 为了使加宽部分路堤和既有道路紧密衔接形成整体，减少新老路堤的不均 匀沉降，防止路面开裂，扩建工程中要求严格控制压实度。考虑到提高压实度 的实施难度及缺乏控制标准等因素，高速公路扩建工程中的路基多采用公路路 基施工技术规范( j t j o o 卜9 7 ) 要求的压实度进行控制，海南环岛东线高速公路 扩建工程中部分路段提高了路基压实度标准：填方路基把规范规定的9 0 压实 度区提高到9 3 ，9 3 区提高到9 5 ，9 5 区提高到9 6 ；挖方段，路堑路 床底压实度要求达到9 6 以上。 国内部分高速公路扩建工程还分别对新旧路结合带采用冲积强压实及强夯 的方法。如沈大高速公路扩建工程分别对路基顶面以下8 0 c m 、2 0 c m 各夯一次， 如图卜3 所示；广佛高速公路扩建工程对新老路基结合带( 大型压路机压实施 工死角) 用打夯机分薄层填筑压实。 在填料控制方面，目前国内研究倾向于从两个方面考虑：利用优质透水性 材料提高路基承载力；采用轻质填料减小附加应力以降低差异沉降。国内多个 6 拓宽工程中应用了e p s 轻质路基和粉煤灰路基填筑。 图1 3 沈大鬲透公路扩建工程强夯示意图 在理论分析方面，同济大学进行了新老路基结合部处治技术课题研究。 针对路基拓宽工程的实际问题，通过多种技术手段，对路基拓宽工程中的技术 特征和工程问题、新老路基不协调变形的计算方法、特点及对路面结构的影响、 拓宽路基的设计理论和方法、新老路基结合部处治的原理、方法和施工技术进 行了深入系统的研究，总结了路基拓宽工程中新老路基结合的主要方式及其分 类方法、常见病害及其成因机理，提出了新老路基不协调变形的计算方法，揭 示了新老路基不协调变形的特征规律、路面结构对路基不协调变形的力学响应 及相应的损坏模式。在此基础上，建立了基于不协调变形控制的路基拓宽设计 理论和方法，系统地提出了不同条件下新老路基结合部的处治技术及其施工控 制，并在重庆、陕西、上海三地6 项依托工程中进行了应用和验证，形成了新 老路基结合部处治设计施工技术指南。 河海大学的苏超、徐泽中等人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，应用土 体固结非线性有限元法，对锡澄与沪宁高速公路拼接段中的隔离墙在工程中所 起的作用进行数值模拟，认为隔离墙可以减小锡澄路对沪宁路产生的附加沉降， 从而减小沪宁路的横坡比改变，防止路面破坏【2 2 1 。长沙交通学院的周志刚等人 运用弹性力学平面应变有限元法，分析了新路堤在自重作用下的沉降和应力分 布规律，提出了在新铺加宽基层项面保持一定厚度的预留量以弥补新路堤的自 身不均匀沉降，防止新旧路相接处产生裂缝的处理方法【1 9 御。陈海珊，胡永深 介绍了采用粉喷桩复合地基进行高速公路扩建工程软基处理的设计方法和施工 工艺1 2 ”。李锁平、龚成亮将土工格栅砂砾垫层成功地用于软弱地基路基加宽段 的应用设计，同时基于土工格栅加筋复合砂砾垫层的应力扩散假设，给出了加 筋层数和复合砂砾垫层厚度的确定方法。沈大高速公路改扩建工程路基加宽技 术研究课题组提出了新加宽路基工后沉降量不大于8 c m 的控制标准。在沪宁高 速公路拓宽工程试验段地基处理中期报告中指出：拼接路基施工后，原高速公 路路基中心与新路肩的横坡度增大值应小于0 5 ，与原公路横坡相比不得出 现反坡，拼接路基施工后，原路中心处附加沉降量应小于3 c m 。 国内高速公路大多数成功实现了拼接，运营后道路使用质量良好。