（交通运输工程专业论文）新老路基单侧无台阶拼接技术研究.pdf

夕 1 t h e s p l i c i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c ho fn e wa n d o l dr o a d b e dw i t h s i n g l e , - - d i r e c t i o nw i d e n i n g a n d n o - s t e ps u b g r a d ec o n n e c t i n g ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y z h a ow e i s u p e r v i s e db y p r o f q i a nz h e n d o n g s e n i o re n g i n e e ry a np i n g t r a n s p o r t a t i o nc o l l e g e s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u a r y2 6 ，2 0 1 0 l 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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丛生e t期：2 竺：尘勰 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，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：盘! 生导师签名期：如肛，留 摘要 随着经济的发展，许多现有的公路不能满足日益增长的交通需要，而新建公路会占 用大片耕地，因此利用老路来拓宽提级改造成为公路建设的重点之一。由于受到地形等 限制，部分老路路段只能单侧拓宽；同时由于当时建设条件相对较差，部分老路路肩开 挖后下部存在软土等不良土质，无法形成有效地拼接台阶，新老路之间难以形成较好的 构造连接。基于此，本文结合3 1 2 国道沪宁段拓宽改造工程实践，开展了新老路基单侧 无台阶拼接技术研究。 首先，本文在调研总结国内外现有路基拼接研究成果的基础上，利用有限元分析， 探讨了单侧拓宽新老路堤无台阶拼接的相互作用机理、沉降变形特性及其稳定性变化规 律。其次，研究了单侧拓宽条件下路基不均匀沉降对路面结构的影响，分析了路面结构 层应力场分布规律，揭示了纵向裂缝的产生机理，为加固处治提供了理论依据。随后， 提出了单侧拓宽条件下公路拓宽改造工程差异沉降控制指标，进一步总结并分析了新老 路基无台阶拼接工程综合处治方案，包括软土地基、拼接路基和路面结构层等处理。最 后，本文对拼接试验段进行了监测，对上述的理论和实践结果进行了分析验证。 通过研究，本文得出以下主要结论： 。 单侧拓宽的拓宽宽度越大，新老路基差异沉降值越大，且在新老路堤表面形成反坡。 单侧拓宽的容许工后差异沉降率值约为3 4 。单侧拓宽时，当底基层底部先达到其容 许抗拉强度时，将出现“d o w n - - t o p 传统型的纵向裂缝，即开裂产生于结构层底部， 向上发展；而当面层先达到其容许抗拉强度时，将出现“t o p - - d o w n 的新型的纵向裂 缝，即损坏起于面层，开裂向下传播。拓宽时要严格控制新路堤填料的压实度和设计完 善的施工临时排水系统，保证拓宽路堤的整体稳定性。根据路基填土高度、软土厚度等 条件，有效采用较优的路基填料、特殊路基处理、提高路基压实度标准等工程措施，能 使工程质量得到进一步保证。 本文的研究为其他高等级公路的拓宽改造提供了经验，将产生一定的经济和社会效 益。 关键词：单侧拓宽；无台阶路基拼接；差异沉降 陟 一一 a bs t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，m a n yo ft h ee x i s t i n gr o a d sc a nn o tm e e tt h eg r o w i n g t r a n s p o r tn e e d s w h i l eb u i l d i n gt h en e wr o a d sw i l lo c c u p yl a r g et r a c t so fa r a b l el a n d ，t h u s u s i n gt h