高速公路拓宽工程差异沉降及控制技术研究ppt课件.ppt

1 中国高速公路扩建及再生技术TheexpansionofexpresswayandreactivationtechniqueinChina 2 主要内容Maincontents 一 中国暨陕西省高速公路改扩建现状TheexpansionofexpresswaystatusquoinChina二 路基拓宽及差异沉降控制技术Subgradewideningandnon uniformsettlementcontroltechnique三 路面拓宽工程措施Expresswaywideningengineeringmeasures四 高速公路扩建路面再生Oldpavementregenerationofexpresswaywidening 3 一 中国高速公路改扩建现状TheexpansionofexpresswaystatusquoinChina 4 2009年底 中国公路通车总里程达370万公里 其中高速公路总里程达6 5万公里 居世界第二 Bytheendof2009 theChinesehighwaymileagereaches3 7million andtheexpressway including65000millionkilometers soarsuptothesecondlargestintheworld 第一阶段以建为主第二阶段建养并重其中一个重要方面主干线进入改扩建高潮 5 中国在上世纪铺设的高速公路绝大部分为双向四车道高速公路 六车道和八车道高速公路所占比例较低 截至2009年底 我国不同车道高速公路所占比例统计结果见下表 Majorityhighwayshavetwolanesineachdirection sixlanesandeightlanesexpresswayisinlowproportioninthelastcenturyinchina asshowninthetablebelow 2009年底我国不同车道高速公路所占比例统计Bytheendof2009thedifferentproportionofexpresswaylaneinChina 6 中国主要高速公路改扩建工程概况 已建成 TheexpansionofmainexpresswaysinChina accomplished 调查已完工的8条改扩建高速公路中 广佛高速部分路段加宽为六车道 海南环岛东线为非标准四车道扩建为标准四车道 其余均为四车道扩建为八车道 拓宽方式以双侧加宽为主 7 中国主要高速公路改扩建工程概况 在建工程 TheexpansionofmainexpresswaysinChina constructionworkinprogress 目前全国在建改扩建高速公路中 扩建方案基本均为四车道改八车道 拓宽方式以双侧加宽为主 8 沈大高速改扩建工程ExpansionofexpresswayprojectssuchasShenyangtoDalian 2002 5 2004 92002年5月 沈大高速公路开始进行改扩建 2004年9月改扩建工程竣工 全路段由4车道改为8车道 拓宽方式为双向加宽 路面加宽时将原硬路肩全部或部分挖除 开挖成台阶 在中下面层之间铺设玻璃纤维格栅 铺设范围为路面靠近硬路肩的第三 四车道 并深入第二车道1 0m 9 沪宁高速公路扩建工程ExpansionofexpresswayprojectssuchasShanghaitoNanjing2003 5 2006 62003年5月沪宁高速公路扩建工程开工建设 2006年底全线开放通行 全路段由4车道改为8车道 拓宽方式为双向加宽 路基拓宽工程中一般路段采用台阶拼接法 软土路段采用复合地基处理法 提出了 新路基总沉降小于15cm与工后沉降小于5cm 的双重控制标准 路面拓宽工程采用半幅分段滚动 两侧拼接加宽方法 旧路面超车道上面层全部铣刨 其余各层部分铣刨 在基层顶面铺设聚酯玻纤布 沥青混凝土面层接缝的位置采用热接缝 10 京津塘高速全线改扩建工程ExpansionofexpresswayprojectssuchasBeijing Tianjin Tangoexpressway 2008 2010京津塘高速全线拓宽工程2008年年底开工 预计2010年完工 改建方案为四车道改八车道 部分路段拓宽为六车道 拓宽方式为双向加宽 拓宽路基的软基处理以复合地基处理为主 控制新老路基的差异沉降 路面拓宽工程中以实测弯沉值为依据 对原路面进行补强设计 弯沉检测不合格 对原有路面全部挖除新建或进行补强 拼接部分新建路面结构 沥青砼路面 11 陕西省主要公路改扩建项目TheexpansionofexpresswayinShanxi 陕西省目前正在进行的高速公路拓宽工程约710多公里 加宽方式采用两侧拼接加宽或单侧分离式加宽 12 13 陕西省在建高速公路工程TheexpansionofmainexpresswaysinShanxi constructionworkinprogress 截至目前陕西省在建高速公路15条 总里程约1460公里 14 目前 陕西省已建成高速公路2770公里 Atpresent Shanxihascompleted2770kilometersofexpressway 新开工建设高速公路1460多公里 