道路安全設(shè)施和技術(shù)

1、研 究 生 課 程 論 文(2009學(xué)年第一學(xué)期)道路安全設(shè)施及技術(shù)研究生：何哲亮提交日期：2009年9月5日 研究生簽名：學(xué) 號200720202429學(xué) 院交通學(xué)院課程編號S0001001課程名稱抑制新老路基產(chǎn)生差異性沉降危害的綜合技術(shù)分析學(xué)位類別工程碩士任課教師徐國元 教授教師評語：成績評定： 分 任課教師簽名： 年 月 日說 明1、課程論文要有題目、作者姓名、摘要、關(guān)鍵詞、正文及參考文獻(xiàn)。論文題目由研究生結(jié)合課程所學(xué)內(nèi)容選定；摘要500字以下，博士生課程論文要求有英文摘要；關(guān)鍵詞35個；參考文獻(xiàn)不少于10篇，并應(yīng)有一定的外文文獻(xiàn)。2、論文要求自己動手撰寫，如發(fā)現(xiàn)論文是從網(wǎng)上下載的，或者

2、是抄襲剽竊別人文章的，按作弊處理，本門課程考核成績計0分。3、課程論文用A4紙雙面打印。字體全部用宋體簡體，題目要求用小二號字加粗，標(biāo)題行要求用小四號字加粗，正文內(nèi)容要求用小四號字；經(jīng)學(xué)院同意，課程論文可以用英文撰寫，字體全部用Times New Roman，題目要求用18號字加粗；標(biāo)題行要求用14號字加粗，正文內(nèi)容要求用12號字；行距為2倍行距（方便教師批注）；頁邊距左為3cm、右為2cm、上為2.5cm、下為2.5cm；其它格式請參照學(xué)位論文要求。4、學(xué)位類別按博士、碩士、工程碩士、MBA、MPA等填寫。5、篇幅、內(nèi)容等由任課教師提出具體要求。抑制新老路基產(chǎn)生差異性沉降危害的綜合技術(shù)分析研

3、究生姓名何哲亮摘要：本文通過對路基拼接中新老路基差異性沉降的機(jī)理分析，針對不同的工況，分析比較了加寬寬度、加寬高度、軟基深度、壓縮模量、老路固結(jié)度等因素對沉降的影響，并對防治差異性沉降導(dǎo)致的縱向裂縫提出了相應(yīng)的工程措施。關(guān)鍵詞：路基差異沉降、機(jī)理分析、影響因素、防治措施、土工合成材料世界經(jīng)濟(jì)正進(jìn)入工業(yè)化、信息化和跳躍式發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需要方便、快捷、安全的交通服務(wù)，高速公路對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的促進(jìn)作用是越來越明顯。從1988年我國第一條高速滬嘉高速公路建成通車以來，在不到20年時間內(nèi)，我國已經(jīng)修建了3.2萬多公里高速公路。另外，根據(jù)在編的中國高速公路網(wǎng)規(guī)劃，在未來2030年內(nèi)，我國

4、將實行高速公路網(wǎng)的全面建設(shè)，總里程將超過8萬公里，將連接大陸319個人口在20萬以上的城市。從已建的高速公路來看，絕大多數(shù)車道是四車道。對高速公路建設(shè)規(guī)劃路要建多寬，要修幾個車道，從根本上看是調(diào)查和預(yù)測交通需求決定的。由于認(rèn)識的局限性，當(dāng)時高速公路建設(shè)時對我國社會經(jīng)濟(jì)增長速度預(yù)計值偏低，使現(xiàn)在很多高速公路的交通流量超過預(yù)計設(shè)計能力。所以對交通緊張的高速公路進(jìn)行拼接擴(kuò)建既是滿足快速增長的交通需求的需要，也是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需要。高速公路擴(kuò)建通常容易在新舊路基拼接處出現(xiàn)差異沉降，從而在新老路面結(jié)合處出現(xiàn)縱向裂縫。本文根據(jù)作者的工程實踐，分析差異沉降機(jī)理及拓寬路基差異沉降對路基的危害，通過理論分

5、析和現(xiàn)場觀測相結(jié)合，室內(nèi)室外試驗相結(jié)合，研究高速公路擴(kuò)建工程中抑制新老路基差異性沉降的主要技術(shù)，研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：（1）根據(jù)工程實踐中對項目特點的了解，分析拓寬路基差異沉降的機(jī)理；，（2）分析拓寬路基差異沉降的主要影響因素，根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果，研究采取不同工程措施降低差異沉降的可能性；（3）研究和分析縱向裂縫的防治措施，新老路基的拼接處理方法和施工工藝，以便減小拼接段路基差異沉降和及病害。圖 11差異沉降影響路面示意圖一、拓寬路基差異沉降機(jī)理分析地基土體在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，其中豎直方向的變形即為沉降。土體的沉降變形是同土體的壓縮性能密切相關(guān)的。一般天然土體是三相體，它

