（岩土工程专业论文）沪宁高速公路拼宽工程路基变形特性研究.pdf

摘要 摘要 我国公路建设中在提高原有四车道高速公路运营能力时，通常采取在原高速 公路基础上扩建的方法。我国软土地基分布广泛，拼宽路基的变形特性以及如何 根据工程地质条件以及工程需要选择合理经济有效的地基处理方法成为工程界 关注的重点问题。本文结合沪宁高速公路拓宽工程实践，研究采用水泥搅拌桩柔 性复合地基与p t c 管桩刚性复合地基拼宽路段的沉降变形特性。论文主要成果 如下： 1 水泥搅拌桩复合地基处理l o m 以下深度的软土地基、p t c 管桩复合地基处 理l o m 以上深度的软土地基，均能够满足新老路基的沉降控制要求：p t c 管桩 复合地基路段沉降小于水泥搅拌桩复合地基路段的沉降，且比较而言p t c 管桩 复合地基路段的新路基对老路基影响较小。 2 对于水泥搅拌桩复合地基拼宽路段，老路基总体沉降较小，发生最大沉 降量的路段基本处于桥头路段；新路基较大沉降主要发生在桥头及通道路段，新 路基最大沉降点不在新路基中心处，而是发生了外移，桥头路段最大沉降点发生 在靠近新路堤堤脚处：新老路基差异沉降随堤高增大而增加，且新路基沉降收敛 较快。 3 对于p t c 管桩复合地基拼宽路段，老路基沉降均得到明显的控制；新路基 沉降主要发生在桥头路段，在存在粉砂层情况下，新路基工后沉降量明显较小； 新路基普通路段最大沉降区域处于新路基中部，桥头路段最大沉降区域随沉降水 平增加而向新路堤堤脚处偏移。 关键词：软土地基；高速公路加宽；沉降；水泥搅拌桩；p t c 管桩；复合地基 a b s h 薯c t a b s t r a c t w i d 钮i i i go fm ec 咄m i c t e d 伽而a i i i a 皿e n th 雒b e e nu s e di i ic 锄m o n t 0i m p f o v e 吐i e 叩e 翰t i i i g c 印a c i 锣o ft l i ef 如r - l 锄ee 冲8 8 w a yi l io i l rc o 眦h y a 湛n i ew i 如d i s t r i b u t i 姐o fs o 垂tg r 0 岫d ，s o m e q ：i l 懿t i 帆sb e c 锄cm o 坞姐dm o 心i n lp l 叫t a n ts u c h 勰t h ea c t i l a l 小i f o r m a t i o nf c a t l i r o f 锄h a n i 1 e n ti 1 1w i d 锄i n gp 匾o j t 锄dh o wt os e l e c tm e t h o d sm o f er e 勰o n a b l ea n dm o r e o 稍t - 舷6 v et oi m p 椰v et t i es u b s o i lu n d e rm cn e w 锄b a i i l t 甜础吐gt om eg e o l o g i c a l o 伽d i t i 吼s锄d 锄g i i l e e 血gn c e d 3 b 雒c d0 l it l i e p r a c t i c e 0 fn i er s 椭c tp r o j e c to f s h 锄g h a i - 1 q 铡m g 叩噬e s s w a y 吐i ed i d | 0 衄a t i o nf e a t u r e 8o fn i en e w 触do l dc m b 赳i k m e n 协a r e 姐a 1 ) r z e d 雅ds t i l d i e d ，i l i c l u d i i i gt l i ec 钿e n tm 磁n gp i l 铭c 啪p 稍i t ef o u n d a t i 伽觚dt t i cp t cp i l c o m p i t cf 0 u n 撕t h em a i l io 优l t 锄协o ft 叠i cd i s 3 e 枷伽a 雒1 0 l l o w i l i g ： 1 b 锄c d n i ep r t i 0 f i er c c 8 9 c t i p f 巧e o to fs h 锄g h a i 小枷h ge 冲f 鹳s w a y ，a o o n c l 琳i c a nb ed 阍t t i a ti ti 8 邸l p 】r o p l 噎a t ct 0i m p en i cs 硪b 勰锄c n tb yc 眦e n tm i ) 【i i i gp i l 嬲t t i ed e p mb e l l a w1 0m 锄dm cp t cp i l 铭勰t i i ed 叩ia b o v el omt om e e tn e w 柚do l d 锄b ；i i i | c n tc o n t y d ir c 甲i 心m e n t so f l cs e 螂e m 铋t ；0 0 m p 撕n gw i n it l i c g i o nr e i l i f 0 e db y c 鲫e n tm i 】【i i i gp i l e 8 ，n i es e 砌e m e n