本文是道路与铁道工程专业工程硕士论文，主要研究公路路基拓宽改建力学行为及典型工程对策。

第1章绪论

1.1研究的背景及意义

随着近年来我国经济的快速发展，既有公路的运输能力已不能满足日益增加的交通运输量需求，公路运输能力亟待提高。提高公路的运输能力通常有两种途径：(1)增加路网密度，对于城市道路，可选择诸如向上增建高架桥、建设轻轨、向下修建地铁等，对于较长距离的高速公路，则可选择新建公路来增加路网密度，但是却面临着占地多，投资大的弊端；（2)对既有公路进行拓宽改建，这一方法对于城市道路而言，由于受到城区规划的限制，采取该种方案较少，但是对于较长距离的高速公路而言，这一方案不仅能充分利用既有公路，不会增大占地面积，而且具有较好的经济效益。自1997年我国首条高速公路拓宽改建工程-广（州）佛（山）高速公路成功实施以来，己有越来越多的公路进行了拓宽改建，并且已出现由东南沿海等平原地区向西部山区地区延伸发展的趋势。然而，通过对既有公路路基拓宽改建工程实践的调研，表明在公路路基拓宽改建工程中容易出现一些工程病害，主要表现在稳定安全性和变形两个方面：

(1) 稳定安全性问题

一定的稳定安全性是保证旧路拓宽得以顺利进行并正常投入运营的前提。在旧路路基拓宽改建工程中，由于新旧路基之间存在结合面，若结合面处治不当则极易造成工后新旧路基结合面处路面产生沿线路纵向的裂缝，甚至会造成新路基不同程度的坊塌或路面结构的脱空，导致拓宽工程的失败。如图1-1和图1-2所示。

(2) 变形问题

在对旧路基进行拓宽过程中，新路基的填筑将会对旧路基及其下方地基造成一定程度的扰动，产生附加应力。由于新旧路基下方的地基固结程度不同，因此极易引起新旧路基和地基土体变形的差异性，使得在新旧路基顶面产生较大的差异沉降，严重时会导致新旧路基顶面开裂，并最终反射到路面结构，致使路面结构出现反射裂缝等病害，这就极大地降低了路面服务性能，给行车安全带来很大隐患[2-3]。

1.2国外高速公路旧路拓宽概况

国外发达国家早在20世纪30年代就已经开始修建高速公路，并对其进行了必要的改造，因此对高速公路的拓宽改建已有较完备、系统的认识。现以美国和日本在高速公路改扩建方面的经验为例进行介绍[4]。

1.2.1美国高速公路改扩建

至20世纪60年代中期，美国的高速公路网已基本形成。美国的高速公路中央分隔带通常设计较宽。1956年国家州际公路和国防公路集合设计标准中规定，城区高速公路中央分隔带宽为4.9m，乡村高速公路中央分隔带的宽度为11m，1967年出版的AASHTO规范中推荐的最小中央分隔带宽度为18?24m，靠近城区的中央分隔带宽度为7?8m。较宽的中央分隔带既便于排水、管线布设和交通安全设施的布置，同时也便于未来的道路拓宽改建。随着经济的快速发展和交通量的日趋增加，从20世纪70年代中期至80年代中期，美国掀起了一股大规模的高速公路改扩建热潮。由于美国的旧路拓宽改造一般在中央分隔带内进行，因此，新旧路面的工后差异沉降问题并不突出。

1.2.2日本高速公路改扩建

日本于20世纪60年代初开始建设高速公路，到了80年代已陆续建成了名神、中央、东名、首都、阪神等干线高速公路，初步形成了高速公路干线网络。日本的高速公路建设也经历了高速发展、注重提高质量、兼顾维修保养出精品的三个阶段，同时也非常注重建设前期的规划工作，为后续的改扩建留有余地。在地基处理、路基拼接、桥梁拼接和立交拓宽等方面，总结了很多实用的技术，主要积累了以下几个方面的经验。