eo l dr o a dt ob r o a d e nm e n t i o nc l a s st r a n s f o r m e di n t o o n eo ft h ek e yh i g h w a y c o n s t r u c t i o n d u et oc o n s t r a i n t so ft e r r a i n ，s o m eo ft h eo l dr o a dc a nb ew i d e do n l yb y s i n g l e d i r e c t i o n ；s a m et i m e ，b e c a u s ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n sw e r er e l a t i v e l yp o o r , s o m eo ft h e o l dr o a ds h o u l d e r sl o w e rp a r ta f t e re x c a v a t i o no fs o f ts o i la n do t h e ru n d e s i r a b l es o i lq u a l i t y c a nn o tf o r me f f e c t i v es p l i c i n gs t e p s t h en e wd i f f i c u l t yi nt h eo l dr o a dt h ef o r m a t i o no ft h e c o n s t r u c t i o no fb e t t e rc o n n e c t i o n s b a s e do nt h i s ，c o m b i n a t i o no fe n g i n e e r i n gi nh u n i n g s e c t i o no ft h en o 312n a t i o n a lh i g h w a y p r a c t i c e t h i sp a p e rc a r r yo u tt h en e wa n do l d r o a d b e do fs i n g l e d i r e c t i o nw i d e n i n gw i t hn o s t e ps u b g r a d ee c h n o l o g yr e s e a r c h f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rr e s e a r c hs u m m a r yo fe x i s t i n ge m b a n k m e n ts p l i c i n gr e s e a r c h r e s u l t sa th o m ea n da b r o a d 。b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s m b e t w e e nw i d e n i n ga n de x i s t i n gs u b g r a d e ，t h es e t t l e m e n td e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e s t a b i l i t yc h a n g er u l e su n d e rs i n g l e - d i r e c t i o nw i d e n i n ga r ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h ei n f l u e n c eo f u n e v e ns e t t l e m e n tb e t w e e nw i d e n i n ga n de x i s t i n gs u b g r a d eu n d e rs i n g l e d i r e c t i o nw i d e n i n g t op a v e m e n ts t r u c t u r ei ss t u d i e di n t h i sp a p e r , t h er e g u l a r i t i e so fs t r e s sd i s t i l b u t i o ni nt