to ft l i e g i o nr e i l i f o r c e db yp t cp i l i 88 m a l l 盯觚d i cn c w e m b 触l a m e n th 嬲a8 l i g h t e r 硪l e c to nn l e8 e t t l e m 铋to ft t i eo l d 锄b a i 妇e n t 2 h it l i er e g i o n i i i f b r c e db yc e m e n tm i x i i i gp i l e s ，n i es e t t l 啪铋to fo l dr o a d b e di s8 m a l i 嬲a w h o l e 锄d 吐i el a r g e 暑t 锄。吼ti 3a l m 0 8 tl o c a t e di i ib f i d g e h e a d g i 8 ；n e wr o a d b e d 、j l ，i t hl a r g c r s e t t l e m 蛐ti 8a l m 稍tl o c a t e di i io h a 蛐e l 锄db f i d g e h e a d 代g i s ，t h cl a 玛铝ts c 仕l 锄铋tp o mi sn o t i i in i eo 锄t c ro f m en c w 锄b a l l i 洫铷tb u tm o v i i l ( g 蛔a r do u t s i d c 锄dt l i e 咖d 钮c y0 f 心c ti s d b v i s 铭p i a l l yi nt t i eb f i d g e h e a d g i o nw h e 心n i em a x i m u mp o i n ti 8n e 盯n i ef 幻to fn e w 锄b a i i l t ；t l l ed i 岔醣啪6 a ls e 仕l e m 蛐tb e 觚e e nt l i en 洲锄do l d 瓢i b e di sr i s i n g 嬲m ci l i c 心勰c o f 锄b a l l l 妇th e i g l i t 锄dn i eo o 船t r i n g 锄o yo f 吐i cs e t t l 锄t0 ft h cn 删a d b c di sm o 鹏 o b v i o l i s 3 h it h e g i i l i f 妇d b yp t cp i i e 8 ，n l es 硎锄龃to fm co i d 锄b 趾k m c n th 鹬b 湖 m a 彘d l yc 傩呐n c d ；t h es e 眦锄to ft h en e we m b a l i | m td i l r i n gd i cp 叫ti sm a i n l yo c c i 盯c d i nt h eb f i d g e h c a d 坞g i o 玛t h en e wr o a d b c dc a nw i l ia8 i g n i f i c 矩n y1 0 1 8 e t t l e m e n tl e v e la f t 盯 w i d 锄i i i gd i l et om ep r 觚c e0 fs i l tl a y g 锄e 豫n ys p e a k i n g ，i el a 玛e s t 鲥咄加强ti 8s e t t l e di n t h eo c n t 盯o fn e we 脚l b a n i m i 吼i t 鹊a ne v e nr e g i o nw h i c hi sm o v i i i gt 0 啊羽l h c 融o ft l i en 州 伽小a l i l 锄e n t 嬲t l i e 期i s eo ft i i cs e t t l e m e n tl 吼怕li i in i eb r i d g e h e a d 托g i 饥 脚啪r d s ：s 硪f 0 吼d a t i 伽；e 驴s s w 掣w i d 姐i i l g ；s e t t l 锄t ；m i ) 【i i i gp i l e ；p t cp i l e ； c 伽p o s i t ef 0 u n d a t i 吼 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工 作的同事对本研究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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 砂多年j 月哆日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 沙多年，月哆日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 高速公路起源于德国，世界上第一条高速公路是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。