多条高 速公路设计时均意识到差异沉降的影响，但都没有形成整套的软基上高速公路 拼接的计算方法及控制标准等，也没有合理评价老路基的沉降稳定及强度等方 面的变化，使地基处理设计带有一定的盲目性。国内对高速公路扩建工程中降 低差异沉降的研究主要集中在地基处理、利用土工合成材料、提高压实度和换 填轻质填料上，而对差异沉降机理分析以及有限元模拟分析方面做的研究比较 少，同时，国内研究对差异沉降控制标准上也存在较大的争论。 2 0 0 4 版路基设计规范对路基拓宽改建在地质勘探、填料与压实等方面作出 了一些规定，但基本都是原则性的一般规定，对高速公路拓宽改建只有简要说 明。根据江苏、浙江、广东等省软土地基地段高速公路拓宽的实践经验，原路 基中心附加沉降超过3 0 m ，拓宽路基的路拱横坡增大值超过0 5 时，路面开 裂。 1 3 技术路线和方法 根据课题的立项背景，结合安新高速公路扩建工程的实际情况，本项目主 要通过国内外资料调研与实际工程调研相结合、室内实验与现场试验相结合、 理论分析与数值分析相结合、工程试验与应用和观测监控相结合等技术手段， 对新老路基结合部处治技术进行研究。 图1 4 技术路线 ( 1 ) 通过调查国内外高速公路改扩建工程实践，了解已扩建高速公路工程 的实际情况，并调研已有的相关研究成果，为本课题的进行奠定基础。 ( 2 ) 理论分析与数值分析相结合，分析高速公路扩建路基的差异沉降机理 及其变化规律，为采取合适的工程措施提供理论依据。 ( 3 ) 室内实验与现场试验相结合，通过试验数据分析差异沉降对路面结构 的影响。 ( 4 ) 通过铺设试验路及沉降观测，总结沉降变形规律，分析评价工程方案 的效果，为后续工程提供参考与指导。 1 4 本课题主要研究内容 高速公路扩建通常容易在新旧路基拼接处出现差异沉降，从而在新老路 面结合处出现纵向裂缝。本项目结合安新高速公路扩建工程，选取典型路段， 分析差异沉降机理及拓宽路基差异沉降对路基路面的影响，通过理论分析与 9 现场观测相结合，室内室外试验相结合，研究高速公路扩建工程中降低拓宽 路基差异沉降的主要技术，研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 在调研国内外高速公路改扩建实践的基础上，结合安新高速扩建工 程的拓宽方式和工程实际条件，分析拓宽路基的差异沉降机理； ( 2 ) 分析拓宽路基差异沉降的主要影响因素，针对不同的影响因素，研 究采取不同工程措施降低差异沉降的可行性； ( 3 ) 通过理论分析、沉降观测、工程跟踪监测研究差异沉降对路面结构 的破坏模式和引起的主要工程病害； ( 4 ) 研究和分析纵向裂缝防治措施、新老路基的拼接处理方法和施工工 艺，以便减小拼接段路基的差异沉降及病害； ( 5 ) 通过有限元分析和根据实测沉降反分析，拓宽路基沉降计算和工后 沉降预估方法； ( 6 ) 针对高速公路扩建工程实际施工中存在的主要问题和施工难点，研 究高速公路扩建工程路基施工方法和主要质量控制措施。 第二章国内外高速公路扩建工程调查分析 2 1 国内外高速公路扩建工程调查分析 2 1 1 国外调研 国外高速公路改扩建工程主要有荷兰鹿特丹( r o t t e r d 锄) 安特卫普 ( a n m e r p ) 的a 1 6 号高速公路、荷兰鹿特丹( r o t t e r d 锄) 乌得勒支( u 仃e c h t ) 的a 2 号高速公路、日本名神( 名古屋神户) 高速公路、韩国l 号高速公 路，德国开姆尼茨一一德累斯顿的a 4 号联邦高速公路、美国田纳西州 ( t e l l l l e s s e e ) 7 5 号和1 5 3 号州际公路交接段、4 3 4 号州际公路t u s k a 、i l l a 至4 1 7 号州际公路段( 2 1 2 k m ) 、以及i 一8 0 号高速公路从a s h b y 到a v e n u e s 大学段等 等。 