改扩建高速公路710公里Thenewlystartedconstructionis1460kilometersandtheexpansionofexpresswayis710kilometers 年 陕西省高速公路通车里程将突破 公里 高速公路覆盖全省74 的县 到2015年 通车里程突破5000公里 高速公路覆盖全省89 的县 市 区 而2025年 高速公路总里程将达到8000公里By2010 Shanxiexpresswaymileagewillreach3000kilometers thisnumeralwillbe5000by2015andbe8000by2025 15 公路改扩建工程可选方案selectionofalternativesofexpresswayexpansion 16 单侧加宽方案特点thecharacteristicofwideninoneside 优点 充分利用地形拆迁量小 路基单侧的排水防护设施可继续保留使用 新 老路基差异沉降不显化 施工干扰较小 原路可继续维持交通 施工期间临时工程及占地较少 施工便道和预制场地可沿加宽侧布设即满足需要 缺点 平面线形须重新拟合 新建中央分隔带 路基加宽侧的防护等设施废弃 新老路幅横断面不能有效组合 收费站和加宽侧互通匝道线形调整较大 上跨桥梁须拆除重建 造成工程浪费 原主线桥梁分两幅设置 施工困难 对旧路交通造成干扰 17 优点 基本保持原有公路的几何线形 路线中心线不调整 中央分隔带及其排水 通信管道 防撞护栏等设施可充分利用 新老路幅横断面能有效组合 路拱规则 路面排水简单 互通匝道线形调整较小 部分上跨桥梁净空 净高和净宽 影响不大 主线桥拼宽难度较小 施工也较方便 缺点 路基两侧的防护 排水沟 防撞护栏等设施须拆除重建 施工对公路上的交通影响较大 两侧干扰 施工期间临时工程量相对较大 占地较多 施工便道 预制场须沿公路两侧布设 拆迁量相对较大 总体而言 两侧加宽比单侧加宽的工程规模小 可利用的工程项目多 技术较成熟 较其他加宽方式更具优势 Inshort dimensionsofwidenonbothsideislessthanwideninoneside hasmoreavailableprojectsandmaturetechnology 双侧加宽方案特点thecharacteristicofwidenonbothside 18 拓宽公路工程病害调查与分析安新高速改建工程调查及原有路基路面承载能力评拓宽路基差异沉降特性及影响因素分析差异沉降对路面结构的力学影响及控制标准差异沉降控制技术拓宽路基离心模型试验试验路铺筑与分析 主要研究内容 19 国内研究现状Thedomesticresearchstatus 目前工程仍以经验法为主Atpresenttheprojectisstillinrule of thumbtechnique相关标准规范薄弱Relevantstandardsareweak缺乏路基沉降主动定量设计体系Lackofinitiativeandquantitativedesignsystemofsubgradesettlement缺乏拓宽路基差异沉降标准Lackofthestandardofwideningsubgradenon uniformsettlement缺乏控制措施定量化及优化Lackofthemeasureofcontrolwhichisquantificationandoptimized 20 国内针对新老路基差异沉降的处理措施主要有以下五种 选取合适的地基处理方法并保证处理质量 边坡削坡和台阶开挖 土工合成材料 控制路堤压实度 采用高强度路基填料等 国内研究现状Thedomesticresearchstatus 21 国内高速公路改扩建工程路基处理方法treatmentofsubgradeinexpresswaywideninginChina slopecutting 台阶开挖是公路改扩建工程路基常用处治方式之一 台阶开挖高度在0 5 1 0m之间 台阶开挖宽度在1m 2m之间 22 国内高速公路改扩建工程路基处理方法treatmentofsubgradeinexpresswaywideninginChina geosynthetics 多数公路改扩建工程在路基顶面铺设土工格栅 部分工程在开挖台阶后铺设多层土工格栅或土工格式 以降低差异沉降 23 1 拓宽公路工程病害调查与分析Investigatingandanalyzingthediseaseofexpresswaywidening 1 1拓宽工程主要病害现象themainphenomenon 1 2病害原因分析analyzingthecauseforthedisease 24 病害原因 施工方面construct 设计方面design 路基填料方面subgradepacking 工程地质方面engineeringgeology 其他原因others 1 2病害原因分析analyzingthecauseforthedisease 25 2 安新高速改建工程调查及原有路基路面承载能力评价InvestigatingtheexpansionofAnxinexpresswayandevaluatingtheoriginalpavementsubgradecarryingcapacity 2 