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高速公路路堤拓宽地基性状分析 摘要 近几年来我i 蛩经济发达地区交通量急剧增加，原有的四车道高速公路的通行 能力已经不能满足需求，迫切需要把原有的高速公路拓宽为六车道至八车道。我 国高速公路拓宽工程主要分布在沿海软土分布较广的地区，对沉降和差异沉降的 控制有较高的要求。目前我国对高速公路拓宽工程地基性状的研究开展不够，还 没有较系统的研究成果。采用数值方法结合实测资料进行分析研究，是探讨高速 公路拓宽地基性状的一种有效途径。 本文在直接式拼接的路堤拓宽型式中，根据新、老路堤下地基处理的不同方 式分成三种情况，采用弹性模型分别计算分析了地基的水平位移场和竖向位移 场。详细分析研究了路堤和地基主要物理力学参数的变化对路堤顶面最大沉降、 最小沉降和沉降差的影响规律。通过对采用不同地基处理方式时地基的性状分 析，认为采用复合地基法处理地基时路堤顶面沉降和沉降差要小于采用排水固结 法处理的情况。采用弹塑性本构模型，计算分析了相同参数时地基的水平位移场 和竖向位移场，总结了堤顶沉降和沉降差随路堤和地基参数的变化规律。通过对 两种模型计算结果的比较分析，表明采用这两种本构模型的计算结果比较接近。 分离式拼接的路堤拓宽型式中，区分天然地基中单独采用沉降分隔墙和同时 使用沉降分隔墙和其它地基处理措施两种情况，分别计算了地基的水平位移场和 竖向位移场。单独使用沉降分隔墙时，分析了路堤、地基和沉降分隔墙的物理力 学参数的变化对路堤顶面沉降和沉降差的影响；对于均质地基和分层地基上路堤 拼接距离不同的几种工况，计算了设置沉降分隔墙所导致的路堤沉降减小的比 例；认为在天然地基中设置沉降分隔墙可以在一定程度上减小路堤沉降，但是当 存在其它地基处理措施时，沉降分隔墙减小路堤沉降的作用变得不太明显。 最后通过对一具体拓宽工程实例的计算和分析表明，采用本文计算模型的计 算结果与实测数据比较接近，可以满足工程上的应用需求。 关键词：高速公路；路堤：拓宽；拼接；复合地基；沉降；沉降差；有限元分析 a n a l y s i so ft h ef o u n d a n o nb e h a 、o ri n e x p r e s s 、7 i 礁ye m 嘬a n k m 吡n tw i d e n i n g o w i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h et r e m e n d o u s l yi n c r e a s i n gt r a f f i cf l o wi nt h e a r e a so fa d v a n c e de c o n o m yi nc h i n a , t h ee x i s t i n g4 - l a n ee x p r e s s w a y sc a nn ol o n g e r m e e tt h ed e m a n d i ti sv e r yu r g e n tt ow i d e nt h ee x i s t i n ge x p r e s s w a y st o6 - t o 一8 一l a n e e x p r e s s w a y s s i n c et h ee x p r e s s w a yw i d e n i n gp r o j e c t sa r em a i n l yd i s t r i b u t e di nc o a s t a l s o f ts o i la r e a s ，t h e r ea l er e l a t i v e l yh i g hr e q u i r e m e n t sf o rc o n t r o l l i n gs e t t l e m e n ta n d d i 任b r e n t i a lg e t t l e m e n t h o w e v e r , a tp r e s e n tr e s e a r c h e so nf o u n d a t i o nb e h a v i o ri n e x p r e s s w a yw i d e n i n gp r o j e e t sh a v e n tg a i n e ds a t i s f a c t o r ys y s t e m i ca c h i e v e m e n t s c o m b i n i n gn u m e r i c a lm e t h o dw i t hm e a s u r e m e n to ns i t ei ns t u d i e si sa ne f f e c t i v ew a y t op r o b ei n t of o u n d a t i o nb e h a v i o ri nw i d e n i n ge x p r e s s w a y s a st od i r e c t s p l i c et y p eo fe m b a n k m e n tw i d e n i n g ，c o n s i d e r i n gt h e t h r e e