从此高速公路在欧美等国迅速发展，6 0 7 0 年代被当时日韩为代表的 中等发达国家广泛应用，8 0 年代后，随着国民经济的快速发展，我国高速公路的建设开始 迅猛发展，1 9 8 8 年1 0 月3 1 日，我国第一条高速公路沪嘉公路开通。2 0 0 4 年8 月底即突 破了3 万公里，比世界第三的加拿大多出近一倍。截止2 0 0 6 年底，全国高速公路总里程 己达4 5 3 万公里，居世界第二位，预计到2 0 l o 年，将达6 5 万公里【l j 。 在已经建成使用的高速公路中，最早修建的一批已经进入大修期，且由于社会经济水 平快速提高，造成交通量大幅增加并迅速逼近设计流量，有的由于负荷过重还出现了比较 严重的路面病害，维修频繁甚至提前进入大修阶段。江苏省1 9 9 6 年通车的沪宁高速公路， 当时是省内第一条运营并代表当时国内一流建设水平的公路，仅到2 0 0 2 年底，全线年均 交通递增率达到1 8 3 ，最高的花桥一昆山段年递增率为2 4 4 ，详见表1 1 。根据交通量 预测结果，将全线日平均交通量折算为小汽车计算，沪宁高速公路2 0 1 0 年将达到6 8 1 6 2 辆日，2 0 2 0 年达到9 1 0 0 2 辆日，2 0 3 0 年达到1 0 9 9 3 3 辆日。按现有四车道技术标准，未 来随着区域社会经济的迅速发展，沪宁高速公路将难以负担如此巨大且增长迅速的交通 量。面对如此迅猛的交通量发展及产生的巨大运输压力，高速公路的扩建势在必行【“】。沪 杭高速公路5 1 、广佛高速公路k 1 等主线高速在运营中也相继出现类似问题。 表1 1 沪宁高速公路1 9 9 6 2 0 0 2 年年均日交通量及增长状况表 年递 0 1 0 2 路段1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 粥1 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 增率 递增率 花桥_ 昆山 1 5 3 7 72 0 7 1 72 3 9 5 23 1 9 1 63 7 9 6 84 5 4 0 25 6 9 4 72 4 4 2 5 4 全线平均 1 5 0 3 81 7 5 6 42 1 0 l o2 4 0 6 62 6 8 8 53 1 4 2 34 1 1 4 31 8 - 3 3 0 9 1 9 9 7 年8 月，我国首条高速公路加宽扩建工程广佛高速公路扩建工程动工，之后 先后有沪杭甬、沈大、沪宁等高速公路开始扩建随7 ，引。 随着我国经济的进一步发展，区域经济合作的进一步加强，交通运力问题将愈加凸显， 大部分现有四车道高速公路将相继面临扩建需求，陈胜营等【9 1 在2 0 0 1 年即作出了远期将需 要十条左右车道的高速公路的通行能力的论断。 为落实中央提出的“逐步构建节约型的产业结构和消费结构，走出一条具有中国特色的 节约型发展道路”，交通部于2 0 0 5 年即提出了建设节约型行业的总体要求，交通部冯正霖 河海大学硕士学位论文 部长在2 0 0 7 年底的全国公路建设座谈会上也明确提出了建设“安全、环保、耐久、经济” 的公路工程这一行业目标，考虑到我国的国情和整体经济发展水平，我国将面临越来越多 的高速公路改扩建问题。 高速公路的改扩建在我国方兴未艾，如何进行改建没有成熟的全套方法，己完成的改 扩建工程中也存在着不少技术问题，工程营运效果还需时间考验，国内没有专门的扩建工 程规范，目前设计、施工主要还是参照普通高速公路相关规范，欧、美等发达国家高速公 路的建设多坚持长远的观点，1 9 9 9 年美国的风c h a r dj d e s c h 锄p s 等【l o 】对一般的加宽路基 进行了研究，提出了设计路基的设计指南和施工步骤，并对相应的规范进行了修正，但由 于修建方式的不同，其高速公路改扩建工程值得我国借鉴的地方不多【1 1 。1 3 1 。而我国早期修 建的高速公路，由于受历史条件限制，设计技术标准偏低，施工质量存在缺陷，对红线内 的地下、地上建筑物控制不严，造成了新加宽的高速公路路基地下管网密集、地上构造物 复杂，拆迁工程量巨大等一系列问题。同时高速公路的改扩建工程与新建工程相比，工程 条件复杂且限制条件多，尤其在软土地段新老路基沉降差异大，纵横拼接困难。 在我国特别是东部沿海地区，软土地基分布广泛，由于软土地基的特殊工程性质，在 注意般路基修建设计的技术问题基础上，对于新老路基的拼接处理，新老路的差异沉降 控制、相互影响等问题上还需格外注意，大致可以归纳为新、老路基差异沉降控制和新老 路基结合部处理两个方面【1 4 l ： 1 一方匾，新扩建的车道仍属于高速公路规范约束范畴，修建标准由于拼接工程的 特殊性还应相对提高。另一方面，原有路基在长期的运营过程中，沉降已基本完成，在其 边坡上进行扩建填筑，在新填的土方和运营后的汽车荷载引起的附加应力作用1 t 老路基 会产生二次沉降。老路沉降量过大、沉降不均匀及新老路基差异沉降过大，均会导致平整 度变差、路面开裂、路面塌陷、坑塘等病害，严重时甚至可能导致局部路基坍塌，影响高 速公路的正常营运。 