1工程概况projectprofile2 2安新高速公路交通 结构 地质水文状况与病害调查分析Investigatingandevaluatingthetransportation structure Hydrogeologyanddisease2 3原有道路路基路面承载能力调查与评价investigatingandevaluatingtheoriginalpavementsubgradecarryingcapacity2 4原有道路路基路面承载能力对拓宽道路的影响分析analysistheinfluencesofexpresswaywidening 26 3 1工程概况projectprofile 本项目为 四车道改扩建成八车道路基由26 0m扩建为42 0m 安新高速是京珠线河南境交通量年均增长速度最快的路段 其服务水平逐渐下降 已不能满足经济发展的需求 改扩建工程势在必行 路线全长113 27公里 27 28 2 3原有道路路基路面承载能力调查与评价investigatingandevaluatingtheoriginalpavementsubgradecarryingcapacity 从检测结果看 安新高速鹤壁 新乡段的强度检测中 评为 优 良 中 的路段分别占总路段的10 3 37 9 51 8 可见 大部分路段强度为 中 路面强度需进一步提高 根据FWD路面弯沉检测结果 通过模量反分析可以得出以下规律 1 路面各结构层模量变化很大 一些路段模量较低 特别是石灰土底基层模量 2 对于底基层模量 左幅车道较低 3 对于路基模量 超车道大于行车道 29 对原有道路路基路面承载能力进行评价 对路面破坏原因进行分析 有利于在改扩建工程中充分利用原有路面的结构层强度 减少工程费用 主要有以下几方面意义 确定原有路面的利用程度 计算不均匀沉降的参数确定 对施工的影响 2 4原有道路路基路面承载能力对拓宽道路的影响分析Analysistheinfluencesofexpresswaywidening 30 3 1拓宽路基差异沉降计算方法3 2有限元计算方法3 3差异沉降特性分析3 4拼接段路基差异沉降影响因素分析 3 拓宽路基差异沉降特性及影响因素分析Analyzingwidensubgradenon uniformsettlementcharacterandinfluencefactors 31 最终差异沉降 工后差异沉降 3 1新老路基差异沉降计算方法non uniformsettlementcalculationmethod 32 由于上述计算方法不能模拟土体复杂的本构关系和模拟复杂的边界条件 不能反映新旧路基的相互影响和作用 因此 采用先进的有限元分析方法对路基沉降进行计算 3 2有限元模型的建立 按平面应变问题新旧路基接触面完全连续 不发生滑移现象各层材料为均质 连续 各向同性 地基底面两个方向均为约束地基宽度外侧水平向约束对称分析则在路堤中心线处加对称约束 土体为弹塑性材料采用D P模型 土体模型 边界条件 基本假设 33 图3 1老路基的竖向位移平衡示意图图3 2老路基的水平位移示意图 图3 3老路基的竖向应力分布图图3 4老路基的剪应力分布图 由图3 1 3 4可以看出 老路基经过多年运行 主固结基本完成 沉降趋于稳定 竖向位移 水平位移 竖向应力及剪应力沿老路中心线均呈对称分布 老路基沉降分布为中间大两边小的盆形 这与以往新建路基的沉降分布规律一致 3 3差异沉降特性 拓宽前老路基的应力及应变特性 34 图3 5拓宽路基填筑至1m高时的沉降分布图3 6拓宽路基填筑至2m高时的沉降分布 图3 7拓宽路基填筑至3m高时的沉降分布图3 8拓宽路基填筑至4m高时的沉降分布 3 3差异沉降特性 拓宽后新老路基差异沉降特性 拓宽路基从1m填筑至4m高时的沉降分布变化 35 图3 9拓宽路基填筑至1m高时的水平位移图3 10拓宽路基填筑至2m高时的水平位移 图3 11拓宽路基填筑至3m高时的水平位移图3 12拓宽路基填筑至4m高时的水平位移 3 3差异沉降特性 拓宽后新老路基差异沉降特性 拓宽路基从1m填筑至4m高时的水平位移分布 36 图3 13拓宽路基填筑1m高时的竖向应力图3 14拓宽路基填筑2m高时的竖向应力 图3 15拓宽路基填筑3m高时的竖向应力图3 16拓宽路基填筑4m高时的竖向应力 3 3差异沉降特性 拓宽后新老路基差异沉降特性 拓宽路基从1m填筑至4m高时的竖向位移分布 37 图3 17拓宽路基填筑1m高时的剪应力分布图3 18拓宽路基填筑2m高时的剪应力分布 图3 19拓宽路基填筑3m高时的剪应力分布图3 20拓宽路基填筑4m高时的剪应力分布 3 3差异沉降特性 拓宽后新老路基差异沉降特性 拓宽路基从1m填筑至4m高时的剪应力分布 38 水平位移曲线变化规律 图3 23 a 填高不同时地基表面水平位移曲线 新路基的填筑引起新老路基下面的地基都发生沉降 填土高度越大沉降越大 且更为明显地呈 形分布 甚至更接近于勺形 沉降增幅也是老路基下地基部分较小 从填高1m时的0 14cm到峻工时的1 40cm 最大沉降增幅较大 从填高1m时的2 88cm到峻工时的11 11cm 出现在新路基边缘向外侧位置 且出现位置随着路基填高向老路基方向缓慢移动 39 地基水平位移最大值不是在地基表面 而是在地基下一定深度处 对于老路基坡脚 最大值位于地基表面向下2 