6、們受力變形，實際是土顆粒壓縮，土孔隙中的水和氣的排出，土體積減小的過程。公路路基沉降主要由兩部分組成，即地基在路基自重作用下的固結(jié)壓縮變形以及路基本身的固結(jié)壓縮變形。由于路基是分層施工的，根據(jù)應(yīng)力擴(kuò)散原理，路基土承受壓路機(jī)的輪壓作用最明顯，可以認(rèn)為已經(jīng)得到很大程度的壓實，而地基的壓實效果不明顯。路基的工后沉降量主要是由地基土的沉降固結(jié)引起，但也不能排除路基本身的次固結(jié)變形，即土體骨架發(fā)生粘滯蠕變所致。路基拓寬后的不均勻沉降，主要是由于拓寬工程的工程特點決定的，路基差異沉降的主要原因有：（1）由于土基地質(zhì)差，導(dǎo)致新老路基底部土基因荷載的增加發(fā)生沉降。原路基下的地基因在改造時已基本固結(jié)沉降到位并且

7、所增加的荷載遠(yuǎn)小于新拓寬部分。（2）新老路基結(jié)合部位工藝較復(fù)雜，施工難度較大，往往在此產(chǎn)生人為的質(zhì)量不合格因素，如密實度達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、開挖臺階沒有達(dá)到設(shè)計要求、老路邊坡沒有處理完全等。由于各種施工原因造成了結(jié)合部的強(qiáng)度不足，新路堤本身出現(xiàn)沉降。（3）新老路基改擴(kuò)建處理后結(jié)合部位路基材質(zhì)和路面結(jié)構(gòu)層厚度、強(qiáng)度不一，特別是一邊為新做路基，一邊為原有老路基，質(zhì)量也存在差異。拓寬路基填料較差，抗風(fēng)化性能、抗淘蝕性能不足。施工過程中路基填料多半就近從挖方斷面上直接獲取，對材料粒徑、級配及材料本身的物理力學(xué)品質(zhì)等方面控制不嚴(yán)，填料中含有有機(jī)植物根莖及腐蝕性耕植土的現(xiàn)象較為普遍。（4）新老路基結(jié)合部沒有設(shè)

8、置土工格柵，或土工格柵和填土沒有充分咬合、土工格柵埋入老路部分長度不夠，致使土工格柵未能充分發(fā)揮其加筋性能。（5）由于新老路基修建歷史、填料和壓實度的差異在新老路基頂面產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形。路堤在自身荷載作用的壓縮變形已經(jīng)完成，而新填路堤在施工結(jié)束后仍發(fā)生部分壓縮變形。土基及新路基的固結(jié)下沉未到位，工后沉降大。拓寬路基荷載通過老路邊坡傳遞到老路基上，使老路基頂面發(fā)生不協(xié)調(diào)變形。（6）排水設(shè)施不完善，設(shè)施布置不合理，導(dǎo)致地表水下滲，形成滯水、積水和滲水。路基土受水浸泡而濕軟，強(qiáng)度急劇下降。另外，若道路邊溝養(yǎng)護(hù)不及時而淤塞，可導(dǎo)致路基土上側(cè)雨水漫過路面，從路面滲入路基。若路面已經(jīng)開裂，雨水自裂縫進(jìn)入路基

9、，加劇裂縫擴(kuò)張并導(dǎo)致路基強(qiáng)度下降。一般認(rèn)為，在新路基的路肩邊緣處沉降量最大，而舊路基中心線處沉降量最小。由于新舊路基的相互作用影響，拓寬路基頂面沉降曲線是一條非線性變化的曲線，且最大沉降位置與路基高度，拓寬寬度等邊界條件有關(guān)。二、新舊路基直接拼接時差異性沉降特性分析針對不同的工況，新老路基的變形規(guī)律有所差異。影響新老路地基變形的因素很多，主要有：加寬寬度、加寬高度、軟基深度、壓縮模量、老路固結(jié)度等因素，為進(jìn)一步闡述新路加載時新老路之間的沉降變形特性，對上述幾個重要參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。為突出各個因素的影響，在分析中，采用單因素逐個分析。1、加寬寬度的影響分析計算分別假設(shè)了4車道（路面半幅寬13

