（道路与铁道工程专业论文）软基条件下低等级公路路基拓宽工程研究.pdf

摘要 近十年来，公路总量持续增长，许多的公路的技术等级和路面等级进一步 提高。因此公路等级升级项目越来越多。公路等级升级主要包括公路新建工程 和公路改扩建工程。公路改扩建工程包括路基拓宽工程，它是利用现有旧路， 对其进行加宽加铺改造，可提高其道路等级或改善道路服务功能，从而改善现 有道路路网结构，使具有较高的技术经济价值，同时旧路利用可以少占土地并 有利于环境保护。我国许多低等级公路在软基上修建，由于软土地基固有复杂 的工程特性，软基上的路基拓宽工程更为复杂。本文结合湖区低等级公路升级 项目，对软土地基上低等级公路加宽工程中路基变形特性、处治措施和软基监 测进行了较为深入研究。 本文首先通过对国内外路基拓宽和软基处治相关文献和理论进行了大量 研究和学习，总结了软基条件下路基拓宽的关键技术问题，即：软基处治问题 和新老路基结合问题。确定本文研究的主要内容和技术路线，具体实施如下： 通过对岳阳铁桃公路软土的室内试验，对软土的基本物理参数、压缩固结 性能、渗透性能和抗剪性能研究，得出软土具有“三低三高”的工程特性， 即 高含水量，高孔隙比，高压缩性，低渗透性，低固结系数，低强度的特点，这 些特性决定了它无法直接作为天然地基铺设路基，必须要采用合适的方法进行 加固处治。 通过对软土地基和路堤本构模型的选择，引入大变形固结理论，采用大型 有限元软件f l a c 分析不同工程条件下软基上路堤拓宽的性状，找出影响新老 路基不均匀沉降的因素与不均匀沉降之间变化的规律，为减少新老路基沉降提 供理论参考。 结合实体工程，通过k 5 2 + 1 0 0 断面进行软基未处治条件下路基拓宽工程模 拟，对路堤加宽性状进行较为全面的研究，掌握软基上路基拓宽过程中沉降和 水平位移的变化情况和分布规律，找出软基的变形性状和路基破坏性状。然后， 结合目前软基常用的处治措施和减少新老路基不均匀沉降措施，提出了该断面 的处治方案。然后对该断面软基处治条件下路基拓宽性状模拟，将结果与实测 资料对比验证模型参数选择的正确性。最后采用软件模拟和灰色理论进行路基 沉降预测，用以评价处治效果是否达到允许工后沉降标准。根据路基沉降与时 间曲线，确定路面铺筑最早时间。最后提出拓宽路面结构设计方案。 结合实体工程进行沉降和侧向位移的监测，由监测结果可知处治方案有 效，并找出了土体沉降和侧向位移变化和分布规律。 关键词：软基处治；路基拓宽；沉降监测；修正的剑桥模型；软土试验 a b s t r a c t i nr e c e n tt e ny e a r s ， w i t ht h es u s t a i n e dg f o w t ho ft h et o t a lh i g h w a ya m o u n t ， m a n yo ft h et e c h n i c a lg r a d eo ft h er o a d a n dt h er o a dl e v e la r ef h r t h e r i m p r o v e d t h e r e f o r e ， t h e r ea r em o r ea n dm o r eh i g h w a yu p g r a d ep r o j e c t h i g h w a y u p g r a d ei n c l u d en e wp r o j e c t o fh i g h w a ya n dt h eh i g h w a ye c o n s t r u c t i o na n d e x t e n s i o np r o je c t 。t h eh ig h w a ye c o n s t r u c t i o na n de x t e n s i o np r o je c ti n c l u d i n g e m b a n k e m e n tw i d e n e de n g i n e e r i n g ， i ti st h eu s eo ft h ee x i s t e do l dr o a d ， a n dt o m a k ew i d e n i n ga n dr e p a v i n gd e s i g n ，i tc a ni m p r o v et h er o a dg r a d e so ri m p r o v et h e r o a ds e r v i c ef u n c t i o n s ，s oa st oi m p r o v et h ee x i s t i n gr o a dn e t w o r ks t r u c t u r e ，m a k e i th a sah i g h e rt e c h n i c a la n de c o n o m i c a lv a l u e ， w h i l et h eu s eo fo l dr o a dc a nb e l e s su s eofl a n da n db e n e f i tf o re