4m处 从向内侧的0 32cm到0 89cm 对于新路基坡脚 最大值位于地基表面向下6m处 从向外侧的0 39cm到最终的1 76cm 图3 23 b 老路基坡脚水平位移图3 23 c 新路基坡脚水平位移 40 拓宽宽度 路基高度 地基模量 新填路基模量Width roadbedlevel foundationmodulus newfillingroadbedmodulus 各因素对沉降的影响分析为 Theinfluenceofvariousfactorsanalysisofsettlement 各因素对水平位移的影响分析为 Theinfluenceofvariousfactorsanalysisofhorizontaldisplacement 路基高度 拓宽宽度 地基模量 新填路基模量roadbedlevel Width foundationmodulus newfillingroadbedmodulus 由于路基拓宽后的水平位移相对要小很多 而沉降则比较明显 且本文主要研究一定路基高度 以平原区平均高度为标准 拓宽路基的横向差异沉降 因此因素重要程度确定为 拓宽宽度 路基高度 地基模量 新填路基模量follow upthispaper Width roadbedlevel foundationmodulus newfillingroadbedmodulus 采用正交设计方法对差异沉降影响因素进行敏感性分析 并进行排序如下 41 正交试验 理论分析theoreticalanalysis 模型计算modelcalculation 土质条件对差异沉降的影响Theinfluenceofsoilconditionofsettlement 路基高度对差异沉降的影响Theinfluenceofroadbedlevelofsettlement 拓宽方式和宽度对差异沉降的影响Theinfluenceofwidthandtypeofnon uniformsettlement 3 4差异沉降影响因素分析 orthogonaltest 42 拓宽方式及宽度对差异沉降的影响Theinfluenceofwidthandtypeofnon uniformsettlement 图3 25双侧拓宽不同宽度对拓宽路基沉降的影响 图3 24单侧拓宽宽度对拓宽路基沉降的影响 对于相同的拓宽宽度 双侧加宽能使得加宽路堤重量分配到旧路两侧 极大地改善了新旧路基沉降曲线形态 对路面结构的受力也有利 另外 双侧拓宽可以减少拓宽所需土石方量 但是 双侧拓宽也加大了工程的施工难度和费用 并给施工期间开放交通的控制带来困难 43 路基高度对差异沉降的影响 地基压缩模量对差异沉降的影响 当填土高度为2m时 最大差异沉降只有6 28cm 而路基填土高度为4m 6m 8m时 拓宽路基最大差异沉降分别为11 31cm 13 94cm 14 96cm 分别增加了80 1 122 0 和138 2 同时可以看出 路基填土高度越小 拓宽路基顶面沉降曲线越接近 形 土基压缩模量对拓宽路基顶面沉降曲线影响较大 当土基压缩模量从2MPa增加到4MPa 6MPa 8MPa 10MPa时 拓宽路基最大沉降量分别减小了48 8 65 2 76 7 和81 6 Theinfluenceofroadbedlevelofnon uniformsettlement Theinfluenceoffoundationmodulusofnon uniformsettlement 44 新旧路基模量差异对差异沉降的影响Theinfluenceofnewandoldfillingroadbedmodulusofnon uniformsettlement 新旧路基间模量比的增大 刚度差异减小 有利于改善路基的竖向变形状态 但地表水平位移略有增加 新加宽路基的模量仍以接近或达到旧路路基的模量为宜 路基顶面最大沉降值则随新旧路基模量比的提高逐渐减小 从16 09cm减小至15 72cm 15 55cm 15 49cm 15 44cm 最大差异沉降从13 40减小至13 04cm 12 86cm 12 74cm 12 63cm 45 当新路基下地基压缩模量不变 6MPa 改变老路基下地基压缩模量 6MPa 10MPa 15MPa 20MPa 25MPa 时 老路附加沉降和新路基沉降都随着模量的增加而减小 考虑新旧地基不同压缩模量时 拓宽路基顶面沉降值虽然有较大变化 但拓宽路基顶面沉降曲线形状和最大差异沉降值变化并不明显 尤其当旧地基压缩模量在15MPa 25MPa时 最大差异沉降值的变化较小 图3 29考虑旧地基不同压缩模量时的沉降曲线图 图3 30新地基不同压缩模量时的拓宽路基顶面最大差异沉降的变化 新旧地基不同固结程度对差异沉降的影响Theinfluenceofnewandoldsubgradeofnon uniformsettlement 46 4 1差异沉降对路面结构的力学影响Thechiefbiomechanicalfactorinpavementcausedbynon uniformsettlement4 2差异沉降对路基的力学影响Thechiefbiomechanicalfactorinsubgradebynon uniformsettlement 4 差异沉降对路面结构的力学影响Thechiefbiomechanicalfactorinpavementcausedbynon