（岩土工程专业论文）软土地基高速公路拼宽工程变形特性研究.pdf

摘要 软土地基高速公路拼宽工程将面临新老路基相互作用、新老路堤的差异沉降 等问题。国内外虽然有不少工程实践，但其理论研究仍落后于工程实践，缺乏相 应系统的研究。本文较全面地回顾国内外研究现状，针对新老路地基相互作用和 变形特性进行了较为系统的研究。 首先，利用弹塑性平面应交有限元分析方法分析了新路直接拼接在老路时新 老路基的变形规律，得到附加应力分布与附加沉降曲线的特点。通过计算还分析 了新老路地基沉降变形的影响因素，包括加宽宽度、加宽高度、软基厚度、压缩 模量、老路固结度等。 在此基础上，对新老路结合部加筋处治进行了分析，从侧向位移、横坡比、 地基剪应力状态等几方面分析了加筋作用机理，分析表明加筋能减小新老路基的 不均匀沉降，能有效减小浅层土体的侧向位移。接着又分析了软土厚度、路堤高 度、加筋模量、加筋层数及位置等因素对加筋效果的影响。 通过计算分析，对比了新路采用排水预压法、隔离墙、粉喷桩复合地基、轻 质路堤等处治技术的加固效果。对比了老路采用不同地基处治方式时对新老路基 的变形影响。初步分析了复合地基中桩间距、桩长、桩体模量等因素对新老路沉 降变形的影响。 最后，考虑新路荷载的特点，提出了可以考虑新路荷载的附加应力沉降计算 方法，改进了原有程序，并将程序可视化，方便实际工程简便应用。 关键词：路堤拼宽：变形特性：直接拼宽：路堤加筋；地基处治；有限元；沉降 计算 a b s r a e t a b s t r a c t t h e 、讯d e n i n go f t h ee x p r e s s w a y st h a ta r eb u i i to ns o f tg r o u n d w o r kr f ef a t e dw i t hm a n y p r o b l e m s s u c ha s 也ei n t e r a c t i o n a n dd 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 e m b a n k m e n t s a l t h o u g h t h e r eh a v e b e e n m a n ye n 西n e e r i n gp r a c t i c e si nc h j n a a n da b r o a d ，t h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c hs t i l l l a gb e h i n dt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ，t h ec o r r e s p o n d i n gs y s t e m a t i c r e s e a r c hi ss t i l ll a c k e d t i l i st h e s i so f f e r sac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o nt ot h ep r e s e n tr e s e a r c h i nc h i n aa n da b r o a d f o c u s i n go n i n t e r a c t i o nm e c h a n i s ma n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h en e wa n do l de m b a n k m e n t s as y s t e m a t i cr e s e a r c hi sc a r r i e d0 u ti nt h i st h e s i s f i r s t l y , w i t ht h e u s eo fe l a s t i c - p l a s t i cp l a n es t r a i nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t h e d e f o r m a t i o no ft h en e wa n do l de m b a n k m e n ta n dg r o u n d w o r ko w i n gt od i r e c t l yw i d e n i n ga r e a n a l y z e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s t r i b u t i o no fa d d i t i o n a ls h e s sa n dt h ec n l v e so f a d d i t i o n a ls e t t l e m e n ta r eg a i n e d t h r o u g hc a l c u l a t i o n ，af o y e r a n a l y s i so f t b o s ef a c t o r st h a t i n f l u e n c et h es e t t l e m e n tp r o p e r