n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n i no u rc o u n t r y m a n y l o w g r a d eh ig h w a ya r eb u i l d e di ns o f t s o i lf b u n d a t i o n ，d u et ot h ei n h e r e n t c o m p l e x i t ye n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fs o f ts o i lf o u n d a t i o n ，e m b a n k e m e n tw i d e n i n g p r o j e c tb a s e do ns o f tg r o u n di sm o r ec o m p l i c a t e d t h ep a p e ri sr e l a t e d t ot h el o w g r a d el a k e sh i g h w a yu p g r a d ep r o j e c t ， f u r t h e rs t u d y i n go nt h ee m b a n k e m e n t d e f o m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 、 t r e a t m e n tm e a s u r e sa n ds u p e r v i s i o no ns o f tb a s ef o r l o w g r a d eh i g h w a y e m b a n k e m e n t w i d e 早i n gp r o j e c t b a s e do ns o f t g r o u n d f b u n d a t i o n i n t h i sp a p e r ， t h r o u g ht h er e s e a r c ha n ds t u d yo ft h er e l e v a n tl i t e r a t u r ea n d t h e o r ya b o u te m b a n k e m e n tw i d e n i n ga n d s o f tg r o u n df o u n d a t i o nb o t ha th o m ea n d a b r o a d ，s u m m e du pt h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so fs u b g r a d ew i d e n i n gu n d e rt h e c o n d i t i o n so fo ns o f tg r o u n df b u n d a t i o n n a m e l y ， t h ep r o m b l e so fw e a ks u b g f a d e t r e a t m e n ta n dj u n c t i o nb e t w e e nn e wa n do l de m b a n k m e n t s t bd e t e r m i n et h em a i n c o n t e n t sa n dt e c h n i c a ll i n eo ft h i sp a p e r ，t h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o ni sa sf o l l o w s t h r o u g ht h el a b o r a t o f yt e s tw i t hs o f ；ts o i lo f t i e t a oh i g h w a yo fy u e y a n g ，t h e p a p e rr e s e a r c hi t sb a s i cp h y s i c a lp a r a m e t e r s 、 t h ep e r f o r m a n c eo fc o m p r e s s i o n c o n s o l i d a t i o n 、 p e r m e a b i l i t ya n ds h e a rb e h a v i o r ， a n ds u mu pt h ec o n c l u s i o nt h a t s o f ts o i lh a se n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f ”t h r e eh i g h l o w ”， t h a ta r e ， h i g hw a t e r c o n t e n t 、h i g hv o i dr a t i o 、h i g hc o m p r e s s i b i l i t y 、l o wp e m e a b i l i