uniformsettlement 47 差异沉降对附加应力的影响Theadditionalstresscausedbynon uniformsettlement 图4 1差异沉降对面层 基层和底基层的附加应力影响 图4 2水平向附加应力沿路面深度变化 差异沉降对路面结构层内的附加应力影响很明显 无论是否考虑交通荷载 差异沉降大小与路面结构层应力呈明显的线性关系 附加应力随着差异沉降大小的增加而增大 面层受到压应力且顶面大于底面 基层上部受压应力而下部和底基层受拉应力且底基层底面拉应力较大 差异沉降沉降引起的附加应力较大 所以在改扩建路面结构设计中除了考虑车辆荷载作用外 还应考虑因差异沉降引起的附加应力 48 路面各结构层厚度对附加应力的影响Theadditionalstresscausedbystructurallayerthickness 图4 3面层厚度对面层 基层和底基层的附加应力影响 图4 4基层厚度对面层 基层和底基层的附加应力影响 图4 5底基层厚度对面层 基层和底基层的附加应力影响 基层厚度的变化对结构层应力的影响最大 其次是底基层厚度 而面层厚度的变化对结构层应力的影响相对较小 49 路面各结构层模量对附加应力的影响Theadditionalstresscausedbystructurallayermodulus 图4 6面层模量对面层 基层和底基层的附加应力影响 图4 7基层模量对面层 基层和底基层的附加应力影响 图4 8底基层模量对面层 基层和底基层的附加应力影响 面层模量和底基层模量对面层底面的水平向附加压应力影响明显 基层模量的变化对基层底面附加拉应力影响显著 底基层模量的变化对底基层底面附加拉应力影响非常显著 而面层模量对其影响不太明显 基层模量的变化则几乎没有影响 50 对路面结构层各参数进行敏感性分析 得出 对于面层底部压应力tensilestressinthebottomofSurface 基层厚度 面层厚度 面层模量 基层模量basecoursethickness Surfacethickness Surfacemodulus basecoursemodulus 对于面层底部压应力 对于面层底部压应力 基层模量 基层厚度 面层厚度 面层模量basecoursemodulus basecoursethickness Surfacethickness Surfacemodulus 基层厚度 面层厚度 面层模量 基层模量basecoursethickness Surfacethickness Surfacemodulus basecoursemodulus 即基层模量和厚度是影响路面结构应力的主要因素 Basecoursethicknessandbasecoursemodulusarethemainfactorsinfluencingthepavementstructurestress 51 5 1概述overview5 2差异沉降控制标准non uniformsettlementControlstandards5 3差异沉降控制指标的确定与差异沉降分级Ensuringnon uniformsettlementControlstandardsandclassification 5 差异沉降控制标准与分级Non uniformsettlementControlstandardsandclassification 52 对于公路差异沉降标准国内外资料分析表明 联邦德国对容许工后沉降值要求特别严格 美国 日本大量存在软土 因此对容许工后沉降限制较宽 我国目前提出的容许工后沉降值 由于没有经验 大多是参照国外的经验 这并不符合中国的国情 5 1概述 53 5 2差异沉降控制标准non uniformsettlementControlstandards 图5 1差异沉降简化模型 54 按路面结构性要求确定差异沉降控制标准 以基层层底拉应力为分析对象 考虑沥青路面材料的疲劳衰减 应以4 1cm作为差异沉降控制指标值 对应的变坡率为0 2 高速公路改扩建工程主要以路面结构性要求考虑差异沉降控制指标 纵坡 设计速度为120km h时 最大纵坡为3 横坡 控制设计时路拱横坡为1 7 左右 平整度 容许变坡率为 按路面功能性要求确定差异沉降控制标准 差异沉降标准 差异沉降控制标准 55 以4cm作为差异沉降控制标准的低限 6cm为中值 以9cm作为差异沉降控制标准的高限 对路基不均匀沉降进行分级 共分为为轻微 低 中 高四个级别 具体如下表 表5 1差异沉降分级一览表non uniformsettlementclassification 5 3差异沉降分级classification 56 6 1拼接段纵向裂缝的产生机理longitudinalcrackgenerationmechanism6 2拼接段纵向裂缝的防治prophylaxisandtreatmentoflongitudinalcrack 6 新旧道路拼接段纵向裂缝防治研究researchingprophylaxisandtreatmentoflongitudinalcrack 57 6 1拼接段纵向裂缝的产生机理longitudinalcrackgenerationmechanism 不均匀沉降导致纵向裂缝 