f o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d su n d e ro l da n dn e we m b a n k m e n t sr e s p e c t i v e l y , u s i n g e l a s t i cm o d e l ，t h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tf i e l d so ft h ef o u n d a t i o na r e c a l c u l a t e da n da n a l y z e di nt h i st h e s i s t h i st h e s i ss t u d i e sa n da n a l y z e si nd e t a i lh o w t h em a i np h y s i c a lm e c h a n i c sp a r a m e t e r so f t h ee m b a n k m e n ta n df o u n d a t i o na f f e c t 血e m a x i m u ms e t t l e m e n t m i n i m u ms e t t l e m e n ta n dd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to ft h et o p s u r f a c eo ft h ee m b a n k m e n t ，a n dm a k e se f f o r t st of i n do u tt h eg o v e r n i n gp r i n c i p l e b y a n a l y z i n gt h ef o u n d a t i o nb e h a v i o rw h e nd i f i e r e n tf o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d sa r e a d o p t e d ，i ti sa r g u e dt h a tw h e nc o m p o s i t ef o u n d a t i o nm e t h o di su s e db o t hs e t t l e m e n t a n dd i f i e r e n t i a ls e t t l e m e n to ft h et o ps u r f a c eo ft h ee m b a n k m e n ta r es m a l l e rt h a n t h o s ew h e nc o n s o l i d a t i o nm e t h o di sa d o p t e d u s i n ge l a s t o p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l - t h et h e s i sc a l c u l a t e sa n da n a l y z e st h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tf i e l d si nt h e f o u n d a t i o nw h e ni d e n t i c a lp a r a m e t e r sa r ea d o p t e d ，a n ds u m su pt h eu n d e r l y i n gl a w s w h e nt h es e t t l e m e n ta n dd i f i e r e n t i a ls e t t l e m e n to ft h et o ps u r f a c eo ft h ee m b a n k m e n t v a r yw i t ht h ee m b a n k m e n ta n df o u n d a t i o np a r a m e t e r s b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h et w om o d e l s i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h et w oc o n s t i t u t i v em o d e i sa r eq u i t ec l o s e i ns e p a r a t es p l i c et y p eo fe m b a n k m e n tw i d e n i n g ，t h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a l d i s p l a c e m e n tf i e l d so ft h ef o u n d a t i o na r ec a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l