t y 、l o wc o n s o l i d a t i o n c o e f 6 c i e n ta n dl o wi n t e n s i t y ， t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sd e t e r m i n e di tc a nn o tb e d i r e c t l yl a y i n gt h es u b g r a d ea san a t u r a le m b a n k e m e n t ， a n di tn e c c s s a r yt ou s et h e a p p r o p r i a t em e t h o dt or e i n f o r c e b a s e do nt h et h ec h o i c eo fc o n s t i t u t i v em o d e lo ne m b a n k m e n ta n ds o f t g r o u n df b u n d a t i o na n dt h ei n t r o d u c t i o no fl a r g es t r a i nc o n s o l i d a t i o nt h e o r y ，i tu s e s l a r g e s c a l e6 n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ef l a ca n a l y s i st h ec h a r a c t e r sa b o u t e m b a n k m e n tw i d e n i n go nt h ef o u n d a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，f i n d sn e w a n do l de m b a n k m e n tt oi d e n t i f yt h ei m p a c to fu n e v e ns e t t l e m e n to ft h ef a c t o r sa n d d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb e t w e e nt h ec h a n g e si nt h el a w ，p r o v i d e sat h e o r e t i c a l r e f e r e n c et 0r e d u c et h es e t t l e m e n to fn e wa n do l de m b a n k e m e n t c o m b i n e dw i t he n t i t yp r o je c t ， i ts i m u l a t e se m b a n k m e n tw i d e n i n gp r o je c to n s o f tg r o u n df o u n d a t i o nt h a ti s n o tt r e a t e di ns e c t i o nk 5 2 + 1o o ，s t u d y sm o r e c o m p r e h e n s i v e l yt h ep r o p e r t i e so ft h ee m b a n k m e n tw i d e n i n g ，m a s t e r sc h a n g e s a n dd i s t r i b u t i o nh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t a n ds e t t l e m e n to nt h e p r o c e s s o f 。 e m b a n k m e n tw i d e n i n go ns o f tf o u n d a t i o n ，i d e n t i f y st h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro f s o f tf o u n d a t i o na n dw i d e n i n gd a m a g et r a i t s t h e n ，b a s e do nt h ec u h e n tc o m m o n l y u s e dt r e a t m e n to fs o f tf o u n d a t i o nm e a s u r e sa n dt o r e d u c et h ed i f f b r e n t i a l s e t t l e m e n to fn e wa n do l de m b a n k e m e n tm e a s u r e s ，i tp r o p o s e st r e a t m e n to ft h e c r o s s - s