（岩土工程专业论文）潼宝高速公路改扩建新旧路基差异沉降数值模拟分析.pdf

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急需解决 的问题。本文针对高速公路改扩建工程中的关键技术问题，结合潼关至宝鸡高速公路改 扩建工程，采用室内外试验、数值模拟和理论分析等方法，对高速公路改扩建工程新旧 路基差异变形的诸多因素进行了分析，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 选取代表性断面，通过地质勘探、室内土工试验，研究了新旧路基下地基工 程性状的变化规律。 ( 2 ) 以分层总和法为对比依据，根据有限单元法的计算原理，运用m a r c 程序求 得路基沉降量，并与分层总和法计算的沉降量作对比。 ( 3 ) 建立了有限元分析模型，研究了在新填路堤分级加载过程中新旧路堤相互作 用的变形性状及影响因素，分析模拟了不同加宽方式、不同路基加宽宽度、不同路基填 筑高度、新填路堤材料参数和旧路台阶边坡削坡和台阶开挖等多个因素对差异沉降的影 响规律。 关键词：高速公路，拓宽路基，有限元分析，差异沉降 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 y i n c r e a s i n g ac o n s i d e r a 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 d f o rb o t hi n c r e a s i n gt r a f f i cv 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 e p 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 t h ee x p r e s s w a yw i d e n i n gi s a ni m p o r t a n ti s s u e s 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 i nt h i sp a p e r ，a i m e da tt h ek e yt e c h n i c a li s s u e so f t h eh i g h w a ye x p a n s i o n ，u n i f i e st o n g g u a nt ot h eb a o j ih i g h w a ye x t e n s i o np r o j e c t ， m a n y f a c t o r sw h i c ha r ea b o u tt h ed i f f e r e n c en e wa n do l dr o a d b e dd e f o r m a t i o ni nt h eh i g h w a y e x p a n s i o np r o je c ta r ea n a l y z e db yu s i n gf i e l dt e s t ，l a b o r a t o r yt e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds oo n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n g ( 1 ) b ys e l e c t i n gs o m et y p i c a ls e c t i o n s ，t h r o u g ht h eg e o l o g i c a lr e c o n n a i s s a n c e ，s o i l m e c h a n i c sa s s a y , r e s e a r c h e dt h ec h a n g i n gl a wo fe n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fg r o u n du n d e ro l d a n dn e we m b a n k m e n t s ( 2 ) b a s e do nc a l c u l a t i o np r i n c i p l eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s u d g r a d es e t t l e m e n ti s o b t a i n e db yu s i n gm a r c t h e nc o m p a r e dw i t ht h el a y e r w i s es u m m a t i o nm e t h o dw h i c hi s