拓宽道路沉降差异

1、差异沉降对拓宽路面结构影响机制研究摘要：本次研究首先介绍了近年来在中国发展的许多高速公路扩宽工程的背景，使用一个大型地面沉降模拟器和一个光纤光栅(FBG)应变传感器网络系统,一个大规模的模型试验,并且相似性为1:2,已经完成了分析了新的和旧的地基在加载条件下路面结构不均匀沉降的影响。结果表明, 在扩大道路的路面结构中过度的不均匀沉降会引起相当大的拉应变,测量出的拉应变最大值(S)的为6厘米。重复荷载下路面结构层的顶部受到拉伸和压缩压力的交替作用,这将最终导致路面的疲劳失效。然而,土工格栅的应用在新的和旧的道路的拼接上在一定程度上能够减少沉降差。拓宽道路的新路基容易受到动载荷对上述路面结构的影响

2、。而对于老路基,由于其相对高的刚度,它可以很好的散布静态或动态负载在道路上。测试还表明,土工格栅的应用可以有效地预防或延缓路面结构的故障。土工格栅,路基的回弹模量的增加,并且可以减少不均匀变形;因此,在加载条件下路面结构应力/应变分布变得均匀。在这种情况下获得的结果将提供一个有用于结构设计和未来高速公路拓宽工程的维护策略的参考。关键词:路基扩大;沉降差;光纤光栅(FBG)应变传感器;模型试验1. 介绍目前,越来越多的高速公路项目推出扩大或重建旧的道路。然而,大量的缺陷如在公路建设不久之后的道路上观察到的纵向裂缝或者被分割的胡同1。根据现场调查,这些缺陷被认为主要是由新的和旧的道路之间的沉降差引

3、起 2 - 6。因此,研究不均匀沉降对扩宽路面结构的影响具有十分重要的现实意义。到目前为止,许多国内外发达地区已经把这个问题作为研究项目。例如,Huang等人。7 加宽路基已经进行了实验室测试。在测试中,一层路堤填土的底部采用了可溶性化学肥料。它解决了水的问题。通过这样做,不均匀沉降被模拟出来了。利用大型离心测试和有限元程序PLAXIS,Hortnxs-Pedersen和Broers 8分析了在路基拓宽建设中软基的力学性能和变形特性。同样的,Allersma等人。9使用一个小型的离心式测试仪和PLAXIS分析扩宽地基的扰动和评估路堤填筑的两种不同方法。然而,应该指出的技术问题,曾经遇

4、到的研究项目,应该把重点放在非系统模型试验和原型观测资料的缺乏上。因此,不幸的是这些研究项目,无法为路面结构引起的不均匀沉降的失效模式提供强大的数据支持和机理分析。此外,拓宽路基的应力状态和变形分布非常复杂,很难建立一个解析关系和实现应力和变形之间的数值解。对于传统的模型试验,由于模型的盒子大小的限制,它不能真正的代表原型机械的性能。针对这一点,一个大型模型试验首次进行了研究扩宽道路的路面结构在不均匀沉降的影响下的应力和变形特征。这项研究的结果将提供一个有用的参考设计和扩宽高速公路的维护策略。2. 模型试验设计 2.1相似的比例模型测试模型是放置在一个可控的沉降平台模拟扩宽道路的沉降差对路面结

5、构影响下的应力和变形特征。通过调整沉降平台可以观察到在弯曲张力压力和疲劳交通荷载的共同作用下路面结构的变形和破坏。研究中的模型试验采用的是几何相似比CL2预设装置和体重相似比C1的大规模模型,其中是单位重量。原型的其他基本参数的相似比例,取决于相似理论10,计算如下:CEs = 1,Cµ= 1,Cc = 1,C= 1,C= 1,CE = 2,C= 1,其中Es是路基的弹性模量,µ泊松比,c是凝聚强度,是内摩擦角,是土压力,E是道路上的弹性模量,是道路上的应变。2.2测试材料模型试验的路基土壤在西安城市的郊区减少了,基本的物理-机械性能如表1所示。确定最优含水量的土壤压实试验

