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案例范本
安徽省高速公路扩建工程路基拼接技术研究
添加时间: 2021/7/30 12:10:45 来源: 作者: 点击数:

项目名称:安徽省高速公路扩建工程路基拼接技术研究

         

(一)国内外现状、水平和发展

我国高速公路改扩建工程刚刚起步,国内尚无具体的设计和施工技术规范。和新建高速公路相比,改扩建工程具有施工难度大、工艺复杂、质量要求高等特点。老路基以下地基土固结度已达一定程度,而新建的拼接路基在未进行地基处理的情况下必然会出现较大的工后沉降,这样新老路基就会产生较大的差异沉降,严重时会出现路基拉裂,进而导致路面纵向开裂;另一方面老路基在新建路基荷载的作用下会产生新的沉降,影响路拱坡度,路面出现凹陷区。可见消除路基差异沉降的衔接技术是改扩建工程的核心技术,而这正是目前岩土工程界关注的热点问题。

 国内由于高速公路加宽工程刚刚起步,研究水平主要停留在工程实践的水平上,相关的理论研究无论在深度还是广度上更是存在着严重的不足,需要作更加深入系统的研究。国外对于软土地基上高速公宽工程的理论研究尽管起步较早,但大多都建立在离心模型试验和有限元模拟分析的基础之上。主要开展了以下几方面的研究。

1、软基处理方案优选

目前,在扩建工程中最常用的软基处理方法有隔离墙、桩网复合地基、塑料排水板、湿喷桩(粉喷桩)复合地基、CFG 桩复合地基、轻质路堤等。

2、新老路基结合部的拼接技术研究

a. 边坡削坡和台阶开挖:最常用的开挖方式包括两种:一种是先削坡(1:0.5~11)再挖成台阶状,另一种是直接挖成台阶状。台阶的开挖尺寸有一定的限制。我国几条高速公路加宽工程都把台阶高度控制在80cm 以内,台阶宽度根据边坡坡度、老路边坡的填筑材料、压实度确定,在 60200cm 之间。Richard J. Deschamps 等人通过对非软土地基的调查研究,指出台阶的竖直高度不宜超过 1.5m。关于台阶面上的内倾角,国内高速公路扩建工程中大多采用 24%的内倾角,出发点是利用内倾的嵌锁作用增强新老路基的衔接,但是沪宁高速公路扩建工程课题组建议不设置内倾角。因为影响台阶面压实效果、不利于排水,造成角隅处积水、内倾角的嵌锁作用不明显

b. 土工合成材料的应用: Juha Forsman Veli-Matti Uotinen、杨茂等都成功地将土工合成材料应用于软土地基上公路的改建工程中,现场实测和有限元分析结果表明使用土工合成材料可以有效地加强新填路基与既有路基的整体性、提高地基的承载力和解决路基的不均匀沉降;可以降低由于路堤自重引起的水平应力,从而减少水平位移,有效地防止路面开裂;影响作用效果的主要因素是土工合成材料的刚度,并且刚度越高作用效果越好。土工合成材料的铺设层数和位置存在多种不同方式。曲向进对沈大高速公路加宽工程中土工合成材料不同的铺设层数和位置对路面结构的表面主应力、表面变形以及层底主应力的影响进行了分析,指出以铺设二到三层土工合成材料为宜,黄琴龙通过实验指出土工格栅埋设层位越往上,所起的加筋作用越明显。

c. 控制标准: 路堤的压实度控制,海南环岛东线高速公路扩建工程中部分路段提高了路基压实度标准:填方路基把规范规定的 90%压实度区提高到 93%,93%区提高到 95%,95%区提高到 96%,合宁高速(大蜀山至陇西立交)扩建工程根据现行路基设计规范进行路基压实;加宽路基允许工后沉降和新老路基差异沉降的控制标准,沈大高速公路改扩建工程路基加宽技术研究课题组提出了新加宽路基工后沉降量不大于 8cm 的控制标准。河海大学在沪宁高速公路拓宽工程试验段地基处理中期报告中指出:拼接路基施工后,原高速公路路基中心与新路肩的横坡度增大值应小于 0.5%,与原公路横坡相比不得出现反坡,拼接路基施工后,原路中心处附加沉降量应小于 3cm