yw h e ni s o l a t i n gw a l l i su s e ds o l e l ya n dw h e ni s o l a t i n gw a l lw i t ho t h e rt r e a t r n e n tm e t h o d si su s e d s i m u l t a n e o u s l y w h e ni s o l a t i n gw a l li su s e ds o l e l y , t h i st h e s i sa n a l y z e sh o wt h e s e t t l e m e n ta n dd i t i e r e n t i a ls e t t l e m e n to ft h et o ps u r f a c eo ft h ee m b a n k m e n tv a r yw i t l l t h ep h y s i c a lm e c h a n i c sp a r a m e t e r so ft l l ee m b a n k m e n t f o u n d a t i o na n di s o l a t i n gw a l l f u r t h e rm o r e ，t h er e d u c i n gr a t i oo ft h ee m b a n k m e n ts e t t l e m e n ta st h er e s u l to ft h e i s o l a t i n gw a l li sc a l c u l a t e db o mi nh o m o g e n e o u sf o u n d a t i o na n dl a y e r w i s ef o u n d a t i o n u n d e rd i f i e r e n tc o n d i t i o n s i ti sc o n c l u d e dt h a t i nn a t u r a lf o u n d a t i o nu s i n gi s o l a t i n g w a l lc a nr e d u c e 血es e t t l e m e n to ft h ee m b a n k m e n tt os o m ed e g r e e h o w e v e lw h e n i s o l a t i n gw a l la n do t h e rt r e a t m e n tm e t h o d sa r eu s e ds i m u l t a n e o u s l y , t h ee 舵c to f i s o l a t i n gw a l li su n o b t r u s i r e l a s tb u tn o tt h el e a s t ，b yc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gas p e c i f i cc a s e ，i ts h o w st h a t t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e db yu s i n gt h ec a l c u l a t i o nm o d e le l a b o r a t e di nt h i st h e s i s a r eq u i t ec l o s et ot h ed a t ao ns i t ea n dc a nm e e tt l l ed e m a n df o rp r a c t i c a lu s e k e y w o r d s ：e x p r e s s w a y ；e m b a n k m e m ；w i d e n i n g ，s p l i c e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ； s e t t l e m e n t ；d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 高速公路拓宽工程的研究意义 随着国民经济的迅速发展，最近十几年全国各地建成了许多高速公路，总通 车里程已达两万多公里。由于受建设时当地经济水平和思想的制约，我国已经建 成的高速公路以双向四车道为主，占高速公路总里程的8 8 左右。近几年一些 地区经济飞速发展，地区之间交通量急剧增加，原先建成的四车道高速公路的通 行能力已不能满足日益增长的交通量的需要，需要对原高速公路进行拓宽，即在 原有四车道基础上在公路两侧或单侧再增加两车道或四车道。高速公路的拓宽扩 建工程是我国公路建设所面临的迫切需要解决的问题。 我国高速公路大部分分布于沿海沿江省份软土分布较广的地区，沿海大部分 的海岸线为淤泥质海岸，地基多为河相、海相或泻湖相沉积层，地基土体类别多 为淤泥、淤泥质粘土和淤泥质亚粘土等，具有含水量高、孔隙比大、低密度、低 强度、高压缩性、低渗透性等特点【l 】。为了保证高速公路的平整度，高速公路工 程对路堤沉降控制的要求较高。