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摘要 高速公路新老路基相互作用分析与处理技术研究 摘要 随着我国国民经济的快速发展，高速公路的交通量迅速增长，相当一部分建成使用的高速公路 已不能适应交通量迅速增长和社会发展的要求，越来越多的高速公路需要改建和扩建。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重要和亟需解决的问题。本文针对高速公路扩建工 程中的关键技术问题，结合南京绕城高速公路扩建工程，采用现场试验、数值模拟和理论分析等方 法，对软土地基上新老路基的相互作用特性以及处治技术进行了专门的研究。主要研究内容及成果 如下： ( 1 ) 通过选取代表性断面，研究了新老路基下地基工程性状的变化规律。勘察试验表明，经过 长期固结，新老路基下地基土的物理力学特性均有不同程度的改善，特别是软土层的压缩性指标和 强度指标明显提高，但老路地基的改善程度要明显高于新路地基。 ( 2 ) 采用数值分析的方法，研究了施工及运营过程中新老路基的相互作用特性及影响因素。计 算表明，新路基加宽方式、施工方法、施工扰动以及交通荷载对新老路基的相互作用及工程特性均 会产生较大的影响。 ( 3 ) 在分析新路基边载作用下新老路基应力应变特性的基础上，采用数值分析的方法研究了高 速公路扩建工程新老路基的沉降变形规律，并根据新老路基路面结构路用性能以及变形稳定的要求， 提出了扩建工程新老路基的沉降变形控制标准，即控制新老路基工后差异沉降、新路基总沉降量及 工后沉降量的“三指标”控制标准。 ( 4 ) 根据高速公路扩建工程的沉降控制标准，研究了适合于高速公路扩建工程的软基处理方法。 通过比较分析，认为复合地基法是高速公路扩建工程软土地基处理方法的首选；进一步研究表明， 复合地基的桩间距，桩体刚度、垫层模量以及处理范围、布置方式等对新老路基的差异沉降均有不 同程度影响，并提出了“内延外伸，内密外疏”的设计优化措施。 ( 5 ) 从新老路基结合部的破坏机理着手，研究了高速公路加宽工程新老路基不同拼接处治措施 及其作用效果。分析表明，台阶开挖及土工加筋在一定程度上可以减小新老路基差异沉降；台阶宽 度和加筋材料的刚度是影响拼接效果的主要影响因素。同时，新老路基填料的性质对新老路基结合 部的整体性亦有较大影响。 ( 6 ) 通过对南京绕城高速公路扩建工程的实例分析，论证了本文关于新老路基相互作用特性及 沉降变形规律研究的合理性；本文提出的高速公路扩建工程沉降控制标准，地基处理方法以及拼接 处治措施是行之有效的。 关键词：高速公路；路基加宽；有限元法；相互作用；变形特性：差异沉降；控制标准；处治技术 r e s e a r c ho nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nn e wa n de x i s t i n ge m b a n k m e n t s a n dt r e a t m e n tt e c h n i q u e si nh i g h w a yw i d e n i n ge n g i n e e r i n g a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h et r a f f i cv o l u m e so fe x p r e s s w a ya r er a p i d l yi n c r e a s i n g a c o n s i d e m b l en u m b e ro fe x p r e s s w a y si ns e r v i c ea r en ol o n g e rs a t i s f yt h en e e df o rb o t hi n c r e a s i n gt r a f f i c v o l u m e sa n ds o c i a lp r o g r e s s ，t h u sm o r ea n dm o r eh i g h w a y sa r ep e n d i n gt ob er e c o n s t r u c t e do rw i d e n e d 1 1 ”e x p r e s s w a yw i d e n i n gi sa ni m p o r t a n ti s s u es t a r v e df o rs o l v i n gi nh i g h w a yc o n s t r u c t i o n c o m b i n e d w i t ht h ew i d e n i n go fn a n j i n gb e l th i g h w a y , t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nn e wa n de x i s t i n ge m b a n k m e n t sa n d t r e a t m e n tt e c h n i q u e sf o rw i d e n i n go ns o f ts