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1、新老路基结合部处治技术,主讲人：应荣华长沙理工大学公路工程学院2007年9月,新老路基结合部处治技术主要内容,一路基拓宽工程中的技术特征和工程问题二新老路基不协调变形的特点和计算方法 三路面结构对不协调变形的力学响应 四拓宽路基的设计理论和方法五新老路基结合部处治的原理、方法和施工控制技术,路基拓宽工程的项目背景,在“普及与提高相结合，以提高为主”的公路建设方针下，我们将面临越来越多的公路改扩建工程，主要体现在2个方面：（1）对低等级道路进行拓宽、提高公路等级正成为我国公路发展的主流。（2）随着道路交通量的飞速发展，20世纪90年代早期建成的部分高速公路，先后或即将进入加宽改造阶段。新老路基结
2、合的设计和施工面临着众多的技术问题，1、缺乏可资借鉴的工程经验。2、缺少明确的设计计算理论。3、缺少设计及施工技术规范。,国外研究现状,美国AASHTO-20021版设计方法中，老路拓宽部分的设计中强调了新路和老路必须良好结合，要求新拓宽的路面结构性能尽可能和原有路面相近。认为在常规设计下，旧路拓宽工程中沿结合面的破坏是不可避免的，AASHTO仅提出了以上一些原则和技术措施的建议，但没有提供明确的有针对性的结构设计方法。日本对软土地基上的路基不均匀沉降控制方面进行了多方面的研究，其中包括针对半幅拓宽路堤提出了一系列工程措施。公路拓宽时将原有双向车道保留，作为拓宽后新路的一个方向的车行道，而在一
3、侧不远处（相距13米）增设一新路堤作为新路的另一个方向的车行道。此时原有修筑的路堤已经完成固结沉降而处于稳定，而由于拓宽路堤的影响，老路堤也倾向于新路堤一侧沉降，导致老路堤路表平整度下降，路面开裂。推荐采取的措施一般有：通过在原有路堤外侧路肩处竖向打入一定深度的板桩，使新拓宽路堤的沉降隔离在板桩处，以起到消除由于新路堤的沉降给老路堤带来的连带沉降影响；或通过在新路堤地基部分设置挤实砂桩、石灰桩等复合地基来减小新路堤的沉降量，最终达到减小老路堤的影响；以及通过在新填路堤地基处打入预制桩来减小新路堤的沉降。,美国哥伦比亚大学对用加筋土挡墙进行路基拓宽的设计和施工作了深入研究。进行内部稳定性分析时，
4、采用2楔块模型（如图1-1），进行外部稳定分析时，采用Fellenius分析法（如图1-2）。地基沉降变形分析采用e-p曲线和分层总和法，当地基固结变形超过10cm时，需要采用有限元方法计算固结变形导致的不协调变形在加筋挡墙中产生的附加应力。整个加筋拓宽工程的施工流程如图1-3所示，对老路基边坡开挖的具体要求如图1-4所示。,图1-4 老路边坡台阶开挖(据文献4),总体来说，国外通过合理的规划尽量避免拓宽所带来的新老路基结合问题，当确实需要进行拓宽时，采取了各种措施减小新老路基结合的不良影响。主要措施包括：避免新老路面的结构差异，在新老路基间设置沉降隔离桩，处治地基，结合部加筋和结合部边坡处理
5、，轻质路堤等。但对新老路基结合的病害及形成机理缺乏系统、深入的阐述，也没有建立相关的设计理论。,国内研究现状,八、九十年代以前我国公路建设多以新建为主，在原有道路上进行拓宽、改建的工程十分罕见，关于路基拓宽和新老路基结合部处治等问题并不突出。所以现行公路路基设计规范公路路基施工技术规范公路设计手册路基以及其它相关规范对此类问题涉及甚少，有关工程经验也比较欠缺，对成因机理、结构响应和工程对策等方面的研究才刚刚起步。九十年代中后期，我国开始面临大量的道路拓宽工程，设计和施工人员在设计和施工中作了很多尝试性研究。,一路基拓宽工程中的技术特征和工程问题,（1）新老路基结合的既有方式及其影响因素,路基拓
6、宽的方式的分类因素 归纳起来，路基拓宽方式的分类因素有5项，即：地形地基条件、路基的拓宽范围、新老路基填挖形式、新老边坡类型、共同作用层厚度。其中，新老路基填挖形式指路基为填方路堤形式或者挖方路堑形式，新老边坡类型指自然放坡或设支挡结构，共同作用层厚度指新老路基由于标高差而产生的共同填高层（或挖方层）厚度。,路基拓宽的主要方式,根据上述5项分类因素，可以将路基拓宽、新老路基结合方式分为17大类、36小类。1、挖方老路基挖方新路基如图2-1所示，为山区非陡坡道路单内侧挖方拓宽方式。新、老路基均完全由挖方形成，但两者可以因路基标高不同，有不同的共同作用层厚度。此类拓宽方式由于新老路基的总体相近，由
