07 年 5 月 7 日至 08 年 12 月 31 日 07 年 5 月 7 日 安徽省交通廳 安徽省公路勘測設計院
(一)國內(nèi)外現(xiàn)狀、水平和發(fā)展
我國高速公路改擴建工程剛剛起步，國內(nèi)尚無具體的設計和施工技術(shù)規(guī)范。和新 建高速公路相比，改擴建工程具有施工難度大、工藝復雜、質(zhì)量要求高等特點。老路 基以下地基土固結(jié)度已達一定程度，而新建的拼接路基在未進行地基處理的情況下必 然會出現(xiàn)較大的工后沉降，這樣新老路基就會產(chǎn)生較大的差異沉降，嚴重時會出現(xiàn)路 基拉裂，進而導致路面縱向開裂;另一方面老路基在新建路基荷載的作用下會產(chǎn)生新 的沉降，影響路拱坡度，路面出現(xiàn)凹陷區(qū)�？梢娤坊町惓两档你暯蛹夹g(shù)是改擴 建工程的核心技術(shù)，而這正是目前巖土工程界關注的熱點問題。 國內(nèi)由于高速公路加寬工程剛剛起步，研究水平主要停留在工程實踐的水平上， 相關的理論研究無論在深度還是廣度上更是存在著嚴重的不足，需要作更加深入系統(tǒng) 的研究。國外對于軟土地基上高速公寬工程的理論研究盡管起步較早，但大多都建立 在離心模型試驗和有限元模擬分析的基礎之上。主要開展了以下幾方面的研究。
1、軟基處理方案優(yōu)選 目前，在擴建工程中最常用的軟基處理方法有隔離墻、樁網(wǎng)復合地基、塑料排水 板、濕噴樁(粉噴樁)復合地基、CFG 樁復合地基、輕質(zhì)路堤等。
2、新老路基結(jié)合部的拼接技術(shù)研究 a. 邊坡削坡和臺階開挖：最常用的開挖方式包括兩種：一種是先削坡(1:0.5~1： 1)再挖成臺階狀，另一種是直接挖成臺階狀。臺階的開挖尺寸有一定的限制。我國 幾條高速公路加寬工程都把臺階高度控制在 80cm 以內(nèi)，臺階寬度根據(jù)邊坡坡度、老 路邊坡的填筑材料、壓實度確定，在 60～200cm 之間。Richard J. Deschamps 等人通 過對非軟土地基的調(diào)查研究，指出臺階的豎直高度不宜超過 1.5m。關于臺階面上的 內(nèi)傾角，國內(nèi)高速公路擴建工程中大多采用 2～4%的內(nèi)傾角，出發(fā)點是利用內(nèi)傾的 嵌鎖作用增強新老路基的銜接，但是滬寧高速公路擴建工程課題組建議不設置內(nèi)傾 角。因為影響臺階面壓實效果、不利于排水，造成角隅處積水、內(nèi)傾角的嵌鎖作用不 明顯 b. 土工合成材料的應用： Juha Forsman 和 Veli-Matti Uotinen、楊茂等都成功地 將土工合成材料應用于軟土地基上公路的改建工程中，現(xiàn)場實測和有限元分析結(jié)果表 明使用土工合成材料可以有效地加強新填路基與既有路基的整體性、提高地基的承載 力和解決路基的不均勻沉降;可以降低由于路堤自重引起的水平應力，從而減少水平 位移，有效地防止路面開裂;影響作用效果的主要因素是土工合成材料的剛度，并且 剛度越高作用效果越好。土工合成材料的鋪設層數(shù)和位置存在多種不同方式。曲向進 對沈大高速公路加寬工程中土工合成材料不同的鋪設層數(shù)和位置對路面結(jié)構(gòu)的表面 主應力、表面變形以及層底主應力的影響進行了分析，指出以鋪設二到三層土工合成 材料為宜，黃琴龍通過實驗指出土工格柵埋設層位越往上,所起的加筋作用越明顯。
