道路拼接拓宽引起的旧路软土地基再固结沉降分析
第一章 绪论
1.1 研究背景和研究意义
在国外，由于实际交通量超过了设计值，许多高速公路都需要扩建以提升其运输能力。1989 年的英国政府白皮书《公路发展前景》中指出：在英格兰约有 60%的高速公路和一些干线公路需要通过扩建来增多车道以满足交通需求[1]。伴随着我国经济的增长，一些较早建成通车的高速公路已经渐渐不能满足膨胀的交通量和社会发展的需求，需要提高其通行能力，增设行车道数。基于我国土地资源严重紧缺的现状，目前高速公路扩建工程的设计优先考虑在原有的公路一侧或者两侧直接拼接加宽 1-2 条车道的方式[2]。1997 年 8 月，广佛（广州-佛山）高速公路扩建工程开始动工，它是我国第一例高速公路扩建工程，于 1999 年 12 月完工。其后，国内有沪杭甬、沪宁、佛开、广三、广清等高速公路陆续扩建加宽[3]，旧路路基的处理方法主要有砂桩排水固结法或者塑料板排水固结法,新路路基的处理方法主要有水泥粉喷桩、CFG 桩、高压旋喷桩、预应力管桩等复合地基或桩承式加筋方法，扩建工程大多采用直接拼接路基加宽方式。以广三高速公路为例，广三高速公路全线大部分路基土为典型的珠江三角洲软土，含水量高，孔隙比大，压缩性高，强度低。在扩建工程设计时，在新填方路堤中从路基拼接结合处至新路堤填方边坡面全断面加铺 2~3 层高强度土工格栅。对加宽路堤的软土地基处理强烈推荐按照软土分布厚度不同，分路段采用清淤换填、水泥搅拌桩、素混凝土桩或预应力混凝土管桩方法进行加固，并在形成的复合地基顶部全断面加铺钢塑双向土工格栅。
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1.2 道路拼接拓宽理论的国内外研究现状
紧邻旧路增加新路不仅对扩建区域同时也对旧路下方地基带来附加应力，并引起变形。在软土地区修建路堤遇到的常见问题包括承载力低、较大的总沉降量、不均匀沉降及边坡不稳定。工程实践中也使用了一些方法来避免、减小或补救由道路扩建而引起的病害，比如使用轻质填料、土工合成材料加筋、开挖回填、桩基、堆载预压或以上方法的结合。桩基础包括砂桩、碎石桩、深层搅拌桩（deep mixed columns, DM 桩）和振动混凝土桩（vibro-concrete columns）等。过去几年时间桩承式路堤在软基道路修建工程中运较多。影响桩承式路堤工作性能的因素有多个，其中桩的刚度对沉降的影响较为明显。在国外尽管路堤扩建在工程实践中已广泛开展，截至目前扩建工程尤其是桩承式路堤扩建工程的设计指导资料仍很少。ForsmanUotinen（1999）研究了土工合成加筋材料对桩承式路堤拓宽后路堤沉降和水平位移的作用，认为在桩间距足够小和或桩足够长时，可以不用土工加筋材料[4]。Han （2021）研究了扩建工程中是否对桩进行矫正（Remediation）对拓宽后路堤应力与变形的影响，在这一研究中，Han et al 将软土模拟成符合摩尔-库仑破坏准则的理想线性弹塑性材料，但该研究没有考虑土体固结引起土的性质变化，使用固结后的性质参数[5]。Liu H L（2021）建立了一个二维有限差分数值模型（two-dimensional finite differencenumerical method），并使用了实测数据对模型进行了验证,模型中旧路堤及扩建区域下方的土体使用修正剑桥模型。为考虑旧路及扩建区域下方地基土的固结，使用了流固耦合（mechanically and hydraulically coupled）数值模型。研究中对新旧路下方不同的桩布置形式进行了分析。利用流固耦合模型，在考虑固结的条件下，研究新旧路堤下方桩布置形式对工后沉降的影响。重点关注的变量包括沉降、水平位移、横向坡度变化及竖向应力。二维数值模型的验证是通过利用文献中的实测数据与模型计算值相比较，验证合理后，研究新旧路堤下不同桩布置形式以评价其有效性。新旧路搭接边坡下方的桩可有效地减小扩建道路工后的不均匀沉降、水平位移和横向坡度变化[6]。
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第二章 高速公路拓宽工程特性分析
2.1 扩建工程典型断面
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2.2 路面病害现状
广三高速公路扩建工程完工通车以来，在广三高速公路养护中心和路政部门日常的养护巡逻中发现的路面病害主要集中于21+022.7至31+200桩号间路段，病害大多位于旧路靠近中央分隔带的第一二车道，路面病害主要包括纵向裂缝、局部沉降、网裂、龟裂等类型。路面病害的汇总见表2-1。表中右幅表示广州到三水所行车道。综上所述，广三高速公路扩建通车以来，在 21+022.7 至 31+200 桩号间路段发生了较为严重的路面病害，纵向开裂尤为严重。病害大多发生于旧路，这与以往认识中高速公路扩建工程病害的发生位置有较大出入。通过现场的观摩与探测，可以确定病害产生原因来自于路基深处。