non uniformsettlement 机械原因导致纵向裂缝 machinery 新建基层的收缩导致纵向裂缝 basecauseshrinkage 老路车辆振动导致纵向裂缝 cars 58 6 2接接段纵向裂缝的防治 prophylaxisandtreatmentoflongitudinalcrack 选取合适的地基处理方法并保证处理质量 边坡削坡和台阶开挖 土工合成材料的采用 路堤的压实度控制 采用高强度的路基填料 59 复合地基法 以粉喷桩为代表 冲击压实法 换填碎石 轻质路堤填料法 粉煤灰 EPS块体 轻量混合土等 地基处理 60 削坡和台阶开挖 原路边坡削坡和台阶开挖的作用 清除老路边坡一定深度内的表层植被土和压实度不足的填土 方便加宽部分路堤下软基处理 增加新老路结合部接触面积 增强结合部摩阻力和抗剪能力 保证新老路基之间的有效结合和整体性 在横向台阶面为土工隔栅的铺设提供一个锚固长度 61 边坡削坡的影响 图6 1路堤顶面各点沉降曲线 图6 2坡脚处水平位移 老路堤边坡削坡并不能减少路基的沉降 但是多数拼接工程都在老路边坡削坡后再挖台阶 然后再进行新路基的填筑 主要考虑的是其前述作用 结合依托工程路基土质和边开放交通边施工的特点 推荐削坡1 1 试验段工程也证实该值可以推广使用 62 台阶开挖尺寸分析 台阶开挖有利于新旧路基的衔接和结合 但不恰当的台阶开挖方式或开挖施工方法将极容易导致施工塌方 这对旧路基的影响是严重的 尤其是在很多拓宽工程施工过程中仍然开放交通的情况下 旧路开挖坍塌的问题更应引起足够重视 依托改建工程在项目前期施工中 曾由于开挖方式和施工方式不恰当引起坍塌 如下图 63 开挖坍塌原因分析 原设计方案不进行削坡处理 直接开挖第一级台阶 从而导致第一级台阶高度过高 如下图所示 旧路基排水不畅 含水量过高 实测坍塌段含水量达24 旧路基边缘压实度不足 导致松散土过多 开挖后直接对地基进行冲击压实 地基振动过于强烈 图6 4原设计台阶开挖方案 64 针对上述情况 课题组考察现场后提出路基台阶开挖方案 如下图所示 图6 5长安大学课题组开挖方案 65 土工合成材料 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和土工格室 土工合成材料的主要作用有 有效地加强新旧路基连接 起拉筋作用 降低路基水平应力和水平位移 提高地基整体刚度和承载力 扩散和均布应力但目前对土工材料发挥的作用尚缺乏定量的研究 66 高速公路土工合成材料铺设层位示意图 67 土工格栅土工格栅是一种以高强度聚内烯或高密度聚乙烯等高分子聚合物为原料的片材 在一定温度条件下 经过挤板压延 冲孔 定向拉伸 冷却定型后形成的片网状结构物 它具有变形模量大 抗拉强度高 耐腐蚀 抗老化 与土颗粒之间的摩擦系数大 连锁作用强的特点 加筋效果强于土工布等材料 68 土工格栅加固机理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 在高速公路扩建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 由于土工格栅与土接触面的摩擦作用 土工格栅对土体具有锁定作用 由于水平铺设的土工格栅具有弹性 在反复荷载的作用下 不会产生变形的积累 土工格栅具有一定的张力和延展性 69 土工格室土工格室是八十年代在国际上开发的一种特种土工合成材料 它适于在工程领域用作加筋材料 土工格室是一种新型的立体加筋材料 这是一种由高分子聚合物经强力焊接而成的三维网状结构 它伸缩自如 运输时可以折叠起来 使用时张开 并在格室中填充砂 石 土等填料 构成一种立体的蜂窝状结构 70 土工格室加固机理 土工格室可使填料的表观粘聚力成倍提高 对其中的填料提供了强大的侧限 格室侧壁也对填料产生了竖向的摩擦约束 与材料形成双面磨擦力 即横向阻力 有效地限制了因荷载而产生的横向移动趋势 其格室与格室之间的反作用力 更加抵消了部分因荷载而产生的横向位移的趋势 其格室与格室之间的反作用力 更加抵消了部分因荷载而产生的横向位移的趋势 格室 填料复合结构可以看作是一个具有一定抗弯刚度的柔性筏基 于是土工格室结构不仅能承担路堤对地基的侧向推力 而且还能有效降低地基的竖向附加应力 土工格室加筋层起到了扩散竖向应力的作用 保证了上部结构的安全 正常使用 土工格室置于地基表面 还限制了软土的侧向隆起 使得土的滑移剪切面向更深的区域发展 类似于 深基础 的效果 也大大增强了地基的稳定性 71 同平面结构的土工格栅等相比 土工格室加筋土的优越性是 平铺加筋时 加筋体只是筋材本身 而对土工格室加筋而言 加筋体已变成格室及填料构成的复合体 平铺加筋的抗拉性能是通过土筋界面摩擦而发挥的 而格室筋材是通过直接限制填料的侧胀而发挥出来的 因而更能利用筋材的抗拉性能 对格室体而言 土筋摩擦系数就是填料本身的内摩擦系数 因而可以提供比平铺加筋大得多的粘着强度 72 图6 7铺设不同层位土工格室时路基沉降 图6 8土工格室模量变化时路基最大差异沉降 土工格室加筋效果分析 加筋层数和位置对加筋效果有一定影响 加筋位置越靠路基底部 降低路基差异沉降的效果越明显 加筋一层 两层 三层比不加筋时路基顶面沉降分别降低了4 7 4 7 和8 4 土工格室模量从5GPa到30GPa时 