o i l sa r es y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e db ym e t h o d so fi n s i t et e s t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i si nt h i sp a p e r t h em a i n w o r ka n dc o n c l u s i o n sc a nb eg i v e na s f o l l o w s ( 1 ) b ys e l e c t i n gs o m er e p r e s e n t a t i v es e c t i o n s t h ec h a n g i n gl a wo f e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f g r o u n d u n d e ro l da n do e we m b a n k m e n t si se x p l o r e d t h ei n - s i t et e s ts h o w st h a tt h ep r o p e r i e so fp h y s i c a l m e c h a n i c a lo fs o i l su n d e ro l da n dn e we m b a n k m e n t sa r eb o t hi m p r o v e dw i t ha ne x t e n d 酣p e r i o dt i m eo f c o n s o l i d a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ec o m p r e s sa n ds t r e n g t hi n d e xo fs o f ts o i l a r cr e m a r k a b l ye n h a n c e d b y c o m p a r i s o n ，t h ei m p r o v e m e n tu n d e rt h eo l de m b a n k m e n ti ss i g n i f i c a n t l ym o r et h a nt h a tu n d e rt h en e w ( 2 ) t h ef m i t ee l e m e n tm e t h o du s i n gm o h r - c o u l o m be l a s t i c - p l a s t i cm o d e li sa p p l i e dt ot h ea n a l y s i so f i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h eo l da n dn e we m b a n k m e n t si nt h ee x p r e s s w a yw i d e n i n go ns o f ts o i l s d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n t h cr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h em o d eo fw i d e n i n g m e t h o do f c o n s t r u c t i o n , c o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c ea n dv e h i c l el o a dh a v eg r e a ti m p a c to nt h ee n g i n e e r i n gb e h a v i o ro f o l da n dn e we m h a n k m e n t s 。 ( 3 ) b a s e do nt h ea l i a l y s i so fs t r e s s - s t r a i nb e h a v i o ro fo l da n dn e we m b a n k m e n t s t h er o l eo f s e t t l e m e n to ft h ee m b a n k m e n t sw i d e n i n gi s d i s c u s s e d m o r e o v e r , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s f o r p e r f o r m a n c eo fp a v e m e n t sa n ds t a b i l i t yo fe m b a n k m e n t s ，t h es e t t l e m e n tc o n t r o lc r i t e r i o no ft h ee x p r e s s w a