t i e si sc a r r i e do u t , i n c l u d i n gt h ew i d t ha n dh e i g h to ft h en e w e m b a n k m e n t ，t h et h i c k n e s sa n dd e f o r m a t i o nm o d u l eo ft h eg r o u n d w o r k ，a n dt h ed e g r e eo f c o n s o l i d a t i o no f t h eo l de m b a n k m e n t b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，a na n a l y s i so fr e i n f o r c e m e n tw i t hg e o g r i da l o n gt h ej o i n t b e t w e e nt h en e wa n do l de m b a n k m e n t si sm a d e ，i nt h o s ea s p e c t s ：h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t , t r a n s v e r s e s l o p e r a t i oa n d s h e a r i n gs t r e n g t h w i t h 也o s e f a c t o r so fb e i n gt a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o n 也ee f f c c t so fr e i n f o r c e m e n ta r ey i e l d e d af u r t h e ra n a l y s i so ff a c t o r st h a t i n f l u e n c et h ee f f e c t so f t h er e i n f o r c e m e n t si sm a d e ，i n c l u d i n gt h et h i c k n e s so f t h e g r o u n d w o r k ， t h eh e i g h to fe m b a n k m e n t ，t h em o d u l u so ft h er e i n f o r c e m e n ta n dt h e l a y e r - n u m b e ra n d p o s i t i o no f r e i n f o r c e m e n t s s o m ei n s i g h t f u lc o n c l u s i o n sa r er e a c h e d i no r d e rt or e d u c eu n e v e ns e t t l e m e n t t h ec a l c u l a t i o no f 也ee f f e c t so fs o m et r e a t m e n t t e c h n i q u e si s c a r r i e do u t ，i n c l u d i n gs u r c h a r g ep r e l o a d i n g ，s e p a r a t i n gw a l l ，d r yj e t m i x i n g ( d y m 3a n dl i g h te m b a n k m e n t b yc o m p a r i s o n sb e t w e e ns o m ec o m p u t a t i o n a ls c h e m e s ，t h e d i s e l l s s i o ni n c l u d e ss p a c ed i s t r i b u t i o no f p i l e ，p i l el e n g t ha n dd e f o r r n a t i o nm o d u l u so fp i l eo n g r o u n d w o r k s e t t l e m e n t a s u g g e s t i o no f c h o o s i n g t r e a t m e n t t e c h n i q u ei sp u t f o r w a r d f i n a l l y , w i t h t h ea d d i t i o n a ls t r e s sc a u s e db yt h en e we m b a n k m e n t b e i n gc o n s i d e r e d ，s o m e i m p r o v e m e n t s o fp r o g r a mf o rc a l c u l a t i o no fs e t t l e m e n ti s m a d e ，a sb e i n gc o n v e n i e n t a p p l i c a t i o n f