黄河冲积平原G105路面加宽工程差异沉降分析与施工质量控制
目 录
1 绪论 1
1.1 问题的提出 1
1.2 国内外现状 1
1.3 主要研究内容 2
2 国内外高速公路扩建调查分析 2
2.1 国内外高速公路调查分析 3
2.2 G105扩建调查分析 5
2.3 本章小结 7
3 G105高速公路路面拓宽工程差异沉降及影响因素分析 7
3.1 拓宽路面差异沉降计算方法 7
3.2 有限元计算方法 10
3.3 差异沉降影响因素分析 18
3.4 本章小结 19
4 G105高速差异沉降控制技术分析研究 19
4.1 台阶开挖与削坡分析 19
4.2 土工格室加筋处治分析 20
4.3 路面适应性研究 21
4.4本章小结 22
结论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
1 绪论
1.1 问题的提出
随着我国经济展的快车道，高速公路的长度也随者经济飞速增加，截止上一年年底，我国公路总里程增加到了446.39万公里，和上年末相比增加10.77万公里达到了457.16万公里。每百平方公里的公路长度由原来的46.50公里，提高到了47.62公里。在所有已建成的公路中有425.46万公里的公路有进行养护的必要，需要养护的公路达到总里程的97.5%。但交通量增速却更加迅速，一些上个世纪末修建的公路，由于当时经济、政治、技术条件等因素的影响，加上交通量的日益增长，原有的设计通行能力已无法适应时代的要求,很多公路都是在满负荷或超负荷运行，公路扩建工程势在必行。
公路扩建不是在另建 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
一条公路，而是在原来的基础上对公路进行改造，这种方式不需要大规模的拆迁，从而使得整个工程工期短，工程费用低，得到的效果明显等优点。同时公路改扩建对原有的公路重复使用，节约了大量的社会资源。
公路扩建成功的关键在于控制新旧路面的差异沉降在合理的范围内，从而保证了路面的安全稳定，围绕这一目的，运用土力学、弹性力学的相关理论对加宽路基沉降和变形特性进行理论研究，创建有限元模型，研究模型的大小与形状，对加宽路基差异沉降与变形产生影响的相关荷载进行分析。
在本篇论文中使用G105国道改扩建为实验依据，对路基路面中新老路基在荷载作用下，附加在路面上的应力进行分析，研究控制路面沉降的相关指标，并期望以最大的可能减少路面因差异沉降引起的问题。研究的成果对以后的公路改建扩建工程，降低由差异沉降引起的路面中各个不同的结构层受力不同而产生破坏，对维持路面原有的功能有着重要的指导和借鉴意义。
1.2 国内外现状
Wu TH.在室内建立模型对路面的状态进行分析研究，使用起升和降落装置对新老路基施工完成后的沉降实施人为的控制，对于路面加宽工程而言，路面由于差异沉降的产生所带来的损害来进行仿真，用来分析在公路加宽工程中新路基和老路基产生不同沉降对路面层结构的破坏和力学影响，从而找出其中的规律。Fujiwara通过对有限元的理论研究，分析了在路面运行过程中里的加载方式、荷载对路面作用次数、荷载的大小等因素对拓宽路基沉降的影响。
在关于沉降计算方面，1967年，Clough和Woodward对大坝边坡稳定性用有限元法进行分析，而后Duncan提出了土体非线性本构关系模型。占德曼等其他研究人员建立了相关的接触面有限元模型来对岩石节理和不连续结构面的强度和变形，这一模型使得结构之间不连续面的相关问题得到了解决。
Humphrey . D.N对软土地基上关于铁路的路基的加宽加筋处的处理方式进行了分析评价，总结了各种排水状况下对路基的影响，对块状和圆弧两种情况下引起的破坏，得到以下结论:在无论何种情况下，在路基使用土工格栅加筋处治措施来解决路面差异沉降，显著的增强了拓宽路基的稳定性。
孙伟对高速公路路基在没有经过处理的情景下进行高速公路的扩建工程进行分析，研究其中地基和挖方和填方路基的变形特性，并研究了模量对变形的影响。得到了以下结论：软土地基的模量的改变是对路基顶面的沉降及差异沉降的影响最大。蒋鑫对路面的使用年限和力学性能进行了分析，发现不同的改扩建方式对其的影响，还对新路基与老路基之间的模量比对路面寿命影响做了分析，表示了当新老路基的模量比1.5大时，就不能用增加土体模量的方法减少差异沉降。
张兴强将汽车动载作为影响路基沉降量大小的因素纳入思考的范围之内，到填方与挖方路基交界处发生的不同的沉降，当沉降差值变成1.8厘米时，在新老路面的交界处会呈现断裂的破坏区域，我们把这个差异沉降值作为临界值。用这种方式来确定临界值较为简单，但是无法保证正确性。
1.3 主要研究内容
