（道路与铁道工程专业论文）高速公路拓宽路基差异沉降控制技术研究.pdf

摘要 高速公路拓宽路基的差异沉降是难以避免的，如何采取合理措施控制新老路基差异 沉降是设计和施工中的关键问题。针对拓宽工程现有新老路堤差异沉降控制措施，以处 治手段消化新老路基不均匀沉降的能力作为一条主线索，以变形协调和控制作为主要目 标，通过有限元仿真分析、土工离心模型试验、设计优化及工程实例观测分析，开展了 拓宽工程路基差异沉降控制技术的研究。 对有限元分析软件m a r c 进行二次开发，研编了模拟地基初始应力其释放、脱空 单元处理、等厚接触面单元等用户子程序，提高了数值分析的针对性和可靠性。通过建 立拓宽工程沥青混凝土面层和半刚性基层结构层底脱空计算模型，利用数值分析方法提 出新老路基差异沉降的基本控制标准。以此为标准，分析新老路基的路基和地基的沉降 变形特征，研究拓宽路基拼接带常用处治措施适应能力大小，研究结果表明加筋处治效 果存在一定的局限性，特别对于深厚软弱地基，单一的路基加筋处治不能有效解决新老 路基差异沉降差所带来的工程难题。 建立地基沉降计算简化模式，利用数值分析方法对拓宽路基拼接带加筋处治技术的 筋材铺设层位、铺设层数、搭接长度进行设计优化；对预应力管桩复合地基的桩体模量、 桩体长度、置换率、垫层模量、桩帽与桩体等效半径比以及管桩处理范围、布置方式等 因素对拓宽路堤荷载下复合地基沉降特性的影响进行了数值分析。分析得出了拓宽工程 路基拼接带加筋处治和预应力管桩复合地基处治优化设计参数，并基于分析结果提出了 优化设计措施。 在土工型离心机上安装加载装置和位移、应力量测系统，建立与实际应力相符的土 工离心试验模型，研究了新老路基拼接技术及管桩复合地基处治技术对于拓宽路基差异 沉降变形的改善控制作用，得出了拓宽工程新老路基变形性状和差异沉降处治技术的处 治效果及作用机理。 通过数值分析，结合预应力管桩桩体特殊的工作机理，提出拓宽路基荷载下的管桩 复合地基沉降变形计算方法，并根据优化设计研究结果，对本文提出的计算方法进行系 数修正。结合郑州至洛阳高速公路改扩建工程施工现场试验段观测，验证了管桩复合地 基沉降计算方法的准确性，论证了本文关于新老路基差异沉降控制处治技术研究的合理 性。 关键词：拓宽路基、差异沉降、处治技术、预应力管桩、数值仿真、离心模型 a b s t r a c t i nf r e e w a y w i d e n i n g , s u b g r a d ed i f f e r e n c es e t t l e m e n ti si n e v i t a b l e h o wt ot a k ea c t i o nt o r e d u c et h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb e t w e e nn e wa n do l dg r o u n db e c o m e st h ek e yp r o b l e mo f f r e e w a yd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n a g a i n s tt h ee x i s t i n gc o n t r o lm e a s u r e so f d i f f e r e n c e s e t t l e m e n ti n w i d e n i n gp r o j e c t ，t h eh a r m o n ya n dc o n t r o lo fs u b g r a d ed e f o r m a t i o ni st h e i m p o r t a n to b j f e c t i v ew i t ht h ec l u eo ft h ec a p a c i t yt od i g e s tt r e a t i n gd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to fn e w a n do l dg r o u n d t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i s 、g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g c e n t r i f u g et e s t 、d e s i g no p t i m i z a t i o na n do b s e r v a t i o n a la n a l y s i so fe n g i n e e r i n ge x a m p l e ，t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e so nt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb e t w e e nt h en e wa n d o l dg r o u n d b a s e do nt h ev i s u a l - f o r t r