h e p a v e m e n ts t r u c t u r ea r ea n a l y z e d ，t h i sp a p e ra l s od i s c o v e r st h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo fc r a c k t h e n ，t h es e u l e m e n tc o n t r o li n d e xo fh i g h w a yj o i n t i n ge n g i n e e r i n gu n d e rs i n g l e - d i r e c t i o n w i d e n i n gi sp u tf o r w a r d ，f u r t h e r , t h ec o m p o s i t es o l u t i o nf o rm e a s u r i n gw i d e n i n ga n de x i s t i n g s u b g r a d ev e r t i c a lj o i n t i n ge n g i n e e r i n gi sp r o p o s e d f i n a l l y ，t h ep a p e rs p l i c i n gt e s ts e c t i o nw a s m o n i t o r e do nt h et h e o r ya n dp r a c t i c eo ft h ea b o v e m e n t i o n e dr e s u l t so ft h ea n a l y s i sa n d t e s t i n g t h r o u g hr e s e a r c h ，t h i sp a p e rr e a c h e dt h ef o l l o w i n gm a i nc o n c l u s i o n s ： s i n g l e d i r e c t i o nw i d e n i n gt h ew i d t ho ft h eg r e a t e rd i f f e r e n c eb e t w e e nt h en e wa n do l d r o a d b e ds e t t l e m e n tv a l u eo ft h el a r g e r , a n di nt h eo l da n dn e wa n t i s u r f a c es l o p ee m b a n k m e n t u n i l a t e r a lw i d e n i n gd i f f e r e n c e si ns e d i m e n t a t i o nr a t et oa l l o wp o s t - c o n s t r u c t i o nv a l u eo f a p p r o x i m a t e l y3 4 o t os i n g l e d i r e c t i o nw i d e n i n g w h e nt h es u b b a s ea tt h eb o t t o mo ft h e f i r s tr e a c h e si l st e n s i l e s t r e n g t hw h e na l l o w e d t h e r ew i l lb e ”d o w n t o p ”t r a d i t i o n a l l o n g i t u d i n a lc r a c k s w h i c ha r i s ef r o mt h es t r u c t u r el a y e ro fc r a c k i n gt h eb o t t o mu p w a r d s ； w h i l ef a c et of a c et or e a c ht h ef i r s tl a y e ro fa l l o w i n ga n t i t e n s i l es t r e n g t h ，i tw i l la p p e a r ”t o p d o w n ”o ft h en e wt y p eo fl o n g i t u d i n a lc r a c k si nt h es u r f a c el a