经过课前的调查与分析，主要研究内容有：
查阅相关资料，找出路面加宽工程中的典型代表，并以G105高速拓宽工程作为案例，对加宽路基进行有限元分析得出差异沉降的数据，对新旧路基之间的拓宽和塔接方法、施工中需要注意的内容和试验元件的布置的不同对沉降的影响有较为深刻的认识，对路面结构层的应变特性进行分析，得到差异沉降在这之中有多少作用。
2 国内外高速公路扩建调查分析
2.1 国内外高速公路调查分析
2.1.1 国外调研
国外高等级公路改扩建工程中较为典型的有日本的名神高速公路、韩国1号高速公路、荷兰Rotterdam--Antwerpen的A16号高速公路、荷兰Rotterdam--Utrecht的A2号高速公路，德国Chemnitz--Dresden的A4号联邦高速公路、美国State of Tennessee75号和153号州际公路交接段等等。
2.1.2国内调研
沈大高速公路改建工程
a）项目概况
“神州第一路”——沈大高速公路在1990年9月1日建成通车，于两千零二年五月沈大高速公路的扩建改造工程正式破土动工。此次改造扩建工程是我国自建国以来第一次对高速公路开展拓宽工程。高速公路两边的地质地貌情况比较棘手，要考虑多项因素的影响。其中，海城段地基土的种类为可以承受较大力的亚黏土;由泥土、沙性土及黄土质粘土构成了大石桥段和淤泥河段的主要地质。地表有较多的池塘，水塘，沟渠等。软塑状况的粘性土在地基表面上层0. 5-1. 0m处，其下4-7m为软塑-流塑状态的软土，土中含水量较高，硬壳层相对较薄，空隙比大，土质的特点为承载能力相对较低、压缩性能好、渗透性优异。
b）扩建方式
沈大高速公路的拓宽工程主要拓宽方式是2侧各增加8米，总宽度由原来的26米双向4车道变为42米的双向8车道路面，横断面布置形式为:中间中央隔离带的宽度3.0米，路面车道形式为双向四车道共2*4*3.75米；两边硬路肩2*3.0；米两边土路肩2*0.75米;每侧护坡道宽度2.0米。
2.2.2 工程概况
本项目完成后路面为双向八车道按照一级公路水平进行施工，设计速度80千米／小时。
△hi为土层厚度。
若要算出S总，最重要的就是求出地基在Z深度下的荷载，新路和老路荷载均为路面汽车荷载σz。接下去需要求出旧路以及新路在荷载作用下对地基Z深度的荷载σz的影响。
1 绪论 1
1.1 问题的提出 1
1.2 国内外现状 1
1.3 主要研究内容 2
2 国内外高速公路扩建调查分析 2
2.1 国内外高速公路调查分析 3
2.2 G105扩建调查分析 5
2.3 本章小结 7
3 G105高速公路路面拓宽工程差异沉降及影响因素分析 7
3.1 拓宽路面差异沉降计算方法 7
3.2 有限元计算方法 10
3.3 差异沉降影响因素分析 18
3.4 本章小结 19
4 G105高速差异沉降控制技术分析研究 19
4.1 台阶开挖与削坡分析 19
4.2 土工格室加筋处治分析 20
4.3 路面适应性研究 21
4.4本章小结 22
结论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
1 绪论
1.1 问题的提出
随着我国经济展的快车道，高速公路的长度也随者经济飞速增加，截止上一年年底，我国公路总里程增加到了446.39万公里，和上年末相比增加10.77万公里达到了457.16万公里。每百平方公里的公路长度由原来的46.50公里，提高到了47.62公里。在所有已建成的公路中有425.46万公里的公路有进行养护的必要，需要养护的公路达到总里程的97.5%。但交通量增速却更加迅速，一些上个世纪末修建的公路，由于当时经济、政治、技术条件等因素的影响，加上交通量的日益增长，原有的设计通行能力已无法适应时代的要求,很多公路都是在满负荷或超负荷运行，公路扩建工程势在必行。
公路扩建不是在另建 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
一条公路，而是在原来的基础上对公路进行改造，这种方式不需要大规模的拆迁，从而使得整个工程工期短，工程费用低，得到的效果明显等优点。同时公路改扩建对原有的公路重复使用，节约了大量的社会资源。
公路扩建成功的关键在于控制新旧路面的差异沉降在合理的范围内，从而保证了路面的安全稳定，围绕这一目的，运用土力学、弹性力学的相关理论对加宽路基沉降和变形特性进行理论研究，创建有限元模型，研究模型的大小与形状，对加宽路基差异沉降与变形产生影响的相关荷载进行分析。