10、m）加寬到6車道（路面半幅寬17.5m，每側(cè)拼寬4.5m），8車道（路面半幅寬21.25m，每側(cè)拼寬8.25m），10車道（路面半幅寬25m，拼寬12m）12車道（路面半幅寬28.75m，拼寬15.75m）四種情況。計算結(jié)果見圖2.1，由圖可見，隨著加寬寬度的增加，老路中心沉降逐漸增大，由6車道變化到12車道時，老路中心附加沉降分別由8.1cm，逐步變化為11.3cm，12.6cm和13cm。沉降趨勢是逐漸減小，說明隨著老路寬度的增加，新路對老路中心的影響逐漸減小，可以設(shè)想當(dāng)加寬寬度達(dá)到一定值后，超過部分對老路影響基本沒有。新路最大沉降值在這個變化過程中，分別由23.8cm變化到40.5cm，

11、54.2cm和65.9cm，最大沉降值變化也是逐漸減小。最大沉降位置點也隨著寬度的增加而逐漸遠(yuǎn)離老路中心，距老路中心的距離由20.5cm，逐漸增大為21.9cm，22.9cm，25.7cm。寬度的增加，新路荷載形成的附加應(yīng)力逐漸增大，對老路坡腳土體的擠壓力越來越大，地表以下越來越多的土向老路擠壓。在變化過程中，向老路側(cè)擠壓最大的位置點Y軸位置保持不變，即在地下2m附近。而深度在1530m范圍內(nèi)土體（向新路外側(cè)擠壓）最大位置點逐漸下移，由深度14.4m變化到深度21.3m。 圖2.1寬度改變時地表沉降2、加寬高度的影響分析在道路工程中為滿足縱向銜接的要求，在不同的縱斷面設(shè)計高度會不同。在本次計算

12、中選取了路堤設(shè)計標(biāo)高分別為3m、4m、5m、6m四種情況分析。計算結(jié)果見圖2.2，隨著路基高度的增加，老路中心沉降逐漸增加，從3m向6m變化過程中，老路中心沉降值由5.9cm，逐步變化為8.5cm、11.3cm、14.4cm，老路中心隨高度沉降增加越來越快。新路地基最大沉降值由27.7cm，逐步變化為34.4cm、40.5cm、45.8cm，新路最大沉降變化率有所減小。最大沉降位置點路堤高度在3m時，距老路中心的20.2cm，而到6m路堤時，位置點距老路中心23.4cm，逐漸向新路外側(cè)移動。圖2.2 高度變化時地表沉降3、軟基深度的影響分析在本次計算中，假設(shè)軟基深度為5m，10m，15m，20

13、m四種工況進(jìn)行分析。由圖2.3可以看出，隨著軟基深度的增加，老路中心沉降逐漸增大，從5m變到10m，15m，20m時，老路中心的沉降由11.7cm，分別變?yōu)?1.9cm，12.4cm，13.8cm，增加幅度分別為1.7，6.0，17.9；新路的最大沉降量也不斷增大由40.8cm，分別變?yōu)?2.5cm，43.8cm，45.3cm，但最大沉降的位置不變，保持在距老路中心21.9m附近。隨著軟基深度的增加，沉降曲線近似平行下移。圖2.3軟基深度變化時地表沉降4、地基壓縮模量的影響分析由圖2.4可以看出，隨著軟基土壓縮模量（地基剛度）的增加，附加沉降逐漸減小。當(dāng)軟土模量由1000kPa逐漸增加到200

14、0kPa、3000kPa、4000kPa時，老路中心的沉降由12.5cm，逐漸減小為11.7cm，10.9cm，10.2cm，沉降減小幅度為6.4，12.8，18.4；新路的最大沉降值由52.5cm，分別減小為36.9cm，28.4cm，23.4cm，沉降減小幅度為29.7，45.9，55.4，最大沉降位置點保持不變，在距老路中心21.9m附近。同時也可以看出，當(dāng)模量從1000kPa逐漸增加到2000kPa時，新路附加沉降減小很快，但從3000kPa增加到4000kPa時，附加沉降減小幅度就開始減小，這表明在地基處理時，當(dāng)?shù)鼗鶑?qiáng)度較低時，處理效果比較明顯，地基強(qiáng)度較高時，同樣的處理方法，其效果