d. 新老路基拼接的施工工艺:国外针对软土路基上加宽路基填筑施工提出了间隙法(The Gap-method)施工,这是一种二步填筑法,先在距离老路基一定距离外填筑部分新路基,新老路基之间留有一定间隙(Gap),待地基固结一段时间后再填筑新老路基之间的间隙。由于在第一阶段新路基填土自重作用下的固结会使新老路基间隙下的软土强度和水平应力提高,因而可以有效减小第二阶段填土对老路基产生的附加变形,而且这种分步填筑法要比一次性整体填筑对老路基产生的变形要小。

3、加宽工程中的计算分析方法

1)有限元法数值计算

 目前,国外多采用 PLAXIS 岩土有限元软件,利用弹塑性摩尔库仑模型或修正 Cam-Clay 模型对加宽路基进行有限元模拟计算,如 H. G. B. Allersma 等人利用小型离心机模型结合 PLAXIS 有限元程序分析了加宽路基两种不同填筑方法(普通水平填筑和间隙法填筑)对加宽路基的影响。周志刚等引入土工合成材料单元以及相相应的接触面单元,以模拟筋土之间的相互作用,采用平面应变非线性有限元方法提出土工格网处理填挖交界路基非均匀沉降的机理。

2)沉降计算的参数反分析法

为了克服实验参数的离散性和不均匀性,利用老路基的现场实测资料,采用参数反分析的方法来确定地基参数,以综合反映地基的基本特性。苏超成功的将地基参数反分析方法应用到锡澄-沪宁高速公路的拼接工程。

3)模型试验分析

 a. 离心模型试验

 利用离心机模型试验来模拟软土地基、新老路基及加筋土工合成材料,量测加宽路基的沉降量及孔隙水压力的消散情况。南京水利科学研究院曾进行过沪宁高速公路的路基离心模型试验,取得了较好的结果。A. G. I. Hjortns-Pedersen H. Broers

曾利用大型离心机模型试验和 PLAXIS 有限元程序分析了加宽路基施工过程中软土地基的力学特性和变形特性。

(二)研究内容和目标(包括阶段目标、最终目标)及主要经济技术指标

     国内外由于高速公路加宽工程研究水平主要停留在工程实践的水平上,相关的理论研究无论在深度还是广度上更是存在着严重的不足,需要作更加深入系统的研究。

专题一:建立扩建工程通用的弹塑性有限元模型并综合进行变形特性研究

利用老路基的现场实测资料,采用参数反分析的方法来确定老路基下的地基参数;通过现场实验确定加宽部分路堤下地基的参数;建立能反映土工格栅受力特性的单元及桩土联合作用的接触单元;模拟在不同填土高度、不同拼宽宽度工况下路基变形特性。并通过典型离心模型试验修正有限元模型最终建立较为客观的扩建工程通用的弹塑性有限元模型,并研究其变形特性。

专题二:加宽路基允许工后沉降和新老路基差异沉降的控制标准

根据路面横坡、纵坡和平整度要求探讨路面功能性要求;采用弹性力学多层路面结构体系理论分析路基不均匀沉降引起的路面结构层中附加应力,并考虑车辆荷载的作用,探讨我省特有路面结构性要求容许的不均匀沉降;根据容许不均匀沉降,提出拓宽地基上高速公路扩建工程中的工后沉降控制指标。

专题三:地基处理方法的优选

为了将拓宽路基对既有道路产生的附加沉降和新老路基之间的不均匀沉降控制在可以接受的范围之内。只有在理论分析的基础上寻找经济、实用的工程加固措施,使新老路基成为一个良好的整体。为此针对扩建工程的变形特性,可以开发实用的地基处理新技术,如刚柔结合、薄壁管桩的处理方法等。对于不同的地质情况,从技术可行性、经济合理性、施工便捷性等多方面综合优选适宜的地基处理方法。