y w i d e n i n g i sp r e s e n t e d ，t h a ti s ，t 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 no l da n dn e we m b a n k m e n t s ，t o t a l s e t t l e m e n t sa n dp o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n to fn e we m b a n k m e n ts h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g no f e x p r e s s w a yw i d e n i n g ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ed e t e r m i n e ds e t t l e m e n tc o n t r o lc r i t e r i o n t h ea p p r o p r i a t em e t h o d so fs o f tg r o u n d i m p r o v e m e n tf o re x p r e s s w a yw i d e n i n ga r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nm e t h o di sf o u n dt h a t i sa no p t i m a lo n eb yc o m p a r i s o n f u r t h e ra n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ec o l u m ns p a c e ，c o l u m nr i g i d i t y , c u s h i o n m o d u l u sa n di m p r o v e m e n ta r e ah a v ed i f f e r e n td e g r e ei n f l u e n c eo 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 no l da n d n e we m b a n k m e n t s t h e n ，b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h eo p t i m a ld e s i g nm e t h o di sp r o p o s e d ( 5 ) o nt h eb a s i so ff a i l u r em e c h a n i s mo fi o i n to ft h eo l da n dn e we m b a n k m e n t , t h et r e a t m e n t m e a s u r e so ft h ei o i n ta n dt h e e f f e c to fi m p r o v e m o n ta r es t u d i e d t h er e s u l t sf i n do u tt h a tt h eo l d e m b a n k m e n ts i d e s l o p ew i t hb e n c h e sa n dt h eg e o s y n t b e t i c sr e i n f o r c e m e n ta r ev a l i df o rr e d u c i n gt h e d 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 no l da n dn e we m b a n k m e n t s ，a n dt h ew i d t ho fb e n c h e sa n dt h er i g i d i t yo f g e o s y n t b e t i c sa r et h em a i nf a c t o r s a tt h es a m et i m e ，t h ep r o p e r t i e so ft h ee m b a n k m e n tf i l l sa l s oh a v ea c e r t a i ne x t e n te f f e c to nt h eo v e r a l ls t a b i l i t yo f e m b a n k m e n t s ( 6 ) t h e i n - s i t eo b s e r v a t i o n i s c a r r i e d o u t i n n a n j i n g b e l t h i g h w a y w i d e n i n g t o v a l i d a t e t h er a t i o n a l i t y o ff o r m