a nf l a t ，t h ed i s s e r t a t i o nd o e st h es e c o n dd e v e l o p m e n to ft h e l a r g ec o m m o nf i n i t e e l e m e n tm a r cp r o g r a m m eu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d g e o t e c h n i c a lt h e o r y t h es u b r o u t i n e si sp r o g r a m m e di n c l u d i n gi n i t i a la n dr e l e a s e s t r e s s s u b r o u t i n e ，v o i de l e m e n td i s p o s a ls u b r o u t i n e ，m o t i o nl o a ds u b r o u t i n e ，c h a n g i n gp a r a m e t e r n o n l i n e a re l a s t i c i t ym o d e ls u b r o u t i n e ，t h r e e d i m e n s i o n a la n dc o n t a c ti n t e r f a c ee l e m e n t s u b r o u t i n e ，a n ds oo n t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e sc o m p u t a t i o nm o d e lo fw i d e n i n gt h eb o t t o m o fa s p h a l tc o n c r e t er o a ds u r f a c e ，a n dp u t sf o r w a r dt h ec o n t r o ls t a n d a r do fd i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n tb e t w e e nn e wa n do l dg r o u n du s i n gn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d t a k et h i sa st h e s t a n d a r d ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h es e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o ro ft h en e wa n d o l dg r o u n d ，s t u d i e so nt h ea d a p t i v e n e s so ft r e a t m e n tm e a s u r ei nc o n v e r g e n c ez o n eo f w i d e n i n gs u b g r a d e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tr e i n f o r c e m e n tt r e a t m e n te f f e c t i sl i m i t a t i o n ， e s p e c i a l l yf o r t h ed e e pw e a ks u b g r a d e ，t h er e i n f o r c e m e n tt r e a t m e n tc a n n o te f f e c t i v e l ys o l v e d i f f i c u l te n g i n e e r i n gp r o b l e m ，t a k e nb yd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb e t w e e nn e wa n do l dg r o u n d t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e sc o m p u t a t i o ns i m p l i f i c a t i o np a t t e r no fg r o u n ds e t t l e m e n t ， d e s i g n st h el a y i n gd o w np o s i t i o n ，t h el a y e rn u m b e r ，t h eo v e r l a pl e n g t ho ft h er e i n f o r c e m e n t t r e a t m e n tt e c h n o l o g yb yn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s