2 1 2 国内调研 2 1 2 1 广佛高速公路改建工程 ( 1 ) 工程概况 广( 州) 佛( 山) 高速公路于1 9 8 9 年8 月建成通车，是广东省第一条投入运营 的高速公路。随着经济的持续增长和道路交通网的发展，交通量迅速增长，由 通车初期的7 0 0 0 多车次昼夜( 折合小汽车) ，增加到1 9 9 7 年7 月的7 0 0 0 0 多车 次昼夜( 折合小汽车) ，交通量已远远超过设计通行能力( 年平均昼夜交通量 2 5 0 0 0 辆) 。行车速度由设计的1 2 0 1 ( i n h 减到约6 0 l ( h 。经常因车辆故障或交通 意外导致严重交通堵塞，道路通行能力难以满足运营要求，广佛高速公路扩建 改造势在必行。 该扩建工程途经地段及附近地区的地貌属珠江三角洲北部低丘陵区南缘部 分与三角洲平原。沿线地貌主要有平缓低丘陵、山前夷平地、峡谷凹地、河流 冲积阶地、三角洲沉积平台等。土层自上由下排列，主要有淤泥、粘土、亚粘 土，有时也有夹层。基岩以砂岩和页岩为主。沿线地区属亚热带季风型气候， 本地区公路工程不考虑冻害影响。 ( 2 ) 扩建方式 广佛高速公路从1 9 9 7 年8 月开始扩建，1 9 9 9 年l o 月竣工，是我国首例高 速公路加宽扩建工程，因用地问题的制约，扩建工程采用沿老路两侧加宽的方 式：从起点横沙至雅瑶共6 8 6 4 l ( 1 1 1 路段按高速公路八车道标准加宽扩建( 两侧各 加宽两条车道，路基宽度达4 1 m ) ，雅瑶至终点谢边共6 9 7 1 k m 路段按高速公路 六车道标准加宽扩建( 两侧各加宽一条车道，路基宽度3 3 5 m ) ，两段以雅瑶立 交枢纽为车道过渡段。 ( 3 ) 软基处理 广佛高速公路全线累计共有软土地基5 5 6 2 m ，软土厚度约为1 0 2 0 m ，主 要是淤泥质细( 粉) 砂软弱层。老路下的软基采用砂桩排水固结处理，经过近十 年的沉降，路基范围内的软基已充分固结并趋于稳定。考虑到新路基的工期短、 不可中断交通和软基分布范围广等特点，采用水泥粉喷桩快速固结软基并结合 砂垫层形成复合地基，提高地基整体强度。 粉喷桩施工前，在路基边坡根据不同的路基高度，预先填1 5 2 m 砂或土。 其目的有三个：一是增加施工期的稳定；二是形成软基施工场地；三是粉喷桩 可以往新增路面下方布置，减少新增路面沉降。砂垫层严格按照设计要求施工， 与老路堤的砂垫层连通。地下水丰富路段增设土工布包碎石作盲沟，确保路基 排水畅通。 ( 4 ) 新老路基的衔接 为解决新老路基不均允沉降这一问题，采取以下措施： 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( 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。 粉喷桩布置范围。桩体布置在新增路面下方，可以达到减少新增路面沉 降和消除不均匀沉降，为此必须结合路基填土高度按一定坡度削坡，削坡必须 满足旌工期间路基稳定要求。粉喷桩全部穿透淤泥进入持力层5 0 c m 。 为了确保老路基的安全，边坡开挖分2 次进行。第1 次按l ：0 8 的边坡 进行开挖，并边开挖边做好防护工作，在开挖的边坡上铺一层防水胶纸，以防 止雨水渗入，确保路基的稳定。