2 新老路基的填筑时间及填筑材料不同，新老路基的施工方法和工艺也不同，老路 基填筑材料在长期的自身重量、路面和车辆等荷载的作用下，压实较完全，而新路基的填 料即使严格压实后仍会有塑性累积变形的存在，这些差异凸显了路基结合部处理的重要 性，新老路基若衔接不好会影响路基的整体稳定性，导致不均匀沉降的进一步加剧。 因此找出加宽路基的不同地基处理方法和各种新老路基衔接技术的适用范围，补充高 速公路扩建技术规范，是高速公路加宽改扩建迫切需要解决的工程问题。 2 第一章绪论 1 2 高速公路扩建工程建设与研究现状 1 2 1 高速公路扩建方式 高速公路的扩建方式，从已有的工程看，可将拼接的类型分为直接式拼接和分离式拼 接2 种【2 ，1 5 ，16 1 。 ( 1 ) 直接式拼接 直接式拼接，是指紧贴原地基直接进行路堤的拼接，可分为双侧直接拼接和单侧直接 拼接两种方式。 两种方式比较而言，单侧直接拼接的优点是加宽路基的旌工容易，能保证质量。且新 建路基施工集中在路基的一侧进行，可进行大面积作业。但其缺点也一样明显，单侧直接 拼接需要重建中央隔离带，老路需由双向横坡调整为单向坡，互通、服务设施、上跨分离 式立交需作大规模改动，不能充分利用已征土地且对交通影响较大【1 7 1 。 所以，虽然双侧直接拼接在加宽宽度较小时不方便施工，且有部分明通、桥梁净空不 足的问题需采用特殊结构解决，存在路基、构造物拼接处理的技术问题等缺点，但对于单 侧直接拼接仍存在较大优势。沈大高速公路改扩建工程中对于双侧直接拼接和单侧直接拼 接两种方式的技术论证【1 8 】也得出了相同的结论。 此外，高翔【1 5 1 及蒋鑫【1 9 1 各自通过有限元数值模拟的方法，分别对相同加宽宽度下单侧 直接加宽和双侧直接加宽对新老路基沉降变形的影响进行了分析。结果表明，在相同的加 宽宽度下，双侧加宽无论在新路基绝对沉降以及新老路基差异沉降上均较单侧加宽小，对 老路基的水平位移影响也明显较小；而且路基顶面最大沉降点发生在新路基路肩位置，不 易诱发路面开裂，从力学和变形角度来讲，采用双侧直接拼接更为有利。 在工程实践中，除在早期的海南环岛东线工程中，由于其非标准四车道路宽较窄，采 用了左幅单侧拼接为双向四车道。在广佛高速、沪杭甬高速、沈大高速、安新高速公路以 及沪宁高速等拼宽均采用这种模式，完全拼接的方式示意见图1 1 ，图1 - 2 。 图1 1 双侧直接式拼接 3 河海大学硕士学位论文 图1 2 单侧直接式拼接 采用这种拼接方式的老路已经运行了一段时问，沉降已经或基本稳定，老路地基部分 或完全固结，新老地基的地质条件存在较大差异，同时受拼宽荷载的影响，若处理不当将 会引起新老路基嗣；均匀沉降，在新老路基的结合面产生拉应力，造成路面的开裂，需要 采取适当的处理才能保证拼接效果。 ( 2 ) 分离式拼接 分离式拼接是在老路路基相邻的地方再修建一条新的高速公路，如图1 3 。拼接方式 可以分为单侧、双侧或原路中心线上方( 即高架桥方案) 。也有文献1 刀按照新建路段的空间 位置进一步细分为平面分离式拼接和纵面分离式拼接。 韩宝睿和程建川【2 0 】从高速公路的扩建技术角度分析，得出分离式加宽在断面限制因 素、交通组织便利、施工组织容易、有利于道路保养与维护、未来可拓展空间大以及分离 式断面的问题等方面具有直接式加宽无法取代的诸多优点。但分离式加宽方式占地大，分 流与合流处交通组织困难，一般在加宽车道较多时或在困难地段及复杂工程情况下局部选 用1 7 1 。 锡澄高速与沪宁高速公路的拼接段均采取了分离式拼接。 图卜3 分离式拼接 综上所述，通常新增4 车道拓宽的情况下，一般采取双侧直接加宽方式；在新增车道 数较多或工程情况复杂的情况下，可于经济性及技术性论证后酌情选用两侧分离式拼接， 采取双侧直接加宽为主，部分分离的混合加宽方式。 1 2 2 现有项目扩建情况 自1 9 9 7 年以来，国内已不断修建了多个高速公路改扩建工程，表1 2 【1 5 ，2 1 ，2 2 1 为我国已 进行的主要高速公路加宽扩建工程概况统计表。 4 第一章绪论 表1 2 我国主要高速公路加宽扩建工程概况 加宽工程名称老路建设方案新路扩建方案 加宽方式 广佛高速公路 双向四车道部分双向六车道，部分双向八车双侧直接加宽 沪杭甬高速公路双向四车道 分段扩建为双向六车道双侧直接加宽 沈大高速公路双向四车道双向八车道双侧直接加宽 沪宁高速公路双向四车道 双向八车道双侧直接加宽，局部 南京绕城高速公 双向四车道双向六车道双侧直接加宽 海南环岛东线非标准四车道 扩建左幅为双向四车道单侧直接加宽 杭宁高速二期双向四车道 预留六车道中问带预留加宽 安新高速公路双向四车道双向八车道双侧直接加宽 可见，当前我国主要高速公路面对的基本是由双向四车道拓宽为双向八车道的改扩建 问题。 1 2 3 高速公路拼宽中的软基处理方法 。 1 2 3 1 常见软基处理方法 公路工程地基处理手册中将地基处理按作用机理分成了以下几类： ( 1 ) 置换法：开挖置换法、抛石挤淤法、轻型材料及超轻型材料置换法。 ( 2 ) 排水固结法：砂井与袋装砂井预压固结法、排水板预压固结法、真空预压排水 固结法。 ( 3 ) 复合地基加固法：砂桩挤密法、碎石挤密桩法、c f g 桩法、树根桩法、夯实扩 底桩与混凝土薄壁管桩法、水泥搅拌桩法、石灰搅拌桩法、高压旋喷桩法、土工聚合物加 筋法。 ( 4 ) 其他方法：反压法、强夯法、冷热处理法。 