i st h ei n f l u e n c e o fp i l em o d u l u s 、p i l el e n g t ha n de x c h a n g er a t eo fp r e - s t r e s s e dp i p ep i l ec o m p o u n df o u n d a t i o n o nt h es e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i co fc o m p o u n df o u n d a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep i l e s s p a c e ，p i l es t i f f n e s s ，c u s h i o nc o m p r e s s i o nm o d u l u s ，t r e a t m e n ts c o p ea n da r r a n g e m e n tw a y o fp i p ep i l ec o m p o u n df o u n d a t i o nh a si n f l u e n c e so nd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb e t w e e nn e wa n d o l dg r o u n d t h e r e f o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o no b t a i n s o p t i m i z a t i o nd e s i g np a r a m e t e r a b o u t r e i n f o r c e m e n tt r e a t m e n to fw i d e n i n gs u b g r a d ec o n v e r g e n c ez o n ea n dt h et r e a t m e n to f p r e s t r e s s e dp i p ep i l ec o m p o u n df o u n d a t i o n ，a n dp u t sf o r w a r dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n m e a s u r e s t h i sd i s s e r t a t i o ni n s t a l l sl o a dd e v i c e 、s t r e s sa n d d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mu s i n g m e d i u m c e n t r i f u g ee q u i p m e n t t h i sd i s s e r t a t i o n s i m u l a t e st h e i m p r o v e m e n t o ft h e d e f o r m a t i o na n dt r e a t m e n t t e c h n o l o g yt os u b g r a d e s e t t l e m e n t 、s t r e s sc o n c e n t r a t i o na n d o v e r a l ls t a b i l i t yi ns u b g r a d ew i d e n i n g b a s eo nn u m e r i c a la n a l y s i sa n dt h ec e n t r i f u g em o d e lt e s t ，t h i sd i s s e r t a t i o np u tf o r w a r d r e a s o n a b l ec a l c u l a t i o nm e t h o d so f p i p ep i l e f o u n d a t i o ns e t t l e m e n t b yt h e s t r e s sa n d d e f o r m a t i o no ft h ec o m p o u n df o u n d a t i o np i l e - s o i l ，c o m b i n e dw i t hm e c h a n i s mo ft h e p r e - s t r e s s e dp i p ep i l e t h r o u g ho b s e r v i n gt h ea p p l i c a t i o no ft h ep i p ep i l ec o m p o u n dg r o u n di n z h e n g z h o u - l u o y a n ge x p r e s s w a ye x t e n s i o np r o j