o rt h ee a l c u l a t i o n k e y w o r d ：e m b a n k m e n tw i d e n i n g ，d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，d i r e c t n e s sw i d e n i n g ， e m b a n k m e n tr e i n f o r c e m e n t , g r o u n di m p r o v e m e n t , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，s e t t l e m e n t c a l c u l a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 世界经济正进入q - _ , l k 化、信息化和跳跃式发展阶段，经济的快速发展，需要方便、快 捷、安全的交通服务，高速公路对国民经济和社会发展的促进作用是越来越明显。高速公 路具有运量大、速度快、辐射远、效率高等特点和优势，不仅带动了运输结构的改善和运 输效率的提高，而且也促进了沿线产业结构的优化和区域经济的发展】。高速公路的这种 作用已经得到我国各级政府的重视，从1 9 8 8 年我国第一条高速沪嘉高速公路建成通车以 来，在不到2 0 年时问内，我国已经修建了3 2 万多公里高速公路。另外，根据在编的中国 高速公路网规划，在未来2 0 3 0 年内，我国将实行高速公路网的全面建设，总里程将超 过8 万公里，将连接大陆3 1 9 个人口在2 0 万以上的城市。 从己建的高速公路来看，绝大多数车道是四车道。对高速公路建设规划路要建多宽， 要修几个车道，从根本上看是调查和预测交通需求决定的。由于认识局限性，当时高速公 路建设时对我国社会经济增长速度预计值偏低，使现在很多高速公路的交通流量超过预计 设计能力。浙江1 9 9 8 年底建成通车的沪杭高速公路，1 9 9 9 年全年路段交通流量为1 1 2 5 万辆日( 绝对数) ，而在2 0 0 2 年路段达到2 2 4 o 万辆日( 绝对数) ，折算成小汽车交通 量为3 9 7 4 万辆日( 绝对数) ，建成4 年就达到四车道高速公路适应交通辆( 按上限5 5 万辆日计) 的7 2 1 3 4 p 。江苏1 9 9 6 年通车的沪宁高速公路，当时是江苏省第一条运 营并代表当时国内一流建设水平的公路，仅到2 0 0 1 年底，以无锡枢纽西段为界统计，其 西段年均断面交通流量已经超过1 _ 8 万辆日( 绝对数) ，其东段年均交通辆已经大于2 8 万 辆日( 绝对数) ，高峰时甚至达到4 8 万辆日( 绝对数) 【4 1 。所以，尽管发达地区的高速 公路建设发展非常迅速，但同时其交通量的增长速度几乎都在2 位数以上，可谓“高速” 不敌车流“增速”，高速公路还未能适应交通量的增长要求。同时由于重载、超载交通会 促使形成路面病害，服务水平逐渐降低，加快路面大修年限的提前。高速公路交通紧张的 状况更不利于商品、资本、技术、知识等在更大范围内更快的流动和配置，对社会经济发 展也将产生深层次全方位的影响。所以对交通紧张的高速公路进行拼宽，既是满足快速增 长的交通需求的需要，也是国民经济和社会发展的需要。 高速公路拼宽工程其选择方案有多种选择，可以在原有高速公路附近新建高速路，可 以在原有公路上新建高架桥，可以集散加快速，可以在原高速公路边坡上拼宽( 加宽) 等 等。对新建( 扩容) 一条高速公路，新老路基相互影响不大，建造技术难度较小，并为以 后的交通增容预留了空间，但征地移民矛盾突出，占地多投资大，对已有高速公路路网和 城市经济规划布局也会产生较大影响。采用高架方案则对局部在地区土地资源紧张、沿线 软土地基处理代价过高时可以采用，否则其造价是也是相当高的：集散加快速方案可以充 分利用分离路基的特性，但车辆集散实施起来相当有困难；在老路基边坡上拼宽( 扩建) ， 除了有桥梁路基拼接等技术，还有施工期的交通分流、施工组织等问题，技术上远比另建 一条高速公路来的复杂，但拼宽工程的基本原则是最大限度地利用既有资源，其最可宝贵 的一点在于，与新建复线相比，它能节约土地一半以上。在老路拼宽工程规模相对较小， 占地少，有利于后期交通管理和养护。而且，从理论上讲，一条八车道高速公路的通行能 力，大于2 条四车道高速公路的容量和。虽存在施工难度，但根据现在设计施工管理水平 是可以克服的。从经济角度来说，影响扩建方案的选择主要有二方面，一是路网规划和布 局，而是经济局部和交通的适应性。老路的存在已经对沿线经济发展等各方面都产生了深 远影响，选择在老路拼接扩建方式更加符合现实需求。所以，现阶段我国高速公路的拼宽 河海大学硕士学泣论文 工程方案大多采用在原有道路上的拼接。 在我国东部地区高速公路网密集，在己建成运营的高速公路中，相当一部分足建在较 深厚的软土地基上。软土具有天然含水量高、孔隙比大、透水性小，压缩性高、抗剪强度 低等特点，其工程力学性质很差。对这些道路的拼宽会遇到更为复杂的问题，主要表现在 新老公路的融合贯通、新老桥台的拼接组合和新老路堤的相互影响等沉降变形问题，处理 不当就会使新老路基产生不均匀沉降过大，导致路面开裂，如图1 1 。