高速公路改扩建工程中，针对不同的地质条件选取合适的软基处理方法，是减少新老 路堤差异沉降，保证拼宽成功的关键所在。在老路拼宽改造后，若新老路基之间的不均匀 沉降过大，则会在路面结构的底层造成脱空【2 ，对路面结构的受力产生非常不利的影响。 根据1 0 年来的改扩建情况来看，拓宽工程中的软基加固方法的选取情况一般如下幽2 8 1 ： 软土层厚度小，硬壳层薄或水塘河沟等浅表层淤泥一般采取换填法、地表夯实压实； 地表有硬壳层的路段一般采用正常预压或等载预压处理。 对于软土层较厚的地段一般采取塑料排水板结合等载预压，隔离墙，粉喷桩，路堤桩 s 河海大学硕士学位论文 结合土工隔栅的方法等，通常处理深度不超过1 3 m 。 对于软土层深厚地段，常见处理方法主要有p t c 桩，c f g 桩，p c c 桩。同时由于这 些桩型具有自身沉降小，施工速度快，质量可靠等优点，并能较好地解决新老路堤沉降差 问题，因此是一种处理桥头及通道等构造物路段的较理想方法。 近年来新型的轻质路堤填料，包括e p s 轻质路堤与气泡轻质混合土，也在尝试使用当 中且效果良好【2 9 ，3 0 1 ，一般应用于软土深度大于2 5 m 的路堤中，但由于其价格较高，目前还 未见大规模应用。 我国主要高速公路加宽扩建软基处理方法可见表1 3 。 表1 3 我国主要高速公路加宽扩建软基处理方法 加宽工程名称老路基处理方法新路基处理方法 袋状砂并加砂垫层 广佛高速公路 粉喷桩( 部分旋喷桩) 加砂垫层 或砂垫层 塑料排水板+ 堆载预压、预压、塑料排水板+ 等载预压、粉喷桩、 沪杭甬高速公路 粉煤灰路堤 一 路堤桩+ 土工格栅 沈大高速公路塑料排水板预压固结塑料排水板预压固结 塑料排水板，粉喷桩， 沪宁高速公路水泥搅拌桩，p 1 桩，e p s 路堤 粉煤灰路堤 塑料排水板、袋装砂井， 南京绕城高速公路粉( 湿) 喷桩，c f g 桩，p c c 桩 粉喷桩 抛填片石简单处理 海南环岛东线原为塑料排水板后改粉喷桩 或未处理 1 2 3 2 软基处理方法的研究 由于新老路基之间复杂的应力情况以及土质差异，加宽工程中软基处理方法的研究必 须与新老路基相互作用机理与沉降特性的研究相结合，国内外采取的研究手段主要是对加 宽路基进行有限元分析，其关键是材料本构模型的确定。由于天然地基的复杂性、离散性 和不均匀性，土力学中发展了多种不同的本构模型。每种本构关系采用不同土性参数，计 算结果也有较大的差异。国外应用比较多是弹塑性摩尔库仑模型或修正c 锄c l a y 模型。 早在1 9 9 4 年，r b j b r i r i l 【蓼e v e 和p a v e m e d 3 l 】比较了应用弹塑性摩尔库仑模型和 修正c a m c l a y 模型计算软基加宽工程的结果差异，认为两者竖向变形比较接近，但采用 修正c 锄c l a y 模型计算出的水平变形要小且更接近实测资料。e v 0 s 等【3 2 】的研究也证实 了这一点。 6 第一章绪论 近年来，随着有限元分析手段的发展，很多学者通过有限元建模以模拟现场情况，对 路基变形及应力分布情况进行分析，探讨拓宽工程软基处理的影响因素，部分学者在此基 础上进一步对软基处理方法进行了研究。 章定文【2 5 】采用摩尔一库仑理想弹塑性有限元方法对新老路堤的相互作用机理进行研 究，分析了新老路堤相互作用机理以及加宽部分软基采用不同软基处理方法时的变形特 性。贾宁【3 3 】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。分析了拓宽路堤 附加应力对老路堤的影响，基于摩尔一库仑模型，研究了老路堤和拓宽路堤的沉降变形规 律，与实测结果作了对比，并提出拓宽路堤路面铺设时间应以新老路堤工后差异沉降大小 为控制标准。同时，将单桩等效处理范围及上部路堤填料简化为圆桩体，采用理想弹塑性 有限元计算了打穿和未打穿软土层两种情况，分析了路堤荷载瞬时施加后，地基中超静孔 隙水压力的分布以及桩身轴力和路堤沉降等。对桩长、桩间距和桩托板大小等影响因素作 了探讨。一 周志刚【3 4 ，3 5 】等运用弹性力学平面应变有限元法，分析了非高速公路加宽中新路在自重 作用下的沉降和应力分布规律，并根据强度理论，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，防止新老路相接处产生裂缝的处理方法。张 涛【3 6 】分析了路基加宽后新老路基差异沉降给公路带来破坏的原因，提出了在设计与施工中 需要采取的预防措施和方法。 河海大学的苏超、徐泽中等人【3 7 】针对锡澄与沪宁高速公路拼接段的两种拼接型式直 接拼接和分离拼接，对新建路基实施拼接后，以边载形式引起已建高速公路产生的附加沉 降的不良影响进行研究，提出了不同的处理方案，尤其对分离拼接式路段，应用土体固结 非线性有限元法，分析结果表明隔离墙可以有效减小沪宁高速路基中心的附加沉降，从而 减小的横坡比改变，防止路面破坏。 稽如龙等【3 8 】根据软土地基上道路拓宽所出现的不均匀沉降和路面裂缝等病害，从软土 地基沉降入手，并结合软土地基处理、新老路基结合部位处理等进行分析研究，通过高、 低路堤试验路段的实践，提出了比较合理的路基拓宽处理方法。 