6、的结果为13.2%。在新的和旧的地基之间真正的模拟刚度和变形的不同, 按4%的比例将生石灰添加到填土里适合旧的路基。与此同时,必须严格控制水分,确保密实度超过0.98。根据现场试验, 在压实后填充土壤平均含水量为13.3%,最大干密度为1.28 gcm³,大概可以满足上述的要求。新的和旧的地基的半宽度分别为4m和7m,长度为3 m。放置的填土紧密的靠着作为中央的老路基的测试平台的混凝土墙。新路基和路面的原始设计是遵循测试模型的建设,包含一个上层为4厘米的AK-13C沥青混凝土,底层为6厘米的AC-25和基层为9厘米的被放置和压实3层的水泥稳定碎石(图1)。假设新路基的最大沉降发生在路

7、肩,可以表示为S = S2S1(1)，其中S2和S1分别是新路基的路肩和老路基中央线的沉降。2.3基础沉降的测试装置模型试验是在长安大学实验室的基础沉降的大规模测试装置上进行的。检验器主要由升降系统、支承系统和监控系统组成。升降系统可以模拟路基沉降的速度和数量,除了大量的工业计算机和传感器,它采用了超过100台千斤顶均匀间隔的进行。实验台本身包括支持系统，并且监控系统由监控原理和数据采集系统(DAS)组成。图2显示了升降系统对基础沉降的模拟。平台是用来模拟地面的;它包含许多显示出一定的动态效应的面板组装在一起。拐角处的要点或面板节点被视为沉降节点曲线。举起的千斤顶在不同的位置可以调整,以达到在

8、不同的位置的基础所需的沉降。2.4测量系统分析路基的应力变化的原因是填土的自重和疲劳试验的周期荷载、被安装在应用了土工格栅的新的和旧的地基底部的压力受感装置YL1,YL2,YL3和YL4,以及被安装在没有应用土工格栅的新的和旧的地基底部的YL5 ,YL6,YL7和YL8。本研究采用的光纤光栅(FBG)应变传感器能够充分反映路面结构上的所有测量点在从上面的交通荷载和从下面的不均匀沉降共同作用下的应力变化。与传统的传感器技术相比，用光纤数据传输的光纤光栅应变传感器 ,有着坚固耐用,灵敏和可重复性,快速反应,体积小,温度适用范围广和无电磁干扰得特点16。在这种情况下的光纤光栅应变传感器的主要规格(图

9、3)给出如下:(1) 分辨率:0.1FS。(2) 测量误差:< 2%。(3) 温度适用范围:20°50°C。(4) 测量范围:2 000 2 000µ。图4和图5显示了光纤光栅应变传感器分别用于模型试验的网络分析仪sm - 125和应变传感模块。2.5加载系统描述在新的和旧的地基之间的拼接的路面结构的应变特征,不均匀沉降的经验,一个模拟了路面上的交通负荷的单点装载系统。路基的疲劳试验模型使用的一个液压脉动疲劳试验机PME-50A有以下主要规格:(1)最大静态/动态载荷:500 kN。(2)操作动载荷的频率:每分钟100 - 500次(或1.6 8.3赫兹)。

10、另一组疲劳试验中采用的主要设备是动态应变测量和分析系统,标有DH5937。它是用来衡量沥青混凝土层和水泥稳定砾石层的表面应变和靠持续时间和负载时间识别他们的变化趋势的。动态负载的大小决定应变在疲劳试验期间的变化。通常情况下,这是固定在20.0和90.0 kN之间,对应于接触表面上的0.28 - -1.27 MPa的平均压力。评估施加载荷的区域有和没有应用土工格栅分别对扩大路基的影响。加载点JZ1和JZ2选择在靠近拼接线和FGB电线之间的十字路口(图7)。图7说明了负载的时间和持续时间在这两点。3讨论测试结果3.1不均匀沉降的路面结构的横向应变的变化图8显示了在不同横截面上的模型的每一层的路面结

11、构的侧向压力的变化曲线。可以观察到, 柔性路面面层和半刚性基层的组合展示了良好的刚度和结构完整性，他们基本上表现出同样的变形特性。根据图8, 在新的或旧的道路顶部的5路面层的大部分地区受到拉伸变形。然而,在旧路上远离中线的5米点处,路面结构的形变开始发生从拉伸到压缩的变化。这表明新的和旧的地基之间的沉降差可能会导致在路面结构上有相当大的拉伸应变,但旧路的中线附近,路面结构因为不均匀沉降发生在外部道路的一部分反而会受到压缩应变作为补偿。路面结构的应变增加平稳并且不均匀沉降s的范围是2cms6cm, 当它继续保持在低水平时路面结构的应变发生了明显的变化,但当6cm< S10cm时,路面结构的