高速公路沉降的控制标准，目前采用的方法有固 结度法，沉降速率法以及工后沉降量法三种。固结度法是指路堤修筑后，地基的 固结度达8 0 9 0 后再修筑路面。沉降速率法是在路堤修筑以后，当沉降速率 小于某一数值( 如l o m m 月) 后再铺设路面。工后沉降法是以公路在整个运营期可 能发生的工后沉降量大小进行控制，一般认为高速公路运营期为1 5 2 0 年，工 后沉降的时间范围以铺设路面开始算为好 2 1 。公路软土地基路堤设计与施工技 术规范规定p j ，桥头路段工后沉降量不超过l o c m ，涵洞或箱形通道处工后沉 降量不超过2 0 c m ，一般路段工后沉降量不超过3 0 c m ，过渡段沉降坡差不大于 o 2 。 在软土地基上进行高速公路扩建拓宽工程，主要会遇到稳定和沉降两方面工 程问题。由于公路路堤一般高度不大，稳定问题不是十分突出，但是对沉降问题 第一章绪论 则要求很高。拓宽工程的开工时间一般在原有公路建成并投入运营多年以后，这 时原有公路在其自身重力荷载作用下的沉降已经基本完成。在原有路堤边坡上进 行拓宽路堤的填方工程，在工程完工后开放交通的一段时间内，新填土方的重力 荷载和车辆交通荷载会导致拓宽路堤产生较大的固结沉降和侧向变形，并会引起 原有公路的路堤产生进一步的附加沉降。如果新、旧路堤之间横向的差异沉降过 大，就会导致新、旧路面交接处产生较大的弯拉应力或剪应力，致使路面沿纵向 开裂破坏。若雨水由裂缝渗入路堤，会加剧路堤和路面结构的破坏。对破损的路 堤路面进行工后修补，不仅影响公路的正常运营和使用质量，还要追加工程投资， 显著增加工程总造价。因此必须对拓宽工程可能造成的影响给予足够的重视。 目前我国公路部门对软土地基上的高速公路建设的设计、施工有比较多的经 验，但对高速公路拓宽扩建工程的研究还开展不够，目前还没有系统的研究成果。 高速公路的拓宽扩建工程从设计到施工还没有成熟的经验可循，尚缺乏成熟的、 统一的路堤路面拓宽设计方法和相关规范。在交通部颁布的公路养护技术规范 中【”，虽然列入了有关路堤路面拓宽设计的条款，但只是针对新旧路堤路面交界 部分的连接提出了一些具体的设计要求和施工要点，并未就公路拓宽时普遍存在 的差异沉降以及对路面整体结构的破坏提出相应的设计和旌工控制指标。可见， 开展对高速公路拓宽工程相关问题的研究具有十分重要的工程意义。 1 2 研究现状 1 2 1 高速公路路基路面知识 我国现行公路工程技术标准中规定：“高速公路，一般能适应按各种汽 车( 包括摩托车) 折合成小客车的年平均昼夜交通量2 5 0 0 0 辆以上，为具有重要 的政治意义、经济意义，专供汽车分道高速行驶并全部控制出入的公路。”1 9 6 2 年在日内瓦召开的联合国欧洲经济委员会运输部会议，对高速公路作了如下定 义：“所谓高速公路，是利用分离的行车道往返行驶交通的道路。它的两个车行 浙江大学博士学位论文 道用中央分隔带分开；与其它铁路、公路不允许有平面交叉；禁止从路侧的任何 地方直接进人公路；禁止汽车以外的任何交通工具出入。” 填方公路的断面从上到下可分为路面、填方路基和地基三个部分。其中路面 从上到下可细分为面层、基层和垫层( 底基层) 三个部分。路基为带状构造物， 需要承受路面荷载，必须具有足够的强度、稳定性和耐久性。路堤是高于原地面 的填方路基，作用是支承路面。在以后章节的计算中，一般取路堤顶面的点作为 研究对象，研究这一层面上土体的最大沉降、最小沉降和路基顶面的最大沉降差， 作为判断路基差异沉降程度的依据。 公路的路幅是指公路路堤顶面两路肩外侧边缘之间的部分。路幅的布置类型 可以分为单幅双车道和双幅多车道。等级高、交通量大的公路( 如高速公路、一 级公路) 通常是双幅四车道、六车道或更多车道的公路，一般都将上、下行车辆 分开。分隔的方式有两种，一种是用分隔带分隔，称作整体式断面；另一种是将 上、下行车道放在不同的平面上加以分隔，称为分离式断面。本文主要研究上、 下行车道在同一平面内并且对称的整体式断面。高速公路路堤顶面横断厦示意图 如图1 1 所示。高速公路的主要技术指标如表1 _ 1 所示【5 。由表中所提供的数据， 在以后的计算中双向四车道路堤顶面的半边宽度均取为1 3 o m ，每条拓宽的车道 宽度取为4 o m 。 图1 1 高速公路路堤项面横断面的构成 第一章绪论 表1 1 高速公路各部分的宽度 设计车速( k m h ) 1 2 01 0 08 06 0 一般车道宽( m ) 3 7 53 7 5f 3 5 0 )3 5 03 2 5 超越车道宽( m ) 3 。7 53 7 53 ，5 03 2 5 3 0 02 5 01 7 5 路肩宽度( m )3 o o 2 ，5 01 7 51 2 5 o 7 5 0 5 0 路缘带宽度( m ) r 0 5 0 )( o 2 5 ) 3 o o 中央分隔带宽度( m ) 3 0 03 0 02 0 0 2 0 0 1 2 2 公路拓宽的几种形式 我国已建的高速公路以双向四车道为主，而根据未来经济发展的需要，中远 期将需要八至十条车道的通行能力。由于新建高速公路投资大，占用土地多，因 此我国高速公路的扩建以老路拓宽的方式为主。老路拓宽就是在已有高速公路的 两侧或者一侧拓宽出几条车道，在已有公路两侧分别对称的拓宽出几条车道的拓 宽方式，称为双侧( 对称) 拓宽；在已有公路一侧拓宽出几条车道的拓宽方式， 称为单侧拓宽。