t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fc a l c u l a t i n gt h es e t t l e m e n t ( 3 ) t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，t h ea r t i c l es t u d i e d t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ei n t e r a c t i o nb 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 i m u l a t e dt h ei n f l u e n c eo fm a n yf a c t o r ss u c ha s t h e d i f f e r e n tw a y so f w i d e n i n g ，t h ed i f f e r e n ts u b g r a d ew i d e n i n gw i d t h ，t h ed i f f e r e n ts u b g r a d ef i l l i n gh e i g h t ，t h en e w e m b a n k m e n tm a t e r i a lp a r a m e t e r s ，t h es l o p ee x c a v a t i o na n ds l o p ec u t t i n go fo l dr o a do n d i 仟- e r e n t i a ls e t t l e m e n t k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y ；w i d e nr o a d b a s e ；f i n i t ee l e m e n t ；d i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t ； 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 了秀电 2 护口夕年乡月争e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 2 0 0 7 年j - - j 弓争日 删降夕月矿日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究课题的提出及意义 第一章绪论 随着我国国民经济得到一日千里的发展，公路等基础设施的建设也得到了日新月异 的提高。其中高速公路对国民经济和社会发展的促进作用越来越明显。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。在道路建设方面，自2 0 世纪8 0 年代以来，虽然国家不断加大对高等级公路及城市道理的建设力度，使得我国 公路网及城市路网总体水平逐步提高，但不可否认，路网中为较低等级的道路和已达到 设计寿命的路面仍占有相当大的比重。由于超期服役和养护资金的紧缺，这些道路的损 害在不断增多，直接影响了道路的畅通和运输效率，无论是其承载力还是其对当前运输 的适应性，都已经显得力不从心。因此，除了新建高速公路以满足日益增长的交通量需 求外，对旧路的改扩建势在必行。 高速公路改扩建工程最大的技术难题是解决新旧路基不均匀沉降问题。原有的路基 经过多年行车荷载作用和自然沉降等因素己趋于稳定，沉降量己很小，而新路基成型后 必然要经历一个沉降过程，这将会造成新旧路基的不均匀沉降。这样，加宽完成后整个 路基存在着沉降量不均衡的问题。若不处理好这个问题，将会给新加宽道路留下隐患， 反映在路面上就是将在新旧路基结合部位产生纵向裂缝。但其根源在于加宽后新旧路基 沉降量不同，这种病害会在外界因素( 例如行车荷载、冻胀、雨雪侵蚀等) 作用下进一 步发展，以致影响到公路的正常使用。其次，旧路经过多年的使用，与新加宽部分路基 的强度不同，因而给新旧路基的整体强度设计造成一定的困难。特别是在软土地基路段， 这个问题就会更加突出。针对这一技术难题，可以采取多项措施给予解决。这些措施主 要是解决旧路加宽工程两个关键问题：( 1 ) 减少新旧路基间的不均匀沉降量；( 2 ) 加强 新旧路基的整体结合强度，使新旧路基结合为一个整体。 目前我国公路部门对高速公路改扩建工程的研究还开展不够，从设计到施工还没有 成熟的经验可循。尽管2 0 0 4 版公路路基设计规范中对路基拓宽改建作出了一些规定， 但基本都是原则性的一般规定，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施工控制指标。因此，开展对高速公路改扩建工程相关问 题的研究具有十分重要的工程意义。