e c tt e s ts e c t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o v e st h e v e r a c i t yo ft h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa b o u tp i p ep i l ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n t ，a n dp r o v e st h e r a t i o n a l i t yo ft h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb e t w e e nt h en e wa n do l d g r o u n d k e yw o r d s ：e x p r e s s w a yw i d e n i n g ，d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ，t e c h n i q u eo ft r e a t m e n t ，p r e s t r e s s e d p i p ep i l e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c e n t r i f u g a lt e s t s i l l 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它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。 敝储橼丽雠叩6 月- 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) 论文作者编颖疑难 导师签名 矽1年 厶令印年 6 其一f t 石月，9 日 j 长安大学博1 二学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来，随着我国经济的迅速发展，高速公路的交通量逐年递增，2 0 0 8 年底我国高 速公路已经建成通车6 0 3 万公里。由于早期修建高速公路时对交通的迅猛增长估计不 足，一些营运量大的高速公路已经呈现出交通量饱和的态势，使得高速公路本身所应具 有的高速、快捷、畅通的服务优势大打折扣。为满足日益增长的交通需求，对已有的高 速公路加宽已成必然。高速公路的扩建加宽在我国还是一个新生事物，国内已经完成的 高速公路加宽扩建工程较少，如何进行改建没有成熟的经验可循，从设计到施工，规范 涉及也不多。 由于通常由于旧路路基低级沉降固结多年基本稳定，而新路基沉降时间短，新旧路 基结合处必将产生不均匀沉降，从而产生纵向裂缝，导致水泥混凝土面板在荷载作用下 产生断板，沥青混凝土路面产生反射裂缝，对行车质量带来很大影响，不仅无法满足汽 车行驶的需要，而且还会增加汽车的燃油消耗和轮胎磨耗，加大运输成本，增加运输时 间，甚至会危及行车安全。鉴于改扩建工程与新建公路相比具有施工难度大、工艺复杂： 质量要求高等特点，用新建工程的思路和设计方法不能解决改扩建的问题 1 - 5 】。因此， 对于公路加宽技术的研究十分迫切，其研究成果的社会效益和经济效益都很明显。 综观现有的高速公路加宽工程，旧路加宽工程最大的技术难题是解决新老路基不均 匀沉降问题【6 j 。虽然我国已完成的高速公路加宽工程积累了一些经验，但还没有成型的 技术能够较好地解决这一问题，很多加宽工程处治技术效果不佳，通车后不久就出现了 路面纵向开裂等严重病害。同时，由于相关的成果大都建立在试验路基础之上，缺乏相 应的理论支撑，有必要结合实际工程对高速公路改扩建工程中存在的新老路堤变形特 性、新老路基结合部处治及新老路面衔接等关键技术问题进行研究，寻求比较合理、科 学的解决方法，以减少高速公路加宽运营中的各种工程病害，为今后旧路加宽改造工程 的设计、施工提供科学依据，确保高等级公路加宽改造工程的质量。 1 2 高速公路加宽工程发展概况 1 2 1 国外高速公路公路加宽工程 高速公路的建设丌始于德国，1 9 2 8 年至1 9 3 2 年德国建成通车的波恩至科隆高速公 路，是世界上第一条高速公路【7 1 。截至1 9 9 1 年，该国高速公路总罩程达l 1 0 0 0 k m 并连 第一章绪论 接成网，使全国5 万人以上的城市及5 万人以下城市的9 0 通了高速公路，构成了欧洲 最庞大的高速公路网。1 9 9 0 年，制定了1 9 9 1 至2 0 1 0 年州际高速公路发展计划，这一时 期，新建高速公路2 3 1 3 k m ，改建高速公路2 3 8 0 k m ，改建高速公路的总里程超过新建里 程，其中比较重要的改建工程就是德国开姆尼茨一德累斯顿的a 4 号联邦高速公路。美 国是世界上拥有高速公路最多的国家，其中纽约至洛杉矶高速公路全长4 1 5 6 k m ，其长 度为世界之冠【8 i 。1 9 5 6 年国会通过了“州际和国防高速公路网计划”法案，计划建设连接 所有5 万人以上的城市、服务于全国的约6 8 0 0 0 k m 的高速公路网。