研究目标

1、在扩建路基仿真数学模型的基础上,得出不同工况下路基的变形特性、土工格栅的最佳布置方案,并明确路基的压实度。

2、针对我省的不同路面,提出加宽路基允许工后沉降和新老路基差异沉降的控制标准。

3、根据路基的变形特性及地基的地质情况,提出相应的经济合理的地基处理方法。

自从80年代以来,我国已修建4万多公里的高速公路,其中4车道占绝大多数。目前部分已修建4车道的通行能力已不能满足日夜增长的交通量的需求,需要对原有路基拓宽。自广佛高速公路加宽工程动工以来,先后有海南环岛东线、沪杭甬、沈大、南京绕城、沪宁等高等级公路相继局部或全线扩建加宽。扩建工程在全国迅速开展起来,我省先后进行马芜-芜宣高速公路拼接、庐铜-老合铜路拼接,合宁高速大署山至陇西段拓宽。由于高速公路扩建工程是刚刚开始的新事物,理论和实践经验不足,可借鉴的成果较少,设计、施工、技术控制标准等内容规范都涉及不多,为了路基的安全,设计过于保守,不经济科学,造成了巨大的浪费;另一方面由于对扩建工程路基变形特性的认识的模糊,跳不出新建工程的设计方法和认识,出现局部路基失稳,路面纵向开裂的事故,社会负面影响大。从长远发展和经济效益的角度讲,高速公路的改扩建工程将是本世纪初我国公路建设亟待解决和必须解决的重要问题,具有非常重要的现实意义和前瞻性。

(三)达到的科学技术水平、经济、社会效益及其推广应用范围

高速公路扩建工程路基拼接技术研究属于应用科学。由于高速公路扩建工程是刚刚开始的新事物,理论和实践经验不足,通过本项目的科验研究,使设计人员从理论方面对高速公路扩建工程的特性有更加系统的认识,澄清思想上的混乱,填补路基设计规范在扩建工程路基拼接技术方面的空白,技术方面达到国内交通行业领先水平。

目前我省已拉开高速公路扩建的序幕,然而在此方面,理论和实践经验不足,有许多认识上的误区,致使设计具有盲目性,无形当中造成了资源的浪费;施工中,由于新老路基间的不均匀沉降,出现路基拉裂,进而导致路面纵向开裂的事故,不仅延误工期、增加投资,而且造成极大的负面社会影响。因此,从长远发展和经济效益的角度讲,高速公路的改扩建工程将是本世纪初我国公路建设亟待解决和必须解决的重要问题,具有非常重要的现实意义。

目前国内高速公路加宽工程研究水平主要停留在工程实践的水平上,一般在旧路加宽改造工程的实施之前,根据以往扩建工程的路基拼接技术进行方案试验研究,具有粗放性、行政性特色,相关的理论研究无论在深度还是广度上更是存在着严重的不足,需要作更加深入系统的研究。因此,本科研从路基变形的特性、差异沉降控制标准、地基处理方法的优选出发,推进国内高速公路加宽工程理论的深化,在较完善的理论基础上提出路基拼接技术方案,是一项非常有经济价值的研究活动,在全国改扩建工程方面有推广的价值、意义。

(四)研究,试验方法和技术路线(包括工艺流程)

关于专题一技术路线:

以国内多条高速公路扩建工程项目为依托,采取室内试验、沉降观测与理论分析相结合的方法进行科学分析拓宽路基变形特性研究。

室内试验主要开展新老路面、路堤、地基土的一些物理、力学指标;进行各种土工材料的室内拉伸试验、桩土载荷实验、不同压实度下直剪试验以测得模拟土工格网与土体界面摩擦的接触面单元的切向弹簧模型参数;在典型离心模型试验基础上最终建立较为客观的扩建工程通用的弹塑性有限元模型,并研究路基及土工格栅的变形特性,并评价路基压实度、土工格栅的布置方案。