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1国外研究及工程应用现状 国外对于高速公路拓宽工程的理论研究起步较早，大多建立在调查分析、离心 模型试验和有限元模拟分析的基础之上。 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 等人对加宽路基进行了研究 1 】，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。主要内容如下： ( 1 ) 道路的加宽包括以下两种类型： 保持边坡坡比不变的加宽； 保持坡脚位置不变，使边坡变陡的加宽； ( 2 ) 报告对印第安那州( i n d i a n a ) 五条加宽的道路进行了调查，其中三条加宽 成功，两条失败。加宽失败路段的调查包括现场测试和室内试验，包括标准规贯入 度试验( s p t ) 和锥贯入试验( c p t ) 、钻孔试验、现场密度试验、液塑限试验、压 实度检测和强度试验。 调查表明加宽失败路段的主要失败原因：不合标准的压实度；不合适的台阶开挖； 道路表面水流的渗透也会饱和和软化路基土，导致加宽失败。 ( 3 ) 加宽时要考虑的问题： 台阶的开挖。原印第安那州( i n d i a n a ) 规范规定坡比大于1 ：4 的道路加宽台 阶宽度应大于3 m ，台阶高宽比为l ：1 。这样会形成3 m 高的竖直断面，有可能影响 老路路堤的稳定。研究表明台阶的竖直高度不宜超过1 5 m 。 压实度的控制。加宽处的压实度应达到大于等于9 5 的标准，含水量应在最 佳含水量的一2 + l 范围内波动。 新填土的渗透性应与老路基土尽量保持一致。如果新填土的渗透性高于老路 基土，雨水很可能透过上层路面结构聚集在老路基土中。这将使土软化，大大减小剪 切强度。 完善的路表排水系统的设计和对地下水的适当考虑。 坡比与土的塑性指数的关系。研究表明，土的有效应力摩擦角随土塑性指数的 增大而减小。 2 长安大学硕士学位论文 国外公路加宽工程主要有荷兰鹿特丹( r o t t e r d a m ) ，安特卫普( a n t w e r p ) l 拘a 1 6 号公 路、阿姆斯特丹( a m s t e r d a m ) 一乌得勒支( u t r e c h t ) 的a z 号公路、芬兰赫尔辛基 ( h e l s i n k i ) m i k o n k o r p i 公路，日本鹿沼宁都宫高速公路、名神( 名古屋神户) 高速公路， 韩国1 号高速公路，德国开姆尼茨( c h e m n i t z ) 德累斯顿( d r e s d e n ) 的a 4 号联邦高速公 路，美国印第安纳少h ( i n d i a n a ) 的高速公路、田纳西，i l ( t e n n e s s e e ) 7 5 号和1 5 3 号州际公 路的交接段、4 3 4 号州际公路从t u s k a w i l l a 至4 1 7 号州际公路段( 2 1 2 m k ) ，以及i 一8 0 号高速公路从a s h b y 到a v e n u e s 大学段等等。 由于国外修建高速公路的方式与我国完全相同，且有关高速公路加宽实体工程的 报道很少，值得借鉴的地方不多。 1 2 2 国内研究及工程应用现状 我国的高速公路开始建于2 0 世纪8 0 年代末。由于经济建设的日新月异，首先反映 在交通量上迅猛增长，许多刚建成的高速公路就面临着拓宽改建的问题。我国拓宽改造 的第一条高速公路是广佛高速公路，以后陆续有多条高速公路进行了拓宽改造，在拓宽 改建中积累了大量经验。 1 9 9 5 年周志刚等【2 】利用有限元对老路拓宽设计方法作了大量研究，其方法为假定路 基土体为线弹性体，得到路堤顶面不均匀沉降的特征函数，然后假定土层内部各点在重 力作用下产生的弹性变形和流动变形成比例，用分层总和法计算出的最大沉降值修正得 到不均匀沉降的实际形状和大小。这种方法比分层总和法更能准确地反映新旧路基的相 互作用。但是由于土体复杂的本构关系，用线弹性模拟然后修正的方法具有一定的局限 性。并且，在有限元计算中没有考虑固结理论，计算得到的沉降为施工期间产生的沉降 和工后沉降的总和，而对路面结构产生不利影响的只有工后沉降这一部分。 2 0 0 0 年同济大学进行了新旧路基结合部处治技术课题研究。针对路基拓宽工 程的实际问题，通过多种技术手段，对路基拓宽工程中的技术特征和工程问题、新旧路 基不协调变形的计算方法、特点及对路面结构的影响、拓宽路基的设计理论和方法、新 旧路基结合部处治的原理、方法和施工技术进行了深入系统的研究，总结了路基拓宽工 程中新旧路基结台的主要方式及其分类方法、常见病害及其成因机理，提出了新旧路基 不协调变形的计算方法，揭示了新旧路基不协调变形的特征授律、路面结构对路基不协 调变形的力学响应及相应的损坏模式。在此基础上，建立了基于不协调变形控制的路基 第一章绪论 拓宽设计理论和方法，系统地提出了不同条件下新旧路基结合部的处治技术及其施工 控制，并在重庆、陕西、上海三地6 项依托工程中进行了应用和验证，形成了新旧 路基结合部处治设计施工技术指南。 