开挖完毕后，把开挖出来的土方进行路基预填 压实，形成一个工作面。然后粉喷桩机进行外侧粉喷桩的施工，施工完毕检验 合格后，进行第2 次开挖。开挖边坡为1 ：0 5 ，同时做好防护工作，确保路基 的稳定。第2 次开挖完毕后，平整压实，再进行第2 次喷粉桩的施工。 旋喷桩施工路段按一次边坡开挖施工，开挖边坡为l ：0 5 。 ( 5 ) 土工合成材料的应用 为减少不均匀沉降和增加新老路基稳定性，使应力传递更合理，设计采用2 层土工格栅，2 层间距5 0 c m ，中间填5 0 c m 厚的风化土。如图2 一l 。对软基与非 软基接头用两层1 5 m 长土工格栅搭接过渡，其中软基处理段搭入5 m ，非软基段 搭入1 0 m 。 图2 1 广佛高速软土路基横断面 土工格栅的铺设采用横向铺设，其纵向连接处用直径6 姗钢筋加工成u 形 后进行加固，搭接宽度大于2 0 0 m 。铺设土工格栅的关键是保证其连续性，不 出现断裂，扭折皱、松驰，粉喷桩处理与未处理的交接处采用土工格栅纵向铺 设作为过渡衔接，过渡长度伸入未打粉喷桩路基1 0 m 。 2 1 2 2 沈大高速公路改建工程 ( 1 ) 项目概况 沈大高速公路1 9 9 0 年9 月1 日全线建成通车，被誉为“神州第一路”。沈 大高速公路改扩建工程于2 0 0 2 年5 月开工。改扩建成的沈大高速公路路基宽 4 2 米，双向八车道。这是我国首次对高速公路进行大规模改扩建。 沈大高速公路沿线的地质条件较为复杂。其中，海城段地基为亚粘土，承 载力较高，为一般地基；大石桥段和淤泥河段地质为第四纪海陆交互沉积地层， 主要由亚粘土、泥土、淤泥及淤泥质粘土组成。地表多为水田和鱼塘，沟渠较 多。地基上层o 5 1 0 m 为软塑状态的粘性土，其下4 7 m 为软塑一流塑状态的 软土，其物理力学指标差，含水量高，空隙比大，硬壳层薄，具有压缩性大、 承载能力低、渗透性大等特点。 ( 2 ) 扩建方式 沈大路改扩建工程采用以两侧加宽为主的八车道方案。即路基宽度两侧各 加宽8 米，总宽为4 2 米。横断面布置为：行车道8 3 7 5 米；分隔带3 o 米； 路缘带2 o 7 5 米；硬路肩2 3 o 米；土路肩2 0 7 5 米；每侧护坡道宽度 2 o 米。批复工程总投资8 4 3 6 亿元。 ( 3 ) 软基处理 沈大高速公路沿线主要有三段软土段，即营口至熊岳段( k 1 4 9 + 9 0 0 k 1 8 9 + 8 0 0 ) 、普兰店海湾大桥南段( k 3 2 0 + 0 0 0 k 3 2 1 + 0 0 0 ) 以及金州海滩段( k 3 5 0 + 3 0 0 k 3 5 7 + 0 0 0 ) 。这三个软土路段均属滨海沉积平原，地势低洼，地表多 为水田和鱼塘，沟渠较多，地基土层中均含有淤泥质粘土或淤泥质亚粘土层。 处理方案：( 1 ) 普通路堤段：设计根据不同段落的路堤高度，不同的地质条 件以及沿线的水文、施工机具、材料及环境条件等，采用了砂砾垫层、土工织 物、塑料排水板以及堆载预压等多种方案结合的综合处治办法，具体处理形式 有：堆载预压堆载预压+ 塑料排水板堆载预压+ 塑料排水板+ 土工布。( 2 ) 桥头及通道、涵洞路段：由于桥头往往路堤较高，地质条件相对更差，而要求 的工后沉降值又小，因此往往是处治的重点。桥头路段基本采用粉喷桩+ 石渣的 处理办法：而通道涵洞为保证旖工期间当地居民的出行和生产( 排、灌水) 的需 要，也多采用该方法。