因为当时经验非常有 限，这些公路在七、八十年代因为路基横断面和路线几何设计等方面的缺陷进行了重建。 荷兰在1 9 9 2 年国家公路总里程达到1 0 4 8 3 1 k m ，其中高速公路占2 1 1 8 k m ，在随后的1 0 多年里，其高速公路建设又进入了一个建设的高潮时期【9 】，到目前为止，荷兰改扩建的 高速公路主要有鹿特丹( r o t t e r d a m ) 安特卫普( a n t w e r p ) 的a 1 6 号高速公路、鹿特丹 ( r o t t e r d a m ) 乌得勒支( u t r e c h t ) 的a 2 号等高速公路。在亚洲地区，日本高速公路兴建于 上世纪6 0 年代初，起步虽晚，但发展速度较快，到2 0 1 5 年，计划建成1 4 0 0 0 k m 的高速 公路【l a l 。日本高速公路改建重要项目就是名神( 名古屋神户) 高速公路改建加宽工程。 从以上这些发达国家的高速公路建设过程来看，许多国家高速公路主干线的大规模 建设基本已经完成，而随着其经济的进一步发展，当初建设的许多高速公路出现了因设 计标准较低而不能满足交通量需求的矛盾，而且问题日益严重，为解决这一问题，许多 发达国家开始着手对本国一些建成的高速公路进行改造【1 1 1 4 1 。因此，便产生了高速公路 加宽扩建这一技术。 1 2 2 国内高速公路公路加宽工程 在我国，随着国民经济的迅速发展，高速公路的建设速度不断加快。自1 9 8 8 年1 0 月3 1 日上海至嘉定1 8 5 k m 高速公路建成通车中国大陆有了高速公路后，此后2 0 年间， 我国高速公路建设突飞猛进，但由于受建设时社会经济水平、技术水平和建设思想的制 约，许多已经建成使用的高速公路中，绝大多数是双向四车道，其中相当一部分己不能 适应交通量增长和社会发展的要求，迫切需要扩大道路通行能力。由于近距离新建高速 公路，投资规模大，占用土地多，且容易造成路网分布不均，因而我国的高速公路扩建 大多适宜采用老路加宽的方案。自1 9 9 8 年7 月我国首条高速公路扩建加宽工程广佛高 速公路加宽工程动工以来，先后有海南环岛东线、沪杭甬、沈大、沪宁等高速公路相继 局部或全线扩建加宽，具体情况见表1 1 【1 5 3 7 1 。 2 长安人学博十学位论文 表1 1 高速公路改扩建工程一览表 改扩建公路名称里程( i a n )改建后车道数开工时间竣工时间 沈阳大连高速公路 3 4 882 0 0 2 52 0 0 4 9 广州佛山高速公路1 581 9 9 8 71 9 9 9 8 上海南京高速公路 2 3 082 0 0 3 62 0 0 5 9 上海杭州高速公路1 8 062 0 0 1 72 0 0 4 9 石家庄黄骅高速公路3 5 4 1 9 9 9 52 0 0 1 7 哈尔滨大庆高速公路 1 3 34 1 9 9 6 51 9 9 8 8 大庆齐齐哈尔高速公路 1 0 34 2 0 0 0 92 0 0 2 1 1 哈尔滨方正高速公路 1 6 742 0 0 2 62 0 0 4 1 0 尚志亚布力高速公路 7 742 0 0 2 52 0 0 4 1 0 叶集信阳高速公路 1 3 642 0 0 3 62 0 0 5 1 0 西安铜川高速公路 6 0 82 0 0 8 5 2 0 1 0 ( 预) 泉州厦门高速公路 8 1 82 0 0 7 1 2 2 0 0 9 1 2 ( 预) 郑州洛阳高速公路 1 1 3 82 0 0 5 1 2 2 0 1 0 1 2 。( 预) 郑州漯河高速公路 1 3 282 0 0 8 1 2 0 1 0 1 2 ( 预) 京津塘高速公路 1 4 38 ( 6 )2 0 0 8 2 0 1 0 ( 预) 下面就几条具典型地质状况的高速公路加宽工程进行论述： ( 1 ) 广佛高速公路加宽工程： 广佛高速公路加宽工程从1 9 9 7 年1 0 月开工，到1 9 9 9 年1 2 月完工，成为全国首条 高速公路加宽扩建工程。广佛高速公路全线累计共有软土地基段5 5 6 2 m ，软土层厚度达 l o m - - 2 0 m ，主要是淤泥质细( 粉) 砂软弱层。老路下的软基采用袋装砂井结合砂垫层排水 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。老路边坡采用清除表土后 再挖台阶的方法进行衔接，严格按照施工规范中对新老路基衔接的要求丌挖台阶，而且 台阶数量尽可能多，为新老路基衔接提供更多接触面，更利于新老路基的结合。为减小 不均匀沉降和提高新路基的稳定性，使应力传递更合理，在复合地基上铺设两层土工格 栅。 广佛高速公路加宽工程竣工投入运营后，道路通行能力大幅提高，高峰期交通量达 1 1 0 0 0 0 辆昼夜。在繁重的交通量作用下，加宽工程的质量状况良好。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，无显著下沉或丌裂，新路面 3 第一章绪论 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，广佛高速公路路面状况明显下降，出现了横向裂缝、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，初步说明处理 方法和措施是合适的。 ( 2 ) 沈大高速公路加宽工程 2 0 0 2 年5 月2 8 日，沈阳至大连高速公路加宽改造工程全线开工。沈大高速公路原 为4 车道，路基宽度2 6 m ，加宽改造后将为8 车道，设计时速1 2 0k m ，基本沿两侧加 宽，局部单侧加宽，路基宽度4 2 m 。 试验段采用了塑料排水板+ 土工布+ 砂砾、粉喷桩结合石渣和直接铺筑7 0c m 石渣三 种处理方案。对于软土层较薄路段，采用抛石填筑；对于软土层较厚路段，采用塑料排 水板或粉喷桩处理。粉喷桩桩径为0 5 m ，间距为1 4 m ，正三角形布置，桩长一般为8 m - - 1 2 m 。 老路路基边坡面开挖成台阶状，高度不大于8 0 c m ，底面向路中心横坡3 ，并挖至 与原路面齐平。挖到一定高度厚再挖下一个台阶，避兔施工时边坡塌落。原边坡垂直厚 度3 0 e r a 的边坡土一次性清除，移至加宽路基的坡脚外，做加宽路基的培肩土用。 在路基顶面以下2 0 c m 处铺设一层土工格栅，宽度6 m ，每延米纵横断裂荷载分别为 6 0 k n m ，2 0 k n m ，同时路基内台阶处铺设2 - 3 层土工格栅，增加新老路基的结合，并改 善路基土体的应力状态。 经过对路基沉降、土压力、位移、孔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里增长较快，基本达到2 1c m - - 2 3 锄，以后增 长缓慢，逐步趋于稳定，满足设计沉降要求；根据试验路横向位移的观测，路基横移量 很小，只有0 5 c m 1 8 c m ，同时通过观察新老路基结合部，纵向未发现裂缝，表明路基 是稳定的。 ( 3 ) 沪杭甬高速公路加宽工程 沪杭甬高速公路浙江段全长2 4 8k m ，分三期实施八车道加宽建设，总投资5 5 亿元。 一期红垦至沽沫段，加宽为设港池或停车带的双向八车道，已于2 0 0 0 年1 0 月开工建设。 二期红垦至枫径段，全长1 2 0k m ，宽为标准双向八车道，2 0 0 3 年底开工，2 0 0 5 年完成。 三期沽沫至宁波段，2 0 0 4 年丌工，预计2 0 0 7 年完成。软基主要分布在k 3 2 + 1 0 0 - - - k 6 0 + 6 0 0 之间，其中厚度2 0 m 以上的路段达1 7 6k m ，占软土路段的7 6 k m ，软基处理路段长度为 2 1 4 k m 。 4 长安大学博：t ：学位论文 为减小新老路堤之间差异沉降对老路的影响，浙江省交通规划设计院根据不同的地 基情况、填筑长度、结构物类型等因素，确定采用预应力管桩( 也叫控沉梳桩) 、粉喷桩、 塑料排水板结合等载预压等凡种处理形式。 预应力管桩处理：处于硬壳层较薄、软土层深度 l o m 的重点路段( 桥头、结构物处理 路段等) 的处理使用预应力管桩。预应力管桩为先张法预应力混凝土薄壁管桩，采取锤 击或静压沉桩方式，用焊接法接桩。打设深度2 5 m 以内的管桩直径为3 0 c m ，2 5 m 以上 其直径为4 0 c m 。桩顶现浇混凝土桩帽通过桩塞混凝土与管桩连接，桩帽为矩形，边长 有9 0 c m 和l o o c m 两种。加宽部分的路基荷载通过土工格栅和桩帽的传递，大部分由预 应力管桩承担。路堤桩的平面布置采用正方形，布置间距为2 0 m , - - 一2 5 m ，打设深度为 1 5 0 m - - 3 5 o m ；桥头等结构物部位采用间距和打设深度分级过渡处理。 粉喷桩处理：处于硬壳层较薄、软土层厚度 5 0 c m 3 s ；打设深度大于1 5 m 时，采用厚度为4 5 m m 的塑料排水板，要求纵向通水量 6 5 5 0 c m 3 s 。塑料排水板打 设间距为1 3 m - 1 5 m ，最大打设深度为2 5 m 。 沪杭甬高速公路拼接段的总沉降量为1 0c m , - - 一2 0t i n ，远小于设计的3 0c m 9 0c m 。 拼接后新路基月沉降速率为3m m - - 5m m 。目前沪杭甬高速公路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。 前文对国外高速公路加宽工程概况进行了总结，并对国内部分已完成具有典型地质 公路加宽工程从软基处理、路基处治、路面处治及加宽效果等几个加宽工程涉及到的主 要方面进行了归纳，下面再对前文总结的加宽工程涉及到的技术问题及对策进行分析。 1 3 高速公路加宽工程常用处治技术研究 高速公路加宽工程是一个系统工程，涉及到的问题很多，由于篇幅所限和根据本文 研究的重点，下面仅对软基处理、新老路基接合部拼接技术及加宽工程分析方法等技术 对策进行论述。 5 第一章绪论 1 3 1 新老路基差异沉降控制技术研究 加宽工程中，老路经过长期荷载作用，必然在软基固结程度和路基刚度上存在差异， 从而在新老路基交界处产生不均匀沉降，进而引起纵向开裂，并将裂缝反射到路面，影 响道路的使用性能。因此，要采取有效的技术措施保证新老路基的良好衔接，使其成为 一个整体，同时降低新路基在软基中产生的附加荷载，减小新老路基的差异沉降，避免 或减少横向错台和纵向裂缝。