7、新老路基不协调变形而引起的病害较为少见，其主要问题是内侧道路挖方所造成的排水不良。,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基图2-1 挖方老路基+挖方新路基,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基图2-2 挖方老路基+填方新路基,2、挖方老路基+填方新路基 如图2-2所示，为山区非陡坡道路单外侧填方拓宽型式。老路基为全路堑型式，新路基由自然放坡而成。拓宽路基填料多选用就近路段的挖方体，新、老路基在在填料类型、压实度等方面均存在一定的差异；非陡坡的拓宽还可能处于洪积层、坡积层等软弱地基区域，此时与平原软土地基的路基拓宽存在类似的问题。3、半填半挖老路基+挖方新路基如图2-3所示，为山区非陡坡道
8、路单内侧挖方拓宽型式。老路基为半填半挖，新路基由挖方形成。此类拓宽方式和拓宽方式1存在相同的问题。4、半填半挖老路基+填方新路基如图2-4所示，为山区非陡坡道路单外侧填方拓宽型式。老路基为半填半挖，新路基为填方，这类拓宽方式的核心问题在于同一断面上的路基土存在较大差异：老路基挖方部分为山体开挖的原状土且经多年行车荷载作用，老路基填方部分也经过多年固结和行车荷载作用，而新路基则是自然放坡的新填路基，固结度小，潜在变形较大。,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基 图2-3 半填半挖老路基+挖方新路基,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基图2-4 半填半挖老路基+填方新路基,5、填方老路堤+
9、挖方新路基如图2-5所示，为山区非陡坡道路单内侧挖方拓宽型式。这类拓宽方式的主要问题一是新、老路基性能差异大，二是新老路基结合面为原自然边坡，相对薄弱。,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基图2-5 填方老路堤+挖方新路基,6、填方老路堤+填方新路堤如图2-6所示，为山区非陡坡道路单外侧填方拓宽型式。其主要问题是新、老路基填筑年代不同，一方面两者在填料和压实度方面可能存在差异；另一方面两者的固结程度也不同，易发生工后不协调变形，导致相关病害。,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基图2-6 填方老路堤+填方新路基,7、挖方老路基+两侧拓宽新路基如图2-7所示，为山区非陡坡道路双侧拓宽型式
10、。老路基为挖方路基，新路基则一侧为挖方路基，另一侧为填方路基。这类方式兼有填方拓宽和挖方拓宽的特点。,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基图2-7 挖方老路基+两侧拓宽新路基,8、半填半挖老路基+两侧拓宽新路基如图2-8所示，为山区非陡坡道路双侧拓宽型式。老路基为半填半挖，老路内侧为挖方拓宽，外侧为自然放坡填方拓宽。这类拓宽方式在道路横断面上形成4种不同的路基类型，即挖方新路基、挖方老路基、填方老路基和填方新路基，它们在路基材料、压实度和固结程度等方面都存在差异，从而导致路基路面的不协调变形。,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基图2-8 半填半挖老路基+两侧拓宽新路基,9、填方老路堤
11、+两侧拓宽新路基如图2-9所示，为山区非陡坡道路双侧拓宽型式。老路基为填方路基，老路内侧为挖方路堑拓宽，外侧为自然放坡填方拓宽。此种型式兼有挖方拓宽和填方拓宽的特点。,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基图2-9 填方老路堤+两侧拓宽新路基,10、路堑老路堤+单侧挖方新路基如图2-10所示，为山区全路堑老路基单侧拓宽型式。由于新路基、老路基均为挖方路堑拓宽，除挖方区域属不良地基条件，新老路基的地基条件一般差异不大，但仍需要重视路基路面排水。,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基图2-10 路堑老路堤+单侧挖方新路基,11、路堑老路堤+双侧挖方新路基如图2-11所示，为山区全路堑老路基双