15、不及前者顯著。圖2.4 軟基模量變化時地表沉降5、老路固結(jié)程度的影響分析對一些剛建不久的公路可能又要考慮其他高速公路的銜接互通，需要進(jìn)行拼寬，此時老路在其本身荷載作用下，還存在一定的固結(jié)變形，沉降還沒有穩(wěn)定，此時沉降計算中應(yīng)該考慮老路荷載對沉降變形的影響。在具體計算時應(yīng)根據(jù)老路的實際加載歷程進(jìn)行沉降固結(jié)計算，然后將新拼接荷載作為下一級荷載施加，計算拼接后的沉降變形規(guī)律。本次計算選取老路固結(jié)度U=0.8、0.9、1（按沉降控制固結(jié)度）這三種情況進(jìn)行計算。計算結(jié)果見圖2.5，由圖可以看出：當(dāng)固結(jié)度U=1.0逐漸減小到0.9、0.8時，老路中心的附加沉降由11.3cm 分別增加到21.9cm和 30

16、.7cm，其增加率為93.8、171.7，老路未固結(jié)完成時，忽略老路的影響來計算沉降將會引起較大誤差。當(dāng)老路固結(jié)度U=1.0逐漸減小到0.9、0.8時，新路相應(yīng)的沉降由40.1cm，分別增加到45.7cm和50.4cm，沉降增加率為14.0和25.7。這是因為老路沉降將引起新路地基的附加沉降。二者會相互作用、相互影響。圖2.5固結(jié)狀態(tài)變化時地表沉降在拼寬工程中，新路堤寬度、路堤高度、軟基深度、地基壓縮模量、老路固結(jié)度等因素會對新老路路基沉降變形有較大影響。隨著新路堤寬度和高度的增加，地表沉降顯著增大；隨著地基壓縮模量和老路地基固結(jié)度的增加，地表沉降減小。三、研究和分析縱向裂縫的防治措施，新老路

17、基的拼接處理方法和施工工藝，以便減小拼接段路基差異沉降和及病害在舊路改建中，拓寬后路基的質(zhì)量問題，很大程度上決定著改建后公路的使用壽命。而控制延緩結(jié)合部處的開裂是保證拓寬改造公路質(zhì)量的關(guān)鍵之一。由于路基原因引起的路面縱向開裂有兩大類，一類是由于路基拓寬后新老路之間的不均勻沉降造成的，這也應(yīng)該是引起在結(jié)合部位置產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因，前面已經(jīng)對此做了討論;另一類是由于路基填土的強(qiáng)度不足造成的，新填筑的路基土頂面的當(dāng)量回彈模量和原路面頂面的當(dāng)量回彈模量相差較大時，就會在新鋪設(shè)的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)造成應(yīng)力重分布，特別是在交界處位置產(chǎn)生較大應(yīng)力，甚至產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，從而引起路面開裂。因此，需采取各種處治措施

18、，以減少新拓寬路基的沉降量，進(jìn)一步縮小新老路基的沉降差;同時加強(qiáng)新老路基的銜接，并保證路基的填筑質(zhì)量，用來減輕新老路基性質(zhì)差異所產(chǎn)生的危害。1、低路堤處治技術(shù)分析對于低路堤，當(dāng)?shù)鼗敛⒉皇鞘周浫鯐r，新拓寬段地基部分可以按一般路基要求執(zhí)行(在有必要時也可進(jìn)行換填、加固)，主要是因為路基填土高度較小，作用于地基上的應(yīng)力不大，當(dāng)?shù)乇碛杏矚訒r，路基下土層實際附加應(yīng)力更小。因此設(shè)計及施工中應(yīng)盡量利用原狀土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不擾動下臥層。在路基填筑時如有必要可鋪設(shè)土工布或土工格柵，以加強(qiáng)路基的整體強(qiáng)度及板體作用，防止路基因不均勻沉降而產(chǎn)生反射裂縫。2、高路堤處治技術(shù)分析高路堤拓寬部分地基必須進(jìn)行特殊處理，這是

19、由于高路堤引起的沉降較大，如不進(jìn)行處治，必然會引起較大的不均勻沉降，從而導(dǎo)致縱向裂縫的產(chǎn)生。如果高路堤拓寬部分為軟土地基，就更應(yīng)采取措施加強(qiáng)處治。因此設(shè)計及施工中為了確保路基穩(wěn)定、減少路基工后沉降，對高路堤拓寬可采取粉噴樁、CFG樁、管樁等處理措施，并配合填筑輕型材料。廣佛高速第一次擴(kuò)建、滬寧高速公路拓寬工程等工程軟土地基采用復(fù)合地基處理，效果相當(dāng)明顯，它確保了高路堤路基穩(wěn)定，最大限度的降低了施工沉降和工后沉降，從而減少了新老路基的不均勻沉降，并能縮短工期，確保工程按質(zhì)按時完成。在高路堤的處治過程中，不宜單獨采用換填砂石或加固土處治，因為這些方法只適合于淺層處治以及路基填土較低的情況，根據(jù)對土