新老路基结合部的拼接技术包括土工合成材料的应用、新 路堤填料的选择及新老路堤加宽拼接的施工工艺等。 ( 1 ) 土工合成材料的应用 为了使加宽路基和既有道路紧密衔接形成整体，减少新老路基的不均匀沉降，防止 路面开裂，广佛、海南环岛、沈大以及沪杭甬高速公路加宽工程中均采用了土工合成材 料。j u h af o r s m a n 等( 1 9 9 9 ) 、杨茂等( 2 0 0 1 ) 、李锁平等( 2 0 0 1 ) 都对软基上高速公路加宽工 程中土工合成材料的应用进行了分析，分析结果表明1 3 8 删：使用土工合成材料可以有效 地加宽路基与既有路基的整体性、提高地基的承载力和解决路基的不均匀沉降；可以降 低由于路基自重引起的水平应力，从而减少水平位移，有效地防止路面开裂。 ( 2 ) 新路堤填料的选择 软基上高速公路加宽工程路基沉降主要源于软基沉降和自身压缩，二者性能的差异 导致了新老路基差异沉降的产生。这就要求加宽路堤填料要具有质轻、刚度大的特点。 孙四平【4 1 】等对3 0 1 国道大庆一齐齐哈尔公路加宽工程现场观测资料分析表明，采用粉煤 灰轻质填料可以显著降低新老路堤的差异沉降。沪宁高速公路加宽工程中在部分深厚软 基路段采用了轻质材料e p s 填筑新路堤，现场观测l 铡和数值分析【4 3 】均表明e p s 填料可 以有效降低对软基的扰动，进而减小新老路堤的差异沉降。 ( 3 ) 软弱土地基处理 高速公路加宽工程中的软土地基处理，应将减小新老路堤的差异沉降作为设计原 则，并针对不同的软基深度、填筑高度、路段位置及结构物类型等因素确定相应的处理 方法。高速公路软基处理方法很多，但对于加宽工程而言，由于工期紧、施工场地狭窄， 同时还要维持既有道路交通正常运营等原因，软基处理较新建高速公路具有更高的要 求。目前，在加宽工程中最常用的软基处理方法有塑料排水板法【16 1 、粉喷桩复合地基【2 4 1 、 控沉疏桩1 1 6 1 复合地基等方法。从机理上来说，大致可以分为加快软土固结的排水法、增 强士体强度的复合地基法，或者结合土工材料的处治方法。 同时，考虑到加宽工程工期短，并且加宽施二 时老路要维持正常的通车，这都对加 6 长安人学博士学位论文 宽工程软基处理提出了更高的要求，不但要求新老路基工差异沉降量小，还要求降低对 施工期老路的扰动。因此，通过理论分析，确定合理的加宽工程软基处理方法是加宽工 程综合处治措施的一个重要方面。 1 3 2 国内外高速公路加宽技术研究现状 关于高速公路加宽改造技术，国内外专家从理论分析计算和工程实践两个方面都进 行了深入研究，许多专家和学者结合实际的高速公路加宽工程，做了大量的理论分析和 实验观测等工作，这些工作成果促进了我国高速公路加宽改造技术的不断发展，为今后 的工作提供了有益的借鉴。 高速公路加宽的理论分析方法主要有：有限元法：反分析法；模型试验法；理论计 算方法。主要分析内容包括：路基不同的应力水平、固结程度和地基处理方法等，计算 加宽新路基地基处理前后的路基应力应变关系以及由其引起的老路基附加沉降、新老路 基差异沉降；新老路基结合部在不同处治措施下的应力应变特性以及对减小新老路基差 异沉降的影响；新老路基的整体稳定性分析；预测通车后交通荷载作用下新老路基的工 后沉降及差异沉降等。 关于高速公路加宽技术方面的理论分析，国内外专家及有关人员所做的工作如下： a g t h j o r t n s p e d e r s e n 和h b r o e l l s 【删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 砧l e r s m a l 8 】等人利用 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e v o s l l 0 1 ，a n g v a nm e u r s 1 1 1 等人对加宽路基的间隙法( t h e g 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 【i 】和p a v c n n e e r 【9 】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；j h 一4 5 】等以及h h a b i b i 蚓等研究了桩网复合地基法( g r p s 桩承加筋路基) 法在路基加宽工 程中的应用，研究了相关设计和分析方法，并采用有限元方法对其工程特性进行了分析。 年美国普渡大学的r i c h a r dj d e s c h a m p s 4 7 1 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，并对相应的规范进行了修订。 国内则由于高速公路加宽工程刚刚起步，相关的理论研究更是存在着不足，需要作 深入系统的研究。