新老路及沉降性能分析Word文档下载推荐.docx

1、（1）旧路堤很容易受到新路堤的连带影响，原本沉降稳定的旧堤会在新堤沉降的过程中发生二次拉降，同时旧堤不同位置处产生的二次下降情况也不同，就会使旧路面的表面平整性受到影响，使横坡比产生波动，加大产生纵向裂缝的可能性。（2）特别是在软土地上进行扩建时，新堤沉降的程度更大，而旧堤的连带沉降不会很大，就会引起新旧堤之间更大的高低差距，甚至还会出现新堤下降速度过快，使得路面产生滑坡现象。要保证新老路基衔接的稳定性以及整体的安全可靠性，就需要对新旧路堤沉降时产生的差距进行运算以及研究分析，进而找出解决的方法，是本课题研究的重点。第二章 新老路基结合部路堤拼接加宽的性状分析旧路堤很容易受到新路堤的连带影响，

2、原本沉降稳定的旧堤会在新堤沉降的过程中发生二次拉降，同时旧堤不同位置处产生的二次下降情况也不同，就会使旧路面的表面平整性受到影响，使横坡比产生波动，加大产生纵向裂缝的可能性。2.1加宽后新老路堤的变形2.1.1 新老路堤的整体变形在下图2-1中，能够看出在旧堤旁进行扩建基本完成时，新旧堤产生的沉降变化以及位移变化状况，新堤对旧堤产生挤压，引起旧堤变化以及不平稳的沉降和滑移现象。图2-1 拼接加宽后路堤的整体变形示意图（左）和位移增量矢量图2.1.2 新老路堤表面的沉降图2-2为加宽宽度为8.5m时，施工期末的竖向位移增量示意图，反映了新路堤荷载的施加对老路堤和自身沉降的影响，图2-3为施工期末

3、和固结期末新老路堤表面的沉降分布曲线，可以看出：图2-2 加宽8.5m后施工期末的竖向位移增量示意图图2-3 加宽8.5m后新老路堤表面的沉降分布曲线（1）在扩建之后，新堤和旧堤的不同位置产生的下沉状况也不一样，具体表现就是以路堤中心线为基准，距离中心线越远，下降的程度越大，在离中心线19米的位置下降的程度最大，这一位置正好是旧堤最靠外的坡角。这种变动的沉降状况使得公路表面横坡比产生变化，使得路面不再平整。（2）从图中能够看出在加宽8.5米的新路之后，从没有下降的位置到下降程度最严重的位置之间，沉降变化非常差很大，在基本完工时，最大不均匀沉降为6.86cm，路面横坡比的改变为6.86/8.7=

4、0.79%，工后固结期末最大不均匀沉降为14.04cm，路面横坡比的改变为14.04/19=0.74%。在下图2-4中能够分析出在基本完工时，对路面不一样的加宽程度，产生的新旧路堤沉降程度变化情况，很明显当加宽程度比较大时，旧堤中心线上移距离更大。在图中的b点处，原本是4米，加宽后增加到了8.5米，向上位移本来只有1.62cm，加宽后提高到了2.88cm;b从8.5m到12.5m，向上位移从2.88cm增加到3.47cm，增加的幅度趋缓；最大沉降的位置随着加宽程度的提高，就会和中心线位置的距离变大，从图中能够看出当b从4米加宽到了8.5米时，沉降幅度最大处原来是3.8cm，直接提高到了6.4c

5、m，而当b再次加宽为12.5米时，最大沉降又变大到7.1cm，增幅有所减缓。也就表明产生的不均匀沉降坡比基本不受加宽程度的影响。图2-4 不同加宽宽度时新老路堤的表面沉降分布曲线2.2加宽后地基的变形2.2.1 加宽后地基的沉降根据图2-5以及图2-6中显示的内容，能够表明在老路基基础上加宽8.5米之后，在旧堤的下层距离中心线比较近的位置，竖向位移很小，相比旧堤下层面下沉程度，新堤下沉的程度要严重得多，这种状况很容易产生路面滑坡现象。从图中的数据显示，在施工基本结束时候，地基下沉最大值是18.01cm，而施工完成后，基本实现固结时，这个值增加到了27.21cm，表明应该对新路地基采取必要的措施