12、侧拓宽型式。型式与结合方式10相似，只是从单侧拓宽变为双侧拓宽。由于挖方拓宽通常需重新设置边坡防护，因此对双侧拓宽来说，边坡防护工程量要大于前者。,a 新路基高于老路基 b新路基低于老路基图2-11 路堑老路基+双侧挖方新路基,12、路堑老路基+外侧拓宽如图2-12所示，为山区陡坡单外侧拓宽型式。老路基为挖方，拓宽处分别设置了支挡结构（如重力式挡土墙）、栈桥结构、填土放坡。该三类结合方式所处地形通常较为陡峻。设置挡墙的结合方式应首先确保挡墙本身的稳定性，另外还需注意墙背填料填筑时的施工质量、填料的级配等要求，以控制墙背填料的工后差异沉降；栈桥形式拓宽，拓宽部分须建造成桥梁结构形式，建筑成本有所
13、上升，但通常相应病害会减少较多；外侧拓宽处放坡需要大量土石方，投资上不经济，且施工困难，对该处原地面产生的附加荷载大，极易产生拓宽处放坡路堤与老路基间的过量差异沉降，从而造成路面相关病害。,a 外侧拓宽设挡墙 b 外侧拓宽设栈桥 c 外侧拓宽放坡图2-12 路堑老路基+外侧拓宽,13、半填半挖老路基外侧拓宽设挡墙如图2-13所示，为山区陡坡单外侧拓宽型式。老路基为半填半挖型式，填方部分采用放坡型式或者设置支挡结构，而新路基均为在外侧拓宽处设置支挡结构。当老路填方采用外侧放坡型式时，给新路外侧拓宽处挡墙的设置创造了一定的有利条件。除非老路填方边坡本身存在明显稳定问题和施工质量问题，已出现一些病害
14、，此时挡墙设置应考虑尽可能埋设至老路基的地基层面中，一般正常情况下可适当减小挡墙高度，以节省工程造价。而当老路填方部分设置支挡结构时，由于地处陡坡区域，新设置的挡墙通常需建造得较高，且新老挡墙间的墙背填筑施工难度较大，通常不易压实，拓宽路基易形成工后压密变形。,a 老路基放坡 b老路基设挡墙图2-13 半填半挖老路基+外侧拓宽,14、半填半挖老路基外侧拓宽放坡如图2-14所示，为山区陡坡单外侧拓宽型式。老路基为半填半挖型式，填方部分在路基外侧设置挡土墙或者采用放坡型式，新路基均为在外侧拓宽处采用放坡型式。由于地处陡坡区域，该拓宽方式填土石方量均较大。当老路基填方部分外侧设置挡墙时，新路拓宽时填
15、筑的土、石方量相当巨大，对当地地形地貌改变较大，由于路堤填土引起的道路地基受到的附加荷载相当明显，若该处地基本身属于不良地基，则更易造成地基的二次固结变形和填筑体本身的压密变形，新、老路基间不可避免地产生相当的差异沉降，路面面层通常会在通车后一段时间内产生相关病害；当老路基填方部分采用放坡型式时，由于新路基拓宽宽度不大，而路堤填筑深度较大，填筑体形状成狭长形（当地称“一把刀”），施工难度大，常用的道路压实机具无法展开施工，因此压实度难以保证，易留下质量隐患，也易出现新老路基结合不良的相关病害。,a 老路基设挡墙 b 老路基放坡图2-14 半填半挖老路基+外侧拓宽放坡,15、填方老路堤放坡+填方
16、新路基放坡如图2-15所示，为平原地区拓宽型式。老路基为全填方放坡的路堤型式，新路基为单、双侧填方放坡拓宽。平原地区拓宽宽度通常不受山区地形限制，若新老路线形不变，新路断面布置时可以考虑在新老结合部路表位置设置一些容许差异沉降的分隔带，如中央分隔带、机非分隔带等沉降隔离设施。由于平原地区软弱地基较为普遍，新路基荷载易使老路基发生二次沉降，从而在老路路面内产生附加应力，造成路面的损坏。,a 单侧拓宽 b 双侧拓宽图2-15 填方老路堤放坡+填方新路基放坡,16、填方老路堤挡墙+双侧填方新路基如图2-16所示，为平原地区拓宽型式。老路为填方路基，两侧设置支挡结构，新路向老路两侧填方拓宽。其主要问题
17、是利用了老路挡土墙，由于挡土墙墙面的直立特性，新老路基沉降的过渡范围几乎没有，因此在老挡墙与新路基交界处易发生沉降突变，相关病害（如纵向裂缝）也往往发生在此附近。,a 填方新路基设挡墙 b 填方新路基放坡图2-16 填方老路堤挡墙+双侧填方新路基,17、填方老路基单侧填方新路基如图2-17所示，为平原地区拓宽型式。此类结合方式在新路断面中均设置了中央分隔带。利用中央分隔带可以形成新老路基之间的不协调变形缓冲带，但由于拓宽路基造成的老路基二次沉降同样不可忽视。,a 老路基放坡新路基挡墙 b 老路堤挡墙新路基放坡,c 老路基挡墙新路基挡墙图2-17 填方老路堤+单侧填方新路基,新老路基结合不良有关
