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软土地基上高速公路加宽变形特性及差异沉降控制标准研究

张军辉  
【摘要】: 近几年来交通量持续增长,原来高速公路的通行能力已不能满足要求。根据技术经济分析,高速公路在原有基础上进行加宽是合理选择。我国东南沿海地区的高速公路大多修筑在软土地基上,由于软土地基固有复杂的技术特性,高速公路相应的加宽工程将更加复杂。综观现有的软土地基上高速公路加宽工程,一般遇到的关键技术问题有新老路基的相互作用、新老路基结合部的处治、新老路软基处理及差异沉降控制标准等。本文针对软土地基上高速公路加宽工程中路基变形特性和差异沉降标准进行了深入研究。 由于求解Biot固结方程一般较为困难,需要借助数值积分才能得到最终结果,不便于工程应用。论文首先假定地基为Biot介质,根据条形面积上梯形荷载作用特性求得了加宽路堤荷载作用下地基中初始超静孔隙水压力及有效应力表达式,进而求得了瞬时沉降、固结沉降和最终沉降解析式。分析结果表明,加宽路堤荷载作用下,其下方出现了高附加应力区和高超孔压区;地表沉降呈现老路堤中心最小、加宽路堤断面形心垂线位置最大的分布形式,变化规律和现场实测资料一致。 其次,软基上的加宽工程,由于土体本构模型、加载历时、边界条件等的复杂性,采用解析解解决问题远不能满足工程需求。论文采用有限元软件ABAQUS对软基上加宽路堤性状进行了系统分析,包括加宽荷载作用下软基中的附加应力场、位移场和超孔隙水压力分布场,加宽施工期老路堤表面沉降、新老路堤表面沉降、横坡比及新老路堤坡脚水平位移等;考察了加宽路堤宽度、加宽路堤高度、加宽路堤刚度、加宽路堤填料重度、软基深度、软基刚度及老路固结程度等因素对加宽性状的影响。 为保证加宽工程新老路基的均匀性,采用土工合成材料加筋具有良好的效果。为了深入研究加筋路基的变形特性,论文结合宽工程加筋路堤离心模型试验,对加筋效果进行了分析,并研究了筋材模量、铺设位置、嵌入老路堤长度及地基刚度等对加筋效果的影响,比较现场实测资料与计算结果发现,二者具有一致性。对于控沉梳桩复合地基,分析了填土高度、筋材模量、桩体模量和固结时间对沉降、土拱效应、拉膜效应等的影响,并考察了垫层刚度、桩帽大小和桩间距对沉降的影响,研究了复合地基中筋材的铺设位置,数值分析和实测资料表明,带帽控沉梳桩复合地基能有效减小沉降。此外,分析了老路软基不处理、粉喷桩处理和塑料排水板处理时,加宽路堤软基分别采用这些方式时的路堤变形,对加宽工程软基处治提出了建议。 论文考察了面层厚度、面层模量、新老路基层模量之比及差异沉降等对加宽工程路面开裂的影响。研究成果表明增加面层厚度、减小面层模量和差异沉降、使新老路基层模量接近能降低路面开裂的可能性;同时,分析了对称和非对称荷载图式下加筋延缓加宽工程路面开裂的桥联增韧作用。 最后,为了研究加宽路基不均匀沉降对路面结构的影响,根据路面横坡、纵坡和平整度要求探讨路面功能性要求,应用平面有限元理论分析了差异沉降在施工期老路面和工后新路面中引起的附加应力,探讨了路面结构性要求容许的差异沉降。综合路面功能性要求和结构性要求两方面提出了加宽工程中差异沉降的控制标准,并与其他方法和已有工程实践进行对比分析,验证了标准的合理性。


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