6、，阻止其下沉量过大。图2-5 加宽8.5m后地基的竖向位移等值线图2-6 加宽8.5m后地基表面的沉降曲线在图2-7中，对路面进行不同程度的加宽，然后研究分析路面下沉状况，能够发现在加宽程度比较大时，最大沉降点就会距离中心线越远，同时此处的沉降量也变得更大，不过变大的幅度则是递减的。图2-7 不同加宽宽度时地基表面的沉降曲线2.2.2 加宽后地基的水平位移通过观察和测量地基在水平方向上移动状况，就能够衡量出路堤的稳定性。根据下面的图2-8以及图2-9能够得出以下结论：（1）在对路面进行加宽之后，旧堤的下层面在水平方向会向内产生移动，中心位置通过测量得到在边坡处地基周围，而新堤正好相反，是向外移

7、动的，同时中心点靠近坡角地基下层面。（2）在加宽之后的一段时间内，旧堤在水平面上的移动基本停止，而新堤的移动逐渐变小。比如在施工基本完成时，新堤的水平位移是4.63cm，而完成固结时的值变为2.6cm，表示在刚完成施工时，路面处于最不稳定的情况。图2-8 加宽8.5m后地基的水平位移等值线图2-9 加宽8.5m后地基表面的水平位移在图2-10中，能够了解到当宽度越大，地基在水平方向的移动值越大，但是产生移动的幅度则是不断变小的。图2-10 不同加宽宽度时地基表面的水平位移图2-11不同加宽宽度时地基表面的水平位移2.4 加宽路堤的稳定性分析路堤边坡失稳的原因有两种：（1）在环境等的干扰条件下，

8、土壤的抗剪强度就会减小，从而引起公路边坡处的稳定性变小。比如天气比较严寒，就会使土壤冻结，或者温度升高时，土壤又会融化，在降雨天气，土壤又会吸收雨水，都会造成土壤的强度变小。（2）各种施工作业类的外界作用也会对土壤应力产生不同程度的影响，使得土内本来平衡稳定的应力被打破，而呈现出不平衡的状态。比如人工挖路堤或者是填土等，都会造成土内部应力不平衡的现象，甚至是地震等都可能造成路面的边坡滑移。其中在旧路基础上进行新路扩建也可能会打破旧堤基中平衡的应力状态，一旦没有给地基足够的强度以及压实度，都会引起应力失衡产生公路滑移。对公路边坡进行研究时，主要分析其稳定性问题，可以根据一定的模型进行研究，比较基

9、础的模型分析法就是毕肖普法（Bishop），根据条分法理论，结合所研究的实际问题，灵活运用。在本课题研究中，可以假设边坡稳定属于平面应变情况的分析，那么由于滑移产生的断裂面属于圆柱，在运算过程中不需要考虑竖向剪切力，只需要关注圆柱土条之间横向作用力即可，同时将边坡稳定分析中的安全系数记为抗滑力矩比上滑动力矩。 第三章 新老路基结合部处治技术的对比分析在新旧路堤结合处，要保证衔接紧密且控制新旧路堤沉降差值过大，就需要进行必要的技术处理，使得公路的使用更加安全可靠。在进行技术处理的过程中，考虑到新旧路堤结合处具有的特征，需要注意以下问题：（1）首先就是旧地基如何进行处理，当前状态下的地基条件，此外

10、，施工过程中，不能使新旧路基产生比较大的变动；（2）考虑新旧路基下沉程度的差异性，并使沉降差别减少，过渡时比较平缓。（3）在技术合理的基础上加快施工周期，降低施工期间维持交通正常运营所需的费用。3.1 处治技术的设计思路3.1.1 路堤加筋在路堤上进行加筋处理，主要是在路堤中混合抗拉特性比较好的材质，能够在不断的摩擦以及咬合的共同作用下，进行应力传递，将土体受到的应力进行转移到填充材料上，使土体承受的应力减小，从而增加土的强度，还有其稳定性。路堤加筋主要有下面三个方面的作用33：（1）在图3-1中明显能够看出，加筋材料承受了水平推力，这种水平推力主要是由竖向荷载产生。此外，路堤荷载也会生成水平