y e rf r o mt h ed a m a g ea n d c r a c k i n gd o w nc o m m u n i c a t i o n i tw o u l ds t r i c t l yc o n t r o ln e ww i d e n e de m b a n k m e n tf i l l c o m p a c t i o na n dw e l l d e s i g n e dt e m p o r a r yd r a i n a g es y s t e mc o n s t r u c t i o nt oe n s u r et h eo v e r a l l s t a b i l i t yo ft h ee m b a n k m e n tw i d e n i n g u n d e rt h er o a d b e df i l lh e i g h t t h i c k n e s so fs o f t s o i l c o n d i t i o n s ，s u c ha se f f e c t i v eu s eo fo nb e t t e rr o a d b e df i l l ，s p e c i a ls u b g r a d et r e a t m e n t ， i m p r o v et h ed e g r e eo fc o m p a c t i o ns t a n d a r d sr o a d b e de n g i n e e r i n gm e a s u r e s ，t h ep r o j e c t q u a l i t yc a n b ef u r t h e rg u a r a n t e e d t h i ss t u d yb r o a d e n e dt oo t h e rh i g h g r a d eh i g h w a y st r a n s f o r m a t i o no fe x p e r i e n c e ，w h i c h w i l lp r o d u c ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s s i n g l e d i r e c t i o nw i d e n i n g ；n o - - s t e ps u b g r a d ec o n n e c t t i n g ；d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t 1 1 r 夕一 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 i 1 工程研究背景1 1 2 国内外研究现状1 i 2 1 国内研究现状1 1 2 2 国外研究现状1 0 i 2 3 调研的结论1i 1 3 本文主要研究内容1 2 第二章新老路基无台阶拼接相互作用理论分析1 3 2 1 概述1 3 2 2 新老路基单侧无台阶拼接相互作用有限元分析1 3 2 2 1b i o t 有限元法1 3 2 2 2b i o t 固结理论1 4 2 2 3 土体的本构关系1 5 2 3 计算参数和结果分析1 6 2 3 1 新老路堤和地基的几何参数1 6 2 3 2 加荷历程1 6 2 3 3 地基和路堤填料参数1 7 2 3 4 网格划分和边界条件1 7 2 3 5 计算结果分析1 8 2 4 沉降变形曲线的拟合2 1 2 5 拓宽路堤的稳定性分析2 2 2 5 1 模型概述2 2 2 5 2 稳定性评价2 3 2 6 本章小结2 5 第三章路基不均匀沉降对路面结构的影响2 7 3 1 概述2 7 3 2 国内容许差异沉降指标的研究现状2 7 3 3 单侧拓宽不均匀沉降引起的路面结构附加应力研究2 8 3 3 1 计算参数的选取2 8 i 一 l 东南大学工程硕士学位论文 3 3 2 不均匀沉降分布模式2 9 3 3 3 计算模型2 9 3 3 4 计算分析与结论2 9 3 4 本章小结3 1 第四章新老路基无台阶拼接综合处治方案实例研究3 3 4 1 软土地基的处理3 3 4 2 拼接路基的处理3 6 4 2 1 路基填料的选择3 7 4 2 2 压实度标准的控制3 7 4 2 3 土工格栅的铺设4 0 4 2 4 拼接路基的施工质量控制4 1 4 3 路面结构层的处理4 2 4 4 