施工过程如下：先清除表土，整平场地，再施打粉喷桩， 然后一次性填筑7 0 c m 石渣。该方法粉喷桩的处理范围是桥台后3 0 m 以及涵底。 ( 4 ) 台阶开挖方式 为使新旧路基能较好的衔接，从而减少新旧路基结合部的不均匀沉降及开 裂，所有旧路基边坡在填筑前必须先进行清除表面的腐殖土和树根，一般清除 3 0 c m 即可，同时拆除边坡上的防护工程，然后再进行刷坡。如果边坡料经试验 合格则可以直接用作路基填料。刷坡后的旧路路基边坡对于5 m 以下的高度可以 一次刷至l ：0 5 ，对大于5 m 高度的填方路段可以第一次先刷至1 ：0 7 5 左右 的坡度，以后边施工边进行二次刷坡，以避免因过分刷坡而导至高边坡塌落。 同时为避免因雨水冲刷而引起路基滑坍，可以用塑料布先将高危边坡覆盖。在 刷坡合格后填筑前再在坡脚分次开挖宽度为o 4 0 6 m ，高度为0 8 1 o m 左 右的台阶，如图2 2 所示。并且向内做成3 的横披。每层台阶的具体尺寸还应 根据土质情况确定，砂类土和小粒径石方路基的台阶尺寸以边坡不产生塌方为 宜。尺寸可以减小，甚至可以不做台阶，每层只须将坡脚用平地机略刮2 5 c m 宽即可。而沈大高速公路改扩建工程路基的土台阶设计尺寸宽度为 2 m ，高度为 o 8 m 。这个尺寸是不适宜的，因为当高度为0 8 m 时，按1 ：o 5 的坡度则宽度 只能做到o 4 m 而不是2 m 。若遇砂类土和小粒径石方路基，在l ：0 5 的坡度时 超过0 5 m 宽时坡度就会开始塌落，更不用说压路机振动碾压了。另外对于填高 大于8 m 的边坡，一次根本不可能刷1 ：0 5 ，必须分二次刷坡。 图2 2 沈大高速路基结合部示意图 ( 5 ) 土工合成材料的应用 为防止新老路基结合部因不均匀沉降产生纵向裂缝，路基填高大于3 m 的结 合部铺设土工格栅。沈大高速公路加宽路基与土工合成材料铺设层位如图2 3 所示。 水 水泥 l 图2 3 沈大高速公路加宽路基土工合成材料铺设层位示意图 ( 6 ) 填料及压实方式和标准 为提高新填路基强度，减少路堤自身压缩变形，新填路堤要求使用碎石土、 沙砾土、山皮土等强度较高的填料。填土高度小于1 5 m 的路段，新建路基部分 ( 含沈大旧路边坡挖台阶部分) 采用石渣填筑，直至路基顶面。旱田段填前碾 压前先填4 0 c m 石渣，水田段填前碾压前先填7 0 c m 石渣或沙砾。水塘鱼塘等先 进行抛石挤淤，再用石渣或沙砾填至水平面上5 0 c m 后，在进行填前碾压，抛石 范围超过坡脚外两米。 在整个路基填筑过程中均采用冲击碾进行碾压，在新旧路基结合部新填路 基一侧1 m 范围内又采用8 t 强夯进行分层夯实，直至路顶面。 图2 - 4 强夯不慝图 在新旧路基的衔接部位，每填筑两层，即压实厚度达到5 0 c m 的时候，就使 - - 一1 用冲击碾进行充击压实一次，对冲击碾压实达不到的位置，使用强夯进行处理。 每当新填路基达到4 层后，即压实厚度lm 后，用冲击碾对整个路基断面进行 压实。填石路基采用碾压遍数控制法和固体体积法检测压实度。 填前碾压采用2 5 k j 冲击压实机，压实度不小于9 0 。 1 6 2 1 2 3 沪宁高速公路改建工程 ( 1 ) 工程概况 原沪宁高速公路于1 9 9 2 年6 月开工建设，1 9 9 6 年9 月全线建成并投入运 营。主线按部颁公路工程技术标准( j t j o o 卜8 8 ) 中平微区高速公路标准建 设，采用双向四车道，设计行车速度1 2 0 k m h ，路基宽2 6 m ，全长2 4 9 4 5 2 k m 。 