两种拓宽方式的示意图如图1 2 所示。此外，采用高架( 如中央 高架或者两侧高架) 和中间分隔带预留等也是道路拓宽的几种特殊形式。 另外，高速公路的拼接与老路拓宽有类似的工程洒题，高速公路的拼接形式 根据新、老路堤之间的距离，可分为直接式拼接和分离式拼接，其中分离式拼接 又可分为新、老路堤相交和路堤不相交两种情况。直接式拼接和分离式拼接的示 意图如图1 3 。 浙江大学博士学位论文 双侧对称拓宽 单侧拓宽 图1 2 双侧拓宽与单侧拓宽示意图 直接式拼接 分离式拼接 图1 3 直接式拼接与分离式拼接示意图 1 2 3 我国高速公路拓宽的型式 我国目前先后有海南环岛东线、广佛、杭宁二期、沪杭甬、沈大等高速公路 进行扩建加宽，沪宁高速公路的拓宽也已经开始。我国已建设的高速公路拓宽工 程大致开工时间和拓宽方式等情况见表1 21 7 1 。 浙扛大学博士学位论文 双侧对称拓宽 单侧拓宽 图1 2 双侧拓宽与单侧拓宽示意图 直接式拼接 分离式拼接 幽1 ，3 直接式拼接与分离式拼接示意图 1 2 3 我国高速公路拓宽的型式 我国目前先后有海南环岛东线、广佛、杭宁二期、沪杭甬、沈大等高速公路 进行扩建加宽，沪宁高速公路的拓宽也已经开始。我国已建设的高速公路拓宽工 程大致开工时间和拓宽方式等情况见表1 2 7 1 。 程大致开工时间和拓宽方式等情况见表1 2i ”。 第一章绪论 表1 2 我国己建设的高速公路拓宽工程 开工时间扩建拓宽工程原路幅布置扩建拓宽方案拓宽方式 1 9 9 6 1 1海南环岛东线半幅四车道扩建左幅毅向四车道单侧拓宽 部分路段双向八车道，部分路 1 9 9 7 8广佛高速公路双向四车道 双侧拓宽 段双向六车道 中间带预 1 9 9 9 1 0 杭宁高速二期双向四车道预留六车道 留加宽 2 0 0 0 i 0 沪杭甬高速公路双向四车道分段拓宽成双向六车道双侧拓宽 2 0 0 2 沈大高速公路 双向四车道双向八车道双侧拓宽 2 0 0 4 沪宁高速公路双向四车道双向八车道双侧拓宽 1 2 4 高速公路拓宽工程的关键问题 由于高速公路拓宽时新路堤的建设会导致老路堤产生新的沉降变形，并且在 新、老路堤之间产生差异沉降，导致路堤拉裂、路面破坏等病害。因此如何减小 新、老路堤之间的差异沉降是高速公路拓宽的关键性问题。减小新、老路的差异 沉降可以从两方面着手：新、老路堤结合部的处置和新路堤下的地基处理。采取 有效的措施保证新增路堤和旧路堤之间的良好衔接，使两者成为一个整体，可以 有效减小横向的差异沉降。可采用的处理措施比如；在老路堤边坡上开挖内倾的 台阶，每层台阶高度大约8 0 c m 左右，然后在每层台阶顶面铺设一层土工格栅； 新路堤填料的物理力学性质选择和老路堤的相近，或者采用轻质填料；新、老路 堤结合部位分薄层填筑压实。这样基本可以保证在沉降过程中新、老路堤结合紧 密，不会发生相对滑动，在数值计算中可以认为新、老路堤之间不发生相对滑移 和脱离。对于新、老路堤结合部土工合成材料的加筋处理，大多引入土工合成材 料单元以及相应的接触面单元，模拟筋土之间的相互作用，计算土工合成材料和 新、老路堤结合部的应力一应变特性和整体稳定性。 浙江大学博上学位论文 新路堤下的地基处理方式和处理效果决定了新、老路堤各自沉降量的大小， 是路堤差异沉降大小的决定性因素，也是本文所要研究的主要问题。 地基土体在荷载作用下产生沉降变形，总沉降s 按照变形机理可以分为以下 三个部分：初始沉降，固结沉降& 和次固结沉降盛，即【8 】： s = & + 最+ ( 1 1 ) 初始沉降是由土体在附加应力作用下产生的瞬时变形引起的，又称瞬时沉降 或立即沉降，饱和软粘土地基中初始沉降与地基土的侧向变形密切相关。固结沉 降是土体在附加应力作用下产生固结变形引起的，饱和软粘土地基中固结沉降在 总沉降量中所占的比例最大。次固结沉降是土体在附加应力作用下随着时间的发 展，土体产生蠕变变形引起的，又称蠕变沉降。在工程上，工后沉降一般包括施 工阶段尚未完成的固结沉降和大部分次固结沉降。 国内地基沉降估算多采用分层总和法，固结计算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。但是，在拓宽工程中，软土的侧向变形尤 为显著。同时，拓宽工程的新、老路堤施工时间相差几年，因此应采用二维分析 方法进行固结和沉降的计算更为合理。采用有限单元法计算地基沉降，为了得到 地基的初始沉降，需要采用建立在不排水条件下的本构模型，以及不排水条件的 模型参数；为了得到地基的总沉降，则需要采用建立在排水条件下的本构模型， 以及排水条件模型参数。 1 2 5 拓宽工程常用地基处理方法 由于高速公路拓宽工程一般工期比较紧；而且多数情况下要维持正常的交 通，所以施工场地狭窄；又要保证拓宽以后新、旧路面的差异沉降不能过大。因 此要考虑不同路段的地质情况、路堤填筑高度、拓宽宽度等因素，兼顾工期、施 工难度、加固效果、工程造价等多方面问题，必须选择经济、快速、有效的地基 处理方法。对于厚度较小的淤泥地基，可以根据淤泥层的厚度和埋深，分别选用 第一章绪论 换土垫层法、挤淤置换法、强夯置换法或者复合地基法；对于软土层较厚、填土 高度较大或者构筑物附近的地基，则可以选用各类复合地基法来处理，比如粉喷 桩、低强度混凝土桩、c f g 桩、大直径管桩等。