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1、第一章 绪论1.1 问题的提出1.2 国内研究状况1.3 国外研究状况1.4 研究内容第二章 结合部的有限元分析模型2.1 Biot 固结理论有限元2.2 土体的本构模型2.3 结合部处治的分析模型2.4 小结第三章 结合部路堤拼接加宽的性状分析3.1 计算参数3.2 加宽后新老路堤的变形3.3 加宽后地基的变形3.4 加宽对地基应力状态的影响3.5 加宽路堤的稳定性分析3.6 小结第四章 结合部处治技术的对比分析4.1 处治技术的设计思路4.2 处治技术的效果对比4.3 路堤加筋的参数分析4.4 粉喷桩复合地基的优化设计4.5 隔离墙的参数分析4.6 小结第六章 不均匀沉降对路面结构的影响及
2、其控制标准6.1 土基不均匀变形对路面结构的影响6.2 结合部的沉降控制标准6.3 小结参考文献高速公路的加宽和拼接必然会遇到新老路堤的相互影响问题，由于新老路堤结合部存在道路施工时间的差异，导致地基固结度和路基压缩程度不同而产生新老路堤的不均匀沉降，使结合部路面出现裂缝、破损、高差、行车不舒适性等现象，影响高速公路安全并造成服务水平的降低，软土地基上新老高速公路的拼接还可能引起路堤的失稳和滑坡。目前国内外虽然有不少工程实践，但对新老高速公路结合部的问题仍需要深入研究，进而提出系统的设计方案和施工工艺。首先采用基于二维比奥（Biot）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
3、堤和地基的影响，包括新老路堤顶面产生的不均匀沉降、横坡比的改变和水平位移，新路堤的最大沉降和水平位移，拼接加宽对路堤和地基的应力状态的影响等，并采用圆弧滑动理论简单分析了加宽路堤的整体稳定性。然后结合新老高速公路结合部的特殊性，提出了处治技术的设计思路，对比了路堤加筋、粉喷桩复合地基、轻质路堤、隔离墙四种常用处治技术的处治机理和适用场合，通过有限元计算分析了它们的处治效果和参数敏感性，为实际工程中处治技术的采用提供了选择的依据。通过离心模型试验模拟旧路堤填筑、有无路堤加筋的拼接加宽和极限破坏四种情况，量测加宽过程中不均匀沉降和孔隙水压的发展以探求新老路堤的相互影响，对比分析有无路堤加筋加宽的效
4、果和量测加筋路堤中筋材的拉应变分布，并对极限状态下加宽路堤的破坏方式和位置进行了探讨，辅以试验段工程，验证和修正有限元分析的结果。最后，从结合部不均匀沉降对路面结构的影响入手，对结合部沉降的控制标准进行了一定的探讨,同时建议路面设计中应考虑土基不均匀变形的影响。关键词：路堤加宽，有限元，离心模型试验，不均匀沉降，路堤加筋，粉喷桩,轻质路堤，隔离墙第一章第一章 绪论绪论1.1 问题的提出问题的提出近年来，随着国民经济的迅速发展，我国高速公路的建设十分迅猛，通车里程已近 2 万 km。在已经建成使用的高速公路中，由于受建设时社会经济水平、技术水平和建设思想的制约，有相当一部分已不能适应交通量增长和
5、社会发展的要求，有的还出现了比较严重的路面病害。1997 年 8 月，我国首条高速公路加宽扩建工程广佛高速公路扩建工程动工，之后先后有海南环岛东线、沪杭甬、沈大等高速公路相继局部或全线扩建加宽，沪杭甬、沪宁高速公路也即将开始拓宽。此外，随着高速公路逐步向网络化发展，高速公路的相交日益增多，新建的高速公路必然遇到与已建高速公路的拼接问题，如宁杭高速公路与宁高高速公路的结合部、扬州西北绕城高速公路与京沪高速公路的结合部、宿淮高速公路与淮江、宁连高速公路的结合部等。高速公路的改扩建和拼接必然会遇到新老路堤的相互影响、新老高速公路的融合贯通、新老桥台的拼接组合等问题。由于新老路堤结合部存在道路施工时间