e c t i o no ft h ep r o g r a m t h e ni ts i m u l a t e se m b a n k m e n tw i d e n i n gp r o j e c to n s o f tg r o u n df o u n d a t i o nt h a ti st r e a t e di ns e c t i o nk 5 2 + 1o o ，t h ef e s u l t sc o m p a r e d w i t ht h em e a s u r e dd a t at ov e “f yt h ec o r r e c t n e s so fc h o i c eo fm o d e lp a r a m e t e r s f i n a l l y i tu s e ss o f t w a r es i m u l a t i o na n dg r a yt h e o r yp r e d i c t s e m b a n k m e n t s e t t l e m e n tt oe v a l u a t ew h e t h e rt h et r e a t m e n te f 代c to ft h es e t t l e m e n ta f t e rt h e s t a n d a r d sa l l o w b a s e do nt h ec u r v eo fe m b a n k m e n ts e t t l e m e n ti na c c o r d a n c ew i t h t h et i m e ，i td e t e r m i n e st h ee a r l i e s tt i m et h er o a dp a v e d f i n a l ly i ta d v a n c e st h e s t f u c t u r a ld e s i g no ft h er o a dw i d e n i n gp r o g r a m c o m b i n e dw i t he n t i t yt oc a r r yo u tt h es e t t l e m e n tp r o je c ta n dt h el a t e r a l d i s p l a c e m e n to ft h em o n i t o r i n g ，t h r o u g ht h em o n i t o r i n gr e s u l t si t i n d i c a t e st h a t t r e a t m e n tp r o g r a m sa r ee f f e c t i v e ，d e n t i f y sd i s t r i b u t i o na n dc h a n g e sa b o u tt h es o i l s e t t l e m e n ta n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n t k e yw o r d s ： s o f tg r o u n dt r e a t m e n t ； e m b a n k m e n tw i d e n i n g ；e m b a n k m e n t m o n i t o r i n g ； m o d i f i e dc a m b r i d g em o d e l ； s o f ts o i it e s t 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：链盈么i 季 日期：沙。e f 年矿月泸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 尚 别谧轹叫 日期：磅年r 月2 d 日 日期：。凳r 月加日 1 1 研究背景 第一章绪论 近十年来，公路总量持续增长。截至2 0 0 6 年底，全国公路总里程达3 4 5 7 0 万公里，比上年末增加1 1 18 万公里。全国等级公路里程2 2 8 2 9 万公里，占 公路总里程的6 6 0 ，比上年末提高2 个百分点。其中二级及二级以上高等 级公路里程3 5 3 3 万公里，占公路总里程的1o 2 ，比上年末提高0 3 个百分 点。按公路技术等级分组，各等级公路里程分别为：高速公路4 5 3 万公里， 一级公路4 5 3 万公里，二级公路2 6 2 7 万公里，三级公路3 5 4 7 万公里，四 级公路l5 7 4 8 万公里，等外公路1 17 4 l 万公里。全国有铺装路面和简易铺装 路面公路里程15 2 。5l 万公里，占总里程的4 4 1 ，比上年末提高3 4 个百分 点。因此，公路技术等级和路面等级进一步提高。公路等级升级主要包括公 路新建工程和公路改扩建工程。 公路改扩建工程包括路基拓宽工程，它是利用现有旧路，对其进行加宽 加铺改造，可提高其道路等级或改善道路服务功能，从而改善现有道路路网 结构，使具有较高的技术经济价值，同时旧路利用可以少占土地并有利于环 境保护。