归纳起来，对拼宽 这类问题主要表现在路基沉降和整体稳定性二个方面【捌：( 1 ) 原有路基经过多年运营，沉降 已基本完成。在老路边坡上进行扩建填筑，新填方和交通荷载必然引起老路基的附加沉降， 并且在新老路基之间产生相对过大的差异沉降，进而会引起老路基的变形，严重时会出现 路基的拉裂，下沉过速等病害，将会对高速公路的正常运营带来难以估量的不良后果；( 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 解决新老路路基的差异沉降和相互衔接是软土地基高速公路拼宽的根本问题，也是事关工 程质量的主要控制指标。 如前所述，拼宽工程的设计与施工所涉及的因素比一般新建路堤要多得多，我们迫切 需要了解新老路堤变形规律，进一步提出适合加宽路基的处治方法，才能采取可靠的工程 技术措施。然而，从相关技术文献看，国内外对这一问题尚未进行过系统研究，见诸文献 更多的是由低等级公路向高等级公路拼宽工程( 旧路改造工程) ，涉及软土地基高速公路 的还不是很多。国外高速公路新建路堤很多都是六车道或八车道，拼宽工程不是很多，所 遇到的问题没有这么复杂；国内尤其是东南沿海地区，原四车道高速公路许多路段已经趋 于饱和状态，进行拼宽也迫在眉睫。我国东南沿海地区的大多数高速公路属于软土地基路 段，而对软土地基高速公路拼宽工程理论研究不足，甚至落后于工程实践，因而对高速公 路拼宽中存在的问题进行研究具有非常重要的现实意义。 图1 1 新老路基的不均匀沉降导致路面纵横向裂缝出现 1 2 国内外拼宽工程实践现状 1 2 1 国内外软土地基上高速公路拼宽工程 对于高速公路发展情况分析，大致可以分三个阶段：1 9 3 3 年1 9 6 0 年发达国家的发 展阶段，1 9 6 0 年1 9 8 0 年中等发达国家得到发展，1 9 8 0 年至今发展中国家发展迅猛阳l 。 高速公路起源于德国，至1 9 9 1 年德国高速公路总里程达到l _ 1 万公里并连接成网，使 全国5 万人以上的城市和5 万人以下的城市9 0 通了高速公路，构成了欧洲最庞大的公路 网。1 9 9 0 年制订的州际高速公路发展计划将新建高速公路2 3 1 3 公里，改建高速公路2 3 8 0 公里。 美国是世界上拥有高速公路最多的国家，他们从上世纪5 0 年代就开始有计划建设高 速公路。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5 万人以上的 2 第一章绪论 城市，服务于全国约6 8 万公里的公路网，其中有许多原来双向2 车道的干线公路拼宽为 单线2 车道，但这些公路在七、八十年代后因为路基横断面和路线几何设计的缺陷，出现 了不少问题，这为修改美国四、五十年代规范提供了宝贵的经验，总结这些经验后，美国 高速公路发展时就注重在规划和设计时坚持长远的观点，例如美国的高速公路中间带通常 设计较宽，1 9 6 7 年出版的a a s h t o 规范中推荐的最小的中间带宽1 8 2 4 m ，靠城区的中 间带宽7 9 m 。较宽的中间带有利于中央分隔带排水、管线和交通安全等设施的布置，有 利于行车安全，更方便于将来高速公路的扩容。 日本高速公路兴建于上世纪6 0 年代，日本的第一条高速公路是连接名古屋和神户的 全长1 9 0 k m 的名神高速公路，建于1 9 6 3 年7 月。到2 0 0 0 年末已经修建7 6 0 0 公里的高速 公路，实现“一日之国”的夙愿。1 9 9 9 年将鹿沼一宇都富的高速公路由四车道改建为六车 道。 我国高速公路在“七五”期间，建成了沪嘉、沈大、广佛、西临为代表的高速公路， 实现了我国高速公路零的突破。经过“八五”、“九五”和“十五”，不到2 0 年时间，高速 公路总里程3 2 万多公路，跃居世界第二位。我国高速公路建设成绩是巨大的，同时，问 题也随着公路建设的发展而不断暴露出来：设计车道时对交通量的预测还缺乏科学性。如 表1 1 统计了2 0 0 1 年底我国不同车道高速公路所占比例呻j 。由表可见，现在已有的高速公 路双向四车道所占比例很高，六车道和八车道的比例很低。 表l _ l2 0 0 1 年底我国不同车道高速公路所占比例统计表 车道数四车道六车道八车道总计 l 里程( k m ) 1 7 1 1 82 2 7 06 51 9 4 5 3 l 比例( )8 8 01 1 70 - 31 0 0 为适应经济建设发展的需要，我国几条主要的高速公路都进行了拼宽。我国第一条高 速公路拼宽工程是1 9 9 7 年8 月的广佛( 广东一佛山) 高速公路拼宽工程【7 】，随着国民经济 迅速发展需要，在短短几年的时间里，继广佛高速扩建后，在全国范围内许多4 车道的高 速公路陆续展开扩建，这其中包括沈大( 沈阳一大连) 高速、沪宁( 上海一到南京) 、宁 杭( 南京一杭州) ，沪杭甬( 上海一杭州一宁波) 高速公路已经或正在扩建。京津塘( 北 京一天津一塘沽) 、成渝( 成都一重庆) 、济青( 济南一青岛) 等高速公路，都在进行扩建 前期准备。高速公路扩建正方兴未艾，并将成为未来1 0 多年建设新的热点，表1 2 总结了 我国主要几条高速公路拼宽工程情况【7 - l 引。 广佛高速公路于1 9 8 9 年8 月正式通车，1 9 9 7 年8 月正式扩建工程动工，广佛高速拼 宽工程是我国首条高速公路加宽扩建工程，采用老路两侧加宽的方式进行，全长1 4 8 k m ， 约6 8 6 k m 按八车道扩建，路基宽度约4 1 k m ，另外7 k m 按六车道扩建，路基宽3 3 5 m f 。 