18、的相关病害主要有四类，即：路基损坏、支挡结构损坏、路面损坏、路面整体性能下降。其中，路面损坏是新老路基结合最常见的病害，路基损坏和支挡结构损坏是稳定性不足在拓宽工程中的表现，而路面整体性能下降是伴随着以上各种病害的发展而产生。,（2）路基拓宽的工程技术问题常见病害及其成因机理,图1-1 拓宽路基整体坍塌 图1-2 路基失稳后路面结构脱空,图1-3 支挡结构位移开裂 图1-4 支挡结构失稳,图1-5 沥青路面纵向裂缝,图1-6 水泥砼路面纵向裂缝,可以从两个主要方面分析拓宽公路出现的各种病害的产生机理，即新路基稳定性不足和新老路基不协调变形。1)新路基稳定性不足 新路基稳定性不足是指拓宽路基自身
19、稳定性不能充分满足稳定要求，其产生的原因包括拓宽部位地基过陡和拓宽部位地基软弱。,路基拓宽工程病害的成因机理,拓宽部位地基过陡,拓宽部位地基软弱,2)新老路基不协调变形,新老路基不协调变形以不均匀沉降为主，道路拓宽所带来的不协调变形主要为横向的不协调变形。新老路基不协调变形的形成原因包括以下四点:1 新老路基差异沉降2 新老路基、路面抗变形能力差异3 老路基结合不良4 排水系统不完善、设施养护不及时,1 新老路基差异沉降（1）新老路基地基变形差异引起的差异沉降图1 新老路基地基变形差异引起的差异沉降,（2）新老路基填方高度不同引起的差异沉降图2 新老路基填方高度不同引起的差异沉降,（3）新老路
20、基填料或压实度不同引起的差异沉降图3 受地形限制的山区路基拓宽难以确保压实度,新路基自身填料质量差，抗风化性能、抗淘蚀性能不足、工后压密变形大，也是造成差异沉降的重要原因。施工过程中路基填料多半就近从挖方断面上直接获取，对材料粒径、级配及材料本身的物理力学品质等方面控制不严，填料中含有有机植物根茎及腐蚀性耕植土的现象较为普遍（如图2-32）。山区路基填土多为土石混合料，对路表水和地下水有一定渗透能力，填料中细颗粒材料通常占很大比重，渗水时易发生淘蚀，并且在施工过程中难以确保其压实度（如图2-33）。,图2-32 填料中含有有机植物根茎 图2-33 填料中含有巨大的石块,2 新老路基、路面抗变形
21、能力差异,路基填料或者压实度的不同导致新老路基、路面整体回弹模量存在差异。新老路基回弹模量不同，导致新老路基、路面抗变形能力存在差异。新路基处的抗变形能力要显著弱于老路基。,路基土压实度与回弹模量的关系,新老路基的路表弯沉对比,安旬二级公路新、老路路表当量模量对比（PFWD）,3 老路基结合不良,（1）新老路基结合面处治不当新路基填筑时表面根植土或松散土未清除，形成薄弱面或潜在滑裂面，甚至可以诱发填方路基失稳。并且，新老路基结合部施工工艺较复杂，施工难度大，往往在此产生人为的质量因素。（2）台阶开挖不合理据调查，山区公路填方路基施工时，无论是台阶的数量还是台阶尺寸，很少在结合面上按规范开挖，致
22、使新老路基结合部结合不良，形成潜在的滑裂面。（3）结合面上的蠕滑由于新老路基结合面强度不足，拓宽路基沿结合面发生蠕滑，在新老路基结合部产生错台。错台的出现导致路面支撑的减弱，继而发生唧泥和脱空扩张，最终导致半刚性基层或者水泥混凝土板的断裂。,4 排水系统不完善、设施养护不及时,排水设施不完善，设施布置不合理，导致地表水下渗，形成滞水、积水和渗水,路基土受水浸泡而湿软，强度急剧下降。另外，山区暴雨可能造成坡体发生很小的坍塌，淤塞道路内侧边沟，养护不及时可导致路基上侧雨水漫过路面，雨水可能从路面渗入路基。若路面已经开裂，雨水自裂缝进入路基，加剧裂缝扩张并导致路基强度下降。,路基土回弹模量与含水量的
23、关系,二新老路基不协调变形的特点,2.1 新老路基不协调变形的组成 按照沉降形成的原因来分类，新老路基不协调变形主要由三个方面组成：1、新老路基的自身压缩变形图2-1 新老路堤自身压缩和固结变形引起的不协调变形,2、新路基作用下地基的固结沉降图2-2 由于地基固结变形引起的不协调变形,3、新老路基接合部结合强度不足图2-3 由于结合部滑移变形引起的不协调变形 不同工程特点和地基地质条件下，拓宽工程出现的新老路基不协调变形产生的主要组成机理不同，反映到路面结构上的损坏部位也不同，设计和施工时要有针对性地采用处理措施。,对新老路基不协调变形的认识还存在不同,1、老路基是否发生变形 有不少分析将老路