2 0 0 1 年黎志光【3 】在广佛高速公路加宽扩建工程中，认为要严格按照施工规范中对 新旧路基衔接的要求开挖台阶，而且台阶的数量尽可能多，为新旧路基的衔接提供更 多接触面，更利于新旧路基的接合。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；严格控制新旧路基接合带的压实，对新旧路基接合带( 大 型压路机的压实施工死角) 用打夯机分薄层填筑压实；在路槽纵向铺设2 m 宽跨施工缝的 土工格栅，加强新旧路基的横向联系，减少裂缝反射。 2 0 0 2 年孙四平等【4 】对路基拓宽的处治方案及理论分析做了初步探讨，认为在对旧 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间的整体性、地基沉 降和路堤自身的压缩变形、路基土的累计塑性变形等造成的不均匀沉降，以及新旧路 基间的刚度差异等对路面结构的影响。 2 0 0 2 年嵇如龙在新旧路基差异沉降的计算中，应用分层总和法，做了很多有益的探讨。 拓宽路基后的工后沉降值为新路基的最终沉降量减去老路基己完成的沉降量差值再乘 上未完成的沉降系数，即：s 工后- - ( s 新总一u 老s 老总) x ( 1 一u t ) ，其中，u 老为拓宽 施工前老路基的固结度，u t 为新路基在施工完成后的固结度。但是，应用分层总和法没 有办法考虑新旧路基的相互影响，在新旧路基结合处的差异沉降计算值偏大，不能有效 地模拟差异沉降的横断面形状。并且，分层总和法只能计算出地基顶面的不均匀变形， 却无法反映出路堤顶面的实际沉降横断面图，而后者才影响着路面结构的受力状态。 2 0 0 4 年贾宁等【5 】认为应从应力分析着手，分析拓宽路堤沉降及变形问题：拓宽路面 铺设时间，不宜参照软土地基上新建路堤的工后沉降控制标准，而应在分析新、老路堤 沉降规律的基础上，以新、老路堤工后沉降差作为控制标准。 2 0 0 4 年余常俊1 6 】根据对杭雨高速公路红垦沽诸段拓宽工程实际情况，认为新旧路 基采用宕渣分层填筑、土工格栅加筋连接，新旧路面采用玻璃纤维网连接。根据软土厚 度情况，分别设置：路堤桩结合土工格栅、塑料排水板结合等载预压、一般预压、等载 预预压、砂砾挚层、土工格栅等形式进行软基处理。路堤高出原地面后，埋设各种沉降 标，对老边坡清表、开挖台阶，根据沉降观测控制路基分层填筑速度。路基填筑完毕， 拆除路幅外缘的波形护栏和交通设施，挖除土路肩和部分硬路肩，配合原路面修补罩面， 采取顺接的形式进行新旧路面拼接。 4 长安大学硕士学位论文 2 0 0 4 年胡汉兵等【7 】结合武汉绕城公路的实际，认为施工时应采用与原路基相同或物理 力学性能较好的材料填筑，并适当提高新填路基的压实标准，填筑时严格控制含水量，保 证所需的压实遍数，确保达到压实标准，减小新路堤堤身压缩量；沉降中心在新旧路堤交 界面附近，填土荷载引起的最大主应力增量在堤底区域为最大( 接近填土荷载) ，附加应 力水平在新旧路堤结合部位下部地基中最大，因此新旧路堤结合部位及其下部地基应作为 加固处理的重点。 在实际工程中，我国成功对多条高速公路进行了改扩建工程，比较有代表性的公路有 广佛【引、沪杭甬【9 l0 1 、沈大【i l 】、海南环岛东线等，见表1 1 。国内的高速公路改扩建工 程在竣工运营开始期问状况比较好，但是大部分的工程在使用期几乎都会出现纵向开裂的 问题。因此，如何采取经济合理、技术可行的处治措施是值得进一步研究的。 表1 - 1 我国主要高速公路改扩建工程概况 沈大高速公 广佛高速公路沪杭甬高速公路 海南环岛东线杭宁高速二期 路 原设计方 案 双向四车道双向四车道双向四车道半幅四车道双向四车道 部分双向八车 分段拓宽成双向扩建左幅双向 扩建方案道部分双向六双向八车道预留六车道 车道 六车道四车道 加宽方式两侧加宽两侧加宽两侧加宽单侧加宽中间带预留加宽 原软基处 袋状砂井加砂塑料排水板十预 塑料排水板为处理或抛填 垫层或砂压固结、粉煤灰 理方法预压同结片石简单处理超载预压、塑料排水板 垫层 路堤 + 复合土工布、粉喷桩+ 加宽软基 粉喷桩( 部分 预压、塑料排水 土工格栅、轻质粉煤灰 旋喷桩) 加 板+ 等载预压、粉塑料排水板原为塑料排水 路堤 处理方法喷桩、路堤桩+ 土预压固结板后改粉喷桩 砂垫层 工格栅 第一章绪论 1 3主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 1 、通过地质勘察、室内土工试验，对改扩建中新旧路基下地基土体的物理力学性 质的差异进行对比分析，了解其变化规律，充分认识新旧路基下地基的性状，为确定新 旧路基的稳定性提供依据； 2 、在调研国内外高速公路改扩建工程资料的基础上，结合潼宝高速公路改扩建工 程的实际情况，分析拓宽路基的差异沉降机理； 3 、通过考虑不同的拓宽方式、拓宽宽度、拓宽高度、新填路堤参数( 弹性模量、 材料密度、c 、中值) 、旧路堤边坡削坡及台阶开挖的不同方案等因素，利用有限元数值 模拟的手段，研究新旧路基在施工和运营过程中不同因素对新旧路基变形的影响； 1 3 2 技术路线 本文以潼宝高速公路改扩建工程为依托，通过对国内外资料调研和实际工程调研， 采用室内试验、现场勘探、理论分析、数值模拟相结合的方法，对高速公路改扩建中新 旧路基差异变形的诸多因素进行分析。