本章小结4 2 第五章试验段现场监测、评价4 4 5 1 试验段综合监测工程布置4 4 5 2 变形监测成果及其规律分析4 4 5 2 1 沉降观测结果分析4 4 5 2 2 水平位移观测成果分析4 8 5 2 3 剖面沉降观测成果分析i 5 1 5 3 小结，5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 4 致谢5 5 参考文献5 6 i v 第一幸培论 第一章绪论 1 1 工程研究背景 3 1 2 国道沪宁段是我国长江中下游区域内一条重要公路，起自江苏省与上海市交界 处安亭，途径苏州、无锡、常州及镇江，终止于南京的东杨坊立交，全长2 7 3 9 8 8 k m 。 于1 9 8 4 年1 1 月开工建设，第一段于1 9 9 0 年7 月竣工通车，其他路段于1 9 9 1 年1 2 月 全面通车，为开放式、部分立交的二级收费公路，由新建和改建路段组成，双向二车道， 设计车速8 0 k m h ，少部分路段为双向四车道一级公路，设计车速l o o k m h ，路面宽度不 等。自1 9 9 1 年全面通车以来，社会、经济效益显著，为江苏省苏南地区经济的发展、 城市带建设、小城镇发展发挥了重要作用。 随着沿线城市经济的不断发展，交通需要日益增长。3 1 2 国道是沪宁高速分流车辆 的主要道路，沪宁高速公路扩建加宽工程的大规模开展，也要求3 1 2 国道进行拓宽改造， 以满足日益增长的交通需求。 3 1 2 国道路线区域地貌隶属长江三角洲太湖平原区，地势低平开阔，总体西高东低， 沿线河、塘、圩田密布，为典型的水网地区。工程地质条件复杂，沿线软土等不良地质 分布范围广，给新老路基拼接带来了不利影响。3 1 2 国道沪宁段扩建工程【1 l 在路基拼接 时，老路拓宽采用双侧加宽、单侧加宽两种方式。部分路段开挖老路路肩时发现路肩下 部存在软土等不良土质问题，以及开挖老路路肩时无法形成台阶，在老路面边缘形成较 高的垂直面，与原设计台阶拼接方案差异较大，新老路之间难以形成较好的构造连接， 亟需研究提出适合的各种拼接方法和技术措施，特别是新老路基单侧无台阶拼接技术研 究，从而为3 1 2 国道及其它类似的高等级公路拓宽改造工程提供科学和可靠的参考依 据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 就目前国内公路拓宽改造实例，首先调研了高速公路拓宽改造技术，随后对普通 干线公路进行了拓宽拼接技术调研。 东南大学工程硕士学位论文 1 2 1 1 高速公路试验路拓宽改造调研 先后调研了沪宁高速公路、沪杭甬高速公路、沈大高速公路、海南环岛东线。 1 沪宁高速公路【2 - 3 】 由于扩建工程工期的要求，沪宁高速公路老路改造建设时无法采用等超载预压、塑 料排水板处理等经济但耗时的处治方法，必须采用硬化地基控制沉降的处治方法，包括 水泥搅拌桩、预应力管桩、高压旋喷桩、素混凝土桩等处治方式，高压旋喷桩与小直径 素混凝土桩应用较少，主要用于水泥搅拌桩与预应力管桩施工困难的路段。具体拼接处 理方案如下： ( 1 ) 软土深度8 m 时，可选用水泥搅拌桩的处理方法。 ( 2 ) 8 m 1 9 7 ； 为了尽量减少因填筑速率过快而产生的剪切变形引起的沉降及塑性破坏，填筑过 程应严格控制填筑速率，按每7 d 填筑一层，即每填筑一层的间隔时间不少于7 d ，同时 东南大学工程硕士学位论文 结合沉降速率进行控制； 在软基处理开始时，就进行施工动态观测，埋设水平与竖向观测管，观测在建路 基的水平位移与垂直沉降情况。并将观测结果用于控制路基填筑速率，以防止路基滑塌， 拉裂，为路面结构层施工提供科学的依据。 ( 3 ) 拓宽路段软基处理设计 以结构物问分段。按软土层的不同，在纵向从结构物开始分别采用预应力管桩或粉 喷桩逐步向中间过渡至塑料排水板( 或堆载预压) ；横向与原路软基处理重叠一部分， 以减少差异沉降，如图1 2 所示。 同时，为解决新老路基不均匀沉降产生的差异变形，使新老路基变形协调，基本延 用原老路软土地基的处理形式，对不同深度的软土处理，采用以下方式处理： 对于软土层深厚，埋深大于8 m 的桥头软土路段。采用“预应力管桩+ 土工格栅 的方法处理，如图1 3 所示； 对于软土层埋深小于8 m 的桥头软土路段。采用“粉喷桩+ 土工格栅的方法处 理，如图1 4 所示； 对于深厚软土层的一般路段，采用“塑料排水板+ 等载+ 土工格栅 的方法处理， 如图1 5 所示； 对于软土层薄、原路基沉降量小的路段，采用“等载预压 的方法处理； 对于上空有高压线或跨线桥的路段，采用“贫混凝土灌注桩+ 土工格栅 方法处 弹。 