路基顶面最大差异沉降分别减少了3 0 3 6 4 7 和5 8 当其模量增加到一定程度 则继续降低沉降的作用开始变小 因此 从降低路基沉降和工程造价方面考虑 土工格室达到相应强度即可 不必要很大强度 73 土工格室的模量越大 高度越大 降低路基沉降越明显 横断面方向土工格室铺设宽度对加筋效果影响较大 土工格室在路基横断面方向从新老路基相接处起铺设4m时 对降低路基差异沉降效果很小 而铺设8 5m和全铺 12m 时效果明显 且后两者效果相近 因此 对于土工格室在路基横断面方向的铺设宽度 认为不必全部铺设 由新老路基相接处向外铺至2 3 3 4宽度处即可 74 压实度控制 提高压实度有利于降低路基自身压缩变形 但由于压实度的高要求可能导致填方单价的上升和工期的延长 并对质量产生负面作用 而且新颁布的 公路路基设计规范 JTGD30 2004 对高等级公路压实标准已经做出相应的提高 因此拓宽路基可以采用新颁路基设计规范的压实度标准 不必再提高 75 7 1离心模型试验原理7 2试验设备简介7 3试验方案7 4模型土样的制备与材料的模拟7 5试验基本流程7 6试验结果与分析 7 拓宽路基离心模型试验研究 76 7 1离心模型试验原理 在高速旋转情况下 通过施加在模型上的离心惯性力 补偿因模型缩尺为原型的1 n而造成的自重应力损失 使模型的应力水平与原型的一致 而得到与原型相同的应力状态 位移变化 相似的塑性区发展和变形破坏过程 以获取全比尺模型的变形破坏机理的一种模型试验技术 由于惯性力与重力绝对等效 且高加速度不会改变工程材料的性质 从而使模型与原型的应力应变相等 变形相似 破坏机理相同 能再现原型特性 77 7 2试验设备简介 土工离心机是土力学研究与试验的重要设备 广泛用于路基 堤坝 边坡地基基础挡土结构 隧道 建筑物基础等工程试验及科研教学研究 本次试验采用长安大学的土工离心机 离心机的照片如下 78 以试验段为背景 根据试验目的 原型尺寸和试验设备条件等 选择合适的模型率 模型率为1 50 进行以下6组试验 试验分组情况如表8 3 表7 3安新改建试验设计情况 7 3试验方案 79 7 4材料的模拟 土工布 医用纱布模拟土工布 并用10 盐酸浸泡24h土工格栅 普通窗纱土工格室 采用塑料薄膜 制作成类似土工格室的蜂窝状 土工格室替代物 80 7 5试验基本流程 1 检查各项试验设备均处于正常状态 标定位移传感器 拟合传感器电压值与所测位移值之间的曲线关系 2 在模型箱中采用相应的土样填筑地基及老路基 按照模型尺寸削样 以80g的加速度在离心机上稳定运行83分钟 相当于模拟其固结一年时间 老路基已运行8年 但由于条件所限 并未模拟实际的固结时间 3 按照模型尺寸 对老路基边坡进行削坡并开挖台阶 之后在模型箱中按试验方案进行新路基的填筑 同时在铺设土工合成材料的台阶层面上进行铺设 然后按照模型尺寸削样 4 将模型箱稳重配重后 吊入离心试验机中 安装位移传感器 以50g的加速度在离心机中稳定运行105分钟 相当于模拟路基加宽后固结半年时间 5 试验数据的记录 整理 分析 81 老路基固结沉降变化 图7 3老路基填筑及运行一年顶面不同位置处的沉降变化 7 6试验结果与分析 82 7 6试验结果与分析 新老路基拼接加宽后表面沉降变化 a 拼接时不削坡不加筋b 老路基削坡后挖台阶加筋图7 6新老路基拼接后填筑及运行半年顶面不同位置处的沉降变化 图7 7拼接后新老路基顶面不同位置处的最大沉降 83 离心试验小结 对老路基而言 随着离心加速度的增加 老路基表面的沉降越来越大 且在路基横断面方向沉降分布呈中间大两边小的盆状 填筑期沉降分别占运行一年内总沉降的76 1 和87 1 即土体的压实沉降主要发生在施工期 五种处治方案中 加筋路基的沉降要小于不加筋路基 各方案的路基顶面最大和最小沉降值均分别发生在新路肩边缘处和老路中心 加筋能均衡路基的不均匀沉降 并在一定程度上减小了地基的总沉降 填筑期的路基沉降在半年内总沉降中占了相当大的比例 均在70 以上 但总体沉降值并不大 五种方案中方案二新路肩处沉降最大 但也只有3 33cm 新老路基拼接处沉降3 29cm 老路中心沉降1 67cm 说明在良好自然环境与地质条件下 各加筋方案模型之间的沉降也没有明显差异 均保持在很小的水平 路基拼接加宽半年后没有出现不稳定趋势 由于平原区的高速公路改建工程总体地质条件比较良好 很少出现时间长 强度大的降水 且路基平均修筑高度较小 通常为4m左右 因此在保障施工质量的前提下 从工程造价上考虑 建议不必进行多层加筋 在路床底部和基底进行两层加筋已经足够 1 2 3 4 84 8 1试验路概况8 2试验路处治方案8 3试验路实施效果分析与评价 8 试验路铺筑与分析 85 8 1试验路概况 试验路段处于京珠国道主干线安阳至新乡高速公路改扩建工程第一合同段NO 1标段 位于设计文件地质分区的 区 所处地区地形平坦 地层主要为第四系全新统黄褐 褐黄色亚粘土 K5以南下部揭露上更新统亚粘土 粘土等 地下水位埋深5 5 10 7m 表层土具不均匀非自重湿陷性 湿陷系数0 015 0 042 湿陷起始压力173 200kPa 湿陷带厚度5 0m左右 该区属填方区 填方高度一般3 5m 填方高度最大为5 72mm 最小为1 6m 其余大部分在3 5 4 5m之间 地表下5m以内土层硬塑 坚硬状 具非自重湿陷性 