e rs m d y n er e s u l t sc o n f i r mt h a tt h ef o r m e ra n a l y s i so nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nn e wa n do l d e m b a n k m e n t sa n dt h el a wo fs e t t l e m e n to fe m b a n k m e n tw i d e n i n ga r er e a s o n a b l e a n dt h es e t t l e m e n t c o n t r o lc r i t e r i o n , s o f tg r o u n di m p r o v e m e n tm e t h o d sa n dt h ec o n n e c t i o nm e a s u r e sf o re m b a n k m e n t w i d e n i n ga 地f e a s i b l e k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y ；e m b a n k m e n tw i d e n i n g ；f e m ；i n t e r a c t i o n ；d e f o r m a t i o nb e h a v i o r , d i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t ；c o n t r o lc r i t e r i o n ；t r e a t m e n tt e c h n i q u e 1 1 1 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。 研究生签名： ! 刍翅 日期：丛6 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史的内 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：! 圭翘导师签名趟必期：毒一& 占 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 近年来，随着国民经济的快速发展，我国高速公路的建设十分迅猛，截止2 0 0 5 年底，全国高速 公路总里程已达4 1 万公里，居世界第二位我国高速公路建设起步于1 9 8 8 年，在已经建成使用的 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，有相当一部分已不能适应 交通量迅速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。同时，尽管近几年我国高 速公路建设取得了快速发展，但高速公路里程仅占公路总里程的2 i ( 2 0 0 5 年) ，我国公路的整体 技术等级仍然偏低。在我国“普及与提高相结合，以提高为主”的公路建设方针的指导下，我国将 面临越来越多的高速公路改扩建问题。因此，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。解决这一问题有两种途径：一是近距 离新建高速公路，另一种方法是改扩建现有高速公路。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，因而在现阶段我国高速公路的扩建大多采用老路加宽的方案。 在我国尤其是东部沿海地区已经建成使用的高速公路中，有相当一部分是建在软土地基上。对 这些高速公路的改扩建就必然涉及到新老公路的融合贯通，新老桥台的拼接组合，新老路堤的差异 沉降、相互影响等问题。主要表现在路基沉降和整体稳定两个方面： ( 1 ) 原有路基经过多年运营，沉降已基本完成，在其边坡上进行扩建填筑，新填的土方和运营 后的汽车荷载必然会引起既有路基的附加沉降，且在新老路基之间产生相对过大的差异沉降，进而 会引起既有路基变形，严重时则出现路基拉裂，下沉过速等病害，将会对高速公路的正常营运带来 难以估量的不良后果。 ( 2 ) 新老路基之间如何保证紧密衔接形成整体也是路基加宽工程成功与否的关键。因此如何分 析计算新老路基的相互作用，控制新老路基的差异沉降，提出适合加宽路基的地基处理方法和新老 路基的衔接技术，是高速公路加宽改扩建迫切需要解决的工程问题。 高速公路的改扩建在我国还是一个刚刚开始的新生事物，如何进行改建没有成熟的经验可循， 从设计到施工，规范涉及不多，同时高速公路的改扩建约束条件多，用新建工程的思路和设计方法 不能解决改扩建的问题。另外，在已完成的改扩建工程中也存在着一些技术问题，工程营运效果还 有待时间的考验。因而对高速公路改扩建工程的设计进行研究具有非常重要的现实意义和前瞻性 1 2 国内外高速公路改扩建的现状 国外发达国家的高速公路多是六车道或八车道，有的甚至十二车道。法国的八车道路面占高速 公路总里程的2 5 ，分布在离大中城市附近一两百公里之内，占7 0 的路面为六车道，延伸到全国 各地，而四车道只占5 左右，建造在河道、悬崖、隧道等路况复杂的地段“j 。