12、应变将会提升到一个没有明显变化的很高的水平。这就是为什么建议拓宽道路在最大沉降差为6cm时。也可以观察到在图8中峰值应力不发生在新的与旧的地基之间的拼接。相反,它发生在对称的拼接两侧,这意味着大的不均匀沉降的大小可能导致路基恶化到一个更广泛的区域。3.2疲劳试验的结果图9显示了土压力在带有土工格栅的扩大路基不同位置测量不同的深度。可以观察到,在初始阶段,土压力细微的随着加载应用的变化而变化;但当后者上升1 - 2百万倍的阈值点时,土压力急剧增加。此外,底部路基的土压力测量比顶部低得多,这可能与负荷从路面表面向下转移时的缓和有关。在图9(a)和(b),我们可以观察到,没有土工格栅,在旧路基顶部和

13、底部的土压力分别低于新路基,如果应用土工格栅,他们会变得更接近。这可以解释为土工格栅引起了老路基的高刚性和土壤硬化效应。它在传播中发挥着积极的作用,减轻路面交通负载。3.3新的和旧的地基之间的边界的疲劳试验的应变变化图10显示了路面应变与加载点JZ1(有土工格栅)和JZ2(没有土工格栅) 的时间关系。在低负载的时候,路面表面受到拉伸应变随着沉降差S的增加而增加。在S = 2cm时,应变平稳增加随着负载的增加和发生在负载应用的细微变化。但随着s的进一步增加,它的发展更为迅速随着负载的增加。尤其是当s超过6cm和负载大于200万的时候,路面的拉伸应变增长到一定程度上之后会变成压缩。这表明过多的不均

14、匀沉降将强加在首先受到拉伸应变和之后受到压缩应变影响下顶部层路面上,最终将导致路面的疲劳失效。比较图10（a）与（b）,可以观察到,新的与旧的路基之间的边界, 有土工格栅的路基路面结构承受更小的应变。然而,这表明,土工格栅可以减少沉降差而且在一定程度上减少它对路面结构的应变的影响。图11显示了基层顶层的应变与负载次数的关系。它表明,拉伸应变随s而增长,但与图10不同的是,它增加率较低随着负载次数的增加。根据图11(a)和(b),应用了土工格栅的路基可以减少基层结构的拉伸应变,是和道路表面的情况一致的。4公路工程路基施工的质量问题探析4.1公路路基常见病因分析 1.路基沉陷。路基沉陷出现的原因主

15、要有：填方路基由于压实不足而下沉；桥涵通道等构造物与路基衔接处由于所用材料不当或碾压时比较困难而无法充分压实，造成路基逐步下沉；软土地基未加处置或方法不妥当造成路基沉降。目前，修建高速公路，建设周期一般较短，路基没有足够的自然沉降时间，但是因赶工期在未自然沉降充分的路基上修建路面，路基的沉降也会反映到路面之上；路基施工时，土壤含水量过大，填土无法达到规范要求的压密度，从而给路基留下沉降的隐患。 2.纵向裂缝。路基起始填筑宽度不够，到填至一定高度时经检查才发现填土不够宽，或中线偏位，进行填补镶边，在镶边时，又没有按规定挖台阶和由下而上的分层填筑碾压，造成工程竣工后镶边下沉，产生纵向裂缝；靖淤不到

16、位，在清除植被或软基清挖时，在左边还有12m宽未清到，或堆放的淤泥尚未完全运到路外，就进行填土施工致使路基边缘下沉，产生纵向裂缝；半填半挖路段的路基，在填挖交界处未按规定挖台阶进行分层填筑压实，也易产生纵向裂缝；路基压实不到位，致使产生纵向裂缝，在路基施工中，应适当加宽填土，一般每边需加宽50cm。 4.2公路路基施工的技术要求 1.级配砂砾垫层技术要求。级配砂砾是路面垫层较好的主要材料，但砂砾本身的质量优劣直接影响到垫层的作用及路面整体的工程质量，所以监理工程师应掌握对砂砾的技术要求，控制级配砂砾垫工程质量。这些技术要求包括：级配砂砾中砾石的压碎值应小于30。砾石含量055cm的颗粒不得少于