然而在旧路综合改造利用及其相关工程等方面，尚有大量技术问题 有待解决，包括：新旧路基的不均匀沉降与不协调变形、新路基稳定性不足 等问题。 新老路基不协调变形的形成原因有很多，主要来自新老路基差异沉降、 新老路基路面抗变形能力差异、老路基结合不良、排水系统不完善、设施养 护不及时等原因。新老路基的不均匀沉降与变形特别对于软土地基来言，将 导致在新旧路结合部位形成沉降裂缝，在加宽路段形成纵缝，在新旧路基结 合处和挖填结合处出现横缝，甚至沿新旧路基界面出现滑移等严重病害。 软土在我国滨海平原、河口三角洲、湖盆地周围及山涧谷地均有广泛分 布，以沪宁高速公路【1 】为例，沪宁高速公路全线全长2 4 8 21k m 。沿线软土地 基长达9 2 2 9 k m ，占全线总长的3 7 1 ，软土厚度变化大，个别地段厚度超 过3 0 m ；而且，在长江、淮河流域，很多地区都分布有膨胀土、液化土等特 殊土地基。在软土地基及特殊土地基上修筑高速公路，特别是修筑高路堤时， 若对地基不加以处治或处理不当，往往会导致路基失稳或过量沉降，造成公 路不能正常使用。而在软土地基上进行低公路拓宽升级，对地基处理的要求 应严格，它要求路基不能失稳和过量沉降，而且还要控制新老路之间不均匀 沉降在容许范围。 基于上述情况，本文结合岳阳“湖区低等级公路升级一项目，通过对湖 区软土地基形成机理分析和施工处治、新老路基结合部有效处治、，并结合软 土室内试验、试验路修建、现场观测和数据处理和计算以及软件模拟路基拓 宽性状，对软基条件下的新老路基沉降规律进行分析与预测，提出减少软基 条件下低等级公路拓宽病害的多方面处治措施。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在软基上路基拓宽工程上，国外已经做了一些的实践和理论的研究。 美国a a s h t o 2 0 0 2 【2 】版设计方法中，老路拓宽部分的设计中强调了新路 和老路必须良好结合，要求新拓宽的路面结构性能尽可能和原有路面相近。认 为在常规设计下，旧路拓宽工程中沿结合面的破坏是不可避免的，a a s h t o 仅 提出了以上一些原则和技术措施的建议，但没有提供明确的有针对性的结构设 计方法。 美国盐湖城( s a l tl a k ec i t v ) i 15 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( 12 18 个 月) ，为保证路堤施工的稳定性并减小工后不协调变形，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、e p s 轻质路堤、加筋 挡墙和设置桩基础等【3 1 。 美国哥伦比亚( c 0 1 u m b i a ) 大学对加筋土挡墙( g e o s y n t h e t i c r e i n g o r c e ds o i l r e t a i n i n gw a l l ：g r s r w ) 进行路基拓宽的设计和施工作了深入研究【4 1 。该研 究对地质勘查、材料( 填土、加筋材料) 准备、设计分析和施工都提出一系列 要求。设计分析中包括了稳定性分析、挡墙应力分析和地基沉降变形分析。其 中，稳定性分析包括内部稳定性分析和外部稳定性分析，考虑的荷载条件包括： 路基自重荷载、行车荷载、施工器械荷载、地震荷载及风荷载。进行内部稳定 性分析时，采用2 楔块模型，进行外部稳定分析时，采用f e l l e n i u s 分析法。 地基沉降变形分析采用e p 曲线和分层总和法，当地基固结变形超过1o c m 时， 需要采用有限元方法计算固结变形导致的不协调变形在加筋挡墙中产生的附 加应力。 日本对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【5 】。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1 3 米) 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，老路堤也倾向于新路堤一侧沉 降，导致老路堤路表平整度下降，路面开裂。推荐采取的措施一般有：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小新路堤的沉降量，最 2 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。 h u m p h r e yd n 【6 】对软土地基上铁路路基拓宽加筋处治效果进行了分析，综 合考虑了排水和不排水两种排水状态、块状和圆弧两种破坏模式，得出结论： 在各种情况下，采用土工格栅加筋处治措施后，拓宽路基的稳定性均明显提高。 澳大利亚交通部门【_ 7 】在对南澳洲e y r e 高速公路进行拓宽改建中，出于当 地部门对环保的要求，对拓宽部分软弱地基表层土体，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是 否满足设计要求。