美国早期修建的高速 公路基本为双向四车道，1 9 4 1 年开通了第一条六车道高速公路，其车道数在当时被认为已经是登峰 造极了，但仅仅到了5 0 年代末，有些地方的六车道高速公路就已经到了不堪重负的地步，从而开始 规划和修建八车道至十车道的高速公路。现在，四、六或八车道是乡区高速公路的基本车道数，六 或八车道是城区高速公路的基本车道数。在一些城区高速公路的部分路段，有的单向已达到七个甚 至是八个车道。近年来，美国新建成的高速公路以八至十二车道为主，其中十二车道的路段占了近 3 0 2 1 。 我国已建成的高速公路主要以双向四车道为主，见表i - i 。随着国民经济的发展，某些高速公路 将不能满足交通增长要求，需扩大通行能力，增加车道数。通过对交通流量的调查分析表明，我 国上个世纪9 0 年代以来建成通车的l l 条重要高速公路，从投入使用到车流量饱和，平均只有 9 4 年的时间，远远低于设计年限。目前，沈大、京津、沪宁、杭甬、沪杭等高速公路已在进行 东南大学博士学位论文 拓宽或通道扩容，京石、济青、西宝等高速公路也正在进行通道扩建方案的研究规划。由表1 1 可以看出，从2 0 0 0 年到2 0 0 1 年，我国六车道以上的高速公路比例开始增加，但跟国外相比还有很 大的差距。韩国与我国情况类似，1 9 9 9 年，其四车道及四车道以下高速公路占8 5 7 ，六车道占8 o ， 八车道占6 2 。根据韩国政府的规划，到2 0 0 4 年，改扩建高速公路里程将占其高速公路总里程的 1 7 6 “根据国外经验及我国未来经济的发展，我国主要经济干线走廊带内的高速公路，远期将需 要1 0 条左右车道的通行能力。因此，在新建高速公路的同时，对现有高速公路的改扩建是解决我国 高速公路交通量迅速增长的有效途径。 表1 - 1 我国高速公路分车道统计表( 2 0 0 0 年2 0 0 1 年) 考虑到投资、占地以及路网分布等方面的因素，目前我国高速公路的扩建大多采用老路加宽的 方案。老路加宽方案就是在已有高速公路的两侧或侧加宽几条车道的建设方案。此外还可以考虑 采用高架( 如中央高架或两侧高架) 和中间分隔带预留等方案。另外，随着高速公路网络化的发展， 高速公路的相交日益增多，新老高速公路的拼接段与高速公路扩建加宽存在类似的问题。高速公路 的拼接可分为分离式拼接和直接式拼接两种形式。各种高速公路拓宽与拼接形式如图卜l 图1 q 所示。 岁以蝴坡线z 二台阶 i 厂脯髓柚线 图1 - 1 高速公路单侧拓宽的方式 。、笊k 弋 图1 - 2 高速公路两侧拓宽的方式 rtt 7 l 少弋 图1 3 高速公路中间预留的拓宽方式 2 第一章绪论 直接式拼接分离式拼接 图1 _ 4 高速公路的拼接方式 美国高速公路中间带通常设计得较宽，一个重要的功能就是便于将来的道路拓宽和翻新。 欧美国家较早修建的四车道高速公路，现在大都采用在中央分隔带上加宽的方式来实现六车道的扩 建。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，具体情况见表卜2 近年来， 由于经济的快速发展和高速公路交通量的迅速增长，我国经济发达地区的高速公路扩建工程越来越 多，扩建间隔时间也越来越短，甚至还出现了在建高速公路的扩建现象。但是，在高速公路的扩建 工程中也暴露出很多问题，特别是四车道高速公路的横向分期修建，国内多个工程的实践已证明其 教训极为深刻，因此2 0 0 4 年实施的公路工程技术标准( j t gb 0 1 - 2 0 0 3 ) 明确规定，高速公路整 体式路基不得采用横向分幅分期修建。 表卜2 我国主要高速公路改扩建工程概况 1 3 高速公路加宽工程的主要病害及成因 1 3 1 高速公路加宽工程的主要病害 大量的工程实践表明，软土地基上高速公路拓宽工程的主要病害表现为路基路面的损坏以及路 面整体性能的下降，其主要形式就是新旧路基结合部位产生纵向裂缝。 ( 1 ) 路基的损坏主要表现为新老路基问的差异沉降、沿新老路基结合面的滑移和新填路基的整 体失稳。 ( 2 ) 路基的差异变形会通过路面结构反映到路表上，导致路面结构的损坏。沥青路面会在结合 部产生纵向裂缝、面层破碎、结合料松散、道路横坡改变等。水泥混凝土路面会在结合面附近出现 扩展的纵缝或横缝、错台进一步发展会引起板底唧泥、脱空，裂缝处板块断裂以及裂缝进一步扩 展等现象。 ( 3 ) 随着路面病害的产生和道路纵横坡的变化，道路结构性能和服务性能也随之下降，当路面 状况指数( p c i ) 、结构承载力、平整度等下降到一定程度时，还将影响行车安全”。 陈玉良等恻通过对宁漂公路、南京绕城公路等几条拓宽道路纵向裂缝比较严重的典型路段的调 查发现，拓宽路基的病害具有如下特点： ( 1 ) 裂缝均集中在高路堤拓宽路段； ( 2 ) 出现裂缝的拓宽部位地质情况较差，一般均存在软土层、水塘、低洼地； 3 东南大学博士学位论文 ( 3 ) 裂缝所在位置均发生在老路上； ( 4 ) 根据施工记录及工后记录，路基工程一般工期均在三个月左右。裂缝产生时间一般在工 后3 个月，裂缝稳定时间不。 