在本篇论文中使用G105国道改扩建为实验依据，对路基路面中新老路基在荷载作用下，附加在路面上的应力进行分析，研究控制路面沉降的相关指标，并期望以最大的可能减少路面因差异沉降引起的问题。研究的成果对以后的公路改建扩建工程，降低由差异沉降引起的路面中各个不同的结构层受力不同而产生破坏，对维持路面原有的功能有着重要的指导和借鉴意义。
1.2 国内外现状
Wu TH.在室内建立模型对路面的状态进行分析研究，使用起升和降落装置对新老路基施工完成后的沉降实施人为的控制，对于路面加宽工程而言，路面由于差异沉降的产生所带来的损害来进行仿真，用来分析在公路加宽工程中新路基和老路基产生不同沉降对路面层结构的破坏和力学影响，从而找出其中的规律。Fujiwara通过对有限元的理论研究，分析了在路面运行过程中里的加载方式、荷载对路面作用次数、荷载的大小等因素对拓宽路基沉降的影响。
在关于沉降计算方面，1967年，Clough和Woodward对大坝边坡稳定性用有限元法进行分析，而后Duncan提出了土体非线性本构关系模型。占德曼等其他研究人员建立了相关的接触面有限元模型来对岩石节理和不连续结构面的强度和变形，这一模型使得结构之间不连续面的相关问题得到了解决。
Humphrey . D.N对软土地基上关于铁路的路基的加宽加筋处的处理方式进行了分析评价，总结了各种排水状况下对路基的影响，对块状和圆弧两种情况下引起的破坏，得到以下结论:在无论何种情况下，在路基使用土工格栅加筋处治措施来解决路面差异沉降，显著的增强了拓宽路基的稳定性。
孙伟对高速公路路基在没有经过处理的情景下进行高速公路的扩建工程进行分析，研究其中地基和挖方和填方路基的变形特性，并研究了模量对变形的影响。得到了以下结论：软土地基的模量的改变是对路基顶面的沉降及差异沉降的影响最大。蒋鑫对路面的使用年限和力学性能进行了分析，发现不同的改扩建方式对其的影响，还对新路基与老路基之间的模量比对路面寿命影响做了分析，表示了当新老路基的模量比1.5大时，就不能用增加土体模量的方法减少差异沉降。
张兴强将汽车动载作为影响路基沉降量大小的因素纳入思考的范围之内，到填方与挖方路基交界处发生的不同的沉降，当沉降差值变成1.8厘米时，在新老路面的交界处会呈现断裂的破坏区域，我们把这个差异沉降值作为临界值。用这种方式来确定临界值较为简单，但是无法保证正确性。
1.3 主要研究内容
经过课前的调查与分析，主要研究内容有：
查阅相关资料，找出路面加宽工程中的典型代表，并以G105高速拓宽工程作为案例，对加宽路基进行有限元分析得出差异沉降的数据，对新旧路基之间的拓宽和塔接方法、施工中需要注意的内容和试验元件的布置的不同对沉降的影响有较为深刻的认识，对路面结构层的应变特性进行分析，得到差异沉降在这之中有多少作用。
2 国内外高速公路扩建调查分析
2.1 国内外高速公路调查分析
2.1.1 国外调研
国外高等级公路改扩建工程中较为典型的有日本的名神高速公路、韩国1号高速公路、荷兰Rotterdam--Antwerpen的A16号高速公路、荷兰Rotterdam--Utrecht的A2号高速公路，德国Chemnitz--Dresden的A4号联邦高速公路、美国State of Tennessee75号和153号州际公路交接段等等。
2.1.2国内调研
沈大高速公路改建工程
a）项目概况
“神州第一路”——沈大高速公路在1990年9月1日建成通车，于两千零二年五月沈大高速公路的扩建改造工程正式破土动工。此次改造扩建工程是我国自建国以来第一次对高速公路开展拓宽工程。高速公路两边的地质地貌情况比较棘手，要考虑多项因素的影响。其中，海城段地基土的种类为可以承受较大力的亚黏土;由泥土、沙性土及黄土质粘土构成了大石桥段和淤泥河段的主要地质。地表有较多的池塘，水塘，沟渠等。软塑状况的粘性土在地基表面上层0. 5-1. 0m处，其下4-7m为软塑-流塑状态的软土，土中含水量较高，硬壳层相对较薄，空隙比大，土质的特点为承载能力相对较低、压缩性能好、渗透性优异。
b）扩建方式
沈大高速公路的拓宽工程主要拓宽方式是2侧各增加8米，总宽度由原来的26米双向4车道变为42米的双向8车道路面，横断面布置形式为:中间中央隔离带的宽度3.0米，路面车道形式为双向四车道共2*4*3.75米；两边硬路肩2*3.0；米两边土路肩2*0.75米;每侧护坡道宽度2.0米。
2.2.2 工程概况
本项目完成后路面为双向八车道按照一级公路水平进行施工，设计速度80千米／小时。
△hi为土层厚度。
若要算出S总，最重要的就是求出地基在Z深度下的荷载，新路和老路荷载均为路面汽车荷载σz。接下去需要求出旧路以及新路在荷载作用下对地基Z深度的荷载σz的影响。
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