技术路线详见图1 1 。 图1 1 技术路线图 6 蚝安 学顺i ：学位论立 第二章潼宝高速公路改扩建新旧路基评价 高速公路改扩建工程，由于原有公路的地基在l n 路路基路面自重荷栽和行车荷载的 作用下，沉降已基本完成，l 开路路基路面处于稳定状志，j 路基下地基土的1 程性质也 发，i ：了相应的变化，新旧路基下地基七的工程件质不可避免地存在差异。因此，在告高 速公路改扩建进行之前，应搜集原有公路的勘察改计、竣_ 丁图和养护等方面的资料，查 明原有公路的地基及路基的处治措施，调查拟加宽扩建公路目前路基的稳定情况，并对 原有路基和新加宽路基f 地基进行工程地质和水文地质调查、勘探和试验，查明新地 基的地层结构、土体的物理性质、含水量、密度、强度、压缩性质，查明新旧路基下地 基的水文地质、工程地质条什，为分析评价新填路基对加宽后路基变形和稳定的影响、 新1 日路基的相互作用及路基加宽设计提供可靠依据。 为了研究高等级公路扩建工程新旧路基下地基性状变化的规律，本文结合潼关至西 安、西安至宝鸡高速公路改扩建工程，选取部分典型断面，对旧路基路肩下、i r 路基坡 脚下及新加宽路基坡脚下进行了勘探和试验，并将勘探试验结果进行了对比分析。 2 1 工程概况 潼关至西安高速公路是由潼渭、渭临、临西二段公路连接而成。其中潼关至渭南高 速公路，东起陕豫交 界处的陕西省潼关县 两北村，西至陕西省 消南市程家乡，全长 7 82 k m 。渭南至临潼 高速公路东起自陕西 省渭南市程家乡 ( k 7 8 + 6 2 8 ) ，经渭南 市、良n 1 、零【1 、新 卡，从靳家拓宽原临 西高速公路半幅毫终 点姜淘立交 图2 1 潼宝改扩诖路线圈 ( k 1 1 9 + 3 2 8 ) ，全长4 07 k m 。临潼年西安高速公路是陕西省第一条高速公路，也是中刚两 第二章潼宝高速公路改扩建新i 【j 路基评价 部的第一条高速公路，东起临潼苗家，西至西安市东郊官厅，全长2 3 8 8 8 k m 。 起点k 0 + 0 0 0 k 2 9 + 2 0 0 段，设计速度1 0 0 公里d , 时，平曲线最大半径5 0 0 0 米，最 小半径8 0 0 米，不设超高的最小半径4 0 0 0 米，半径小于4 0 0 0 米的平曲线共有1 4 处， 均布置了缓和曲线；纵坡大于2 的路段共有3 处，最大纵坡3 0 ，凸曲线最小半径1 0 0 0 0 米2 处，凹曲线最小半径1 3 7 5 0 米1 处。 k 2 9 + 2 0 0 k 1 3 0 + 1 0 0 段，设计速度1 2 0 公里d , 时，平曲线最大半径1 0 0 0 0 米2 处， 最小半径1 7 0 0 米，不设超高的最小半径5 5 0 0 米，半径小于5 5 0 0 米的平曲线共有2 1 处， 均布置了缓和曲线；纵坡大于2 的路段共有4 处，最大纵坡2 2 5 ，凸曲线最小半径 1 8 0 0 0 米2 处，凹曲线最小半径1 3 0 0 0 米1 处。 路线位于关中平原东部的渭河亚区，布设于渭河南岸，沿线地貌以河流阶地为主。 渭河南岸一级阶地及秦岭北坡山前阶地连续分布，地势较平坦，开阔，局部略有起伏， 跨越之河流均为渭河支流。潼渭段上层为渭河一级阶地，岩性是淡黄色棕红色粉质亚黏 土，含有白色菌丝和少量蜗牛壳，土质较均匀，结构较致密，表层垂直虫孔发育，硬塑 状；下部主要为砂、砾、卵、漂石，局部夹有亚黏土，松散至中密状。渭临段上部为亚 黏土，含有白色菌丝及蜗牛壳，厚2 0 0 - 2 1 o m ，呈硬塑半干硬状，靠近其下部趋软 塑状，容许承载力2 1 0 - - - 2 3 0 k p a ；下部为中细砂，含小砾石，含水，饱和，容许承载力 1 0 0 - - - 3 0 0 k p a 。临西段上层为淡黄色及褐红色亚黏土，成分以伊利石和蒙托石为主，含 有钙质结核；下层为碎石土层，厚度5 8 m 。沿线地下水主要类型为潜水，地表水系较 发育，但由于受地形影响较大，地下水埋藏深度变化亦较大，幅度8 - - 2 6 5 m ，二级阶地 区未揭露含水层。从探明地层来看，地下水不丰富，含水层属第四纪更新统风积黄土， 黄土状孔隙潜水含水组，弱中等富水，水质良好。沿线路基地质情况良好，以亚黏土 为主，土质较均匀。地层属中等压缩性，非湿陷性。个别地段( 良田附近) 地层有弱湿陷 性，硬塑半干硬状。容许承载力2 0 0 一- - 2 5 0 k p a 。沿线的地下水因埋藏深，对路基稳定 性无大的影响。地下水位埋深一般1 0 - - 3 0 m ，边缘埋深浅，多溢出成地表迳流，地下水 补给主要来自裂隙水和大气降水。路线穿越区域属大陆性半湿润暖温带气候，年平均气 温1 3 4 。