自地表算起 湿陷量的计算值 s 137 5mm 依据 湿陷性黄土地区建筑规范 GB50025 2004 判定 地基湿陷等级为 级 容许承载力120 140kPa 路基一般不需处理 但应做好防排水工作 86 8 2试验路铺筑方案 方案一 K0 730 K0 890左侧 基顶路床底 土工格栅中层 土工格室基底 土工格室 方案三 K0 989 K1 124左侧 基顶路床底 土工格室中层 土工格室基底 土工格室 方案二 K0 890 K0 989左侧 基顶路床底 土工布中层 土工格室基底 土工格室 87 图8 1试验路段纵向布置图示 88 沉降观测断面布设 每个观测断面 半幅 设3个沉降观测点 分别布置在旧路基中央分隔带中央 新路基土路肩处和新路基坡脚附近 布置示意图如图所示 图8 2沉降板布设层位示意图 89 沉降观测方法 图8 3试验路沉降观测步骤 90 沉降板应布设在平整的层面上 一般布设在1 2层压实填土层面上 本方案沉降板在路基第一层填土层顶面 如图8 4所示 接管后的测杆顶面应略高于套管上口 套管上口应加盖封住管口 经试验 采用矿泉水瓶作为封盖效果良好且方便 如图8 5所示 为了观测方便和提供可靠的水准点 可以在沉降观测之初 从施工控制点上转测到一牢固的点作为基准点 为日后检查或引测工作基准点之用 在路基旁边共转测了3个水准点 其中CA3如图8 6所示 为了可以尽快的找到埋设于压实层下的测管位置 施工中应注意通过引线或其它定位方式标注测管位置 如图8 7所示 之后开始沉降观测 同时现场计算沉降点高程 以便发现问题现场解决 如图8 8 8 9所示 沉降观测方法 91 8 3 1冲击压实试验效果分析 地基冲击压实效果 路基冲击补压效果 在冲击碾压10遍之前各断面压实度增长较快 在冲击碾压10 20遍之间压实度增长缓慢 在冲压15或20遍的时候获得最大压实度 较原始地表增加约7 8 各断面沉降量大体在冲击碾压20遍时达到最大沉降量 总沉降量约3 4cm 冲压至20遍时 沉降量达到了2 7cm 占总沉降量的60 压实度增长到最大值 共增长了1 5 试验段的土基弹性模量 加州承载比和无侧限抗压强度均逐渐增大 20遍后增幅较小 说明冲击压实对增加土基的承载力有一定的作用 且20遍时比较合适 8 3试验路实施效果分析与评价 92 8 3 2土工合成材料加筋路段沉降分析 1 路基沉降随着填筑高度的增加和时间的延长而增大 沉降总体趋势是逐渐变大 填筑过程中 路基沉降在填筑初始阶段较慢 当填筑达到一定高度时 沉降速度较快 随着填筑的进行 沉降随着填筑高度的增加迅速增大 2 沉降观测内点的沉降要小于外点的沉降 对每种方案均是坡脚处沉降大于路基边缘沉降 老路基的沉降很小 新路基的沉降较大 新路基部分的沉降与距离新老路基结合处的距离有关 距离老路中心越远其沉降值越大距离老路中心越远沉降越大 3 从总体沉降趋势看 拓宽路基导致的施工期间路基沉降均不是很大 虽然各方案在同一位置处的沉降变化不一样 但差别并不太大 表明各加筋方案在降低路基沉降方面起了一定作用 但差异性不太明显 93 8 3 3EPS试验段 试验段概况台背填筑EPS试验段设在安新高速公路改扩建工程第一合同段K1 275 989小桥处 小桥为一跨16米 采用上部空心板相连 下部不连接的方案 在原桥两侧等宽加宽8米 下部采用重力式桥台 扩大基础 桥头搭板长8米 墙身高3 12米 前墙内部按4 1的比例放坡 侧墙内部按3 1的比例放坡 0号台K1 267 989左侧加宽段填高4 7米 右侧填高3 1米 1号台K1 283 989处左侧填高4 7米 右侧填高3 2米 拟定在此小桥的台背进行EPS填筑试验段 94 EPS块体填筑方案桥头EPS路堤为六层EPS板 EPS路堤施工面为台阶状 其纵横断面及平面布置详见图8 10 8 11 图8 10台背填筑EPS纵断面布置图 图8 11台背填筑EPS横断面布置图 95 9 1台阶开挖及结合带处理9 2冲击压实9 3土工格室铺设9 4土工格栅铺设9 5土工布铺设9 6EPS施工方法 9 拼接段施工技术指南 96 1 从沉降 水平位移和应力方面全面分析了拓宽路基的差异沉降特性2 对拓宽路基差异沉降的影响因素进行了分析与计算 并对其影响程度进行了敏感性分析3 通过建立有限元分析模型分析了路基差异沉降对沥青路面结构的力学影响4 从路面结构性和功能性要求分别提出了差异沉降的控制标准 并对其进行了分级5 全面分析了纵向裂缝的产生机理 并提出了防止纵向裂缝的系列措施6 对不同方案铺设了试验段并进行了现场试验及跟踪观测7 结合试验路 采用离心模型试验对多种加筋方案进行了观测及对比分析8 系统总结了高速公路扩建工程新老路基拼接段关键工艺及施工技术要求 路基拓宽部分主要研究结论 97 3 2路面结合部处理 3 1旧路面状况评定 三 路面拓宽工程措施expresswaywideningengineeringmeasures 98 3 1旧路面状况评定 在安新高速改扩建工程中如继续利用评定为 中 以下的路段原有路面 不能满足现有交通量的要求 因此路面承载能力评定为 中 以下的路段铣刨路面面层 铣刨路面后对基层状况进行现场测定 若基层松散 则需挖除重建 对于 良 以上的路面 根据安新高速公路改扩建设计文件进行修补 安新高速拓宽工程中旧路等级评价 99 3 2路面结合部处理 二 路面结合部特殊处理