20、工格柵加筋效果的分析可知，單獨采用土工格柵進(jìn)行處治也是徒勞無功的，它只能緩和沉降差，加強(qiáng)新老路基結(jié)合部位強(qiáng)度，對于減少大規(guī)模沉降是不起作用的，但土工格柵可以結(jié)合復(fù)合地基等措施，鋪設(shè)于新老路基結(jié)合部位開挖臺階處，從而形成綜合處治措施。高路堤路基一側(cè)拓寬時，還應(yīng)防止新路基失穩(wěn)，由于路基不均勻沉降差值大，易在結(jié)合部位產(chǎn)生滑動剪切面，若施工填土過快，極易使路基滑動。因此，高路堤拓寬時，一定要加強(qiáng)路基穩(wěn)定性驗算，采取有效措施，防止路基失穩(wěn)。3、土工合成材料在加寬路基結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用土工合成材料用在舊路加寬工程當(dāng)中，主要是利用其加筋功能，利用土工合成材料的高強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能，在新老路銜接的臺階處設(shè)置土工合

21、成材料，可有效加強(qiáng)新舊路基間的聯(lián)結(jié)，減少不均勻沉降和側(cè)向位移。土工合成材料的加固機(jī)理存在于土工合成材料與被加固材料的相互作用中。其一：土工合成材料的表面與被加固材料產(chǎn)生摩擦；其二：土工合成材料和結(jié)點產(chǎn)生被動抗阻作用。此外，對土工格柵等網(wǎng)狀材料而言，由于網(wǎng)孔的存在，網(wǎng)格上層的填料與下層的填料可以相互作用，對加固材料產(chǎn)生鎖定作用。因此土工合成材料與被加固材料具有較強(qiáng)的摩擦性和一體性，其抗拔能力明顯高于其他加筋構(gòu)件，在半剛性基層中作為抗拉構(gòu)件，類似鋼筋混凝土中的受拉鋼筋，傳遞拉應(yīng)力和分布基層中的應(yīng)力，約束基層的側(cè)向位移。由于土工合成材料的上述作用機(jī)理，在舊路加寬改造中，使用土工合成材料會產(chǎn)生以下的加

22、固效應(yīng)：(1)限制了軟土地基的側(cè)向變形：由于織物和土體間存在摩擦力，這種摩擦作用將改變體系的應(yīng)力場和位移場，而限制地基的側(cè)向變形是其直接效果之一。側(cè)向變形減少的幅度是隨著路堤高度而增大的。這是由于路堤填高后，織物的變形增加，其加筋作用越加明顯的緣故。(2)減少地基的沉降和不均勻沉降：對于加筋能否減少地基沉降量，目前工程界尚有不同看法。一種觀點認(rèn)為加筋墊層不但能提高地基承載力，而且能減少地基沉降量;另一種觀點則認(rèn)為加筋墊層能顯著提高地基承載力，但對減少沉降量是無效的。曲向進(jìn)通過大量的有限元分析對比后發(fā)現(xiàn)，對于不同形狀的路堤和地基土層，加筋后都能使堤軸線處的沉降量減少10%30%，不均勻沉降(定義

23、為堤軸處與堤趾處沉降量之差)有一定的緩解作用。對于這一結(jié)果，可作如下解釋:地基的總沉降量是由不排水沉降量Sd，固結(jié)沉降量Sc和次固結(jié)沉降量Ss三部分組成的。由前述可知，加筋后地基的應(yīng)力擴(kuò)散了，如果認(rèn)為加筋前后地基土的壓縮模量未發(fā)生變化，則豎向應(yīng)力的減少必然導(dǎo)致固結(jié)沉降量的減少。另外，由于地基的不排水沉降量是荷載作用瞬時，址基土形狀發(fā)生改變(但體積不變)而引起的，加筋后這種形狀改變受到筋材“側(cè)限作用”的限制而減少，其結(jié)果必然減少了不排水沉降量。(3)加強(qiáng)新舊路基的整體結(jié)合性:在路堤底面鋪設(shè)土工織物與砂石等組成的加筋墊層，可分散荷載，增大土體的剛度模量，保持基底完整連續(xù)，改善軟基淺部的位移場和應(yīng)力場，均化應(yīng)力分布，從而提高新路基下軟土地基的承載能力和穩(wěn)定性，調(diào)整不均勻沉降，使新舊路基的整體結(jié)合性加強(qiáng)。綜上所述，高速公路的加寬處理，可以采用土工合成材料，其實際意義在于：(l)土工合成材料的抗拉強(qiáng)度增加加寬部分與舊路基之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，使兩者具有足夠的整體性