沪宁高速公路是上海至成都国道主干线的重要组成部分，其中无锡以东段是同 江至三亚、北京至上海国道主干线的共线路段。沪宁高速公路是江苏第一条高 速公路，曾先后荣获“鲁班奖”和“詹天佑奖”等最高奖项，代表着当时国内 公路建设的一流水平，对促进江苏及周边地区社会经济发展，特别是苏南社会 经济的发展发挥了重要作用。 但是，随着沿线社会经济的快速发展和近年来江苏高速公路路网的形成， 沪宁高速公路担负着繁重的运输任务，交通流量迅速增长，局部高峰时段交通 量已经处于通行能力的上限，由于重载、超载交通日益严重，促使形成路面病 害，服务水平逐渐降低，影响了公路通行能力的正常发挥，制约着苏南地区经 济的进一步快速发展。因此，实施沪宁高速公路扩建十分必要，也十分迫切。 2 0 0 3 年5 月江苏省政府决定对沪宁高速公路进行扩建。其东段是冲积平原，西 段是矮丘，地质条件复杂。全线路堤平均填筑高度约3 7 m ，西段有部分深挖路 堑，石质破碎，节理发育。扩建工程从2 0 0 5 年开始，2 0 0 6 年完成。施工期间 要确保原沪宁高速公路正常通车和运营，施工难度大，交通组织复杂。 ( 2 ) 扩建方式 经论证，本次扩建采用“两侧拼接为主、局部分离”的8 车道方案，将原 来的四车道对称扩建为八车道，在路基两侧各加宽8 2 5 m 。按照现行交通部颁 公路工程技术标准( j t j 0 0 卜9 7 ) 执行，采用“计算行车速度1 2 0 k m h ”的 高速公路标准，双向八车道，整体式路基宽度4 2 5 m ，分离路段路基宽度4 3 m ( 1 3 5 m + 2 6 m + 1 3 5 m ) ；桥涵设计荷载为汽车超2 0 级，挂车一1 2 0 。 ( 3 ) 沉降控制标准的确立 根据试验路段的特殊路基处理研究成果表明，为保证新老路基的良好衔接， 拼接路基施工完成后，加宽路基计算总沉降量小于l5 锄，工后沉降量小于5 c m ， 新老路基差异沉降量小于5 c m 。 ( 4 ) 地基处理 沪宁高速公路穿越苏南水网地区，沿线软土地段长度约9 2 公里，约占全线 总长度3 7 。第四纪全新统冲湖积层，双层软土，间夹o o 5 m 硬塑状粘土、 亚粘土，局部缺失，上层淤泥质粉质粘土夹粉砂或互层，厚2 1 6 8 m ，下层淤 泥质粉质粘土局部存在，厚1 7 2 1 m 。新拼接的路基与老路基建设的时间间隔 。长达1 1 年，老路基沉降已基本完成，老路两侧坡脚附近的地基土也有一定程度 的固结。如果不采取技术措施，新老路基将产生大的差异沉降而引起拼接处开 裂。因此，必须进行扩建软基处理研究，提出差异沉降控制标准，针对不同软 基层深度，提出软土地基沉降控制的不同处理方法。 工程中，对减小路堤的荷载和提高地基的承载力进行了深入的研究，并通 过对排水固结法、复合地基法和轻质路堤材料法等各种处理方法进行综合的技 术性和经济性分析，提出了软土地基拼接处理方案： 原软基处理方法主要有：清淤换土、塑料排水板、堆载预压、粉喷桩、粉 煤灰路堤； 加宽软基处理方法： 软土深度三8 m 时，可选用水泥搅拌桩的处理方法，其水泥用量根据地基 土的含水量确定。 当8 m 2 5 m 时，可选择p t c 型疏桩方案或e p s 轻质路堤方案，经技 术经济比较后确定。 ( 5 ) 路基拼接方法 路基的拼接形式采用台阶拼接，一般路基( 含粉砂土路基、膨胀土路基) 拼接采用由下至上开挖台阶的拼接方式，每层台阶宽度大于1 0 0 c m ，台阶高度 为6 0 7 0 c m ；老路边坡顶部土路肩7 5 c m 范围内全部开挖