对于地基表面有较厚硬壳层的 情况，可采用堆载预压法；而对于硬壳层较薄的路段，则可以设置竖向排水体结 合堆载预压，也可以采用复合地基法处理。对于公路路堤分离式拼接段，还可以 采用沉降分隔墙( 定喷桩) 等处理方法。表1 3 为我国部分高速公路拓宽工程所 采用的地基处理方法。 表1 3 我国高速公路拓宽工程地基处理方法 扩建拓宽工程原地基处理方法 拓宽地基处理方法 海南环岛东线未作处理或抛填片石简单处理粉喷桩复合地基 广佛高速公路袋装砂井加砂垫层水泥粉喷桩和旋喷桩复台地基 杭宁高速二期换填、塑料排水板、堆载预压、真空( 联合堆载) 预压、粉喷桩、薄壁筒桩、树根桩 沪杭甬高速公路塑料排水板、堆载预压、粉煤灰路堤塑料排水板、堆载硬压、粉喷桩、路埋桩 沈丈高速公路 塑料排水板、堆载预压塑料排水板、堆载预压、粉喷桩 沪宁高速公路塑料排水板、堆载预压、粉喷桩、碎石桩 1 2 6 排水固结法和复合地基法 经过地基处理形成的人工地基大致可分为三类：均质地基、多层地基和复合 地基。均质地基是指天然地基在地基处理以后加固区土体性质得到全面改良，加 固区土体的物理力学性质基本上是相同的，加固区的范围，无论是平面位置与深 度，与荷载作用对应的地基持力层或压缩层范围相比较都已满足一定的要求。比 如均质的天然地基采用排水固结法形成的人工地基，在排水固结过程中加固区范 围内地基土体孔隙比减小，抗剪强度提高，压缩性减小，压缩模量有一定程度的 增长，加固区内土体性质比较均匀，如果加固区域与荷载作用面积相应的持力层 厚度和压缩层厚度相比满足一定要求，则这种人工地基可视为均质地基。其地基 浙江大学博士学位论文 承载力和变形计算方法基本上和均质天然地基的计算方法相同，可采用均一的物 理力学计算参数，如弹性模量，密度等。 排水固结法又称预压法，是通过预压荷载使软粘土地基土体发生固结，土中 孔隙水排出，孔隙体积减小，土体强度提高，达到减小地基工后沉降和提高地基 承载力的目的。排水固结法通常由排水系统和加压系统两部分组成，根据采用的 排水系统和加压系统的不同进行分类，可分为堆载法( 无排水系统) ，砂井法， 袋装砂井法，塑料排水板法，真空预压法，真空和堆载联合预压法，超载预压法， 降低地下水位法，电渗法等。采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水板形成排水系 统的效用是基本一致的，在工程上采用何种排水系统主要取决于经济效益比较。 砂井法已广泛应用了5 0 多年，可用各种不同的方法打设到很深的地方，可采用 较大的横断面积，对于处理很深厚的软土层时比较有效。袋装砂井法和塑料排水 板法施工方便，比较经济，特别是塑料排水板，工厂化生产，质量稳定容易保证， 近年来发展比较快。袋装砂井和塑料排水板由于横断面较小，存在井阻作用，所 以临界长度较小，一般认为约为1 5 m - 2 0 m 。采用排水团结法加固软粘土地基经 济可靠，施工经验丰富，计算理论成熟，是常用的软粘土地基处理方法 9 。 双层地基是指天然地基经地基处理形成的均质加固区的厚度与荷载作用面 积或者与其相应持力层和压缩层厚度相比较小时，在荷载作用影响区内，地基由 两层性质相差较大的土体组成。 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换，或者 在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体或被改良的天然地 基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承 担荷载的作用。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向 增强体复合地基。本文所涉及的复合地基主要为竖向增强体复合地基，也可称为 桩体复合地基。工程中常用的竖向增强体包括碎石桩、砂桩、水泥土桩、石灰桩、 灰土桩、钢筋混凝土桩等。竖向增强体复合地基根据增强体的材料特性不同可分 第一章绪论 为散体材料桩复合地基和粘结材料桩复合地基，其中粘结材料桩复合地基又包括 柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。 复合地基法通过设置增强体，将地基分为加固区和非加固区两部分。增强体 的设置使复合地基加固区整体抗剪强度提高，压缩性减小。复合地基加固区由增 强体和基体两部分组成，是非均质和各向异性的，在工程设计计算中为了简化计 算，通常将加固区视为均质的复合土体，用假想的等价的均质复合土体代替真实 的非均质复合土体。与真实的非均质复合土体等价的均质复合土体的模量称为复 合地基加固区土体的复合模量，类似的可建立复合土体的不排水抗剪强度，复合 土体粘聚力和复合土体内摩擦角等强度指标概念。 复合地基的沉降计算方法中，通常把计算厚度内复合地基总沉降量s 分为加 固区土体压缩量s j 和加固区下卧层压缩量两部分。加固区土层压缩量可采用 复合模量法( 丘法) 、应力修正法和桩身压缩量法三种计算方法。其中复合模量 法是将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为复合土体，采用复合压缩模量 e 0 来评价复合土体的压缩性，并采用分层总和法计算加固区土层压缩量。竖向 增强体复合地基复合土压缩模量丘。