通车两年后道路状况良好，未发现相关病害产生。 e p s 具有轻质、自立性好等优点，被广泛应用于路基拓宽及桥头引道工程 中。美国专门为此实施n c h r p ( n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c h p r o g r a m ) 2 4 1 1 ( f y19 9 8 ) 计划，该计划由美国伊利诺斯大学( u i u c ) 以及 纽约曼哈顿学院岩土工程中心j o h ns h o r v a t h 教授牵头，多家研究机构合作 完成，其目的是建立e p s 在软弱地基上作为超轻质材料应用于路堤以及桥头引 道时的设计规范，包括了材料相关性能的测试方法、设计方法、分析程序以及 施工规程。挪威、法国、英国等许多欧洲国家以及亚洲的日本也都相继制定了 e p s 轻质路堤的设计规范。 美国普渡大学的l u d l o w 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【s 】。对于 新老路基结合部土工合成材料的加筋处理，可以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 拟筋土之间的相匀作用，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。j u h a f o r s m a n 和v e l i m a t t i u o t i n e n ( 19 9 9 ) 9 】利用p l a x i s 有限 元程序分析了土工合成材料在软土地基上拓宽段路基工程中的应力应变特性。 总体来说，在高等级公路加宽改建工程中，欧、美等发达国家由于修建方 式的不同，值得我国借鉴的不多。国外通过合理的规划尽量避免拓宽所带来的 路基拓宽的结合问题，当确实需要进行拓宽时，采取了各种措施减小路基拓结 合的不良影响。主要措施包括：避免新老路面的结构差异，在新老路基间设置 沉降隔离桩，处治地基，结合部加筋和结合部边坡处理，轻质路堤等。但对路 基拓宽的路基结合的病害及形成机理缺乏系统、深入的阐述，也没有建立相关 的设计理论。 1 2 2 国内研究现状 关于路基拓宽和新老路基结合部处治等问题较为突出。现行公路路基设 计规范( j t j0 1 3 9 5 ) 【l o 】、公路路基施工技术规范( j t j0 3 3 9 5 ) 【】、公 路设计手册路基【1 2 】以及其它相关规范对此类问题涉及甚少，有关工程经 验也比较欠缺，对成因机理、结构响应和工程对策等方面的研究才刚刚起步。 3 九十年代中后期，我国开始面临大量的道路拓宽工程，设计和施工人员在设计 和施工中作了很多尝试性研究。 l9 9 7 年8 月，我国首条高速公路加宽扩建工程一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。广佛高速公路在加宽时，针对加宽工程碰到的首要难关之一，即新旧路 基的不均匀沉降和路基稳定性问题进行探讨，提出了合理的路基加宽结构方 案，如采用粉喷桩处理新加宽部分的地基以减小地基的沉降和不均匀沉降，同 时还提出了新老路基衔接措施，如在结合部位采用挖台阶的形式加强新旧路基 的整体结合性和稳定性等。 桂炎德等【l3 】在沪杭甬高速拓宽工程中，对结合部采取了填料控制( 采用宕 渣和砾石砂作填料) 、防水( 新老路面基层顶面洒铺封层油) 、排水( 在结合部 面层下设置开级配碎石排水带，将渗入老路路面结构内的水排至新建部分的级 配碎石底基层排出) 、加筋( 在路基顶面铺设一层延伸率为lo ，抗拉强度 5 0 k n m 的土工格栅；在接缝处0 5 米宽范围内沥青混凝土面层采用玻璃纤维 格栅加筋) 、台阶挖设( 台阶高0 8 米) 等措施。 王艳茹【1 4 】在黑龙江省密山市方虎公路拓宽工程中，对拓宽部分路基采用了 风化碎石土填料填筑，结合面清除腐植土，挖设土质台阶等措施。海南环岛高 速公路是同江三亚国道主干线最南段的一部分，受投资的限制，采取分两次 半幅修建的方式进行。为减少扩建工程对老路的影响，将原段设计的塑料排水 板地基全部改为粉喷桩加固处理，如存在稳定问题的则采用反压护道的方式处 理。 沈大高速公路改建的路基加宽工程中，由于沈大高速公路部分路段位于软 土地基上，在路堤设计与施工中，发现旧路基下的软土地基已发生了一定的沉 降，部分路段的工后沉降甚至已经完成，而新建路堤的工后沉降尚未发生，两 者的沉降速率明显不同，这就意味着新老路基要产生不均匀沉降。因此，从控 制软土地基沉降入手，重点进行了软土地基和新旧路基结合部位的处理，提出 比较合理可行的路基加宽方案。 苏超等【l5 】在沪宁立交匝道拓宽处，在匝道桥接坡直接拼宽段采用了粉喷桩 复合地基处理，粉喷桩桩径为5 0 厘米，桩距1 2 米，桩长15 米。在分离式路 堤拼接处采用了高压注浆形成地下连续沉降隔离墙的措施，来消除由于新填路 堤沉降给老路堤带来的附加沉降。 陈玉良等【l6 】调查了南京市周边很多路基拓宽工程( 如浦珠公路、南京绕城 公路马群至东杨坊段) ，发现在工期紧迫、路基沉降没有完成直接铺设拓宽路 面的情况下，很多拓宽工程为防止路面开裂，在路面下增设配筋混凝土板。