24、基或者老路面结构假定为固定边界，只分析新路基的变形，将此变形作为拓宽所产生的差异沉降。事实上，新路基荷载施加以后，可以通过老路边坡将部分荷载传递给老路基，从而使老路基及老路基以下的地基发生压缩变形和固结变形（如图3-4）；另外，当新路基发生沉降以后，通过界面间的负摩阻力促使老路基也发生变形（如图3-5）。并且，在现场调研中发现，拓宽工程中很多路面病害发生在老路部分，其原因就是由于拓宽路基的自重荷载导致了老路基顶面发生了不协调变形。所以，在分析中将老路基视为固定边界条件，忽视老路基在新路基荷载作用下的变形，就不能正确、合理地分析新老路基不协调变形地组成、大小和形态分布。,图3-4 新路堤自重荷载
25、对老路堤形成的上覆压力,图3-5 新路堤沉降变形对老路堤形成的负摩阻力,2、新路基荷载作用下发生的变形是否即为不协调变形很多分析将新路基荷载作用下的变形直接作为不协调变形，并以此不协调变形作为最终的控制指标。但是在施工过程中，新路堤的瞬时压缩变形和部分固结变形已经完成，而这一部分变形造成的沉降可以通过施工补填来恢复，只有施工结束后的变形才最终形成了对路面结构产生影响的不协调变形。对于老路堤，如果在原有路面结构上加铺新的路面结构，可以通过底基层或垫层找平来弥补施工期间的沉降；如果继续利用原有路面结构，则不能通过回填来减小施工期间发生的沉降，最终反映到路面结构部分的不协调变形是老路堤在施工期间和施
26、工结束后发生的总沉降。实际拓宽工程中，为发挥原有路面的使用寿命、节约工程投资，常采用利用原路面结构的方案；若原路面结构损坏严重或路面等级较低，则需要在原路面结构上加铺新的路面结构。所以，老路基顶面的不协调变形计算需要在分析中按照原有路面的利用情况区别对待。,关于计算模型的基本考虑由不协调变形的组成和机理分析可知，不协调变形在不同拓宽条件下有不同特点，且构成不协调变形的各组成部分计算相当复杂，涉及到新老路基的共同作用（新路基通过上覆压力和负摩阻力协同老路基共同工作）、路基及地基的固结沉降和工后变形、不同土质条件等。这些因素很难通过纯理论解来考虑，而有限元法可以考虑复杂的边界条件和模拟材料的非线性
27、以及状态的非线性，故可以在新老路基不协调变形的分析中采用有限元法。道路为条带形结构物，其受力状态为典型的平面应变问题，故采用二维有限元模型，按照平面应变问题处理。另外，采用二维有限元模型与三维有限元模型相比，在能够保证足够精度的前提下，节省大量的计算时间和内存。,并且，对路面结构产生影响的不是沉降总量，而是工后不协调变形，故在沉降计算中要考虑到沉降随时间变化的问题，从而需要在有限元分析中考虑土体的固结理论。通过研究沉降随时间的变化，可以为合理预留施工超高和最终确定形成的不协调变形提供合理的依据。路堤的稳定性是所有路堤设计都必须考虑的问题，新老路基结合部设计也不例外，设计的最基本要求就是要保证拓
28、宽路堤的稳定，所以新老路基接合部不协调变形分析的基本假定就是拓宽路基无稳定性问题，即新老路基结合面不会出现因稳定性问题而出现的滑移和错台。,土体的初始应力状态是指在初始固结状态时地基内部任意一点的竖向有效应力和水平向有效应力的大小及其关系。土体的变形和强度特性与初始应力状态密切相关，对地基中土体的初始应力状态不清楚，就无法正确了解其变形和强度特性。路基拓宽工程中，由于地基和老路基在老路基自重荷载作用下已发生固结变形，其初始应力分布状态不同于地基表面水平情况下的线性分布，所以，准确获取老路基作用下地基和老路堤的初始应力分布状态是求解不协调变形的关键。,2.2新老路基不协调变形的计算模型和方法,1
29、 关于计算模型的基本考虑 道路为条带形结构物，其受力状态为典型的平面应变问题，故采用二维有限元模型，按照平面应变问题处理。新老路基接合部不协调变形分析的基本假定就是拓宽路基无稳定性问题，即新老路基结合面不会出现因稳定性问题而出现的滑移和错台。路基拓宽工程中，由于地基和老路基在老路基自重荷载作用下已发生固结变形，其初始应力分布状态不同于地基表面水平情况下的线性分布，所以，准确获取老路基作用下地基和老路堤的初始应力分布状态是求解不协调变形的关键。2 有限单元法模型 由于道路为条形结构物，其空间应力分析可简化为平面应变问题，故分析中采用ABAQUS单元库中的平面应变孔隙水压力单元4PE4P。3 地基