6、的差异，导致地基固结程度不同和路堤压缩程度不同而产生的新老路堤的不均匀沉降，进而导致结合部路面出现裂缝、破损、高差、行车不舒适性等现象，会影响高速公路安全并造成服务水平的降低，软土地基上新老高速公路的拼接还可能引起路堤的失稳和滑坡见图 1-1 所示。图 1-1 结合部不均匀沉降产生的路面纵缝一般来讲，在已经或即将沉降稳定的高速公路路堤旁填筑新路堤时，新建路堤将以边载的形式对已有路堤附近压缩稳定的地基土中进行应力叠加从而产生新的附加压缩，从而导致已有路堤的裂损。同时，新建路堤的施工对已有建筑物的影响也不可忽视，填土超载预压可能引起路堤两侧的软土地面上升挠曲，这种上升严重时会造成已有建筑物失稳坍塌
7、；而且新建路堤土体向老路堤方向的挤压将会引起老路堤的水平移动或倾斜。目前我国多条高速公路拼接段发生的路堤滑坡、路面裂损以及桥台开裂多属于此种情况。新老路堤结合部的破坏主要表现在路堤的差异沉降和整体稳定两个方面：(1)原有路堤经过多年运营，沉降基本完成，在其边坡上进行扩建填筑后，新填土方和运营后的汽车荷载必然会引起既有路堤的附加沉降，既有路堤不同位置的附加沉降不同，从而引起老路表面横坡比的改变，影响路面服务性能，在附加沉降较大时有可能使路面出现纵向裂缝。(2)软土地基上新老路堤拼接时，新建路堤工后沉降远大于老路堤，引起新老路堤变形不一致，严重时出现新路堤下沉过速导致滑动破坏。因此，如何分析计算新
8、老路堤的差异沉降和整体稳定性，提出适合结合部路堤的地基处理方法和新老路堤的衔接技术，保证新老路堤紧密衔接形成整体，是迫切需要解决的工程问题。1.2 国内研究状况国内对新老路基结合部处治技术研究的成果较少，主要对匝道拼接技术、路堤加宽技术、路基填挖结合部的处治技术等有一定的工程实践。宁连公路于 1994 年建成通车，雍六高速公路于 2000 年 10 月建成通车。结合部的路基高度达 8m -10m、地基又属于软土地基、外侧设计有超高，新加宽路基如设计与施工不合理，将导致接入车道出现工后变形。因此，该路段实际采用水泥粉体深层搅拌桩处理软土地基，减少软土地基的固结沉降；加宽路基和老路基首先挖台阶，然
9、后填土时每隔 40cm 加一层双向土工格栅，一般加 5-6 层双向土工格栅，同时填土掺石灰进行处理，要求各层填土的压实度达到 95，实践表明这种处理方案使用效果良好。沪宁高速公路 1997 年建成通车，锡澄高速公路 1999 年开工兴建。锡澄高速公路与沪宁高速公路接合部直接式拼接和分离式拼接采取了不同的处治技术。直接拼接段为加速地基固结沉降，采取超载预压法，经计算，该地段采取了清表超载预压的处理方案。对桥头段和过渡段路基，除采用超载预压处理外，为安全起见，又进行了粉喷桩处理。根据以往经验，分离拼接段实施后，会引起沪宁高速公路路基中心工后沉降量增大，路肩出现反坡，路面出现开裂。设计中考虑了多种拼
10、接处理方案，最后决定在新老路堤之间采用分隔墙处理方案（见图 1-2） ，采用的分隔墙法实际上是路堤加固技术中侧向约束法的一种。该法通过在路堤两侧或一侧堤角附近打入水泥墙、钢筋混凝土桩，或者设置片石齿墙等，来限制基底软土的挤动，从而减小边载对原路堤引发的附加沉降。(a)直接式拼接 (b)分离式拼接图 1-2 锡澄高速公路与沪宁高速公路结合部处治技术马芜高速公路是于 2002 年初开工建设，预计 2004 年底通车运营，其中芜湖东处互通立交存在与已有芜宣高速公路的结合部，且属于软土地基。设计方案采用粉喷桩预压处理，桩顶做 30cm 厚碎石（砾石）垫层，用于调整桩顶应力的分布，同时路床顶铺设 25c
11、m 厚土工格室装碎石回填、压实，宽度为 3.0m，新老路基结合部左右各 1.5m宽，然后进行预压。庐（庐江）铜（铜陵）高速公路是安徽省“十五”重点交通建设项目合肥黄山高速公路的一部分，2002 年初开工建设，于 K69+700 附近位置与老合铜路汇合，部分路段将在合铜路基础上进行拓宽，老合铜路地基为淤泥质低液限粘土，厚度大，分布广，为提高地基承载力并消除新老路基差异沉降，采取粉喷桩和 CFG 桩联合处理软弱地基方案，同时新加宽路堤采用高纤维土工格栅加筋路堤，每隔 50cm 设置一层，边坡比率为 1:2，新老路堤顶结合部铺设一层 6m 宽 15cm 厚的土工格室进行加筋，土工格室内部用级配碎石填