海南环岛高速公路是海南岛的第一条高速公路，也是同江一三亚国道主干线最南段部 分，受投资影响，分二次半幅修建的方式进行。一期工程修建了半幅路基，个别路段修建 了3 车道路基，1 9 9 9 年开始实施二期扩建工程，2 0 0 1 年9 月竣工通车。拼宽方式有单侧 拼宽、二侧拼宽，有拼接加宽，有分离加宽【8 】。 沈大高速公路是1 9 9 0 年通车的，双向四车道，全长3 7 5 k m ，1 0 余年来交通量增长迅 速，为适应振兴东北经济的发展需要，2 0 0 0 年沈大高速公路就开始了拼宽设计工作，2 0 0 2 年5 月开工建设，2 0 0 4 年8 月全线竣工通车，拼宽后为八车道【9 】。 沪杭甬高速公路浙江段是浙江省利用世行贷款修建的第一条高速公路，1 9 9 1 年开工建 设，1 9 9 5 年分期交付，1 9 9 8 年全线通车。随着经济的发展，四车道的高速已经远远不能 适应交通量的增长，堵车和交通事故也频频发生，故在2 0 0 0 年开始分期分段开始拼宽建 设沪杭甬高速，采用了8 车道拼宽方案 1 0 l 。 河海大学硕士学位论文 锡澄高速公路与沪宁高速连接段位于无锡锡山市东北塘前巷附近，根据新老路堤之间 的距离，在拼接段采用2 类拼接方式：( 1 ) 变速车道匝道与主线呈直接拼接式，( 2 ) 在 主线- - 便j j 设置集散车道与主线进行分离式拼接，路面不与沪宁路面直接拼接，而是路基相 互拼接i t lj 。 杭宁高速公路二期为预留六车道，设计时速为1 2 0 k n - d h ，路线主要经过平原区，地势 平坦，河网发达，路基填士高，丘陵主要分布在北部，地形起伏相对较大。通过方案论证， 采用了中间带预留的方案：路基宽3 5 o m ，其中行车道宽2 8 2 5 m ，硬路肩2 3 2 5 m ，土 路肩2 0 7 5 m ，中间带及预留行车道宽1 0 。5 m ”j 。 表1 2总结我国主要几条高速公路拼宽工程情况 工程名称原设计方案现扩建方案加宽方式 部分双向八车道 广佛高速公路双向四车道两侧加宽 部分双向六车道 扩建左幅 海南环岛东线非标准四车道单侧加宽 双向四车道 沈大高速公路双向四车道双向八车道两侧加宽 分段拼宽成 沪杭甬高速公路双向四车道两侧加宽 双向六车遭 沪宁高速公路双向四车道双向八车道两侧加宽 杭宁高速二期双向四车道预留六车遭中圊带预留加宽 南京绕城高速公路双向四车道理向六车道两侧加宽 1 2 2 高速公路拼宽方式及特点 高速公路拼宽可以有多种型式，从已有的工程看，可以将拼接的类型定义分有完全拼 接式、不完全拼接式、和分离式三类，现分述如下： ( 1 ) 完全拼接 完全拼接，是指在原高速公路完建后，由于交通量的增长。在原地基二侧直接进行路 堤的拼接拼宽，考虑到单钡9 拼宽将改变老路基中心线以及受力复杂等特点，一般在工程中 是两边对称拼宽为主。杭甬高速、广佛高速以及沪宁高速等主线的拼宽均采用这种模式， 完全拼接的方式示意见图1 2 。 图1 , 2完全拼宽方式 这种拼接方式是老路已经运行了一段时间，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 起新老路基的不均匀沉降，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 ) 不完全拼接 不完全拼接是指高速公路在建设过程中由于规划变更，路基按原设计要求已经施工道 一定高度后，再按新标准实行拼宽。新老路堤的路面结构层一次性共同铺筑，不存在施工 时间的闻隔，地基的受力特点与完全拼接的存在一定差异，其出现的差异沉降在相同的地 质条件下比完全拼接的要小。 第一章绪论 图1 3不完全拼宽方式 从图1 3 中可以看出，路堤受力条件分三个阶段：第一阶段老路加载期，在老路荷载作 用下，路基始终处于受压状态：第二阶段拼宽荷载施工期，新拼接荷载对老路中心而言是 偏心荷载，将形成一个反向沉降盆，此时老路处于受拉状态，新老路基之间将形成不均匀 沉降，当附加不均匀沉降量超过一定值后，拼宽荷载形成的拉应力大于第一阶段的压应力， 导致老路堤的开裂。第三阶段路面结构施工期，随着路面结构层施工，路基中心将逐渐受 压，与拼接荷载所形成的拉应力相互抵消。所以从老路的受力情况看，这种方式拼宽比完 全拼接的模式不同在于老路地基尚未完全固结，出现差异沉降量在相同地质条件下要小。 ( 3 ) 分离式拼接 分离式拼接是在老路修建完后，在老路的一侧或两侧相邻的地方再修建一条新的高速 公路。如图1 4 ，这种方式加宽侧的布置自由，新建路基荷载以边载的形式引起老路的附 加沉降增量，锡澄高速与沪宁高速公路的拼接段采用的是这种方式。 图1 4 分离式拼宽方式 总之，不同的拼接方式其沉降规律是不同的，需要对不同拼接方式进行研究，以便判 断新老路基间的差异沉降大小，分析其沉降规律，提出合理的处理对策。在已建和在建的 工程中，在两侧完全拼接的方式在目前高速公路拼宽中是最为常见的，本文若没有特别指 出，所指老路拼宽就是在老路两侧拼宽。 1 2 3 高速公路拼宽工程新老路基结合部处理 老路经过多年运营，沉降已经基本稳定，在其边坡上进行拼宽，新填土方和运营后的 交通荷载必然引起既有路堤的附加沉降，并在新老路基之间产生相对较大的差异沉降，故 新老路基间结合部是拼宽工程的薄弱环节，需要采取切实可行的紧密衔接技术，保证整个 地基处理效果。 