l 簟鬈e 图1 - 2 软基处理横断面示意图 一4 图1 - 3 预应力管桩设计图 第一幸绪论 图1 - 4 粉喷桩设计图图1 - 5 塑料排水板结合等载预压设计图 3 沈大高速公路1 5 - 6 l 针对老沈大高速公路老路基情况，主要采用以下路基加宽拼接技术措施： ( 1 ) 原有路基挖台阶 将原路基的边坡按1 ：0 5 挖除，然后挖台阶，深度8 0 c m ，台阶底面向路中心横 坡3 ，台阶挖至与原地面齐平。 ( 2 ) 新旧路基结合处铺土工格栅 为减少新旧路基沉降差，在路基项面以下的台阶项面铺设单向拉伸钢塑复合土 工格栅。 ( 3 ) 加强新填路基部分填前碾压 旱田段填前碾压前先填4 0 c m 石渣；水田段填前碾压前先填7 0 c m 石渣；填前碾 压采用2 5 k j 冲击压实机，压实度不小于9 0 ；水塘、鱼塘等先进行抛石挤淤，再用 石渣或砂砾填至水平面上5 0 c m 后，再进行填前碾压，抛石范围超过坡脚外2 m 。 ( 4 ) 控制新填路基填料 为减少新旧路基的沉降差，新填路基要求使用碎石土、砂砾土、山皮土等强度 较高的填料；填土高度小于1 5 m 的路段，新建路基部分( 含沈大路旧路边坡挖台阶 部分) 采用石渣填筑，直至路基顶面。 ( 5 ) 加强软弱地基处理 沿线营口老边至熊岳段，普兰店海湾段，金州湾段为软弱地基段，老边坡挖除 后，先采取相应措施进行地基处理，然后按正常路基加宽方法进行加宽，严格控制 路基填筑速率。 东南大学工程硕士学位论文 总之，在地质条件相对理想的地区，路基加宽的关键是“选择好填料、严格控 制路基压实度 ，再辅助其它工程措施。 4 海南环岛东线 为减少扩建工程对老路的影响，将原设计的塑料排水板地基全部改为粉喷桩加固处 理，针对高填方路段，或者其它存在稳定问题的路段则结合采用反压护道处理。为快速 发挥高速公路的效益，采取了一系列处治措施，如提高路基的压实度标准，对新老路基 拼接处挖台阶处理及铺设土工格栅等措施。 ( 1 ) 新老路基拼接部位开挖台阶。在原有半幅左侧路堤边坡处、从坡脚向上挖成 宽1 0 - - 1 5 m ，内倾2 4 的反向台阶。坡脚附近的台阶宽一些，通常为2 - 3 m 。然后 逐渐填筑新路基，台阶部位需及时和重点碾压。 ( 2 ) 对高于4 m 的填方路基、底基层下以及桥涵的台背处，在新旧路连接处设置 塑料土工格栅。 ( 3 ) 针对不同的特殊路基，采取不同的处理方案： 常水位以下浸水路堤，选用水稳性好的材料填筑，采用带护脚的浆砌片石护坡， 下部每隔5 m 预留一个渗水孔，并设砂、碎石等材料反滤层； 路床内遇地下含水层的挖方路基，在边沟底下增设渗沟排水，利用埋设己钻孔的 硬质聚氯乙烯管把地下水从出口排出路基。注意渗沟处及塑料排水管四周用无纺土工纤 维包裹，防止淤塞； 对于3 m 深度内的软基，一般应换填适当厚度的砂垫层或级配碎石垫层； 对于3 m 以上深度的软基，采用粉喷桩或粉喷桩加反压护道或粉喷桩加预压处理。 粉喷桩要求最少需7 天龄期后才逐渐填筑土方。填土时要严格控制填土厚度和压实度标 准： 严重软基路段路堤填筑过程中要做好沉降和稳定观测，并严格控制施工填料和加 载速度。路基加载速度应控制沉降量 1 5 c m d ，水平位移量 1 8 m 时，铺设二层幅宽4 0 m 的土工格栅，分别设置在路床顶面以下 2 0 c m 处和基底底面。土工格栅应选用加强型双向钢塑土工格栅。为保证土工格栅的整 体性，在纵、横向尽量减少拼接，若有拼接，应将拼接缝错开。 ( 2 ) 快慢车道路基间的拼接处理 慢车道路面结构厚度为4 0 c m ，行车道路面结构厚度为6 0 c m ，因此慢车道路基与行 车道路基由于分层填筑层次不一致，需要考虑填筑搭接。 慢车道与行车道拼接原则是使行车道路床搭接到慢车道范围内。搭接方式是行车道 路床从侧分带中心开始，向慢车道中心设置台阶，一般路段每级台阶高2 0 c m ，宽1 5 m 。 3 g 1 1 0 线老爷庙兴和段7 】 对填方拓宽的路段，由于地表土含水量过大，拓宽部分地基较软，路基填前碾压不 能进行及工期紧的情况下，为确保路基质量，不留任何隐患，采取了直接填天然砂砾( 厚 l o o c m ) 办法，分层填筑，分层碾压。 对挖方拓宽路段，凡是粘土路段，采取路槽顶面以下换填天然砂砾厚5 0 - - 一8 0 c m ， 对局部路基较软、翻浆严重的路段换填天然砂砾厚l o o c m ，并挖除原路肩黏土换填天然 第一章绪论 砂砾。 