连 续配筋混凝土一般厚度在2 0 c m ，配筋率5 5 7 5 。 崔伯华【1 7 j 等重点论述了华南珠江三角洲某高速公路软土地基采用粉喷桩 加上工合成材料加固软基拓宽工程的处理方法和施工技术，并进行了施工监 4 测。结果表明加固处理效果达到预期要求。 在新老路基差异沉降的计算中，嵇如龙【l8 】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计算方法为：分别计算老路基和新老路基 整体的最终沉降量以及固结度，新老路基整体的最终沉降量减去老路基完成 的沉降量再乘上未完成的沉降系数，即：s 工后= ( s 新总u 老s 老总) ( 1 u 。) ， 其中，u 老为拓宽施工前老路基的固结度，u 。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老路基的相互影响，在新老路基 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。 杨卫东等【i9 】采用对附加应力进行修正的改进分层总和法来估算新加宽路 基的沉降，其竖向附加应力的修正算法即以拓宽带来的道路横截面变化( 即路 基荷载自重应力) 作为修正因子。该算法对修正因子的考虑有很大缺陷，并且 存在对附加应力的认识误差。 周志刚等【2o 】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以反映不均匀沉降 的形状，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作为不均匀沉降的大小对特征函数进行 标定。这种方法比分层总和法更能准确地反映新老路基的相互作用，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。 周志刚等【2 l 】通过非线性有限元计算分析，结合现场沉降观测、f w d 弯沉 检测，研究了采用层铺土工格网处理填挖交界路基非均匀沉降的机理，认为“在 填挖交界路基中分层铺设土工格网，可以改善填土的支承刚度，降低路堤内的 垂直应力，有效缓解填挖交界路基沉降的非均匀程度，从而解决路基非均匀沉 降问题。并且铺设后，路基顶面和路面结构层表面的水平拉应力和剪应力有较 大幅度的减小，从而降低了路基顶面和路面结构拉裂或剪裂的可能性”。 徐柱杰【2 2 】等通过现场调研，总结路基拓宽常见病害并分析其形成机理，指 出应从地基、路基、路面三方面着手考虑问题，在三者之间建立有限元模型， 研究它们的相互作用、影响机理。 蒋甫【2 3 】等结合交通部西部科技项目“新老路基结合部处治技术”，通过室内 试验工作( 包括土的常规实验以及分级加载试验) ，试验路修建及现场观测； 对室内试验及野外试验数据进行处理和分析，对新老路基沉降规律进行分析， 根据新老路基的沉降规律研究不协调变形对刚性路面结构的影响，提出减少新 老路基的不协调变形和刚性路面脱空破坏的防治控制技术。 在大变形理论研究方面，上个世纪八十年代末程莉【2 4 】等人在前人的基础 上，对大变形弹性理论、大变形塑性理论和大变形下的旋率进行了系统的总结， 在宏观理论的范畴内对大变形理论进行了初步的探讨。 张永生【25 】等人引入大变形问题的几何非线性分析方法，对大变形研究成果 进行分析总结的基础上，对土体失稳过程中弹塑性大变形的问题，采用u p d a t e d l a g r a n g i a n 描述方法，建立了土体稳定分析的弹塑性大变形有限元模型，提出 了坐标更新和非线性方程组线性化的方法；在土体本构模型中采用了适合进行 土体稳定分析的m o h r c o u l o m b 准则，同时考虑了土体拉伸屈服及拉伸屈服后 强度软化对土体稳定性的影响，并用f o r t r a n 语言编制了相应的计算程序，分 析了复杂荷载作用下的边坡稳定、地基整体稳定和建筑物地基表层土体抗滑稳 定。 刘开富【2 6 】等人采用可考虑大变形问题的a l e 有限元法分析基坑、边坡、 路堤等的稳定性和破坏性状，并结合现场试验，利用有限元方法分析了碎石桩 锚单桩复合地基受压时的工程性状。 李涛【2 。7 】等人基于连续介质大变形理论、b i o t 固结理论和纽曼随机有限元理 论，建立了大变形固结纽曼随机有限元分析方法，并开发了相应有限元计算程 序。针对随机有限元刚度矩阵波动值的计算，提出采用修正牛顿法的余量迭代 算法来计算其非线性部分，并进一步探讨了刚度矩阵波动值的近似算法，提高 了大变形固结随机有限元计算效率。采用大变形固结随机有限元程序对软土路 基固结变形问题作了较系统的分析，探讨了沉降、侧向位移和孔压等均值、标 准差随时间和空间的变化规律。 从国内外研究现状与发展来看，在拓宽段软土地基处理设计方法上，往往 都是程序化的采用新建公路的软基处理方法进行公路拓宽段的软基处理，很少 考虑到新老路基在沉降上的相互作用及拓宽段的分层填筑等问题。在分析方法 中，理论分析采用有限元法较多，而设计计算方法一般都采用分层总和法。