c. 控制標準: ①路堤的壓實度控制，海南環(huán)島東線高速公路擴建工程中部分路段 提高了路基壓實度標準：填方路基把規(guī)范規(guī)定的 90%壓實度區(qū)提高到 93%，93%區(qū) 提高到 95%，95%區(qū)提高到 96%，合寧高速(大蜀山至隴西立交)擴建工程根據(jù)現(xiàn) 行路基設計規(guī)范進行路基壓實;②加寬路基允許工后沉降和新老路基差異沉降的控制 標準，沈大高速公路改擴建工程路基加寬技術(shù)研究課題組提出了新加寬路基工后沉降 量不大于 8cm 的控制標準。河海大學在滬寧高速公路拓寬工程試驗段地基處理中期 報告中指出：拼接路基施工后，原高速公路路基中心與新路肩的橫坡度增大值應小于 0.5%，與原公路橫坡相比不得出現(xiàn)反坡，拼接路基施工后，原路中心處附加沉降量應 小于 3cm。 d. 新老路基拼接的施工工藝： 國外針對軟土路基上加寬路基填筑施工提出了間隙 法(The Gap-method)施工，這是一種二步填筑法，先在距離老路基一定距離外填筑 部分新路基，新老路基之間留有一定間隙(Gap) ，待地基固結(jié)一段時間后再填筑新老 路基之間的間隙。由于在第一階段新路基填土自重作用下的固結(jié)會使新老路基間隙下 的軟土強度和水平應力提高，因而可以有效減小第二階段填土對老路基產(chǎn)生的附加變 形，而且這種分步填筑法要比一次性整體填筑對老路基產(chǎn)生的變形要小。 3、加寬工程中的計算分析方法 (1)有限元法數(shù)值計算 目前，國外多采用 PLAXIS 巖土有限元軟件，利用彈塑性摩爾庫侖模型或修正 Cam-Clay 模型對加寬路基進行有限元模擬計算，如 H. G. B. Allersma 等人利用小型 離心機模型結(jié)合 PLAXIS 有限元程序分析了加寬路基兩種不同填筑方法(普通水平 填筑和間隙法填筑)對加寬路基的影響。周志剛等引入土工合成材料單元以及相相應 的接觸面單元，以模擬筋土之間的相互作用，采用平面應變非線性有限元方法提出土 工格網(wǎng)處理填挖交界路基非均勻沉降的機理。 (2)沉降計算的參數(shù)反分析法 為了克服實驗參數(shù)的離散性和不均勻性，利用老路基的現(xiàn)場實測資料，采用參數(shù) 反分析的方法來確定地基參數(shù)，以綜合反映地基的基本特性。蘇超成功的將地基參數(shù) 反分析方法應用到錫澄-滬寧高速公路的拼接工程。 (3)模型試驗分析 a. 離心模型試驗 利用離心機模型試驗來模擬軟土地基、新老路基及加筋土工合成材料，量測加 寬路基的沉降量及孔隙水壓力的消散情況。南京水利科學研究院曾進行過滬寧高速公 路的路基離心模型試驗，取得了較好的結(jié)果。A. G. I. Hjortns-Pedersen 和 H. Broers 曾利用大型離心機模型試驗和 PLAXIS 有限元程序分析了加寬路基施工過程中軟土 地基的力學特性和變形特性。
(二)研究內(nèi)容和目標(包括階段目標、最終目標)及主要經(jīng)濟技術(shù)指標