拓宽路面基层与原路面基层衔接处理上，设计原基层边缘切除宽2 5 c m ，施工过程 基层切除宽2 5 c m 后，发现原基层由于原施工采用路拌法，造成基层边缘部分拌和不匀， 压实度达不到设计要求，距基层边缘宽5 0 , - 一7 0 c m 松散且厚度不足。在此情况下，为尽 可能避免基层衔接处不留隐患，由设计基层边缘切除宽2 5 c m 变更为切除宽5 0 c m 。 4 小结 通过调研发现，对于非高速公路的拓宽改造因其原有道路等级、拓宽后的道路等级 以及路基地质条件的差异，且拼接方式也各不相同，常见的工程技术措施主要有： ( 1 ) 软基处理技术方法主要有：清淤换填、预压、水泥搅拌桩复合地基等。 ( 2 ) 在硬路肩或土路肩路基强度较好的情况下，新老路基的土体衔接可采用台阶 拼接方式；否则将老路的土路肩、硬路肩部分直接挖除，然后填筑加宽部分的新建路基。 ( 3 ) 土工格栅在目前高等级公路的扩建工程中都得到了广泛应用，采用在路基顶 面或顶面以下2 0 c m 处铺设土工格栅，部分工程在其它各级台阶处也铺设土工格栅；格 栅横向长度并不统一，一般在6 m 左右。 ( 4 ) 严格控制新老路基接合带的压实，实践证明在提高路基压实度标准后对减小 工后差异沉降能取得较好的效果。 1 2 1 3 理论研究 孙四平【8 1 对路基拓宽的处治方案及理论分析做了初步探讨，认为在旧路进行加宽改 造时，必须综合分析加宽路基的稳定性和新旧路基的整体性、地基沉降和路堤自身的压 缩变形、路基土的累计塑性变形所造成的不均匀沉降，以及新旧路基间的刚度差异等对 路面结构的影响。 河海大学的徐泽中、苏超9 1 等人利用原高速公路的监测沉降记录，对拓宽地区的地 基参数进行反演分析，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。 同济大学的钱劲松在硕士学位论文中利用a b a q u s 软件，考虑了固结理论和岩 土材料的非线性，分析了老路路面利用、不利用的工况下，新、老路基之间的不协调变 穸 东南大学工程硕士学位论文 形规律。 长沙理工大学的周志刚、郑键龙【1 1 1 等利用弹性应变有限单元法，对老路拓宽下路基 自重作用下的应力应变规律进行了分析，并对路基的附加不均匀沉降做了深入的分析， 提出了防止新旧路相接处产生裂缝的处理方法。 1 2 2 国外研究现状 通过文献、资料等查询，调研了日本、美国、澳大利亚等国家的理论研究和工程实 际情况。 日本在软土地基上的路基不均匀沉降控制方面进行了多方面的研究，其中包括针对 半幅拓宽路堤提出了一系列工程措施。公路拓宽时将原有双向车道保留，作为拓宽后新 路的一个方向的车行道，而在一侧不远处( 相距l 3 m ) 增设一新路堤作为新路的另一 个方向的车行道。此时原有修筑的路堤已经完成固结沉降而处于稳定，而由于拓宽路堤 的影响，老路堤也向新路堤一侧沉降，导致老路堤路表平整度下降，路面开裂。推荐采 取的措施般有：通过在原有路堤外侧路肩处竖向打入一定深度的板桩，使新拓宽路堤 的沉降隔离在板桩处，以起到消除由于新路堤的沉降给老路堤带来的连带沉降影响；或 通过在新路堤地基部分设置挤实砂桩、石灰桩等复合地基来减少新路堤的沉降量，最终 达到减小老路堤的影响；以及通过在新填路堤地基处打入预制桩来减小新路堤的沉降。 澳大利亚交通部门曾在南澳洲e y r e 高速公路拓宽改建时，对拓宽部分软弱地基表 层土体，出于当地部门对环保的要求，采用专门机械翻松表层土，再掺加一定比例的生 石灰、粉煤灰和路邦( r o a d b o n d ) 液体固化剂进行混合搅拌来进行处治。处治后通过落 锤式弯沉仪检测路基路面整体抗变形能力满足设计要求。通车2 年后道路状况良好，未 发现相关病害产生。 美国盐湖城( s a l tl a k ec i t y ) i 1 5 公路的改扩建工程，有2 7 k m 的道路位于强度较 低、固结时间长的软弱地基上，但路基容许施工期限很短( 1 2 1 8 个月) ，为保证路堤 施工的稳定性并较小工后差异沉降，采取了多项工程措施。其中包括：设置塑料排水板、 置换地基、路堤分期施工、轻质路堤、加筋挡墙和设置桩基础等。 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 1 2 l 等人对加宽路基进行了研究，提出了 - 1 0 第一章绪舔 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。 