j h a l l 等【3 9 】以及h a a h a b i b 掣删研究了桩网复合地基法( g i 心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，并采用有限元方法口l a x i s ) 对其工程 特性进行了分析。研究表明，桩承加筋路基可以有效减小软土地基的路堤差异沉降和总沉 降，满足路基加宽工程的建设要求。 7 河海大学硕士学位论文 钱劲松【4 1 】通过分析老路拓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，并采用有限元软件a n s y s ， 运用d p 材料来模拟土体的非线性进行分析，总结了差异沉降的规律。 孙伟【4 2 】对采用排水固结法和复合地基法等地基处理方式的直接式拼接路堤分别进行 了弹性和弹塑性分析，重点讨论变形模量对路堤顶面沉降的影响，且通过结果对比认为弹 塑性计算的结果更加接近实际且偏安全。同时结合有限元对采用沉降分隔墙处理地基的分 离式拼接路堤进行了特性分析。i 张军辉【4 3 】在此基础上，也推导了加宽路堤荷载作用下地基中初始有效应力、超孔隙水 压力及沉降计算式，分析了高速公路加宽工程加宽路堤荷载作用下地基初始有效应力、超 孔隙水压力和地基沉降分布。同时用有限元软件a b a q u s 分析了软基上路堤加宽的性状， 并对不同因素对加宽性状的影响进行了考察，认为提高软基刚度对于减小差异沉降、增强 道路稳定性效果非常显著。研究了控沉梳桩复合地基的影响因素，且在考察了新老路软基 分别采用不同处理方式对加宽工程变形特性的影响后，认为塑料排水板法加大了施工期老 路表面差异沉降，建议新路采用复合地基( 粉喷桩) 和轻质路堤填料处理。 高翔【1 5 】采用m o h r c o u l 伽曲理想弹塑性模型，通过考虑不同的新老地基固结度、路基 加宽方式、边坡开挖和填筑方式等因素，同时考虑施工中的扰动、地下水渗流以及交通荷 载的影响，利用有限元数值模拟的方法，分析了新老路基在施工和运营过程中新老路基的 相互作用及影响因素。对轻质路堤法、排水固结法、水泥搅拌桩法以及隔离墙+ 预压法四 种地基处理方法，在综合技术及经济因素进行比较后认为，复合地基法是软土地基高速公 路扩建工程软土地基处理方法的首选。 除有限元方法外，a g i h i o 咖s p e d e r s 吼和h b r o e r s 【删利用大型离心机模型试验和 p l a 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。离心模 型试验和有限元分析具有较好的一致性，但也有一定的差异：加宽部分软土中量测的孔隙 水压力较有限元分析值大于1 5 ；离心模型试验中加宽部分刚填筑完时，实测沉降是有限 元分析值的2 2 5 倍，但固结度达到8 0 时，两者又十分吻合。也有少数国内学者结合离 心模型试验，分析新路堤作为附加荷载对老路堤和地基变形和应力应变状态的影响【4 5 1 ，以 及研究新路堤填料压实度和强度性质改变对沉降变形的影响湖。 可见，除少数学者对离心机模型试验进行了一些探索外，目前国内外对于拓宽工程中 软基处理方法的研究基本为有限元分析，复合地基处理方法被一致公认为适用于拼宽工 程，复合地基的沉降特性以及影响沉降的各种因素成为研究的热点。 8 第一章绪论 1 2 4 高速公路拼宽中新老路基结合部处理常见措施 对于采用直接式拼接的高速公路改扩建工程，新老路基结合部位存在薄弱面，若衔接 不好会影响路基的整体稳定性，导致不均匀沉降的进一步加剧。同时，在新路基自重荷载 以及运营后交通荷载的联合作用下，由于斜向新路基的薄弱面在新路基较大的压缩变形下 更易产生错动，从而反射到路面引起路基、路面的破损开裂，影响高速公路的正常运营。 因此高速公路拼宽中新老路基结合部处理也是一个重要问题。 目前常见的处理措施主要有：老路基边坡削坡及开挖台阶，土工材料的应用。 1 2 4 1 老路基边坡削坡及开挖台阶 通过削坡清除老路边坡上的表层杂土，同时通过开挖台阶增加新老路基的接触面，可 以增强新老路基的结合部的摩阻力和抗剪强度，并为铺设土工格栅提供必要的锚固长度。 ， 公路路基设计规范( j t gd 3 0 一2 0 0 4 ) 规定：拓宽原有路基时，应在原有路基坡面开挖 台阶，台阶宽度不应小于1 o i i l 。但对开挖台阶的其它几何尺寸，包括高度、倾斜角等，并 未提供标准。 已实施的改扩建工程在台阶开挖的几何尺寸上存在着较大的差异，表1 4 2 2 ，2 5 1 总结了 我国主要几条高速公路拼宽工程中的削坡及台阶开挖方式。 9 河海大学硕士学位论文 表1 4 我国主要几条高速公路拼宽工程中的削坡及台阶开挖 工程名称削坡方式 粉喷桩处理：第一阶段按l ：o 8 的坡率开挖老路边坡， 广佛高速公路第二阶段施工，按l ：o 5 的坡率继续开挖边坡。 旋喷桩处理：按l ：0 5 的坡率开挖老路边坡。 挖成台阶状，台阶高度控制在8 0 c m 左右，宽度为1 0 0 2 0 0 c m 。 沪杭甬高速公路 ( 老路填料为矿渣，边缘压实度不够) 从土路肩向下挖成l ：0 5 坡度，并挖成高度不大于8 0 c m 的台阶， 沈大高速公路 台阶底面向路中心横坡3 ，台阶挖至与原地面平齐。 