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第三章 高速公路现场测试研究及分析 ........ 15
3.1 新路堤填筑期路基沉降监测资料分析 ....... 15
3.2 拓宽车道路面施工期沉降监测数据分析 ..... 19
3.3 新旧路差异沉降工后监测分析 ....... 28
3.4 本章小结 ....... 43
第四章 考虑不同旧路路基排水效果 ...... 44
4.1 ABAQUS 数值分析软件简介 .... 44
4.2 土体本构模型的选择 ......... 44
4.3 新路复合地基作用的模型的建立及分析 ... 48
4.4 复合地基作用的模型的建立及分析.... 59
4.5 复合地基作用的模型的建立及分析..... 64
4.6 总结分析 ....... 69
4.7 本章小结 ....... 69
第五章 工程实例与数值模型对比分析 ........ 70
5.1 实体工程监测结果 ..... 70
5.2 与数值模型的对比分析 ....... 71
5.3 本章小结 ....... 73
第五章 工程实例与数值模型对比分析
5.1 实体工程监测结果
选取与验证模型最为接近的 28+480 断面监测数据与数值模拟数据进行对比，28+480 断面总沉降量，左幅：90.5mm，右幅：100.4mm。路堤填筑期间沉降量为左幅：58.9mm，右幅：67.9mm，日平均沉降速率分别为左幅：0.25mm，右幅：0.28mm； 28+480 断面沉降各期监测成果见表 5-1，28+480 断面沉降监测成果如图 5-1。由图可知，完全考虑了排水体系和新路下的复合地基的作用的模型 1 计算得出的数据与实测数据相差较大，不具有可参考性，推测原因，是由于部分塑料排水板受限于当时的施工工艺，并没能发挥排水效果，即排水板失效。去除排水板并并对新路下的 CFG 桩进行了折减的模型 3 计算得出的数据比模型 2 又有了显著增加，与实测数据吻合度较高，根据各点的沉降与时间关系图可以看出新旧路在新路填筑完成后的工后沉降差异不大，表示工后沉降差异控制的较好，但是在新路填筑期间旧路的沉降普遍比新路高，新路路面沉降值基本在 32~34mm 左右，而旧路路面的沉降值在 40mm~65mm 左右，最大的地方达到了 68mm，与新路的差值达到了 35mm，在旧路靠近中央分隔带的第二车道中部附近，与现场观察到的裂缝位置吻合，这表明，在软土路基上的旧路路基排水体系失效的情况下，新路扩建复合地基中的 CFG 作用长度不能达到设计要求时，旧路在新路填筑期间会产生较大沉降，引起旧路路面开裂，产生路面病害。
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结论
本文对道路拼接拓宽引起的旧路软土地基再固结沉降研究现状进行了详细的总结，通过对实际公路扩建工程新路堤填筑期、新路路面施工期及工后的沉降监测数据监测数据的观察，对道路拼接拓宽引起的旧路软土地基再固结沉降的实际情况进行了描述；应用 ABAQUS 对拓宽道路横截面进行了有限元数值模拟，研究三个模型下的沉降规律，主要结论如下：
（1）从新路堤填筑期间的沉降监测数据来看，由于在在紧贴旧路堤的位置填筑新路堤，增加了作用在旧路堤上的荷载，使得旧路堤坡脚位置发生了较为明显的沉降，在整个新路堤填筑时间内及新路堤填筑完成后的很长一段时间内，旧路堤坡脚位置都发生了较为明显的沉降。
（2）从路面结构层加铺过程期间的沉降监测数据来看，旧路路基继续发生了较大的沉降，当路面结构层加铺至沥青面层时，在一段时间内旧路路基沉降甚至超过了拓宽新车道路基沉降。
（3）从扩建完成后的工后沉降观测数据来看，新旧路的差异沉降不大，反映出新旧路的差异沉降控制效果较好。
（4）软土使用摩尔-库伦的 D-P 等效二维数值模型可合理地模拟实际工程中的沉降固结曲线。
（5）完全考虑旧路路基排水体系及新路下的复合地基的作用的模型 1 显示旧路在新路填筑期间产生的沉降最小。
（6）去除排水板并对新路下的 CFG 桩进行折减的模型 3 能够较好地模拟实际工况，即在整个新路堤填筑时间内及新路堤填筑完成后的很长一段时间内，旧路发生较为明显的沉降，某些点沉降值甚至超过了拓宽新车道路基沉降，导致旧路路面产生裂缝。
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参考文献（略）