软土地基上高速公路拓宽工程的病害表现形式多种多样，凌建明等1 6 1 按照路基拓宽的损坏机理 将拓宽路基的损坏归结为二类：拓宽路基稳定性不足导致的损坏以及新老路基不协调变形引起的损 坏。前者是拓宽路基自身稳定性不能充分满足稳定性要求导致的，后者则是新老地基和路基的不均 匀变形引发的。数值分析表明，路面结构性破坏的模式有四种：结合部的剪切开裂( 沿结合面滑移) ， 结合部的弯拉开裂( 基层顶部或底部) 、老路基项面开裂以及新路或老路的基层底面开裂。要从根本 上解决或减少拓宽路基的病害，必须了解产生拓宽路基病害的原因和损坏机理。 1 3 2 高速公路加宽工程的病害成因 黄琴龙等4 1 对重庆和上海旧路拓宽的病害研究表明，影响旧路拓宽工程性状的主要因素有：新 老路基间的不协调变形、新老路基之间的不良结合、路基路面整体抗变形能力、路基稳定性，以及 水文、地质条件等。拓宽工程路基病害的发生往往不是由单个因素决定的，而是多种因素共同作用 的结果。引起拓宽工程路基瘸害的主要原因有： ( 1 ) 新老路基下地基沉降的差异：这是路基拓宽工程容易产生纵向裂缝的最主要原因。新老路 基地基压缩固结时间不同，老路地基经多年荷载作用，沉降变形已经基本稳定；而新路地基在施工 过程中以及竣工通车后都将有较大的沉降变形发生，因此，新老路基下的地基间将产生不均匀变形。 同时，道路拓宽工程工期较短，控制工后差异沉降的难度较大。 ( 2 ) 新老路基强度和刚度的差异：新旧路修筑年代不同，取士地点也不相同，因此加宽路基填 筑士料与老路基填筑土料不可能完全相同。填筑材料经自身重量，路匝和车辆等荷载的作用，老路 基已经完全被压实，而新路基的填料虽经严格压实，仍有塑性累积变形的存在 同时，新老路基采 用的施工方法和工艺不同，公路等级和标准也有很大的差异。 ( 3 ) 新老路基结合部处治措施不当：新老路基结合部是拓宽工程的最薄弱部位，最容易发生路 基病害。如果结合部表面土体强度不足、台阶开挖不合理以及加筋处治不当等，将会导致拓宽路基 沿结合面产生滑移或蠕滑，在结合部路面产生纵向裂缝；如果工后路面排水措施不完善，路表水沿 裂缝大量下渗，会加速路基的变形和失稳。 ( 4 ) 施工因素的影响：施工因素是导致拓宽路基病害的重要因素，新老路堤结合部施工过程中 的以下情况会形成路基病害隐患： c a ) 结合部的表面根植土、松散土层、腐殖土、杂物等清理不彻底，土路肩，硬路肩部位不适 宜作填料的材料换填不彻底，填料粒径偏大、含泥量多，透水性不佳等，使新老路堤结合部形成薄 弱的带状结合面。 ( b ) 边坡开挖面过大，在已开挖的边坡处没有及时堆放反压材料，使老的边坡开挖面长时间地 暴露在外，受到雨水直接冲刷，造成新老路堤亏方，新老路叠合面减少。同时，地基处理施工、抽 水清淤( 地下水位降低) 及交通荷载等会对削坡开挖后的老路路基的稳定性产生影响。 ( c ) 路基填料压实不到位，引起不均匀沉降，使新老路面结合部开裂。公路拓宽改建通常受地 形限制，单幅加宽时，大型压实机具很难发挥作用，压实难度较大，特别是新老路基结合部。较低 的压实度不仅会使路基塑性累积变形大大增加，而且抗变形能力也大幅下降。 ( d ) 填筑速率过快，由于拓宽工程工期较紧，过快的填筑速率使新路基的沉降速率远远高于原 路基的沉降速率，造成原路基失稳或将原路面拉出裂缝。 ( e ) 施工中路基排水措施不到位，雨水渗入新老路基，使得结合部土体的强度降低，影响结合 面的嵌固效果。 高速公路拓宽工程的病害的成因是多方面的，但新老路基之间的不良结合和不均匀变形是最根 本的原因，也是路基拓宽工程中的主要控制因素。因此，在高速公路拓宽工程中必须采取切实有效 的工程技术措旅，减小地基的不均匀沉降，保证新老路基的强度、刚度和整体稳定性，加强新老路 基结合部的处治措施，减少拓宽工程路基的病害发生。通常可采用软弱地基处理、基底清淤换填、 4 第一章绪论 旧路路堤台阶开挖、土工合成材料加筋垫层和加筋土路堤、土工织物防渗和排水、改良土高强路堤 和轻质路堤、铺设土工合成材料防裂层或增大加铺层厚度等工程技术措施1 7 。 1 4 高速公路加宽工程的软基处理方法 1 4 1 软基处理方法的比较与选择 高速公路加宽扩建工程通常工期紧、施工场地狭窄，同时还要维持正常的交通运输，因而必须 进行多方论证、比较，根据工程地质勘查资料，结合老路基软基处理的评价结果，选择经济，快速， 可靠的软基处理方法，以确保现有高速公路营运安全，减小加宽后高速公路新旧路面的差异沉降。 广佛高速公路扩建工程软基处理对三种方案从处理形式、加固效果、施工难度、工程造价、工期和 不安全因素等方面进行了比较，最终选择了粉喷桩加固的方法，如图卜5 所示。表卜3 列出了我国 主要高速公路加宽工程的软基处理方法睁。 原处理地基_ + 一粉喷桩处理一 图1 - 5 广佛高速公路扩建工程软土地基处理示意图 表l q 我匿主要高速公路改扩建工程软基处理方法 加宽扩建工程原软基处理方法加宽软基处理方法 广佛高速公路 沪杭甬高速公路 沈大高速公路 海南环岛东线 杭宁高速二期 沪宁高速公路 南京绕城高速公路 袋状砂井加砂垫层或砂垫层 塑料排水板+ 堆载预压、粉煤灰路堤 粉喷桩( 部分旋喷桩) 加砂垫层 预压、塑料排水板+ 等载预压粉喷桩、 路堤桩+ 土工格栅 塑料排水板、预压固结塑料排水扳，预压固结 未处理或抛填片石简单处理原为塑料排水板后改粉喷桩 超载预压、塑料排水板+ 复合土工布、粉喷桩+ 土工格栅、轻质粉煤灰路堤 清淤换土、塑料捧水板、堆载预压，粉喷粉喷桩，湿喷桩，预应力薄壁管桩、e p s 桩、粉煤灰路堤轻质路堤 塑料捧水扳、袋装砂井、预压固结，粉喷耢喷桩，湿喷桩、c f g 桩，现浇薄壁管桩 桩(pcc)、低标号素砼桩 1 4 2 适合加宽工程的主要软基处理方法 加宽路基软土地基处理要根据不同路段的地质情况、路基填筑高度、结构物类型、施工速度等 因素，确定合理的处理形式。