理论研究方面，美国普渡大学的l u d l o w l l 3 】提出了采用剑桥弹塑性模型分析软土 地基上路堤变形的步骤，认为不排水剪切强度和超固结比是影响结果的主要因素。 荷兰d e l f t 大学的h g b a l l e r s m a 、e v o s ，a n g v a nm e u r s f l 4 1 等人将离心模型 试验、有限元程序分析和现场试验结合起来，研究了加宽路基施工过程中软土地基的力 学特征和变形特性。 荷兰d e l f t 大学的a n g v a n m e u r s 1 5 1 利用p l a x i s 有限元程序和现场试验分析了 不同的加宽填筑方法对地基变形特征的影响，得到两阶段填筑法对沉降改善不显著的结 论。对新老路基结合部土工合成材料的加筋处理，可以在上述方法基础上，引入土工合 成材料单元以及相应的接触面单元，包括g o o d m a n 单元、d e c a i 单元及刚塑性薄层单元 等，以模拟筋土之间的相互作用，计算土工合成材料和新老路基结合部的应力一应变特 性和整体稳定性。 1 2 3 调研的结论 通过国内外技术调研，可以得出以下结论： ( 1 ) 3 1 2 国道沪宁段拓宽改建工程与其它拓宽工程的共同特点 如何协调新老路基的沉降差异、防止或延缓由沉降差造成的纵向开裂等关键技术问 题，以及通过采取哪些技术措施来解决这些关键问题，采用何种施工工艺来保证技术措 施的落实等。因此，一般高等级公路拓宽改建工程的成熟、有效的技术措施都可以提供 参考和借鉴，如预压、清淤换填、水泥搅拌桩、土工合成材料、严格控制拓宽路基的压 实度等。 ( 2 ) 3 1 2 国道沪宁段拓宽改建工程与一般拓宽改建工程主要不同点 3 1 2 国道沪宁段扩建工程部分路段开挖老路路肩时发现路肩下部存在软土等不良土 质问题，以及开挖老路路肩时无法形成台阶，在老路路面边缘形成较高的垂直面，与原 设计台阶拼接方案差异较大，新老路之间难以形成较好的构造连接。因此，对于新老路 基无台阶拓宽改建技术，如何考虑新路堤加载时地基土因横向固结度不同而导致的强度 差异，如何考虑新老路堤的整体稳定性，以及采用的工程技术处治措施应用效果的评价， 东南大学工程硕士学位论文 这些问题值得进行深入的探讨与研究。 1 3 本文主要研究内容 ( 1 ) 国内外路基拼接技术调研 通过国内外拓宽改建工程的相关研究和应用情况的调研，分析总结常用的处治措施 以及其适用条件、应用效果。 ( 2 ) 新老路基相互作用理论分析 研究新老路基之间的相互作用机理，分析拓宽路堤无台阶填筑对老路沉降的变化规 律，探讨不同影响因素下新老路基的稳定性变化规律。 ( 3 ) 路基不均匀沉降对路面结构的影响 考虑不均匀沉降与行车荷载的综合作用对路面结构的影响，分析单侧拓宽沉降模式 下差异沉降指标以及应力场的变化规律。 ( 4 ) 新老路基无台阶拼接综合处治方案实例研究 结合3 1 2 国道拓宽改造工程拓宽改造实例，提出单侧无台阶拼接的工程技术处治措 施及适用条件。 ( 5 ) 试验段现场监测、评价 结合3 1 2 国道拓宽改造工程拓宽改造实例，选择具有代表性的断面进行沉降、水平 位移、剖面沉降等相关项目的监测，对理论分析进行验证。 1 2 第二幸新老路基无台阶拼接相互作用理论分析 第二章新老路基无台阶拼接相互作用理论分析 本章针对新老路基拼接问题的特殊性和复杂性，对新老路堤的相互作用机理进行理 论研究，利用有限元in n 7 1 分析老路路肩垂直开挖和拓宽路堤无台阶填筑对老路沉降变形 和侧向位移的影响，以及拓宽部位自身位移场的变化规律。 2 1 概述 老路从建设到运营，再经过拓宽，往往需要经过几年甚至十几年的时间。在建设期 间，老路路基的初始沉降就已经结束；在运营期间，在老路自重及其车辆荷载的长期作 用下，软土地基中土颗粒骨架之间的水分逐渐排出，土颗粒骨架发生的蠕变也基本结束， 老路固结沉降以及次固结沉降也已基本结束，地基已趋于稳定。而对于拓宽路段，从建 设到运营期间，初始沉降、固结沉降及其次固结沉降都将会继续发生；其中，初始沉降 可以在建设期间完成，但固结沉降与次固结沉降是一个长期的过程，在运营期间将会继 续发生，这也是拓宽段与老路之间发生差异沉降的主要原因，随着施工时间间隔的增大， 差异沉降也将越大，同时加上荷载的不均匀性，也使得新老路基的沉降变形特性存在较 大的差异，最终导致结合部路面出现裂缝、破损、行车不舒适等现象。 同时，在原有道路外侧进行老路肩开挖以及拓宽改建，开挖卸载以及新填土荷载和 运营后的汽车荷载必然会引起既有路基的附加沉降，既有路基不同位置的附加沉降差异 有可能会引起老路表面横坡比的改变，影响路面服务性能，当