30、固结理论及岩土本构关系,1)地基固结理论 土的固结包含了水的渗流和土的变形两方面，是两者的耦合问题。Biot固结理论较全面地考虑了两者的结合，是比较完善的多维固结理论。2)岩土本构关系 考虑到岩石、土体等材料属于颗粒状材料，此类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度，不仅静水压力可以引起岩土塑性体积变化，而且偏应力也可能引起塑性体积变化（剪胀），故采用能准确描述这类材料的Drucker-Prager模型，其屈服条件为广义von Mises屈服条件。4 模型基本假设、网格划分和计算流程 考虑到道路拓宽问题的影响因素比较复杂，为计算简化，特作如下假定：1、按照平面应变问题进行考虑，进行二维有限元分析；
31、,2、土体为弹塑性材料，采用修正的D-P模型进行模拟。3、新老路基结合部处治较好，不会因为稳定性不足而出现滑移，接触条件为完全连续。4、老路基和地基的初始应力场由老路基和地基的自重荷载产生。5、边界条件：地基底面两个方向均为约束，地基宽度外侧水平向约束，如双侧拓宽则进行对称性分析（路堤中心线处加对称约束）；地基宽度外侧及地表为透水边界，地基底面为不透水边界。网格划分如图3-7所示。图3-7 网格划分示意图,模型的计算流程如下：1、将新老路基单元均杀死（kill、remove）为空单元，对地基部分施加重力，实现地基在自身重力作用下的地压平衡；2、将老路堤转化为实体单元，施加重力，得到在老路基自重
32、荷载作用下的应力场；3、保持原模型和网格划分不变，重新进行计算。将上步获得的应力场作为初始条件施加到模型中，将新路基单元杀死为空单元，对老路基和地基施加重力，实现在老路基和地基重力作用下的地压平衡；4、模拟施工工程，当拓宽到某一层时再将该单元转化为实单元，并施加重力，每步按照增量迭代法计算；得到施工结束后路堤顶面的沉降；5、计算施工完成后路堤顶面的沉降；6、整理沉降数据。新路基部分的不协调变形为新路堤荷载作用下的路堤顶面工后沉降，老路基部分的不协调变形则按照老路路面的利用原则分别进行整理。,2.3 不同工程条件下新老路基不协调变形的特征 1 拓宽方式和拓宽宽度对不协调变形的影响 1)单侧加宽
33、单侧拓宽随着拓宽宽度的增加，不协调变形逐渐增大。随着拓宽宽度的增加，拓宽路基对老路基产生的附加应力逐渐增大，导致老路基产生的沉降逐渐增加；但拓宽宽度超过一定范围后，增加的宽度对老路基产生的附加应力较小，故此时增加拓宽宽度引起的老路基沉降增加不明显，且拓宽路基表现出一定的新建路基的性质，即工后不协调变形发生在路基中间部位。从控制不协调变形的角度出发，需要控制拓宽的新路堤宽度。通过建立的有限元模型进行拓宽不协调变形的分析，老路堤宽度为10m，需拓宽路堤宽度分别为4m、10m、15m，路堤高度为4m，边坡1：1.5。,路堤填土及地基土质材料参数见表2-1。计算得到拓宽宽度对不协调变形的影响如图2-4
34、、2-5所示。表2-1 路堤填土及地基土计算参数,图2-4 拓宽宽度对老路顶面不协调变形的影响图2-5 拓宽宽度对新路顶面不协调变形的影响,可见，随着拓宽宽度的增加，不协调变形逐渐增大，当拓宽宽度为4m时，老路堤顶面不协调变形的最大值为11.2cm，新路堤不协调变形的最大值为0.3cm，而当拓宽宽度增加到15m时，老路堤顶面不协调变形的最大值增加为21.3cm，新路堤顶面不协调变形的最大值也增加为1.8cm。当拓宽宽度由4m增加到10m时，老路基顶面的不协调变形增加了7.4cm，而由10m增加到15m时，老路顶面的不协调变形只增加了2.6cm；并且，当拓宽宽度较小时，新路基顶面不协调变形的最大