c - 一1 3 6 ，一月平均气温1 2 c ，七月平均气温2 7 3 ，极端最高气温4 0 2 4 3 o c ，极端最低气温1 3 1 1 8 2 ，年降雨量5 9 0 - - 8 0 0 m m ，多集中于七至九月 份。最大冻土深度4 0 c m ，最大积雪1 2 c m 。 西安绕城高速公路北段是潼关至宝鸡高速公路的重要组成部分，此段主要解决西安 边境交通。全线按平原微丘区高速公路标准设计，设计车速1 2 0 公里d , 时，双向六车道， 8 长安大学硕士学位论文 路基宽度3 5 米。选用了较高的平纵面指标，全线平曲线大小均衡、连续、无突变感， 无小偏角平曲线，无断背曲线；纵坡长度均衡，起伏平顺缓和，没有平纵组合不良的路 段。 西宝高速公路是国道3 1 0 线的一个区段，位于陕西省关中盆地西段，起自西安后围 寨，沿渭河河谷平原，经咸阳、兴平、武功、杨陵、蔡家坡、虢镇至宝鸡，全长1 5 4 8 k m ， 连接了西安、咸阳、宝鸡等陕西省三大城市及杨陵、蔡家坡、虢镇等科研与工业城镇， 对于改善陕西省的投资环境及经济的发展将起到巨大的推动作用。西宝公路是分段设 计、分段建成的，其中西兴段1 9 9 3 年1 2 月通车，兴蔡段1 9 9 5 年1 2 月通车，蔡宝段1 9 9 4 年1 2 月通车。 西安至宝鸡段设计速度1 0 0 公里小时，平曲线最大半径1 0 0 0 0 米“处，最小半径 5 1 5 米，不设超高的最小半径4 0 0 0 米，半径小于4 0 0 0 米的平曲线共有2 5 处，均布置了 缓和曲线；纵坡大于2 的路段共有2 处，最大纵坡2 7 6 ，凸曲线最小半径1 5 0 0 0 米1 处，凹曲线最小半径7 2 0 0 米1 处。全线采用的平纵指标均符合规范要求，平曲线半径 小于4 0 0 0 米的路段长度占全线的2 3 ，纵坡大于l 的路段长度仅占全线的6 。西宝 高速公路位于黄土高原南端，关中盆地中部西段，沿东西方向，展布沿线地貌以河谷平 原与河谷阶地为主。西窄东宽，西高东低，其南北两侧呈不对称性阶梯状递增，由渭河 一、二级冲积阶地过渡到高出渭河2 0 0 - - - 5 0 0 m 的黄土台塬，渭河北岸阶地连续分布，南 岸阶地残缺不全。沿线通过地带可分为渭河河谷平原与河谷低级阶地两个地貌类型。路 线k1 6 0 + 2 8 8 k1 7 7 + 2 8 8 段上部为第四纪上、中更新全新统松散粉质中液限黏土， 厚约1 5 6 o m ，分布极不均匀，硬塑半硬状，下部为松散的冲积砂及砂砾石，厚约6 0 - - - 1 0 o m ，以中、细砂为主，松散中密状。路线k 1 7 7 + 2 8 8 k2 5 8 + 2 8 8 段位于渭河河谷 二级阶地，地势平坦、开阔，为上更新统松散冲积的黄色与微红色粉质中液限黏土( 黄 土状亚黏土) 互层，厚1 0 - - - , 1 6 m ，土质均匀，天然含水量随深度渐增，低压缩，弱湿陷 性。上部l , - 、一4 m ，硬塑半干硬。路线k 2 5 8 + 2 8 8 k 3 1 4 + 2 8 8 段位于渭河河谷一级阶地， 上覆黄色、黄褐色粉质中液限黏土，土质较均匀，含少量姜石及砂、砾石等，厚约0 5 4 m ，局部夹一层古土壤，中等高压缩，软塑硬塑。下部为冲积砂、砾石等，局部为 卵石层，松散中密状。沿线通过地带，地下水的类型为潜水。渭河漫滩及其一级阶地 为地下水强富集区，含水层以洪积、冲积和河相沉积的砂及砂卵石为主，水位埋深小于 4 m ，含水层厚度大，分布广，补给来源充足，渭河二级阶地为地下水富集区，埋深4 1 0 m ， 含水层为黄土状粉质中液限黏土，巨大孔隙，渗透性强，水量丰富，水质良好。气候属 9 第二章潼宝高速公路改扩建新旧路基评价 大陆性温带、半湿润季风型气候，年平均气温1 1 6 c - 1 3 3 c ，一月平均气温一l 2 3 ，七月平均气温2 5 4 。c - 2 6 9 c ，极端最高气温4 1 4 。c , - , - , 4 5 c ，极端最低气温- 1 6 7 2 0 。c ，年降水量为5 1 9 2 - - 6 6 0 m m ，主要集中于七九月，最大冻土深度2 4 4 5 c m 。 2 2 新旧路基下地基工程性质的勘察 为了研究高速公路扩建工程新旧路基下地基土的工程性质的变化规律，本文结合潼 关至西安高速公路改扩建工程，选取部分典型断面，将勘探孔与原老路基的勘探孔布置 在同一横断面上，对潼宝高速公路扩建工程的新旧地基进行了勘探和试验，并将勘查试 验结果与1 2 年前的数据进行了对比分析。 新旧路基下地基工程性质的勘察工作于2 0 0 7 年1 0 月3 0 日开始，于2 0 0 7 年1 1 月 2 0 日结束。本文选取四个典型断面进行对比分析，分别为k 6 2 、k 1 1 3 、k 2 0 0 、k 2 8 5 。 k 6 2 断面所在路段，老路地基由上而下分为素填土、亚粘土、亚砂土三层；拓宽区 地基分为四层，亚粘土与亚砂土交替出现，第一层与第三层均为亚粘土，第二层为灰色 亚砂土第四层为饱和青灰色亚砂土。