孙伟、龚晓南、孙东【5 5 l 对于高速公路拓宽工程，建立有限元分析计 算模型，分析了地基及填方路基的变形性状，以及模量变化对地基及填方路基沉降的影 响，该成果对高速公路拓宽工程具有一定的理论指导意义；钱劲松【5 6 1 通过分析老路拓 7 第一章绪论 宽差异沉降的研究现状，指出利用分层总和法不能考虑新老路基的相互影响，无法反映 出路堤顶面的实际沉降横断面图，并采用a n s y s 软件对老路拓宽工程进行了非线性有 限元分析，认为采用双侧对称加宽比单侧加宽对路面结构更为有利；孙伟等1 5 7 】对双侧 加宽工程中的水平位移和地基沉降进行了有限元计算，分析了地基和路基模量对路基最 大沉降量、最小沉降量及差异沉降的影响，认为提高地基模量可以有效降低路基沉降量， 而提高路基模量对其沉降量影响不大；苏超、徐泽中等人1 5 8 】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；周志刚等人【钙 5 0 】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顶面保持一 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。陈玉良、吕悦、张志宁【5 9 】通过调查公路拓宽改建工程路面纵向裂缝状况，对开裂 原因进行分析研究，提出老路拓宽改造工程路面纵向裂缝的防治方法必须考虑各种因素 综合确定，宜遵循因地制宜、经济可行、工期合理、综合治理的原则；丁兆军【删为解 决既有公路拓宽改造工程中新旧路基不均匀沉降造成路面反射裂缝病害，研究了土工格 栅对加强新帮填路基与既有路基的整体性、提高地基的承载力和解决新旧路基不均匀沉 降的问题，并对其加固机理、施工工序及质量控制方法进行了分析；陈海珊、胡永深1 6 l l 针对软弱地基的加固问题进行探讨，提出解决办法，并对高速公路扩建软基粉喷桩设计， 新老路基衔接措施，地基稳定计算等作了较全面的介绍；章定文、刘松玉【6 2 6 3 l 在回顾 国内外高速公路加宽工程研究现状的基础上，分析了软土地基土高速公路加宽工程中存 在的主要问题包括计算分析方法的选择、地基处理方法的优选、新老路基街接措施、加 宽路基工后沉降和新老路基差异沉降的控制标准等，并提出了解决这些问题的对策；汪 浩、黄晓明【5 1 l 针对软土地基上高速公路加宽时，新老路基结合部会出现不均匀沉降、 路面裂缝等病害，采用基于二维比奥固结理论的平面应变有限元方法分析新路堤作为附 加荷载对老路堤和地基的影响；贾宁【5 3 5 4 1 研究了软土地基上高速公路及其拓宽过程中 的沉降和固结问题。假定地基为b i o t 介质，分析了路堤荷载瞬时作用时地基中的超静孔 隙水压力及有效应力的分布，求得了瞬时沉降、固结沉降和最终沉降的解析表达式。应 用弹塑性有限元软件，分析了老路堤和拓宽路堤先后作用下，地基的沉降以及路堤的变 形和路面中的应力分御等，并与实测结果作了对比。 r 长安人学博上学位论文 1 4 本文的技术路线和研究内容 1 4 1 技术路线 针对路基加宽过程中出现的关键技术问题，本文研究着重从以下几个方面展开： 1 提出拓宽路基差异沉降数值仿真计算模型，建立差异沉降控制标准，基于标准 对拓宽工程路基加筋处治技术进行适应性分析。 2 基于适应性分析结果，对加筋处治技术参数和管桩复合地基设计参数进行优化， 为处治措施设计提供参数。 3 通过离心模型试验，验证拓宽工程新老路基变形性状及处治技术对于路基拼接 时路基沉降、应力集中和整体稳定性的改善作用。 4 根据仿真分析结果，建立拓宽路基荷载下管桩复合地基沉降的计算方法，并通 过现场试验观测结果进行验证。 1 4 2 研究内容 以往国内外关于高速公路加宽工程的技术研究针对加宽技术的理论和施工工艺从 不同的角度提出了各自的看法，这些技术为高速公路加宽工程提供了参考依据。但是， 由于这些理论和技术没有形成完善的系统，推广应用上具有很大的局限性。所以，需要 进一步针对旧路加宽技术进行深入研究，以便解决当前存在的问题。新老路基差异沉降 控制是复高速公路加宽工程研究的主要课题，亦是加宽路基设计的控制条件。本文就新 老路基差异沉降控制标准及控制方法、处治技术等问题研究了以下内容： 1 结合大型通用有限元程序及岩土专业理论，基于v i s u a lf o r t r a n 平台，对m a r c 软 件进行深度二次开发。研编了模拟地基初始应力及其释放、脱空单元处理、多节点等厚 接触面单元等用户子程序。 2 通过建立拓宽路面结构层底脱空计算模型，利用数值分析方法对常用路面在交 通荷载作用下各结构层的响应进行分析，确定新老路基差异沉降的控制标准。在明确控 制标准的前提下，针对高速公路扩建工程差异沉降处治技术进行适应性分析，通过分析 新老路基的路基和地基的变形特征，研究常用处治措施适应性能力大小，以期对其在实 际工程中的应用有所指导。 3 通过建立地基沉降计算简化模式，利用数值分析方法对拓宽路基加筋处治技术 的筋材料铺设层位、铺设层数、搭接长度进行设计优化；并对预应力管桩复合地基的桩 体模量、桩体长度、置换率等主要i 心素对拓宽路堤荷载下复合地基沉降特性的影h 向，进 9 第一章绪论 而对扩建工程基于差异沉降控制的刚性管桩复合地基进行优化设计。 4 借助中型离心试验机，研发安装了离心机位移、应力量测系统，本文拟通过与 实际应力相符的土工离心模型试验来模拟拓宽工程新老路基变形性状及路基和地基处 治技术对于路基拼接时路基沉降、应力集中和整体稳定性等的改善作用。 5 从复合地基的受力和变形出发，结合预应力管桩桩体特殊的工作机理，提出合理 的复合地基沉降设计算方法，并通过试