沉降观测主要为收集路基沉降、不均匀沉降的观测,以检验扩建路基有限元模型的通用性,并评价有限元计算结果。

关于专题二技术路线:

加宽路基处新老路基的差异沉降的控制标准,目前尚无明确的定论,本文从路面结构的功能性和结构性要求两方面,分析高速公路扩建工程路基容许的工后差异沉降。对于功能性要求以不降低公路等级、服务水平出发;对于结构性要求方面,在建立弹塑性模型的基础上,采用半波正弦荷载来模拟汽车竖向动载。考虑汽车荷载和土体固结共同作用产生的差异沉降,对不同路面受力变形特性的影响,进而得出一种计算路面破坏时临界差异沉降的方法。

关于专题三技术路线:

在载荷实验下研究桩、墙土共同作用的特性,并测得桩、墙与土体界面摩擦的接触面单元的切向弹簧模型参数;在深刻认识拓宽路基变形特性的基础上,建立不同地基处理工况下一般弹塑性有限元模型,通过有限元计算,分析路基变形情况;在理论分析的基础上寻找经济、实用的工程加固措施。最终得出不同地质条件、不同填土高度推荐采用的处理方案,以指导设计。

(五)计划进度(总的研究期限、进度及年度计划进度)

研究计划和进度如下:

1、2007年5月收集扩建工程拼接技术方案、观测资料、地质资料,路面结构情况,讨论拼接技术方案的经济、可操作等,消化吸收工程实践经验。

2、 2007年12月前在以往工程实测资料的检验下,建立较为客观的扩建工程通用的弹塑性有限元模型,分析路基变形特性,并评价路基压实度、土工格栅的布置方案,得出一些可以指导设计的结论

3、 2008年6月前完成加宽路基处新老路基差异沉降的控制标准。

4、 2008年9月前完成各种地基处理方法对减少地基沉降的优缺点,综合优选适宜的地基处理方法。

5、 2008年12月前编写报告,总结成果。

(六)现有的技术条件及预试验情况(本课题已作了哪些工作),现有的仪器设备

安徽省公路勘测设计院是国家甲级设计院,具备了各类的高级设计和研究人才,科研水平不断提高,许多成果获国家科技成果奖。在院科技创新的大主题下,我们一定能研究出符合我省实际情况的高速公路扩建工程路基拼接技术,为国内外相关工程提供借鉴。

安徽省公路勘测设计院具备了各类的土工试验设备,我们的科研小组成员中大多是岩土工程专业毕业的研究生,具备了较高的分析、研究能力。

    从事研究工作所需的基本设备如下:

土工试验仪器和设备清单

序号

仪器设备、名称、型号

规格

数量

序号

仪器设备、名称、型号

规格

数量

1

四联直剪仪

1

14

新标准土壤筛

ø300

1

2

电子天平

0.001g

1

15

容积升

1-30L

10

3

电子天平

0.01g

1

16

取土环刀

100.200cm3

4

固结仪

8

17

取土环刀手柄

2

5

承载比试验仪

CBR-1型

1

18

取土铝盒

恒重

50

6

CBR试验附件

/

4

19

电动无测限压力仪

2

7

烘箱

1

20

回弹模量测定仪

HT150

1

8

现场CBR测定仪

LCB-2

1

21

弯沉仪

5.4m

1

9

多功能全自动击实仪

JZ–2D

1

22

恒温恒湿实验箱

1

10

重型击实仪(手动)

JZ–15型

4

23

TRIME土壤水分计

1

11

液塑限联合测定仪

SY–100型

1

24

张力计

70只

12

侧斜仪

10

25

压力计

50

13

沉降管

SS–1型

10

26

水压力计

50

主要试验仪器设备一览表

序号

仪器设备、名称、型号

测试参数

量程

精度

生产厂家

1

水准仪 AT-G1

距离、高程

1~1000m

±0.04mm

日本托普康公司

2

钻孔倾斜仪Sinco 50325-M

位移

±60°

±0.01mm

Sinco公司

3

100地质钻机

4

载荷试验装置

5

离心模型试验



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