地基土处于可塑状态，容许承载力2 1 0 - - - - 2 4 0 k p a 。 k 1 1 3 断面所在路段，老路地基由上而下分为素填土、亚砂土、亚粘土、亚砂土四 层；拓宽区地基分为三层，分别为亚砂土、亚粘土、亚砂土，地基土处于硬塑状态，容 许承载力2 2 0 - - 2 4 0 k p a 。 k 2 0 0 断面所在路段，老路地基由上而下分为素填土、粉质中液性粘土、中细砂、 粉质中液性粘土三层；拓宽区地基为黄色中液限粘土，夹中细砂层。地基土处于硬塑状 态，容许承载力2 3 0 2 5 0 l ( p a 。 k 2 8 5 断面所在路段，老路地基由上而下分为素填土、粉质中液性粘土、中砂、砾 石四层；拓宽区地基分为两层，上部为粉质中液限黏土，夹粉砂土，地基土处于软塑状 态，容许承载力9 0 - - 1 l o k p a 。下部为砂砾，含卵石较多，处于松散中密饱和状态。容 许承载力l5 0 - - - 4 0 0 k p a 。 上述4 个断面的老地基与拓宽区地基柱状剖面图如图2 2 - 2 5 所示。 1 0 长安大学硕士学位论文 层深( h ) 层厚 柱状剖面 比例尺 土层描述 自 至 i ：5 0 里程桩号k 6 2 乡 杉 案填士 03 03 0 3 0 4 5 1 5 爹爹 亚粘土。灰黄色。 可塑饱和含氧 化铁，细砂土质 不均夹有薄层砂。 4 75 50 8爹爹 亚眇土。青灰色司 塑饱和含粉砂 约4 0 j l 夹有细砂砾。 层深( n ) 层厚 柱状剖面 比例尺 土层描述 白 至 1 ：5 0 里程桩号k 6 2 右1 0 1 n 00 70 7 夕，、 亚帖土灰色，可 望稍涅含瓦块 0 7 2 6 1 9萎萎 亚砂土：灰色，含 粗砂和粘性土，砂 质不纯，夹少量砾 砂 2 64 72 1萎萎 亚枯土：灰黄色 可塑饱和，含氧 化铁细砂。土质 不均，夹有薄层砂。 4 75 50 8多多 亚砂土青灰色，司 望饱和含粉砂 均4 0 快有细砂砾。 图2 2k 6 2 处新旧地基柱状剖面图 层深( h ) 层厚 柱状剖面 比例尺 土层描述 自 至 1 ：5 0 里程桩号k 1 1 3 04 04 0荔 荔 紊填土 4 06 51 5 荔 荔 亚砂土z 黄褐色， 硬塑。稍涅致密 土质均匀 6 51 0 84 3 萎爹 亚粘土t 黄褐色 硬塑稍湿在 7 o 至7 8 h 问为棕 褐色含 膜较多 在7 8 n 下土质均匀。 1 0 81 4 43 6 荔 豸 亚砂土：黄褐色 硬塑稍涅致密 土质均匀，含钙膜， 偶见蜗牛直 层深( h ) 层厚 柱状剖面 比例尺 土层描述 自 至 1 ：5 0 里程桩号k1 1 3 右l 帆 05 95 9萎 萎 亚砂土黄 吗色， 硬塑稍涅，致密 土质均匀在5 4 至5 7 n 问夹有中 粗砂。本层下部含 丐膜较多 5 99 94 0 琴 爹 亚粘土t 黄褐色 硬塑稍涅在 7 o 至7 8 n 问为棕 褐色含钙膜较多 在7 钔下土质均匀 9 91 4 44 5 毳 豸 亚砂土t 黄褐色 硬塑稍湿致密 土质均匀含钙膜 偶见蜗牛壳 图2 3k i l 3 处新旧地基柱状剖面图 第二章淹宝高速公路改扩建新旧路基评价 层深( 卜1 ) 柱状剖面 层厚 比例尺 土层描述 白至 1 ：5 0 里程桩号k 2 0 0 04 04 0萎妻 象填土 4 0 5 81 8 乏多 粉质中液限黏土 黄色含姜石 么， 中细砂，沙质纯 净分选性良好 5 27 82 6 7 31 0 02 7 孑多 粉质中= i 夜限黏土 黄色夹卑毛畦l k 一 层下部土含 沙量增大。i 层深( h )柱状剖面 层厚 比例尺 土层描述 白 至 1 ：5 0 里程桩号k 2 0 0 右l o m 0 2 2 2 2孑 多 粉质中液限黏土 黄色，土质均匀 含有姜石见少量 云母碎片 2 2 4 7 2 5多 乏 粉质中潲l 黏土 红色，含白色细 纹状钙质物黏 性大 4 75 20 5 ，粉质中澜眼黏士 5 27 32 1孑 、 中，细砂沙质纯 净，分选性良好。 7 31 0 02 7孝多 粉质中掖限黏土 黄色夹中细砂 层下部土中含 沙量增大 图2 4k 2 0 0 处新旧地基柱状剖面图 层深( h ) 层厚 柱状剖面 比例尺 土层描述 自 至 1 = 5 0 里程桩号k 2 8 5 素填土 03 03 0 2 1 3 51 5 夕 夕 粉质中液限黏土 夹有粉砂土 ；j ；： 中砂，微红色( 上 3 54 81 3 一量 部0 2 5 m ) 为细砂 纯净含少量沙砾 _-_-_- ： 砾石。含卵石较多， ： _-_ 圆度中等。