國內(nèi)外由于高速公路加寬工程研究水平主要停留在工程實踐的水平上，相關的 理論研究無論在深度還是廣度上更是存在著嚴重的不足，需要作更加深入系統(tǒng)的研 究。 專題一：建立擴建工程通用的彈塑性有限元模型并綜合進行變形特性研究 專題一：建立擴建工程通用的彈塑性有限元模型并綜合進行變形特性研究 彈塑性有限元模型 利用老路基的現(xiàn)場實測資料，采用參數(shù)反分析的方法來確定老路基下的地基參 數(shù);通過現(xiàn)場實驗確定加寬部分路堤下地基的參數(shù);建立能反映土工格柵受力特性的 單元及樁土聯(lián)合作用的接觸單元;模擬在不同填土高度、不同拼寬寬度工況下路基變 形特性。并通過典型離心模型試驗修正有限元模型，最終建立較為客觀的擴建工程通 ， 用的彈塑性有限元模型，并研究其變形特性。 專題二： 專題二：加寬路基允許工后沉降和新老路基差異沉降的控制標準 根據(jù)路面橫坡、縱坡和平整度要求探討路面功能性要求;采用彈性力學多層路面 結(jié)構(gòu)體系理論分析路基不均勻沉降引起的路面結(jié)構(gòu)層中附加應力，并考慮車輛荷載的 作用，探討我省特有路面結(jié)構(gòu)性要求容許的不均勻沉降;根據(jù)容許不均勻沉降，提出 拓寬地基上高速公路擴建工程中的工后沉降控制指標。 專題三 專題三：地基處理方法的優(yōu)選 為了將拓寬路基對既有道路產(chǎn)生的附加沉降和新老路基之間的不均勻沉降控制 在可以接受的范圍之內(nèi)。只有在理論分析的基礎上尋找經(jīng)濟、實用的工程加固措施， 使新老路基成為一個良好的整體。為此針對擴建工程的變形特性，可以開發(fā)實用的地 基處理新技術(shù)，如剛?cè)峤Y(jié)合、薄壁管樁的處理方法等。對于不同的地質(zhì)情況，從技術(shù) 可行性、經(jīng)濟合理性、施工便捷性等多方面綜合優(yōu)選適宜的地基處理方法。 研究目標 1、在擴建路基仿真數(shù)學模型的基礎上，得出不同工況下路基的變形特性、土工 格柵的最佳布置方案，并明確路基的壓實度。 2、針對我省的不同路面，提出加寬路基允許工后沉降和新老路基差異沉降的控 制標準。 3、根據(jù)路基的變形特性及地基的地質(zhì)情況，提出相應的經(jīng)濟合理的地基處理方 法。 自從 80 年代以來，我國已修建 4 萬多公里的高速公路，其中 4 車道占絕大多數(shù)。 目前部分已修建 4 車道的通行能力已不能滿足日夜增長的交通量的需求，需要對原有路基拓寬。自廣佛高速公路加寬工程動工以來，先后有海南環(huán)島東線、滬杭甬、沈大、 南京繞城、滬寧等高等級公路相繼局部或全線擴建加寬。擴建工程在全國迅速開展起 來，我省先后進行馬蕪-蕪宣高速公路拼接、廬銅-老合銅路拼接，合寧高速大署山至 隴西段拓寬。由于高速公路擴建工程是剛剛開始的新事物，理論和實踐經(jīng)驗不足，可 借鑒的成果較少，設計、施工、技術(shù)控制標準等內(nèi)容規(guī)范都涉及不多，為了路基的安 全，設計過于保守，不經(jīng)濟科學，造成了巨大的浪費;另一方面由于對擴建工程路基 變形特性的認識的模糊，跳不出新建工程的設計方法和認識，出現(xiàn)局部路基失穩(wěn)，路 面縱向開裂的事故，社會負面影響大。從長遠發(fā)展和經(jīng)濟效益的角度講，高速公路的 改擴建工程將是本世紀初我國公路建設亟待解決和必須解決的重要問題，具有非常重 要的現(xiàn)實意義和前瞻性。
(三)達到的科學技術(shù)水平、經(jīng)濟、社會效益及其推廣應用范圍