从国内外现有的工程实践来看【1 4 】，可以有以下一些措施：老路边坡的削坡：在老路边 坡上开挖台阶；在路槽纵向铺设土工格栅：严格控制新老路基结合带的压实；控制填筑材 料和填筑速率等。 老路边坡削坡主要目的是为了清除老路边坡一定深度内的表层植被土和压实度不够 的填土，方便新路堤地基的处理。 开挖台阶的目的主要是增加新老路基的接触面，增强新老路基的结合面的摩阻力和抗 剪强度，保证新老路基之间的有效结合和整体性；同时，开挖台阶还可以为土工格栅的铺 设提供必要的锚固长度。公路路基设计规范( j t j0 1 3 9 5 ) 规定 15 】：分期修建或改建公 路加宽时，新旧路基填方边坡的衔接处，应开挖台阶。高速公路、一级公路台阶宽度一般 为2 m 。对于半填半挖路基，在地面自然横坡度陡于1 ：5 的斜坡上修筑路堤时，路堤基底 应挖台阶，台阶宽度不得小于l m ，台阶底应有2 4 向内倾斜的坡度。表1 3 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 3 8 】。 土工合成材料也是高速公路拼宽工程中常用的处治技术。土工合成材料有土工格栅、 河海大学硕士学位论文 复合土工布、土工格室等，而在拼宽工程中常用土工合成材料是土工格栅。土工合成材料 的加固机理；一是土工合成材料表面与被加固材料产生摩擦；二是加筋和结点产生被动抗 阻作用。此外，对土工格栅等网状材料而言，由于网孔的存在，网格上层的填料与下层的 填料可以相互作用，对加固材料产生锁定作用。因此加筋与被加固材料具有较强的摩擦性 和一体性，其抗拔能力明显高于其他加筋构件，在半刚性基层中作为抗拉构件，类似钢筋 混凝土中的受拉钢筋，传递拉应力和分布基层中的应力，约束基层的侧向位移。 土工合成材料应用拼宽工程中较广泛的原因在于在新老路衔接的台阶处设置加筋，可 以利用土工合成材料的高强度、韧性等特性，有效加强新旧路基间的联结，减少不均匀沉 降和侧向位移。j u h af o r s m a n 、杨茂、李锁平，曲向进等都成功地将土工合成材料应用于 软土地基上公路的改建工程中( 1 乒1 9 】；在工程实践中，土工合成材料根据工程需要有不同的 铺设层数和位置。 表1 4 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口”。 表1 j 我国主要几条高速公路拼宽工程中的自坡及台阶开挖 工程名称 削坡方式 各注 粉喷桩处理：第一阶段按l ：0 8 的坡率开挖老路边坡，第二 广佛高速公路阶段施工，按l ：0 5 的坡率继续开挖边坡 旋喷桩处理：按i ：0 5 的坡率开挖老路边坡 老路填料为矿渣，边 沪杭甬高速公路挖成台阶状，台阶高度控制在8 0 c m 左右，宽度为1 0 0 0 0 c m 缘压实度不够 从土路肩向下挖成i ：0 5 坡度，并挖成高度不大于8 0 c m 的 沈大高速公路 台阶，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 高速公路 从坡脚向上挖成宽1 0 0 1 5 0 c m ，内倾2 4 的反向台阶 清除表层3 0 c m 压实度不够土，挖成台阶状，台阶高度控为 沪宁高速公路 5 0 6 0 c m 宽度为9 0 1 0 0 c m 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 南京绕城公路 为1 0 0 2 0 0 c r n 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 c r n ，台阶底面向 公路直接拼接段路中心横坡2 ，台阶挖至与原地面齐平 表1 4 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 路基底部铺设一层工布和一层土工格栅，其中下层为土工格橱。上层为土工 广佛高速公路加宽工程 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项面铺设一层土工格栅 沈大高速公路加宽 自澄一沪宁高速直接拼接段 基底开始铺设一层土工格栅，以后每个台阶顶面均铺设一层土工格栅 于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 ，新老路基交接处左右各 马芜芜宣高速公路拼接段 1 5 0 e m 宽 每隔5 0 c m 设置一层高纤维土工格栅；新老路基项结合部铺设一层宽6 0 0 c m ，厚 庐铜一老合铜路拼接段1 s c m 的土工格室进行加筋，土工格室内部用级配碎石= 嗔充密实，新老路基拼接 处两侧各布设3 0 0 c m 第一章绪论 为保证新老路基的紧密衔接，提高路基的强度和整体性，增强其抗变形能力，减小路 基本身的工后压缩变形，防止路面开裂，拼宽工程中需严格控制甚至适当提高新路基的压 实度。考虑到提高压实度的实施难度和相应控制标准的缺乏，现在还是多采用公路路基施 工技术规范( j t j 0 0 1 9 7 ) 【2 0 】要求的压实度进行控制。国内部分高速公路的拼宽工程还分别 对新老路堤的结合部采用薄层冲击压实以及强夯的方法。