可采用面积加权平均法来计算，即10 】： 玩= 聊e 。+ ( 1 一m ) 瓦 ( 1 2 ) 式中点品为桩体压缩模量，点矗为桩问土压缩模量，晰为复合地基置换率。 复合地基沉降计算也可以采用有限单元法计算，根据分析中所取的几何模型 可分为两类：一类是把单元划分为增强体单元和土体单元，有的会加上界面单元； 另一类是把单元划分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元，复合土体单元 采用复合材料参数。前一类计算方法可称为分离式分析法，后一类可称为复合模 量分析法。用有限单元法计算柔性桩复合地基的沉降时，常使用复合模量分析法， 采用复合模量等指标来模拟加固区复合土体。竖向增强体复合地基采用复合模量 分析法进行有限元计算时，复合土体的复合模量可采用( 1 2 ) 式来确定，加筋后复 合土体的泊松比略有减小，可近似采用士体泊松比的数值。采用有限单元法计算 0 浙江大学博士学位论文 复合地基的沉降，能否取得较好的成果的关键在于本构模型的合理选用以及模型 参数的正确确定。 1 2 7 路堤变形土工有限元分析 土工有限元分析可分为总应力分析有限元法和有效应力分析有限元法。总应 力分析不区分土单元中由土颗粒骨架或孔隙水分别传递和承受的应力( 即有效应 力和孔隙水压力) ，仅考虑土单元整体所承受的应力( 即总应力) 。有效应力分析 则严格区分土体中的有效应力和孔隙水压力，将土骨架变形与孔隙水的渗透同步 考虑。在有效应力分析中若设任一节点的孔压为零，则根据有效应力原理，其计 算所得的有效应力即为总应力。因此，总应力分析可视为有效应力分析的一种特 殊情况。 总应力分析一般常用土体的不排水指标，由此进行的是加荷瞬时或者短期应 力和变形分析。但也可采用土体的排水指标，此时进行的是最终或长期应力和变 形分析。当进行线弹性分析且采用排水指标时，总应力分析给出的结果就是有效 应力分析的最终( 孔压消散完毕、土固结完成) 结果1 1 】。 路堤变形的问题一般可以分为两类，一类是筑于软弱地基上的路堤，其变形 大部分来自软弱地基，例如正常固结粘土上的公路路堤结构；另一类是筑于比较 峰硬的地基上的路堤，其变形主要发生在路堤自身内部，例如建在力学性质较好 的岩层上的土坝掣1 2 l 。本文主要研究第一类问题，即软弱地基上建筑路堤的问题。 软粘土上的路堤多数是相当长的，横截面形状保持不变，因此可以作为较好的平 面应变问题进行研究。 有限单元法在岩土工程的路堤变形分析方面己获得广泛应用。c l o u g h 和 w o o d w a r d ( 1 9 6 7 ) 最早报道了这种应用，并且模拟了路堤的施工过程，把阶段 施工分析所得到的应力与变形，同路堤按照荷载一次施加分析所得到的应力与变 形作了比较，发现对于具有线弹性应力一应变关系的路堤和地基来讲，应力是与 施工阶段无关的( 不考虑少量计算误差) ，路堤下地基的变形总是不受影响，不 第一章绪论 过路堤自身的变形是受到显著影响的；如果考虑路堤或地基的非线性特性，则应 力与变形两者均与施工阶段有关。不过，精确的模拟施工阶段，一般只有对于自 身的大部分变形发生在施工期间的土坝才是重要的。对于软土地基上的路堤，可 以将施工过程近似的简化为荷载一次施加。p o u l o s ( 1 9 7 2 ) 做了路堤变形的各种 计算方法之间的对比，阐述了不同分析得出的变形之间的关系；找到了依据弹性 理论的相当简单的沉降计算方法，该法给出的结果与有限元分析和实际观测的瞬 时的与长期的沉降值比较好的保持一致。为了得到土的参数，l a d d 和f o o t t ( 1 9 7 4 ) 考虑了不排水局部屈服情况，根据弹性理论预计的较简单的变形与有限元分析结 果十分一致。d a v i s 和p o u l o s ( 1 9 7 5 ) 用一种弹塑性模型预估了现有路堤由于在 其上新加填土大约4 年之后的变形。 1 2 8 拓宽工程的分析计算方法 目前，国外对于软土地基上高速公路拓宽工程的研究起步较早，多数建立在 离心模型试验和有限元分析的基础之上。国内的相关研究则刚刚起步，研究资料 和研究成果还不太多，需要作系统细致的研究。对于新、老路堤稳定性分析及沉 降计算的方法，主要有以下三种： l 、有限单元法 目前国外对路堤拓宽工程进行有限元模拟时，所采用的本构模型主要是弹塑 性摩尔库仑模型，比如e v o s ( 1 9 9 4 ) ，a n gv a nm e u r s ( 1 9 9 9 ) 1 8 1 等人对拓 宽路堤的间隙法( t h eg a p - m e t h o d ) 填筑施工方法进行了有限元数值计算。j u h a f o r s m a n 和v e l i m a t t iu o t i n e n ( 1 9 9 9 ) 0 9 】利用p l a x i s 有限元软件分析了土工 合成材料应用在软土地基上路堤拓宽工程中的应力一应变特性。 2 、反分析法 在求解岩土工程问题中，通常根据工程基本情况确定几何条件、荷载条件和 边界条件，通过地质勘探和室内室外试验确定地质条件、本构模型和力学参数等， 通过解析法、半解析法或数值方法求解结构或岩土介质的物理量( 如应力、应变 浙江大学博士学位论文 等) ，这一求解过程称为正分析。