35、值发生在新路堤的边缘，当拓宽宽度达到15m后，不协调变形的最大值出现在新路基边缘内侧，即在拓宽路面上出现反坡，雨水季节新路面上容易出现雨水聚集，路面使用功能下降并且造成路面结构的水损害。说明随着拓宽宽度的增加，拓宽路基对老路基产生的附加应力逐渐增大，导致老路基产生的沉降逐渐增加；但拓宽宽度超过一定范围后，增加的宽度对老路基产生的附加应力较小，故此时增加拓宽宽度引起的老路基沉降增加不明显，且拓宽路基表现出一定的新建路基的性质，即工后不协调变形发生在路基中间部位。,从上面的分析可以看出，拓宽宽度的增加导致了不协调变形的增加，所以从控制不协调变形的角度出发，需要控制拓宽的新路堤宽度。但是实际拓宽工程
36、需要拓宽的宽度由交通预测和规划确定，当需要的拓宽宽度较宽时，可以从改变拓宽方式的角度来解决问题，即将需要拓宽的宽度分配到老路两侧，降低每侧的拓宽宽度，构成双侧拓宽。,2)双侧加宽 采取双侧拓宽与单侧拓宽相比较，老路部分的不协调变形明显改善。其原因在于双侧拓宽后，拓宽路堤自重荷载对老路中部的附加应力得到增加，从而使老路中部也发生较大的沉降，相应减小了整个老路部分的不协调变形。采用双侧拓宽方式的拓宽工程在路基顶面产生的不协调变形：老路宽度10m，拓宽宽度为15m，两侧均拓宽7.5m，其他计算参数同上，按照对称性取半截面进行分析，得到图2-6至图2-9。图2-6路基竣工时顶面沉降曲线图 图2-7路基
37、顶面总沉降曲线图,图2-8 路基顶面工后沉降曲线图图2-9新、老路基顶面不协调变形,由图3-25可以看出，采用双侧拓宽的方式，将15m的宽度分配到道路两侧以后，老路部分5m的范围内出现了3.04cm的不协调变形，平均变坡率为0.6%；由图3-21可见，当采用单侧拓宽时，拓宽15m在10m宽的老路部分产生的不协调变形为21.3cm，平均变坡率为2.13%。可见，采取双侧拓宽后，老路部分的不协调变形明显改善。其原因在于双侧拓宽后，拓宽路堤自重荷载对老路中部的附加应力得到增加，从而使老路中部也发生较大的沉降，相应减小了整个老路部分的不协调变形。,由单、双侧拓宽方式产生的不协调变形可以看出，采用双侧拓
38、宽能够将拓宽路堤的自重荷载分配到老路堤两侧，极大地减小了不协调变形量并改善了不协调变形的曲线形态，对路面结构的受力状况较为有利；另外，采用双侧拓宽可以减小拓宽所需的土石方量。但是，双侧拓宽同时也增加了施工难度和费用，并给施工期间开放交通的控制带来困难。所以，对拓宽方式需针对实际的拓宽工程，在道路选线时综合考虑。,2 不同地质条件的路堤拓宽 1、平原软土地区的路堤拓宽,平原软土地区，由于地基下卧层土质条件较差，压缩性大、固结时间长，故地基的工后压缩变形对不协调变形的贡献非常大。地质勘测时获取准确的地质资料对拓宽设计具有决定性的意义。仍以老路堤宽10m，单侧拓宽15m为例，拟三种软弱土材料，变形模
39、量分别为1.25MPa、2MPa、3.5MPa，得到新、老路基顶面的不协调变形的曲线分别如图3-26、3-27所示。,图3-26 土质条件对老路基顶面不协调变形的影响,图3-27 土质条件对新路基顶面不协调变形的影响,可见，不同土质条件下，不协调变形值差异很大。所以，老路拓宽设计前一定要对沿线的土质条件做详细的地质勘查。当软弱层埋深较浅、厚度不厚时，可以采用开挖换填的方法改善地基土质条件，从而减小不协调变形；当软弱层埋深较深或很厚时，可以采用复合地基和铺设土工格栅等工程措施进行处理。,2、高路堤的路堤拓宽 土质条件较好的地区，但地形复杂，存在着很多高路堤的路堤拓宽的实际情况，在这种工程条件下，
40、路堤不协调变形的主要成因是路堤在工后的压缩蠕变和固结变形。当填土主要为土质条件较差且固结时间较长的粘土时，工后的固结变形起主导作用；当填土为土石混填时，由于粗粒石块的相互滑移和路堤压实度不够，导致施工结束后的压缩变形占有很大的比例。而当老路面继续利用时，老路基顶面由于拓宽路堤自重荷载的作用发生较大的变形，在路堤高度过高时尤其明显，这种由于拓宽路堤荷载导致的老路基沉降而发生的不协调变形对老路面产生了巨大的损害。路堤高度为8m时，老路基顶面的不协调变形为8.8cm。现将路堤高度增加到15m，其他计算参数保持不变，得到相应的老路基顶面不协调变形如图3-28所示，可知老路基顶面不协调变形增加到10.4