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1 5 所示：广佛高速公路扩建工程还对新老路 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。 图1 5 新老路基结合部强夯 沪杭甬高速公路设计时对新路填料的选择式根据区域的料源情况，结合老路路基的填 筑材料统筹考虑，采用土石混合料和砂砾作为填筑材料，其中砂砾主要用于桥头和连接部 位。为昼量减小因填筑速率过快而产生剪切变形引起的沉降量，填筑过程时需严格控制填 筑速率。 1 2 4 高速公路拼宽中的软基处理方法 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，脱空的形式有很多种，目前认为常见的有抛物线性脱空和线性脱空二种，如图1 6 示。而这种脱空将对路面结构的受力产生非常不利的影响。 图1 6 ( a ) 路基抛物线形脱空示意 图1 6 ( b ) 路基线形脱空示意 为减小对路面结构的不利影响，必须尽可能的减小脱空值，故要严格控制路基工后沉 降，提高新路路基和地基的刚度。 在高速公路地基处理中，应用的有排水预压( 超载预压) 、隔离墙、复合地基法( 包 括粉喷桩、c f g 桩、旋喷桩、预制管桩等) 、轻质路堤法等。对具体某个拼宽工程，需要 根据不同的地质条件、不同的处理要求，考虑新老路基变形协调性、工程经济性及施工便 利性等来选择合适的软基处理方法，需要综合各方面因素考虑。 图1 7 列出了高速公路拼宽工程的几种常见的软基处理方式，表1 5 总结了我国几条 主要高速公路拼宽工程中软基处理情况【7 _ l3 1 。 河海大学硕士学位论文 i 一! 塑坚_ 塑 图1 7 ( a ) 隔离墙拼接处理图1 7 ( b ) 水泥粉喷桩q - c f g 桩处理 图1 7 ( c ) 刚性桩网( g r p s ) 拼接处理图1 7 ( d ) 轻质路堤( e p s ) 拼接处理 表1 5 我国主要几条高速公路拼宽工程情况 工程名称老路地基处理方式新路地基处理方式 广佛高速公路袋装砂井+ 砂垫层粉喷桩( 或部分粉喷桩) + 砂垫层 海南环岛东线未处理或抛填片石简单处理原为塑料排水板后改粉喷桩 沈大高速公路塑料排水板塑料排水板 沪杭甬高速公路塑料排水板，粉煤灰路堤塑料排水板，搅拌桩，预应力管桩+ 土工格栅 沪宁高速公路塑料排水板，粉喷桩，粉煤灰路堤粉( 湿) 喷桩，p t c 桩，e p s 路堤 |杭宁高速二期塑料排水板超载预压，塑料排水板，粉喷桩，粉煤灰路堤 l南京绕城高速公路塑料排水板、袋装砂井，粉喷桩粉( 湿) 喷桩，c f 6 桩，p c c 桩 1 3 国内外拼宽工程研究现状 分析国内外文献，对软土地基上的高速公路拼宽问题的研究成果，可认为大致集中在 以下几方面： 1 3 1 设计施工工艺方面的研究 1 9 9 9 年美国普渡大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 的r i c h a r dj d e s c h a m p s 等人对一般的加宽路 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1 2 1 。 桂炎德重点对地基处理、桥梁、互通式立交的拼宽改造设计做了介绍，并对拼宽工程中如 何保持高速公路正常运营等关键性问题进行了探讨。1 。孙四平根据黑龙江大齐试验路段的 加宽改造工程进行了多个方案的比较，并综合分析各个方案的地基沉降、路基稳定性、路 基静载压缩变形，以及路基土行车荷载的塑性累计变形等产生的路面不均匀沉降，得到综 合处置方案1 2 “。李晨明根据沈大高速公路拼宽工程探讨了拼宽工程中的路基质量问题】。 吴波结合沈大高速公路改造扩建项目，分析了对新填路基的一些特殊工艺，分析了土工格 栅在提高路基整体承载力的稳定性方面的作用【2 4 1 。黎志光介绍了广佛高速公路拼宽工程中 第一章绪论 对新老路基路面横向衔接、路面防水排水、纵向裂缝控制和处理等方面施工措施彤】。李索 平在经验的基础上，从理论上归纳总结了土工格栅砂垫层在软土地基上拼宽改造工程中的 一套设计计算实用方法 1 8 。刘志博结合沈大路拼宽探讨了防止产生纵向裂缝的施工工艺 2 6 1 。 郭志边以锡澄一沪宁高速公路拼接段工程为例，结合工程造价、处理效果对分离式定 喷墙处理方法进行了探讨，详细介绍了分离式定喷墙的施工，根据沉降观测和有限元分析 表明，定喷墙方案能明显减小老路堤的工后沉降f l ”。罗火生结合广东新台高速公路加宽工 程实践，介绍了c f g 桩特点、施工控制，现场试验等，分析表明在同一路段上，c f g 桩 处理比粉喷桩处理的总造价要低，工期短，而且其承载力也优于粉喷桩1 2 7 。王斌以沪宁高 速公路拼宽工程昆山试验段为背景，详细介绍了刚性管桩( 预应力疏桩) 复合地基的设计 方法，分析了沉桩施工对老路和环境的影响，表明采用该方案在相同承载力条件下比水泥 土桩节省造价1 0 ，同时提出需注意对老路的扰动引起老路新的附加沉降【2 8 1 。丁小秦介绍 了薄壁管桩在上海北环高速公路拼宽中的应用，重点阐述了薄壁管桩的施工工艺、质量监 测等问题【2 9 】。