高速公路擴建工程路基拼接技術(shù)研究屬于應用科學。由于高速公路擴建工程是剛 剛開始的新事物，理論和實踐經(jīng)驗不足，通過本項目的科驗研究，使設計人員從理論 方面對高速公路擴建工程的特性有更加系統(tǒng)的認識，澄清思想上的混亂，填補路基設 計規(guī)范在擴建工程路基拼接技術(shù)方面的空白，技術(shù)方面達到國內(nèi)交通行業(yè)領先水平。 目前我省已拉開高速公路擴建的序幕，然而在此方面，理論和實踐經(jīng)驗不足，有 許多認識上的誤區(qū)，致使設計具有盲目性，無形當中造成了資源的浪費;施工中，由 于新老路基間的不均勻沉降，出現(xiàn)路基拉裂，進而導致路面縱向開裂的事故，不僅延 誤工期、增加投資，而且造成極大的負面社會影響。因此，從長遠發(fā)展和經(jīng)濟效益的 角度講，高速公路的改擴建工程將是本世紀初我國公路建設亟待解決和必須解決的重 要問題，具有非常重要的現(xiàn)實意義。 目前國內(nèi)高速公路加寬工程研究水平主要停留在工程實踐的水平上，一般在舊路 加寬改造工程的實施之前，根據(jù)以往擴建工程的路基拼接技術(shù)進行方案試驗研究，具 有粗放性、行政性特色，相關的理論研究無論在深度還是廣度上更是存在著嚴重的不 足，需要作更加深入系統(tǒng)的研究。因此，本科研從路基變形的特性、差異沉降控制標 準、地基處理方法的優(yōu)選出發(fā)，推進國內(nèi)高速公路加寬工程理論的深化，在較完善的 理論基礎上提出路基拼接技術(shù)方案，是一項非常有經(jīng)濟價值的研究活動，在全國改擴 建工程方面有推廣的價值、意義。
(四)研究，試驗方法和技術(shù)路線(包括工藝流程)
關于專題一技術(shù)路線： 關于專題一技術(shù)路線： 技術(shù)路線 以國內(nèi)多條高速公路擴建工程項目為依托，采取室內(nèi)試驗、沉降觀測與理論分析 相結(jié)合的方法進行科學分析拓寬路基變形特性研究。 室內(nèi)試驗主要開展新老路面、路堤、地基土的一些物理、力學指標;進行各種土 工材料的室內(nèi)拉伸試驗、樁土載荷實驗、不同壓實度下直剪試驗以測得模擬土工格網(wǎng) 與土體界面摩擦的接觸面單元的切向彈簧模型參數(shù);在典型離心模型試驗基礎上最終 建立較為客觀的擴建工程通用的彈塑性有限元模型，并研究路基及土工格柵的變形特 性，并評價路基壓實度、土工格柵的布置方案。 沉降觀測主要為收集路基沉降、不均勻沉降的觀測，以檢驗擴建路基有限元模型 的通用性，并評價有限元計算結(jié)果。 關于專題二技術(shù)路線： 關于專題二技術(shù)路線： 技術(shù)路線 加寬路基處新老路基的差異沉降的控制標準，目前尚無明確的定論，本文從路 面結(jié)構(gòu)的功能性和結(jié)構(gòu)性要求兩方面，分析高速公路擴建工程路基容許的工后差異 沉降。對于功能性要求以不降低公路等級、服務水平出發(fā);對于結(jié)構(gòu)性要求方面， 在建立彈塑性模型的基礎上，采用半波正弦荷載來模擬汽車豎向動載。考慮汽車荷 載和土體固結(jié)共同作用產(chǎn)生的差異沉降,對不同路面受力變形特性的影響,進而得出 一種計算路面破壞時臨界差異沉降的方法。 關于專題三技術(shù)路線： 關于專題三技術(shù)路線： 技術(shù)路線 在載荷實驗下研究樁、墻土共同作用的特性，并測得樁、墻與土體界面摩擦的接 觸面單元的切向彈簧模型參數(shù);在深刻認識拓寬路基變形特性的基礎上，建立不同地 基處理工況下一般彈塑性有限元模型，通過有限元計算，分析路基變形情況;在理論 分析的基礎上尋找經(jīng)濟、實用的工程加固措施。最終得出不同地質(zhì)條件、不同填土高 度推薦采用的處理方案，以指導設計。
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