海南环岛东线 ： 从坡脚向上挖成宽1 0 0 1 5 0 锄，内倾2 4 的反向台阶。 高速公路 第一级台阶开挖尺寸为1 5 0 l o o c m ，以上各级台阶开挖台阶为1 0 0 6 7 锄， 沪宁高速公路 台阶底向内倾斜2 。 南京绕城公路从坡项向下挖成台阶状，台阶高度控制在8 0 c m 左右，宽度为1 0 0 2 0 0 c m 。 沪宁- 锡澄高速挖成台阶状，每个台阶高度8 0 c m ，底宽1 2 0 锄， 公路直接拼接段台阶底面向路中心横坡2 ，台阶挖至与原地面齐平。 先对老路基边坡进行3 0 c m 厚的清坡处理，并在原路基边坡上开挖台阶， 安新高速公路台阶底向内倾斜3 同时自下而上，开挖一级及时填筑一级， 台阶的宽度为1 5 m 。 高翔【1 5 】采用有限元数值模拟的方法，分析了台阶的开挖方式以及开挖台阶高度、宽度 和倾斜角度对新老路基沉降变形的影响，认为开挖方式对新老路基的沉降变形影响区别不 大，但自下而上的开挖方式比较利于施工，同时边开挖边填筑新路基有利于保持老路基的 稳定性。台阶的高度和宽度受制于老路边坡削坡的坡度，在老路坡比为1 ：1 5 的情况下， 最优台阶高度在7 5 9 0 c i n 之间，即最佳台阶宽度在1 1 0 1 3 0 c m 之间。台阶顶面内倾可以 增强新老路基嵌固作用，阶竖直面内斜有助于提高新老路基结合部的压实质量，两者结合 起来可以更好的保证台阶内侧的压实质量和台阶竖面的稳定从而保证新老路基结合部的 拼接质量。对于削坡的情况，台阶宽度受到削坡坡度的影响，但应大于1 0 0 c m ，这点与公 路路基设计规范( j t gd 3 0 一2 0 0 4 ) 规定相同。 1 2 4 2 土工材料的应用 土工材料的品种较多，工程中主要应用的是土工布与土工格栅。土工格栅于1 9 7 9 年 开始研制出来后，经实践检验其加筋作用大大优于条状土工带，因此获得了迅速发展，在 公路、铁路、水利、电力、建筑、海港、采矿、机场、军工、环保等各工程领域得到广泛 应用。 土工格栅的加筋作用主要通过与土之间较强的相互作用实现f 4 7 ，4 3 】：第一，土工格栅表 1 0 第一章绪论 面与土体之间的摩擦作用；第二，土工格栅和结点产生的被动阻抗作用；第三，土工格栅 网格上层填料与下层填料相互作用，对加固材料产生的锁定作用。通过上述作用，土工格 栅在限制土体的侧向变形、减小地基的不均匀沉降、加强整体结合性方面效果明显，应此 也逐渐被广泛应用于高速公路加宽工程中。实施时通常将老路基边坡挖成一定宽度的内倾 台阶后，沿道路纵向铺筑一定幅宽的土工格栅，使土工格栅一半位于老路基上，另一半位 于加宽路基上，必要时还可采取向老路基中植入筋带的方法加强新老路基间的连接。表1 5 总结了几条高速公路拼宽工程中的土工合成材料铺设的情况【2 2 ，2 5 ，：9 1 。在新老路衔接的台阶 处设置土工合成材料，可加强新旧路基间的联结，减少不均匀沉降和侧向位移【1 2 ，5 1 1 ，从 而有效的防止路面破坏；影响作用效果的主要因素是土工合成材料的刚度，并且刚度越高 作用效果越好【5 2 5 3 1 。 表1 5 拼宽工程中的土工合成材料铺设层数和位置 加宽或拼接工程土工合成材料铺设层数和位置 路基底部铺设一层土工布和一层土工格栅，其中下层为土工格， 广佛高速公路加宽工程 上层为土工布，两层间距5 0 c m ，中间填砂和风化土。 沪杭甬高速公路加宽工程路基顶面铺设一层土工格栅。 沈大高速公路加宽 锡澄一沪宁高速直接拼接段 基底开始铺设一层土工格栅，以后每个台阶项面均铺设一层土 工格栅。 宁连一雍六高速公路拼接段 路床顶铺设2 5 c m 厚土工格室装碎石，宽度为3 0 0 c m ，新老路 马芜芜宣高速公路拼接段 基交接处左右各1 5 0 c m 宽。 每隔5 0 锄设置一层高纤维土工格栅；新老路基顶结合部铺设 庐铜老合铜路拼接段一层宽6 0 0 c m ，厚1 5 c m 的土工格室进行加筋，土工格室内部 用级配碎石填充密实，新老路基拼接处两侧各布设3 0 0 c m 。 路基填高小于4 米时，在基底和最上层台阶底部各铺设一层高 强土工格栅；路基填高大于4 米小于6 米时，在基底、第三层 台阶( 从基底算起) 底部和最上层台阶底部各铺设一层；路基填高 安新高速公路大于6 米时，在基底、第三、第四和最上层台阶底部各铺设一 层高强土工格栅。 土工格栅从台阶内缘铺设至加宽路基的边坡，土工格栅采用钢 筋钉固定，钢钉间距台阶部位0 5 m ，其他部位1 - 0 m 。 路堤顶面以下2 0 咖、路堤底部原地面各铺设一层单向塑料土工 沪宁高速公路 格栅。 从近年来土工材料在高速公路拓宽工程中可见，对于土工隔栅的铺设位置、层数以及 铺设方式并没有统一的认识，这主要是由于对加宽工程新老路堤相互作用机理以及土工格 栅在结合部的作用机理缺乏深入研究，对于影响土工材料加固效果的各因素也仅仅停留在 定性的认识上，无法提供满足设计需要的相关参数，因此在实践中表现出明显的经验性和 一定的随意性。 随着加宽工程的兴起，众多学者对土工合成材料在软土地基上加宽路基工程中的应用 二 1 1 河海大学硕士学位论文 进行了大量研究。 