粒径一 4 8 6 01 - 2 ；c i ； ： ：q ： 般3 0 r a m 散装结构 层深f h )层厚 柱状剖面 比例尺 层描述 白 至 1 ：5 0 里程拄号k 2 8 5 右1 叽 02 12 1萎委 黄色粉质中掖限黏 土：含蜗牛壳其 中表根层为耕值土 2 1 3 31 2 荔 荔 粉质中液限黏土 含铁锈色条带夹 有粉砂土 中砂- 微红色( 上 部0 2 喇) 龌口砂 3 3 4 5 1 2 纯净含少量抄碥 ： - ： ：砾石，含，p 石较多 -： 圆度中等粒径一 4 56 01 - 5；j _般3 8 n r l 散装结构 心： 图2 51 0 8 5 处新旧地基柱状剖面图 2 3 典型路段新旧路基下地基土工程的性质差异分析 潼宝高速公路已经通车运营了1 0 多年，旧路基下的地基固结己基本完成，旧路基 1 2 长安大学硕士学位论文 的变形已趋于稳定。在高速公路改扩建工程中，由于路基填土的压缩变形很小，新旧路 基的差异沉降主要是由于新旧路基下地基的不均匀沉降引起。对于新加宽路基部分的地 基而言，由于地基固结程度的不同，其工程性质与旧路基下的地基会存在一定的差异。 由于新加宽路基荷载的重心将集中在旧路基的坡脚附近，因此，旧路坡脚下地基的工程 性质对加宽路基的沉降变形及承载力将有重要的影响。而对于高速公路改扩建工程而 言，拓宽路基正好位于旧路基的边坡上，因此，为了了解改扩建工程新旧路基下地基土 的工程性质，现对筑路前地基土的主要物理力学指标、目前地基土的主要物理力学指标 和拓宽区地基土的主要物理力学指标进行比较，分析新旧路基下地基土工程性质的差 异，为理论分析和设计施工提供依据。 四个断面新旧路基下地基土层主要物理力学指标见表2 1 。由表2 1 可见，四个断面 新旧路基下地基土的的物理力学指标存在着不同程度的差异，特别是与地基沉降和承载 力相关的压缩性指标、抗剪强度指标均存在不同程度的差异。旧路基的地基经过长期的 路堤荷载及交通荷载的作用，地基通过排水固结，沉降变形趋于稳定，使得旧路地基中 土体的压缩性指标和强度指标均有不同程度的改善。而旧路坡脚下( 即拓宽区部分) 的 地基由于所受到的荷载较小，其排水固结的效果就会较旧路下的地基差一些，其地基土 物理力学性质的改善也就不如旧路的地基，造成新旧路基下的地基工程性质存在一定的 差异，因些会导致加宽后的路基产生一定程度的差异沉降，如果这种差异沉降达到一定 程度就会导致路基路面的开裂，从而影响路基路面的稳定、行车舒适性和行车安全。 寸 篓凶 t - _ 一 o0 0 onn n- 一 n 寸 n 一 o心 - 一 o 豁 皿 翌 柱汝 h n l n 口n 寸o 0 0 t q n oo n 。一 o卜 皿 t qo一 皿 霆留 t 4卜昏 h 寸 nnn n n 昏 寸 o 呜 n - _ _ o v - - q 螺 翼凶 n i n 卜寸 寸岔o ( - q寸 o o _ n o婚 n- 一o一 8 皿 n甘口 h n n q 柱汝 岔卜 n岔 t - n r r r r _ o o 卜 - _ _ o一 皿 j = ， 叫- _ q 委汝 。n卜 nv 、 岔均 、 o 崎 n 叫 o 一 螺 翟1 n n- 一 寸n t - 寸岔 寸 l n 卜 t q 寸 o 卜 幡 n 一o 一 n口 h 一n t q n _ 甙 n 0 0 n- 叫 柱渣 a o 一 o n 2 一 一_h r r r r 皿 4 - - - - , o卜 寸 0 0寸 h t q寸 寸n 嚣_ 蜜n n 。0 0 酏 t 4 一。 h 辐 薰凶 t 4 e 、t - 一 - n寸 n 口 卜 一 t q n h 一 o 一 o 一 o - 一 t q 皿 a寸 柱瀣 _ _ n a h 譬 t - 西n 寸 r r r r 一 n 卜 t q 。_ o o _ 叶 叮 b 幛 西 n n v 、 嚣海 卜 _ n n o 蛆一 一 o _ o o h 螺 日 山 嚏剿 p 籁， 芝 摹g 鬟童 咖 遥 _ ，u u 豁 直v 辎 婪盛 唧 面 u 口口 盛长* v 釜 婿 婪 钿 趟 j 趟 讴 稍 p h 剡 出 口r r 件 帐 _ 好蜷 甚 昧梢g鉴靼扑r尉零馘州噬州卜醐留目i辖in僻 $拳醐蛰目l辖倒轼怒密艘幄州卿料拣 长安大学硕士学位论文 各断面筑路前旧路、目前旧路及拓宽区的地基土物理力学指标沿深度的变化对比图 见图2 6 图2 9 。从图2 6 图2 9 和表2 1 中可以看出，各个断面的目前旧路地基上部 土层的物理力学性质指标均比筑路前旧路及拓宽区处的指标有一定的改善，由于历时时 间较长，土层上部优于下层，但并不显著。土的压缩性指标也不同程度的改善，土体抗 剪强度也有所提高。各断面的具体分析分述如下： ( 1 ) k 6 2 断面所在路段。从图2 6 可以看出，对于天然密度，目前旧路下地基土的 天然密度较筑路前旧路和拓宽区地基土的天然密度有较大的增加，拓宽区地基土的天然 密度次之，筑路前旧路地基土的最小，但个别点存在较大的差异。较深位置的密度变化 规律不明显。对于孔隙比，总体上筑路前旧路地基土的孔隙比高于目前旧路的地基土， 拓宽区的孔隙比处于二者之间，说明旧路基的填筑对其下的地基土有一定的压密作用。 对于压缩性能，目前旧路下地基的压缩模量较拓宽区地基土的压缩模量有明显的提高， 压缩系数降低，说明目前旧路地基在旧路基路面长期的作用下，其压缩性明显降低，拓 宽区地基土的压缩性高于目前旧路基