11、荷载，有了加筋材料的参与，就会将土体受到的水平荷载进行分担，从而加强地基承载能力。图3-1 加筋体承担水平推力示意图 图3-2 加筋体约束侧向变形示意图（2）在图3-2中能够发现，加筋地基在水平方向上的位移变小。这是因为在加筋地基中，加筋材料和土壤形成了一定的界面，能够限制土体侧向变形的程度，而且加筋体也因此获得一个拉力，从而阻止地基水平移动。（3）改变地基竖向应力的分布，调整了横断面的不均匀沉降。在扩建高速公路的过程中，对于加宽部分的地基中，可以铺设土工格栅，这些格栅具有很高的模量，不但能够增强软地基承受能力，还可以约束和阻碍地基侧向移动，同时减缓沉降不均匀的程度，使得路基具有更强更稳定的特

12、性。另外，新旧地基衔接处，采用台阶式拼接，而且通过土工格栅将新旧路基紧密结合，加强新旧路基之间的联系，形成一个坚实的整体。3.1.2 粉喷桩复合地基对于土地松软地区，打造地基时，经常会采用很多技术性处理手段，比如提前进行同等载重或者超载的压实方法，还有通过加装塑料排水板的方法，此外还可以通过复合地基等等方法进行地基加固处理。选用时必须结合实际的地基状况。在下表的3-3中，列举了三种技术处理手段以及使用后效果对比情况。表3.3 地基处理方法的对比分析根据表格中的内容能够了解到，要保证新旧地基结合位置的稳定，还有符合约束沉降以及时间等条件，最佳方案就是选择复合地基。其中能够使用的有各种复合地基，比

13、如CFG桩以及大直径混凝土管桩复合地基，包括粉体喷射搅拌桩复合地基等等。接下来具体分析使用比较多是粉喷桩复合地基。简单来说，粉喷桩就是通过水泥以及石灰粉等的固化作用，间隔一定时间，运用搅拌钻机将这些固化剂按照一定的量喷入软土中，并进行搅拌，从而使土体凝结成水泥柱体，具有较高的强度，整体结合相当紧密，水稳性也比较高，事实上这种方法就属于深层搅拌法。粉喷桩处理后，其主要的优点在于：（1）由于土体和水泥等混合凝固，混合地基能够受到的附加应力就会大大降低，新旧路基沉降现象也就受到约束和控制；（2）这种复合地基还拥有相当大的抗剪强度，因而可以阻止旧地基侧向移动，从而大大增强了地基的稳定性能。（3）施工周

14、期短，可以降低施工期间维持交通正常运营所需的费用。粉喷桩处理结合部地基可采取如图3-4两种布置方式中的一种。图3-4 粉喷桩处理结合部地基示意图3.1.3 轻质路堤在轻质路堤中，一般会有两种情况，一种是路堤中含有粉煤灰，另一种简称为EPS路堤。第二种路堤中主要含有的材料是EPS，这种材料非常轻便，而且耐压缩性能特备好，此外，强度也比较高，能够很好地对地基下沉以及滑移等现象产生约束以及控制。填筑路堤的EPS材料，容重为0.2kN/m3-0.4kN/m3，在弹性压缩范围内的压缩强度可达100kN/m2，最大吸水量不超过9%。此外，还能够有效抵抗腐蚀性物质的侵蚀，具备良好的自立性能。特别是在修护桥头