12、充密实，新老路基拼接处两侧各布设 3m 宽（图 1-3） 。图 1-3 庐（庐江）铜（铜陵）高速公路与老合铜路结合部处治技术软土地基上的现有高速公路的改建拓宽工程实践也有不少，见表 1.1 所列。表 1.1 我国主要高速公路改扩建工程概况在理论分析方面，河海大学的苏超、徐泽中等人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，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，认为隔离墙可以减小锡澄路对沪宁路产生的附加沉降，从而减小沪宁路的横坡比改变，防止路面破坏22。长沙交通学院的周志刚等人运用弹
13、性力学平面应变有限元法，分析了新路堤在自重作用下的沉降和应力分布规律，提出了在新铺加宽基层顶面保持一定厚度的预留量以弥补新路堤的自身不均匀沉降，防止新旧路相接处产生裂缝的处理方法19,20。陈海珊，胡永深介绍了采用粉喷桩复合地基进行高速公路扩建工程软基处理的设计方法和施工工艺24。李锁平、龚成亮将土工格栅砂砾垫层成功地用于软弱地基路基加宽段的应用设计，同时基于土工格栅加筋复合砂砾垫层的应力扩散假设，给出了加筋层数和复合砂砾垫层厚度的确定方法34。张嘉凡和张慧梅假设路面各结构层在交通荷载与自重作用下随之下沉，层间不会出现脱空现象，沥青面层、基层和底基层间为连续接触条件，按平面应变问题以解析解表达
14、式分析了不均匀沉降对路面结构附加应力的影响，认为当不均匀沉降量超过 2cm，即坡差2/（3753/2）=0.35%时，半刚性基层底面就会产生拉裂破坏29。何兆益和周虎鑫在上述同样的假设下，采用平面应变八节点等参元法分析了不同不均匀沉降值的路面响应，提出软土地基的不均匀沉降指标容许值为 5.5cm，容许沉降坡差为5.5/1411=0.4%30。1.3 国外研究状况国外研究状况国外对于软土地基上高速公路加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。1.3.1 调查分析调查分析1999 年美国普渡大学的 Richard J.Deschamps 等人对加宽路基
15、进行了研究，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6。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（Indiana）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（SPT）和锥贯入试验（CPT） 、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
16、印第安那州（Indiana）规范规定坡比大于 1:4 的道路加宽台阶宽度应大于 3m，台阶高宽比为 1:1，这样会形成 3m 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 1.5m。压实度的控制。加宽处的压实度应达到大于等于 95的标准，含水量应在最佳含水量的-2-+1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的考虑。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，推荐的塑性指数和坡比的关系见表 1.2 所列。表 1.2 土塑性指数和坡比的关系1.3.2 有限元分析和离心模型试验有限元分析和离心模型试验土工离心模型试验(Geotechnical Centrifuge Model Test)技术在岩土工程领域的应用已日趋广泛,内容涉及土石坝、地下支挡结构、软土地基、