第2章高地下水位软土地基高速公路路基拓宽方式力学行为比较

2.1有限元模型建立计算分析

选用PLAXIS，该软件计算功能强大、运算稳定、界面友好。PLAXIS中使用Biot固结理论’克服了Terzaghi—维固结理论仅考虑竖向压缩变形和竖向孔隙水渗流的缺陷，渗流问题采用Darcy定律。并可通过Phi/c折减方法，即剪切强度折减法，获得土体结构稳定安全系数。需要说明的是，本文主要开展无工程处治措施时四种拓宽方式力学响应的横向比较，从而为有针对性的工程处治对策的提出奠定基础。鉴于目前国内高速公路拓宽多为双向四车道拓宽为双向六车道或八车道，故本文暂以四拓八为研究背景，尽管双侧对称式拓宽具有对称性，此处仍取全结构以更好地与其它三种拓宽方式进行横向比较。假定地下水位偏高为地表下Im，原路基高度为6m，宽度26m，拼接式拓宽总拓宽宽度为16m，对于分离式拓宽，因其基本等同于在旧路基附近新建路基，故其拓宽路基宽度为26m，新旧路基的边坡坡度均取为1:1.5，地基由14m厚的齡泥粘土和5m厚的密实砂土组成，模型其他具体尺寸如图2-i所示。考虑到原高速公路地基已基本固结沉降稳定，而两侧地基大致为原状地基，故建模时以I区代表远离旧路堤荷载作用范围的游泥质粘土，II区代表旧路堤荷载作用范围内有一定固结度且强度稍高的游泥质粘土。考虑新填路基荷载影响作用范围及试验观测相对方便可行，不妨选取I区新路基外侧坡脚处地表以下3m即地下水位线以下2m处特征点（即图2-1中EP-A、EP-B、EP-C、EP-D等）作为软基超孔隙水压动态监测点。

第3章桩网结构处治软基高速公路路基........... 17

3.1数值分析模型建立.......... 17

3.2主要计算成果分析与讨论.......... 20

3.3本章小结.......... 26

第4章山区公路拓宽路基与衡重式挡..........27

4.1数值分析模型建立..........   27

4.1. 1标准数值模型..........     27

4.1.2计算分析工况.......... 29

4.2主要计算成果分析与讨论.......... 29

4. 2.1宏观潜在滑动面形态及稳定安全系数.......... 29

4. 2. 2稳定安全系数和墙顶水平位移动态变化规.......... 31

4. 2. 3挡土墙墙面水平位移及路基顶面沉降.......... 33

4.2.4基于土-墙动态相互作用的山区公路路基.......... 35

4.4本章小结.......... 38

第5章公路路基拓宽改建工程对策.......... 39

5.1公路路基拓宽改建工程实施.......... 39

5.2控制路基差异沉降的处治对策.......... 39

5. 2.1地基处理 ..........40

5. 2. 2路基处理.......... 43

5.3本章小结.......... 48

结论

如下主要结论：

(1)双侧对称式拓宽潜在滑动面对称，其它三种拓宽方式潜在滑动面无对称性，潜在滑动面均为深入至淤泥粘土内的圆弧状，拼接式拓宽新老路基交界面为失稳控制面，建议釆取开挖台阶、横向铺设土工格栅等处理措施保证新老路基之间良好衔接；

(2)在本文所开展的四车道拓宽至八车道前提下，填筑初期，随着新路基的逐层填筑，双侧对称式和双侧非对称式拓宽路基的稳定安全系数先升后降，新路基发挥着类似反压护道的作用；双侧对称式拓宽、双侧非对称式拓宽路基稳定安全系数高于单侧式拓宽和分离式拓宽；

(3)随着新路基的逐层填筑、施工间歇，软基内超孔隙水压呈现为锯齿状波动，填筑完毕时，超孔隙水压达到相对最大值，在工后固结期，即呈非线性曲线状缓慢消散；

(4)四种拓宽方式新旧路基顶面工后沉降形式不同，双侧对称式拓宽表现为反盆形对称状，在削减工后沉降、工后差异沉降方面双侧对称式拓宽具有突出优越性；

(5)四种拓宽方式所造成的地基侧向位移模式各异，不同拓宽方式对旧路基扰动程度不同，双侧对称式拓宽对软土地基侧向位移的影响相对较小。

参考文献

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[2]傅珍，王选仓，陈星光，等.高速公路拓宽差异沉降对路面结构的影响[J].长安大学学报(自然科学版)，2008,28(3):36-39.

[3]傅珍，王选仓，陈星光，等.拓宽路基差异沉降特性和影响因素[J]?交通运输工程学报，2007，7(1):54-57.

[4]徐强.高速公路改扩建工程技术与实践[M].北京：人民交通出版社，2010

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[9]聂鹏，曲向进，刘奉侨，等.沈大高速公路改扩建工程路基加宽容许工后不均匀沉降指标研究[J].公路交通科技，2005,22(11):18-21.

[10]桂炎德，徐立新.沪杭甬高速公路(红垦至沽诸段)拓宽工程设计方法[J].华东公路，2001,(6):3-6.