15、或者是发生过滑坡塌陷路段时，使用EPS轻质路堤的效果特别好，能够极大地提高这些路段的稳定性，而且施工效率也比较高，受环境等的影响也不大，目前在杭州一些路段已经投入使用。但EPS路堤的成本较高，目前市场价格20Kg/m3的EPS块为260元/m3左右。与EPS路堤相比，粉煤灰路堤对环境污染比较小，而且造价成本也不大，以下是粉煤灰路堤具备的优势：（1）容积质量比不大，最大不超过1.6g/cm3。这样就能极大减轻路面受力情况，使得地基承受的载荷也大大减小。对于减小沉降状况有很大的帮助。在软基路段和高填方路段，这一优点更为突出。（2）这种路堤比纯土建造的路堤强度要高得多，能够有效防止路面塌陷。（3）粉

16、煤灰在经过机器的振动之后，很容易达到密实的程度，在路面比较狭窄的匝道端，通过小体积的平板振动器就能够将路面振实，对于修筑公路的工人来说，简单方便。3.2 处治技术的效果对比3.2.1 处治技术的计算参数在计算不同处治技术的影响效果时，粉煤灰本构采用Duncan-Chang模型，格栅视为只能承受轴向力的单元（bar），此外，将隔离墙当做梁单元，这两种单元的材料都具备一定的线弹性；对于粉喷桩的研究计算，仍然当做一种土质材料，和上述模型一样，在界面单元的定位上，就分为两种单元，一种是竖向刚度，而另一种则是切向刚度，这样就方便取一定的刚度系数，接下来将计算过程中会用到的参数列举出来：（1）格栅埋设在地

17、基表面，左侧深入老路坡角向内2m，取E=1000kN/m，接触面的法向刚度和切向刚度分别为Kn=1000MPa，Kt=10MPa。（2）对于粉喷桩模型，将桩的直径值定为0.5m，而长度定为10m，桩与桩之间的距离取为1.5m，掺杂的灰所占的比例为10，根据旧路的坡角距离路内侧2m处开始排布，向路外侧以梅花状进行布置，桩体设计则根据邓肯张模型，下面的表3.5就是计算所得结果。（3）粉煤灰的计算参数见表3.6。（4）隔离墙深度取15m，厚0.5m，位于老路坡角下方，取E=90Mpa,=0.167,接触面的法向刚度和切向刚度分别为Kn=1000MPa，Kt=10MPa。表3.5 粉喷桩桩体计算参数表

18、3.6 粉煤灰计算参数3.2.2 对新老路堤变形的影响根据图3-7以及图3-8，能够得到四种不同技术处理得到的不同效果，总结如下：图3-7 不同处治技术下新老路堤表面的沉降图3-8 不同处治技术下新老路堤表面的水平位移（1）首先四种处理方式都可以缓解路面不均匀下沉现象，还有水平方向的移动距离也得到了控制，只是控制程度不一样。（2）四种技术最终处理效果最好的就是粉煤灰，其次就是分喷桩，接着就是隔离墙，最后一种是路堤加筋。（3）在运用粉煤灰技术进行处理后，新旧路堤最大不均匀沉降坡比以及水平方向的移动距离全部都减小了，减小的程度分别是0.4%和50%。3.2.3 对地基变形的影响根据图3-9以及图3

19、-10提供的内容能够得到以下三方面的结果：图3-9 不同处治技术下新老路堤地基表面的沉降图3-10 不同处治技术下新老路堤地基表面的水平位移（1）四种处理技术都对地基的竖直下沉以及水平方向的移动距离起到了阻碍以及约束的作用，使得路堤稳定性得到了很大的提升，同时也保护了旧堤的稳定性。（2）四种处理方式最终的效果也有大有小，效果最显著的就是粉煤灰，接着是粉喷桩，其次就是隔离墙，效果相对来说差一点的就是路堤加筋。（3）采用粉煤灰处理之后，地基的最大下降值变为9.83cm，原来的最大值是18.01cm，减小的程度高达45%；在水平移动距离的限制方面效果也十分显著，旧堤最大的移动距离直接降到了-2.17