因 此，本文在引入大变形理论基础上，用弹塑性有限差分方法对软土地基公路拓 宽段进行系统的分析，研究新老路基相互作用原理，从理论分析总结、技术可 行性、经济合理性、施工便捷性来研究软基条件下低等级公路路基拓宽工程的 应用研究。 1 3 研究的主要内容 本文从研究软土的物理力学性质出发，通过软土的一些常规室内实验，研 究软土的工程性能和物理力学指标。然后，引入大变形理论和土的二维固结理 论，采用借用岩土工程方面成熟的大型有限元软件( f l a c ) 进行新老路建设 全过程模拟分析，对软土地基上公路拓宽段新老路相互作用原理及方法进行研 究，在此基础上，结合公路拓宽段的固有特性，结出适用于软土地基上公路拓 宽段道路加宽一种或多种切实有效的软基处理方应用于实际设计中去，并提供 实例进行分析、验证。结合工程实体，对低等级公路软土地基的处治研究和软 6 基上路基填筑过程以及工后的沉降和水平位移的监测，然后进行处治效果分析 和变形分析。 根据以上研究内容，本文主要进行了以下四个方面的研究工作： 1 进行软土室内试验研究，得出软土的物理力学指标和工程特性，为软基 上路基拓宽模拟提供部分材料参数。 2 引入大变形理论和土的二维固结理论，运用f l a c 软件对软基上不同 工程条件下的路基拓宽性状模拟，对软土地基上公路拓宽段新老路相互作用原 理及方法进行研究。 3 对湖区软基处治及工程技术问题研究，包括软土地基形成机理和工程 特性，湖区软基处治方法、施工工艺和理论分析。 4 结合实体工程，对试验路段进行软基未处治条件下和软基处治条件下 的性状模拟。对低等级公路软土地基的处治研究和软基上路基填筑过程以及工 后的沉降和水平位移的监测，然后进行处治效果分析评价。根据实测数据，采 用灰色理论和软件模拟对工后沉降值进行预测，确定工后沉降值是否满足要 求，并确定路面最早铺筑时间，并提出拓宽路面的结构设计方案。 7 第二章软土物理力学性能室内试验研究 本章将结合软土的固结试验、直剪试验和渗透试验以及基础试验，深入系 统的了解软土的工程特性，并为不均匀沉降机理分析以及本构模型的建立提供 试验参数。 2 1 软土基本指标 本试验中用的软土均取自湖南省岳阳市铁桃公路软土试验路段。通过试验 测得取土深度为1 5 2 o 米，褐色灰黑色，软塑；以低液限粘土为主，含有机 质，有腥臭味，主要分布于沿线水稻田，水塘中，层厚1 2 l l m ，平均6 o m 。 天然含水量w 为4 9 1 2 ，天然密度p 为1 7 0 9 c m 3 ，天然孔隙比e 为1 3 2 1 4 0 ， 土质比较均匀。软土的液限w l = 5 8 6 2 ，塑限w p = 31 7 5 ，塑性指数i l = 2 6 8 7 1 3 ，比重g s = 2 7 5 ，该软土属于低液限粘土。 2 2 软土直接剪切试验 直接剪切试验就是直接对试样进行剪切的试验，简称直接试验，是测定土 的抗剪强度的一种常用方法，通常采用4 个试样，分别在不同的垂直压力p 下， 施加水平剪切力，测得试样破坏时的剪应力一c ，然后根据库仑定律确定土的抗 剪强度参数矽和粘聚力c 。直接剪切试验一般可分为快剪、固结快剪和慢剪三 种试验方法。本试验采用前两种方法。快剪试验是指试样未经固结，以每分钟 o 8 m m 的剪切速率施加剪力，直至剪破，一般在3 5 m i n 内完成。适用于渗透 系数小于l0 巧c m s 的细粒土。固结快剪试验是指试样经固结至排水稳定，以每 分钟o 8 m m 的剪切速率施加剪力，直至剪破，一般在3 5 m i n 内完成。适用于 渗透系数小于l o 曲c m s 的细粒土。 直接剪切试验仪( 如图2 1 ) 包括剪切盒、加压系统和量测系统三部分组 成。试验时，将试样分装在上下两部分可以相对移动的盒子里，下盒固定不动， 垂直力施加在试样上，剪力通过上半盒传递到试样上，使试样沿着上下盒接触 面发生剪切。这种仪器由于结构简单，使用方便，至今仍然广泛使用。这种试 验试样厚度小，固结较快，可以节省试验时间；此外，剪切盒是刚性的，能够 准确量测在剪切过程中的体积变化。 直剪仪分为应变控制式和应力控制式。应变控制式的优点是能较准确地测 定剪应力和剪切位移曲线上的峰值和最后值。本试验为快剪试验，即在试件上 施加垂直压力后，立即快速施加剪应力使试样剪切破坏。 8 一 i | 辩 表2 1 不同荷载作用下的最大剪应力 衙载等级( k p a ) 同结不排水( k p a ) 小月# 十捧m ( k p a ) 不同荷载作用f 的最大剪应力关系如图24 、如图25 舍 生 济 p ( k p a ) 02 04 06 08 0 1 0 0 1 2 01 4 0 1 6 01 8 02 0 02 2 0 图2 4 快剪试验抗剪强度与垂直压力的关系曲线 1 2 0 1 0 0 舍 生 8 0 、一 们 6 0 4 0 2 0 0 2 04 0 6 0 8 0 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 02 2 0 p ( k p a ) 图2 5 固结快剪试验抗剪强度与垂直压力的关系曲线 经计算得出，快剪试验中，c = 1o 6 2 k p a ，缈= 4 8o 。固结快剪试验中， c = 2 2l k p a ，妒= 2 7 1o 。可以得出，软土在充分排水固结后，软土的内