17、50，最大颗粒不得大6cm，级配砂砾中0.074ram的粉料数量不应大于7，且塑性指数不应大于6，鉴于级配砂砾垫层的强度主要与颗粒级配和压实有关，所以对级配砂砾的级配应有所要求。 2.级配砂砾垫层的施工工艺。级配砂砾垫层的施工可以分为碾压路槽、运输摊平、整形洒水碾压和初期养护等五个工序。级配砂砾是一种松散材料，为防止遭到行车破坏，监理工程师应提醒施工单位在进行施工组织计划时，要半幅通车半幅施工方法，避免因施工造成行车混乱，使级配砂砾垫层的表面松散、平整度差和延长工期。 3.水泥稳定砂砾基层根据施工方法。又可以分为厂拌法和路拌法两种形式。底基层可采用路拌法，上基层可采用厂拌法。水泥稳定砂砾作为高

18、等级公路路面的基层，是路面结构中的重要组成部分，关系到路面整体强度的高低和能否保证在路面设计周期内正常使用.4.水泥稳定砂砾基层的施工工艺。水泥稳定砂砾基层的施工工艺有两种。路拌法施工水泥稳定砂砾基层，工序分为：初平砂砾料、洒水闷料、摆放水泥、摊平水泥、机械拌合、整型找平、碾压成型洒水养生。厂拌法施工水泥稳定砂砾基层，工序分为砂砾备料、水泥剂量、加水拌和、运料上路、摊铺碾压和洒水养生等。 5.公路路基的级配砂砾垫层。路基复查，建立工程师在级配砂砾垫层施工前，必须对已竣工的路基进行复查验收，并向路面施工单位进行组织交接手续，交接手续应由驻地监理工程师组织，由路基、路面两个施工单位的领导和技术负责

19、人参加，路基竣工后，由路基施工单位进行自检路基自检报告；材料试验，路面施工单位必须向监理工程师提交关于级配砂砾的各项材料试验。砂砾颗粒筛选试验，平均每半公里监理工程师在施工段上取料，送交监理工程师审查，满足级配砂砾的技术要求后，路段上的级配砂砾方可使用，砂砾容量试验，重型标准实验室。求得最佳含水量及最大密实度。 4.3路基施工技术措施 1.路基质量控制。在公路路基结构设计中土基的回弹模量影响结构层。路基上的控制，压实度控制保证土的最佳含水量，强度控制路基工程。 2.水破坏的控制。水对公路路基使用性能的影响较大，它降低路基的强度，特别是夏天高温天气，雨水渗入整体道床。形成高温水，在行车荷载作用下

20、，碎石剥落下来，两者分离，在行车作用下形成坑涧，表层施工按防水层处理，使水进人不到结构层内部，从而避免出现这样的破坏。 3.裂缝的防治。公路通常采用整体道床，整体道床裂缝的种类基本上可以分为两大类，基层开裂所形成的反射裂缝和面层自身产生的温缩裂缝，这是第一类属于非荷载裂缝：另一方类是行车荷载反复作用而产生的裂缝，它是由于整体道床基层承受的拉应力超出其抗弯强度而产生的网状不规则的裂缝，这要在设计时充分考虑。施工时控制好质量就是为了解决第一类裂缝。 整体道床基层裂缝的控制。选择收缩性小的水泥稳定类结构做基层，施工时要考虑到水泥类稳定材料产生裂缝的机理。 整体道床面层裂缝的防治。沥青整体道床非荷载裂缝是低温和疲劳裂缝总和。它与沥青的品质有关，主要是沥青的温度敏感性和针入度，国内外多项试验表明，针人度指标越高，温度敏感性越低。 公路的路基质量对公路的使用性能影响较大，因此在进行路基施工时严格按照规范要求进行，针对不同的路基项目采取不同的具体措施。5结论(1) 在S4cm的情况下随着沉降差的增长，路面结构的应变增加平稳,但当S大于6cm时大幅上升。因此, 在高速公路拓宽工程中建议将最大值沉降差控制在6cm。(2)在新的和旧的地基之间大的沉降差将强加在拉伸和压缩应变交变作用下的道路顶层的顶部上,最终导致路面的疲劳失效。然而，应用土工格栅的拼接,可以减轻沉降差,在一定程度上进一步减少其对路