20、cm，最初是-3.5cm，而新堤则是降到了2.02cm，少降的数值占到了57%。3.2.4 对地基应力状态的影响当土中的某点处于产生剪切的极限状态时，需要满足库仑强度原理，就会造成剪切破坏现象。其中起作用的应力有两种，一种就是法向应力和，另一种应力叫做剪应力。根据下图的3-11，能够发现加筋和没有加筋的扩建路面所受到的不同的剪应力等值线的分布状况，在加筋之后，剪应力比较集中的区域被削弱，使得加宽的路堤更加稳固。图3-11 加宽后地基的剪应力等值线（kPa）（左图未加筋，右图加筋）根据图3-12能够发现采用分喷桩之后，应力都集中在了加固区域，而且和土受到的最大应力相比，桩体受到的最大应力更高，而

21、且在路基下卧层受到的最大主应力曲线呈现上凸形式，其值在同样水平面上是最大的，充分表明压力传递效果比较好，大部分的路面载荷都传递到了桩体，还有不易被压缩的路基下卧层，有效阻止了软土侧向方位的移动，并控制了软土的沉降程度不至于过大。图3-12 粉喷桩处治加宽后的最大主应力等值线（kPa）3.3 路堤加筋的参数分析3.3.1 加筋层数和模量的影响在通过加筋技术进行筑路处理的过程中，需要考虑的条件比较多，通常需要测出软土层有多厚，还要知道加筋模量以及加多少层的筋，包括筋应该加在什么位置，其次还要计算出加筋连接土的界面强度，此外还要获得地基强度等等，接下来主要介绍是加筋层数，还有加筋模量的影响效果。表3

22、.13 格栅层数和模量对加宽处治效果的影响对比从上表可以看出：（1）格栅层数的增加，加筋的效果没有明显的改善，说明路堤中间格栅的放置无法改变地基的应力分布，从而减小沉降和增加稳定性。不过在实际筑路中可以发现，增加格栅能够有效提升路堤的综合性能，不但可以提高抵抗变形的水平，也可以增加土的回弹模量，特别是在新旧路堤结合处排布格栅，能够有效将新旧路堤进行紧密结合，减小不均匀下沉现象的发生，保护路面不被拉裂。（2）格栅刚度明显能够限制和约束沉降程度以及侧向变形程度，因此在采用格栅进行筑路填补时，要优先选用大模量的格栅。此外通过计算的结果对比，发现在加筋刚度提高到定值，就不再对沉降以及侧向变形等产生显著

23、影响了。3.4 粉喷桩复合地基的优化设计3.4.1 复合地基优化设计思路在模型的基础上经过计算之后，得到粉喷桩长度和路基沉降之间有紧密联系。当粉喷桩的长度小于10m的范围内，桩长不断变大时，沉降程度就会越来越轻；当粉喷桩的长度超过10m之后，虽然桩长变大，沉降程度也会变小，不过变小的幅度趋于缓和，不再那么明显。原因和软土的厚度有关，桩长一旦比软土厚度还大时，削弱沉降的能力就不再显著了。也就表明桩长能够有效限制下卧层软土的可压缩性。为了获得较高的路基稳定性，就需要使桩体能够和路基滑动面相切，根据这一原则就能够确定桩体的长度值；如果重点是为了控制路面下沉，那么就需要使加固区域的长度更大，当桩体长度

24、超过软土层的厚度就能够使下卧层的压缩量得到控制并降低。而选用加大复合地基置换率或者是增强桩体刚度这两种处理的话，作用发挥得不是很显著，甚至还会引起反效果，加大下卧层应力，引起更大的沉降。在我国对筑路采用粉喷桩处理过程中，机械的性能不是特别先进，最多只能达到桩长15m，一旦软土层厚度过大，比15m还大时，就要通过预压来削弱软土层沉降。根据上述现象，在采用粉喷桩的过程中，需要注意以下几个方面：首先就是要确定复合地基能够承受多大的力，并在此基础上适当加大加固区的置换率以及粉喷桩的强度，不能过大，其次再加深加固区就可以显著地阻止地基下沉。另外，也需要注意结合复合地基受到荷载的作用后，附加的应力是如何分