早在1 9 9 2 年，s l 朋m o w 等【5 4 】的有限元分析结果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的减小路基的侧向位 移。随后数多学者采用有限元方法进行了进一步的研究： s p c 砷e t 等【5 5 】通过现场测试研究了土工合成材料在加宽路基边坡中的设计和施工方 法，认为加筋材料用于路基加宽工程具有很大的优势。 进一步对于其加固性能的研究【1 5 ，5 1 】表明：士工合成材料能够有效地加强新老路基的整 体性、提高地基的承载力，改善结合部应力特性，减小新老路基的差异沉降。但张培【5 6 】 通过有限元分析认为土工合成材料对于薄层软上( 当l l b 立3 ) 作用非常明显和有效，对于深 厚软土地基( h b 2 3 ) 仅靠土工合成材料来减少不均匀沉降效果有限。此外，当软土地基上 路堤高度大于2 5 m 时通常要采取和其它软土地基处理方法相结合的办法来减少不均匀沉 降。 李锁平等【5 1 】同时基于土工格栅加筋复合砂垫层的应力扩散假设，给出了加筋层数和复 合砂垫层厚度的确定方法。许多国内学者也对设计方案和施工工艺进行了研究： 对于加筋层数方面，研究结果存在一定争议，有学者认为路基内铺筑两三层土工格栅 可以增加新旧路基的结合【l l 】；也有学者认为土工格栅多层加筋好于单层加筋，但效果差异 不大【1 5 4 7 ，5 6 1 。 对于加筋位置的研究结果较为一致，普遍认为土工格栅设置在路基底部要比设置在路 基中部取得的效果明显【1 5 4 7 1 ，有学者通过对格栅的受力及变形分析，认为桩顶上方铺设土 工格栅可以提高桩体荷载分担比【3 3 1 ，减小桩间土压力，从而减小桩间土的沉降。建议在地 表以及在路面基层各加一层筋，并且在路基稳定的前提下采用局部铺设。 众多学者【1 5 3 3 ，4 7 】的研究表明：土工格栅的抗拉模量越大，对侧位移的抑制作用越大； 格栅刚度相对于地基土刚度较大时，对减小桩间土沉降有明显的作用，反之作用不明显； 格栅刚度较小，地基沉降较大时，格栅的最大应变可能超出允许应变。 同时，也有少数学者采用了离心模型试验，冯光乐等【5 7 】采用四种离心模型试验方案， 对不同布置方式、不同压实度情况下的土工合成材料处理桥头过渡段路基的沉降变形进行 了研究，得出土工合成材料处理的主要作用是使过渡段路基台阶型沉降转化为沉降坡差， 而不是降低沉降至某一值，并且得出上部密长的半断面布置为最优布置的结论。张军辉【4 3 】 根据软基上高速公路加宽工程加筋路堤离心模型试验，结合有限元方法，分析了路堤加筋 技术，参照现场测试结果表明土工材料铺设位置越靠近软基，加筋效果越显著，当铺设在 1 2 第一章绪论 路堤中部以上时，基本上起不到加筋作用。考虑到路堤中部加筋对可以有效提高路堤整体 稳定性，建议加宽工程新路堤加两层筋，一层在底部，一层在中部。如果只加一层，应加 在底部偏上、中部以下的地方。同时，加筋可以减小软基内超静孔隙水压力和加宽路堤差 异沉降，筋材模量越高，效果越显著。理论与实测资料还表明，筋材以铺满加宽路堤全宽 并嵌入老路堤为宜。但加宽路堤加筋只能起到增强路堤短期稳定性的作用，对于长期稳定 作用不大。 i2 0 0 1 年杨茂等【5 0 j 在s 1 0 3 线喇嘛湾大饭铺段公路改建中成功地应用了土工合成材料解 决路基下沉和新旧路基土体结合处路面反射裂缝等公路病害问题。也有学者f 4 5 】对结合部路 堤性能的改善进行了实例分析，分析表明路堤填料竖向荷载引起的水平荷载主要由底层格 栅承担，格栅层数增加，加筋效果没有明显的改善；格栅模量增加，加筋效果略有增强， 应采用高模量的土工格栅加筋路堤。 综上所述，通过有限元、离心模型试验和实例研究，对于土工格栅的加固机理以及对 铺设层数、铺设位置、材料刚度对加固效果的影响的认识逐渐深入，为土工材料的应用提” 供了一定的理论依据。但对其具体的设计应用标准以及土工格栅与填土间相互作用的研究 仍有待进一步深入。 1 2 5 高速公路拼宽工程沉降控制标准 沉降控制标准是检验高速公路拼宽工程成功与否的重要指标，也是影响工程投资规 模、设计施工方案的重要因素，一直以来都是研究的热点问题。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j0 1 7 9 6 ) 规定，施工期路堤填筑过 程中的控制标准为：路堤中心线地面沉降速率每昼夜不大于1 0 c m ，坡脚水平位移速率每 昼夜不大于0 5 c m ；高速公路容许工后沉降：桥台与路堤相邻处s 1 0 c m ，涵洞或箱型通道 处q 0 c i i l ，一般路段9 0 c m 。 可见，普通新建高速公路规范中沉降控制标准是针对路基中心点一点的沉降，但高速 公路沉降往往是不均匀的，使得路面结构内部产生附加应力，一旦附加应力与交通荷载产 生的应力值之和超过路面结构材料本身的容许强度，路面就会破坏。 此外，对于高速公路加宽扩建工程，由于新路堤的填筑，使得新老路基之间始终存在 着相互作用。一方面，施工期新路基沉降变形过大或沉降速率过快会引起老路较大的沉降 变形，严重的会引起老路路面的开裂，影响老路的正常运营；另一方面，路面施工结束后 若新老路基之间不均匀沉降过大，也会引起