黄琴龙对e p s ( 发泡聚苯乙烯) 轻质填料进行了理论分析和工程验证，结果表 明采用e p s 填筑拼宽路堤，对下卧层的影响深度要明显浅于常规填土路堤，可显著减小拼 宽路堤下卧层地基土土层的侧向变形，大幅度降低新路基的总沉降，有利于新老路堤的协 调变形，是一种非常有效的处治措施驯j 。 孙文智则从施工组织方面阐述了高速公路拼宽时的一些工程措施【3 1 】。 1 3 2 沉降变形数值计算方面的研究 在高速公路拓宽工程中，新老路基的固结计算时间差异往往数十年，新路施加后往往 存在侧向变形，即其固结变形特性具有明显的二维特征，较精确计算需采用有限元法，固 结计算采用比奥( b i o t ) 固结理论。 事实上，随着计算机的发展，有限单元法分析方法在土工问题中得到越来越多的应用。 目前，国外多采用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剑桥模型对 拼宽这类问题进行模拟计算分析。如e v o s ，a n g v a nm e u r s 等人对加宽路基的间隙法 ( t h eg a p m e t h o d ) 填筑进行有限元数值计算后认为，拼宽路基的间隙法填筑较普通的水 平填筑可以有效减小老路的水平变形( 减小约3 0 ) ，但竖向沉降没有明显影响1 3 2 】。 r b j b r i n k g r e v e 和p a v e r m e r ( 1 9 9 4 ) 分析了选取不同有限元本构模型对计算差异影响，指 出应用弹塑性摩尔库仑模型( m c 模型) 与修正c a m - - c l a y 模型在计算竖向变形比较接近， 而后者计算的水平变形较前者计算的水平位移偏小些，而修正c a m - - c l a y 模型计算结果与 实测资料较为吻合啪j 。j o n e s 等( 1 9 9 0 ) 分祈土工格栅加筋桩承式路堤在拼宽工程中的应 用，并认为土工格栅中的拉力是由桩间土变形和路堤边缘土体的水平位移引起，推导了计 算士工格栅中的拉力公式，但他没有考虑路堤一格栅一桩一土四者之间的共同作用，分析 只是集中在桩、土工格栅等单一个体上。l u d l o w 提出了采用剑桥模型分析软土地基上的路 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【3 4 1 。a gi h j o r t m e s - p e d e r s e n 和h b r o e r s ( 1 9 9 4 ) 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，研究表明，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；对于水平位移，采用弹塑性摩尔库仑模 型的计算值是实测值的2 3 倍，而采用修正c a m c l a y 模型的计算值和实测值比较相近日5 1 。 国内，长沙交通学院周志刚利用弹性应变有限单元法，对老路拼宽下路基在自重应力 作用下的应力应变规律进行了探讨，并提出了路基拼宽的方法，但他没有考虑新老路基的 9 河海大学硕士学位论文 施工时间差异和土的固结对沉降的影响，也只是在针对一般中低级路基拼宽高级路基，并 没有考虑软土地基的情况【3 6 j 。东南大学汪浩应用二维比奥固结理论的平面应变有限元方法 分析了新路堤作为附加荷载对老路堤有较大差异沉降和横坡比的改变口“。章定文采用有 限元法对新老路堤的相互作用机理进行研究，分析了老路边坡开挖和加宽部分路堤填筑对 老路沉降和侧向位移的影响，以及粉喷桩和深搅桩隔离墙两种处理方法下加宽部分路堤填 筑对老路沉降和侧向位移的影响，并从路面功能性要求和结构性要求两方面分析了扩建工 程中容许的不均匀沉降郾】。同济大学钱劲松结合a n s y s 有限元采用d r u c k e r - p r a g e r 模型 分析了路基宽度和高度变化对拼宽工程中的沉降计算的影响，并指出双侧拼宽对路面结构 比较有利j 。浙江大学贾宁基于摩尔一库伦理想弹塑性模型分析了杭甬高速新路基拼宽时 产生的附加应力对老路的影响，研究了老路和拼宽荷载的沉降变形规律，并与实测值进行 了比较，提出拼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【4 0 l 。河海 大学郭志边应用士体固结非线性有限元对锡澄与沪宁高速公路拼接段的沉降隔离墙的工 作状态进行数值模拟，验算了隔离墙对新老路堤所起到的减小工后沉降降低横坡比等作 用，分析了分隔墙自身的应力应变和沉降规律j 。苏超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，确定能综合反映当地地基状况的参数，利用土体固 结非线性有限元法对高速公路拼接段地基处理技术进行了数值模拟。方法在锡澄与沪宁高 速公路拼接段上应用，经一年多的现场监测表明取得了良好的效果 4 2 】。 1 3 3 试验方面的研究 国内外加宽路基试验研究以模型试验和离心试验为主，也有现场实测方面工作。h g b a l l e r s m a 等人( 1 9 9 4 ) 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路面纵向裂缝的影响【4 ，】。汪浩( 2 0 0 4 ) 通过离心模型试验 模拟旧路堤