25、布的，同时在设计加固区的过程中，可以充分利用变刚度原理，设计时可参考下面的方法：（1）在设计加固区的过程中，对于桩体的设计可以充分利用变刚度的方法，也就是在加固区比较浅显的区域，桩体的刚度要比较大，在比较深的位置，桩体刚度可以适当减小，比如采用水泥桩体时，比较浅的部分可以增多水泥含量，比较深的部位可以少掺一些水泥。（2）选用的置换率随着深度的变化而变化，比如有长短桩结合形成的长短桩复合地基。3.4.2 按沉降控制复合地基的设计不论设计哪一种工程，都必须考虑承载能力以及沉降程度的限制量。因此在设计时有两种思考角度，一种就是根据调整承载力大小进行设计，另一种则是通过控制沉降量进行设计，而且都要符合

26、上述条件。两种设计在选择时主要是看设计的工程是什么，还有采用什么样的设计方法。比如在地基比较浅显的路面上，就会考虑调节承载能力作为基础，设计之后再验证计算沉降量能否满足要求，一旦验算的沉降量没有在最小值以下，就会通过桩基础进行控制，也可以是复合地基来实现这一要求。如果是通过控制沉降量进行设计，首先要确保沉降量在一定值，之后才验证计算地基的承载力是不是达标。在采用复合地基的过程中，首先根据加固区深度的变化，通过计算之后绘制出置换率和沉降量之间的关系示意图，在图3-14中显示的就是这种示意图。根据图中可以知道：在将沉降量基础调节到150mm，同时将加固区的深度定为16m，那么可以取置换率的值是16

27、，如果加固区的深度减小一些，取为12m，那么就可以得到此时的置换率值为20，而如果加固区只有8m深，得到的置换率已经达到了30，但是仍然不达标，此时就可以选用一种经济成本相对较小的处理技术，然后再验证计算地基承载能力，只要符合条件就可以了。若是还达不到标准，就可以采用更高的置换率。通过控制沉降量进行设计，可以有效控制成本花费。图3-14 复合地基置换率与沉降关系曲线示意图 第四章 不均匀沉降对路面结构的影响及其控制标准在我国的高速公路修筑时，很大一部分公路的结构都选用半刚性的，可以极大地保证新旧路基的整体性，也能够提供高刚度，需要注意的是由于在新旧路基结合的位置，最容易出现不均匀变形现象，这样

28、就会导致半刚性材料弯曲度不断变大，同时加上载荷是作用力，会加大基层应力，进而减小疲劳寿命。事实上在建造设计时，这一现象没有引起足够的重视。对于土基的变化状况的整体因素都应该加以探究并制定控制的标准才能更进一步地为扩路提供理论支持。4.1 土基不均匀变形对路面结构的影响4.1.1 土基不均匀变形的产生在软土地基的基础上，进行路面扩展的过程中，旧堤边坡上填充的土方很容易导致旧路基附加下沉状况的发生，而且下降呈现不均匀性，进而就会使旧路横坡比产生波动，使路面产生坑洼不平的现象，甚至是纵向裂缝等严重路面缺陷情况，此外，旧路基比较实，连带产生的沉降量不大，而新路基会发生比较大的沉降，形成新旧路基沉降差异

29、比较明显。不均匀沉降坡比。表4.1 新老路堤顶面的最大不均匀沉降坡比需要注意的还有一点，就是土具有一定的弹塑性，会产生变形，在载荷的作用力下会有一定的弹性形变，在不断碾压后，也会形成塑性形变。4.2 结合部的沉降控制标准根据沪嘉高速公路修筑的现场情况采集，在桥台架设搭柱，同时规定在桥梁附近的路堤，在施工末期可以沉降的量为10cm，同时在距离桥梁50m之内，允许沉降量增加到30cm，保证沉降差值的比例是0.4。而不受桥梁影响的路段，沉降量可以取值在30cm以内，由于会产生不均匀沉降，因此规定在横向上的沉降差值比例定为0.48。而在莘松高速公路上，搜集到受到数据显示，在施工后期路面沉降量的值是随着路堤的变化而变化，如果路堤高超过了2.35