而反分析则是利用工程中的实测数据( 如应力、 孔压、位移等) ，通过数值计算确定岩土介质的力学参数，甚至是本构模型，与 此同时求得问题所需的物理量。反分析又可分为模型参数反分析和模型识别过程 的反分析【2 0 】。 在有限元计算和其它常规的定量分析方法中，对计算结果影响最大的往往不 是所采用的本构模型，而是计算参数的可靠性。对于路堤拓宽工程，采用老路堤 的现场实测资料，采用参数反分析的方法，可以有效的反演地基的参数，为常规 计算方法或有限元法提供准确的计算参数。利用反分析的得到的地基参数，可以 计算拓宽路堤的应力应变特性，预测工后沉降。反分析法的数据来源于现场工程 实测资料，所得到的结果更加具有可靠性。在锡澄高速公路和沪宁高速公路拼接 工程中，地基参数反分析的方法就得到了较好的应用。 3 、模型试验法 利用模型试验和有限元法结合起来，可以有效解决一些数学方法不易解决的问 题。通过模型试验可以研究拓宽路堤的应力场与位移场的规律，为有限元法编程 提供依据，并可以验证有限元分析的正确性。常用的模型试验是离心机模型试验。 a gi n j o r t a a 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 有限元软件分析了拓宽路堤旌工过程中软土地基的力学特性和变形特 性。h gb a l l e r s m a 等人( 1 9 9 4 ) 2 1 1 利用小型离心机模型试验和p l a x i s 有限 元软件分析了拓宽路堤的失稳破坏和两种不同填筑方式对拓宽路堤的影响。 1 2 9 国内公路拓宽工程的研究工作综述 对于建在软土地基上的高速公路拓宽工程，以及软土地基上的公路拼接问 题，我国目前已开展了一些研究工作，主要有以下一些研究成果： 一、海南环岛东线扩建工程 西安公路交通大学的刘保健，谢永利( 1 9 9 8 ) 结合海南环岛东线高速公路 软基处理技术现场试验研究资料，科学地分析了搅拌桩复合地基的工作特征。 第一章绪论 二、广佛高速公路扩建工程 广佛高速公路扩建工程的现场测试工作主要由广东省航务工程总公司蒙庆 辉等人完成，是交通部“九五”课题的一部分，广佛高速公路拓宽技术，主要采 用粉喷桩复合地基结合加筋土处理。 广东省公路勘察规划设计院的陈海珊，胡永深( 1 9 9 8 ) 【2 6 针对加宽工程软弱 地基的加固问题，对高速公路扩建软基粉喷桩设计、新老路堤衔接措施、地基稳 定计算等作了较全面的介绍。认为加宽工程最大填土高度位于新路堤边缘下方， 很有可能位于老路堤边坡上。软基处理范围应尽可能布置在新增路面下方，以减 少新增路面沉降和不均匀沉降。高速公路加宽最好采用快速加固方法，原因一是 加快旌工周期，二是降低施工期间维持正常交通运营的费用。 广东航务工程总公司的蒙庆辉等( 1 9 9 8 ) 2 7 1 对广佛高速公路扩建软基加固工 程进行了现场测试试验研究，获得了各断面沉降速率、累计沉降、不同深度土体 沉降随时间的变化、侧向水平位移等观测资料，取得粉喷桩复合地基垂直和侧向 变形的机理及工程效果，以解决建在软基上的高速公路加宽引起的新老路堤合理 结合及变形协调等技术难题。 中国地质大学的杨顺安等( 1 9 9 9 ) 1 2 8 通过对广州一佛山高速公路扩建工程及 北京一珠海高速公路软土地基处理工程的研究，分析了粉喷桩、土应力转化及相 互作用，进而对桩的轴向应力、复合地基沉降、作用机理进行了研究，并提出了 用粉喷桩复合地基加固软土地基的几点看法。 广东省航务工程总公司的刘秋文( 1 9 9 9 ) 2 9 1 认为采用高压旋喷注浆法处理地 基具有施工速度快、质量高、可靠性好、工后沉降量小的特点。能有效地缩短后 续工程的工期，特别是对深层等特殊地基的处理效果最为明显。从旋喷桩的设计、 施工、监测等几个方面介绍了广佛高速公路扩建工程中某段地基处理的实例。 广东省高速公路公司的任文宏( 2 0 0 0 ) 3 0 】对广佛高速公路扩建工程软基加固 设计方案进行了比较，介绍了粉喷桩加固软基在高速公路拓宽工程中的应用，认 1 4 浙江大学博士学位论文 为采用粉喷桩加固地基可以承受较大的加荷速率，复合地基抗侧向变形能力较 强，并且能充分协调新老路堤的变形，有效防止了新老路堤由于不均匀沉降而造 成的路面破坏。 广东航务工程总公司的苏1 阼1 ( 2 0 0 1 ) t 1 对广佛高速公路扩建工程软基路段使用 粉喷桩和旋喷桩加固的方案进行了研究，针对加宽引起的新老路堤合理结合及变 形协调问题进行探讨，认为加宽工程最大填土高度位于新路堤边缘下方，很有可 能位于老路堤边坡上。软基处理范围尽可能布置在新增路面下方，以达到减少新 增路面沉降和消除不均匀沉降。粉喷桩能有效地减少总沉降量，特别是桩身范围 沉降量，沉降收敛快，有效减少差异沉降。 三、杭宁高速公路二期工程 浙江省交通规划设计研究院的陈建荣( 2 0 0 1 ) 1 3 2 1 介绍了杭宁高速公路二期工 程路堤、排水及防护中的几个设计特点。结合实际提出设计思想。 浙江省杭宁高速公路管理委员会的蔡金荣等( 2 0 0 2 ) 3 3 1 介绍了杭州一南京高 速公路采用真空预压技术加固高填方宕渣路堤软土地基中的应用研究。通过对地 基的变形与稳定、处理效果及效益等分析，对综合处理效果进行了评价。 浙江省公路管理局的周良吾等( 2 0 0 3 ) 【3 4 】介绍了杭宁二期工程采用的七种软 基