高速公路扩建相对新建公路软基处理措施，对路基稳定和工后沉降提 出了更高的要求，再加上施工场地有限，施工周期紧等因素，从目前已经和正在扩建的高速公路工 程来看，加宽路基的软基处理通常采用快速加固方法，以加快施工周期，降低施工期间维持交通正 5 东南大学博士学位论文 常运营的费用，因而复合地基加固法是常用的地基处理方法，同时通过合理布置桩长与桩距来协调 不同路段的沉降差异从目前国内外的相关工程情况来看，适合高速公路加宽工程的主要软基处理 方法见表卜4 。 袭卜4 高速公路扩建工程的软基处理方法 软土地基路段特点 加宽部分可能的处理方法 水塘、河沟等小范围浅表淤泥 地基表部硬壳层较厚的软土路段 软土较薄，路堤填土工后沉降会超标的路段 硬壳层较薄、软土层较厚的软土路段 软土深厚，填土较高，或桥头路基或小构造物基础处 软土路基拼接段 上空高压线交错的软基路段 清淤换土( 砂) ，地表夯击、压实等 预压法 强夯置换、换填砂、复合地基 塑料排水板+ 预压，复合地基 复合地基法( 如c f g 桩，粉喷桩、湿喷桩、大直径 管桩等) ，轻质路堤c e p s 等) 超载预压，粉喷桩、分隔墙等 低标号素砼桩，( 等载或超载) 预压法 1 5 新老路基结合部的处治技术 高速公路扩建加宽工程最容易出现的病害就是新老路结合部纵向开裂，因而改扩建工程设计中 最主要的问题就是如何处理填方段新老路基之间的衔接，即采取有效措施，减少新老路堤的不均匀 沉降，保证加宽路基与旧路基的良好衔接，使其成为一个整体，避免或减少横向错台和纵向裂缝。 软土地基上新老路基结合部的处治涉及到地基处理、路基施工等多方面因素，因此要从多方入手， 采取综合的处治方法。 1 5 1 土工合成材料的应用 在高速公路加宽工程中，常用的土工合成材料就是土工格栅。土工格栅对土的加固机理存在于 格栅与土之间的相互作用。在高速公路加宽工程新老路基结合部采用土工格栅可以有效的预防差异 沉降的产生，这是因为：第一，由于土工格栅与土接触面的摩擦作用，降低了加宽处土的垂直应力， 使土体承载能力得以提高，减少了不均匀沉降；第二，土工格栅对土体具有锁定作用，使士体抗剪 强度得到充分的发挥，约束了土体的侧向变形；第三，由于水平铺设的士工格栅具有弹性，在反复 荷载的作用下，不会产生变形的积累。第四，土工格栅具有一定的张力和延展性，能使路基与土工 格栅形成一个连续柔性整体结构。 圈l - 6 土工格栅在新老路基结合部的应用 通常将原有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，使得 土工格栅一半位于原有路基上，另一半位于新填路基上( 如图卜6 所示) 。软基段填方路基，在重点 解决软基处理方案后，可按一般路基段的拼接方法实施，同时为了减少新老路基问的差异沉降，可 采用轻质填料、加大格栅用量，采用刚度较大的土工格室，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 根据土工合成材料铺设位置的不同，常见的处治措施有以下三种： ( 1 ) 结合路基填土高度先按一定坡度开挖老路基边坡，在路基下部铺设一层或两层土工合成材 6 第一章绪论 料，中间填砂和风化土等粗粒土。土工合成材料能使应力均匀，并可起到类似钢筋网的作用然后 对边坡进行台阶式开挖，最后进行新路基的填土压实广佛高速公路加宽采用此种方法。 ( 2 ) 加宽后的路堤边坡坡度较原有边坡提高一挡，当填方高度较高时，在中间设一道平台。将 原高速公路的边坡挖成内倾台阶，台阶挖至与原地面齐平。在基底开始铺设一层土工格栅，以后每个 台阶顶面均铺设一层土工格栅。沈大高速公路加宽和锡澄高速与沪宁高速的直接拼接段采用了此种方 法 ( 3 ) 将老路堤边坡开挖成台阶状，台阶高度控制在8 0 c m 左右，并在路基项面铺设一层土工格 栅。沪杭甬高速公路扩建采用此种方法 1 5 2 地基处理措施 在软土地基上的新老路基结合部，结合路基的拼接措施，还应对结合部下的软土地基进行重点 处理。可以采用超载预压、加密加长粉喷桩、旋喷桩、预应力或现浇薄壁管桩和隔离墙( 定喷桩) 等方法，通过间距和打设深度的分级过渡处理，沿路基横向形成渐变段，能较理想地解决新老路堤 沉降差问题。 i 5 3 施工措施 ( i ) 边坡削坡：路基填土往往位于老路基边坡上，因而必须对老路基边坡按一定坡度削坡，削 坡的方式有自下而上和自上面下两种，但削坡必须满足施工期间的路基稳定要求。由于削坡坡度较 陡，为了确保老路基安全，老路基边坡可以分2 次开挖，第一次比第二次坡度稍大，并边开挖边做 好防护工作。每次开挖完毕后，平整压实，进行复合地基处理施工。 ( 2 ) 台阶开挖：按照按要求开挖内倾台阶，台阶数量尽可能多，为新老路基的衔接提供更多接 触面，更利于新老路基的结合。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。 ( 3 ) 防水措施：开挖老路基边坡以后要截断路面水，特别是超高路段，防止雨水直接冲刷边坡， 在开挖边坡上铺一层防水胶纸或塑料布，以防止雨水渗入。迅速排除施工场地积水，断绝外来水， 软基施工期间硬路肩禁止行车，以确保老路基安全 ( 4 ) 土工格栅的铺设：土工格栅的铺设采用横向铺设，关键是保证其连续性，不出现断裂、弯 扭折皱、松弛，但又要避免过量拉伸。材料应堆放在阴凉处，严禁暴晒和雨淋，以免其性能老化。 软基处理段与未处理段的交接处设置过渡衔接，并保证必要的搭接长度。在路槽纵向铺设跨施工缝 的土工格栅，加强新老路基的横向联系，减少裂缝反射。 ( 5 ) 路基填筑：根据区域的料源情况合理选择填料，填料的物理力学特性要与老路基填料相近， 严格控制新老路基结合带的压实，对新老路基结合带( 大型压路机的压实施工死角) 用打夯机分薄 层填筑压实。国外针对软土路基上加宽路基填筑施工提出了间隙法“”( g a p - m e t h o d ) ，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。 1 6 软土地基上高速公路加宽工程的理论分析与计算 目前，国外对于软土地基上高速公路加宽工程的理论研究尽管起步较早，但大多建立在离心模 型试验和有限元模拟分析的基础之上，高速公路加宽的工程实例并不多见，相关的规范也不很健全。 国内由于高速公路加宽工程刚刚起步，大多数设计施工方法是半经验性的，相关的理论研究更存在 着严重的不足，需要作更加深入系统的研究。国内外的研究主要集中在以下几方面： 1 6 1 加宽工程的设计施工方法的研究 1 9 9 1 年，英国公路局在其路桥设计手册中针对普通公路的加宽工程提出了相应的岩土工程 7 东南大学博士学位论文 处治措施 4 6 1 ；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，但并未涉及软土地基上路基 加宽的问题；孙贵清( 2 0 0 0 ) i l 对高速公路加宽工程从平、纵、横、路面及分期修建等五个方面阐 述了各自的特点和设计时应该注意的事项；黎志光( 2 0 0 1 ) ( 2 0 1 结合我国首条高速公路扩建工程一广佛 高速公路扩建工程，介绍了针对新老路的软基处理和路基路面横向衔接所采取的处理措施，为以后处 理类似问题提供了参考；桂炎德等( 2 0 0 1 ) 1 针对沪杭甬高速公路一期拓宽工程，对处于深厚软基等 不良地质情况下软基处理、路面、桥梁与通道、互通式立交、分离式立交等方面的拓宽设计方法进 行了介绍；曲向进( 2 0 0 3 ) 口”通过理论分析和计算，对沈大高速公路路线、路基、路面、桥涵、互通 立交等方面的改扩建方案及重点技术问题进行研究，确定了合理可靠、经济可行的技术方案。陈玉 良等( 2 0 0 3 ) ”1 通过调查南京地区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， 并结合工程实践提出了防治描施。 1 6 2 加宽工程地基处理方法的研究 嵇如龙等( 2 0 0 2 ) 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。提出比较合理的路基拓宽处理方法；张涛( 2 0 0 3 ) 。1 分析了公路加宽后新老路基差异沉降 给公路带来破坏的原因，提出了设计和施工措施和方法；j h a n 等( 2 0 0 2 ) 以及h h a b i b 等( 2 0 0 2 ) ”“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( p 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，非常适合于路基加宽工程的建设需要。国内沪杭甬高速 公路( 2 0 0 1 ) 拓宽工程中( 采用路堤桩( 预应力管桩) 结合土工格栅) ，南京绕城高速公路扩建工程 ( 2 0 0 3 ) ( 采用p c c 现浇薄壁管桩结合土工格栅碎石垫层) 以及沪宁高速公路扩建工程( 2 0 0 3 ) ( 采 用预应力管桩和钢筋网) 等都在部分路段采用了这种地基处理方法并取得较好效果。河海大学( 2 0 0 3 ) 也对沪宁高速公路拓宽工程中采用的桩网复合地基处理进行了现场试验研究；吉文志( 2 0 0 3 ) 。1 结 合淤泥河试验路段的详细设计施工情况及沈大路加宽技术研究课题组的研究成果，论述了塑料排水 板法在沈大路软土路基段加宽工程中的适用性。另外，郭志边等( 1 9 9 9 ) 。1 以锡澄一沪宁高速公路拼 接段工程为例，结合工程造价、处理效果对公路路堤拼接的地基处理方法进行了分析探讨，认为折线 定喷、小角度摆喷的分离式定喷墙方案能明显减少原有路堤的工后沉降，施工方便、快速、经济 1 6 3 新老路基结合部处治技术的研究 为了使加宽部分路堤和既有路堤紧密衔接形成整体，减少新老路堤的不均匀沉降，防止路面开 裂，加宽工程中经常采用土工合成材料处理。对土工合