41、cm。,图3-28 路堤高15m时老路基顶面不协调变形图,高路堤拓宽设计中，为节约土石方量和道路征地面积，通常采用挡墙结构。显而易见，设置挡墙后，减少了拓宽后的填土，从而减少了拓宽填土自重荷载对老路堤的作用，使老路堤在施工期间的沉降大为减少，对老路的利用非常有益。以8m高的路堤拓宽案例进行分析，在拓宽设计中采用柔性挡墙，在原规划红线中加以拓宽，得到施工期间的新老路基变形如图3-29所示。在设置挡墙以后，施工期间老路堤顶面发生的不协调变形减小为5cm，相对于不设挡墙的不协调变形减小了45%左右。在高路堤设置挡墙的工程中，必须对路堤及挡墙的稳定性做特殊验算，防止由于挡墙失稳而造成的新老路基之间的滑
42、动，从而在新老路基结合部产生裂缝或错台，从而对路面结构产生损害。,图3-29 设挡墙高路堤拓宽施工期间路堤顶面沉降图,3 不同地形条件的路基拓宽在实际拓宽工程中还存在路堑挖方拓宽的案例。选取一典型挖方拓宽进行分析，拓宽几何参数及平面图见图3-30，地基土质参数如表3-1。计算得到路基施工结束后沉降及固结完成后的沉降图（如图3-31、32），分析数据获取新老路基顶面的不协调变形（如图3-33、34）。.,图3-30 挖方拓宽分析案例几何平面图,图3-31 挖方拓宽路基竣工时沉降及总沉降图 图3-32 挖方拓宽工后沉降图,图3-33 挖方拓宽老路基顶面不协调变形曲线 图3-34 挖方拓宽新路基顶面
43、不协调变形曲线,由图3-33、3-34可见，由于挖方而引起的新老路基不协调变形是不容忽视的。老路基顶面不协调变形的变坡率也达到了0.6%，并且在新老路基结合部位同样出现了变坡率的突变问题。所以，路堑挖方拓宽工程和路堤拓宽工程均存在着不协调变形的问题，设计中应该从减小不协调变形的角度出发，采用各种工程措施进行结合部的处理。,2.3 新老路基不协调变形的特点 通过对不协调变形的各种因素进行系统分析，可以总结出不协调变形的一些总体特征。填方拓宽工程中，老路基在新路基荷载作用下，远离拓宽路基的部分沉降较小，靠近拓宽路基的部分沉降较大，且不协调变形的变坡率也呈同样趋势。新老路基不协调变形随着拓宽宽度的增
44、大而增大，当拓宽宽度超出老路基坡脚范围时，不协调变形在达到最大值后逐渐减小，从而呈现出一定的盆形反坡。,老路堤的不协调变形呈上凸状，新路堤的不协调变形呈下凹状，路基顶面的不协调变形总体呈“”型。由于新路基在施工期间的沉降可以通过施工回填来弥补，而当老路路面直接利用时，老路基在施工期间的沉降直接反映到老路路面底面；另外新路基在施工后会发生工后压密变形，故新老路基结合部附近会出现变坡率的突变。较单侧拓宽而言，采用双侧拓宽能够将拓宽路堤的自重荷载分配到老路堤两侧，极大地减小新老路基不协调变形量。,三 路面结构对不协调变形的力学响应,路基拓宽所引起的新老路基不协调变形将使路面结构产生附加应力，不协调变
45、形越大，结构附加应力越大，当不协调变形超过一定值时，结构附加应力与荷载应力叠加超过路面结构强度，从而导致路面结构损坏。1 基于路基不协调变形的路面结构分析模型新老路基顶面不协调变形引起的路面结构附加应力的计算可采用有限元法。分析路面结构对不协调变形的力学响应采用三层体系，即面层、基层和底基层。计算中采用如下假定：（1）路面各结构层为连续均质、各向同性的线弹性材料，力学特性用弹性模量E和泊松比表征；,（2）路面各结构层在垂直方向完全连续，即不协调变形随时间而缓慢增长，路面各结构层在行车荷载与自重作用下随之下沉，层间不会出现脱空现象；沥青面层和基层、基层和底基层之间接触条件为完全连续，底基层和地基
46、之间为光滑接触条件。（3）按平面应变问题进行分析。采用平面八节点等参单元，面层厚度方向只划分为1层，基层和底基层划分为2层，网格划分图如图4-1所示。边界条件为在底基层底面竖直方向直接施加不协调变形，其它各边自由。图4-1 平面有限元分析网格划分示意图,以老路路面宽10m，单侧拓宽15m为例，进行典型路面结构的力学响应分析，路面结构参数见表4-1。表4-1 典型路面结构和材料参数,2 老路路面结构不利用时路面结构的力学响应在道路拓宽工程中，在以下两种情况下需要在老路路面结构上铺筑新的路面结构：（1）原路面结构损坏严重或路面等级较低，不能满足拓宽后路面正常使用的要求；（2）拓宽后路面设计标高高于
47、老路路面标高。在老路路面结构上铺筑新的路面结构，即老路路面结构不再作为路面利用时，可以通过底基层或垫层找平来弥补施工期间的沉降。此时新老路基顶面的不协调变形均由新、老路基的工后沉降组成，由第3章的分析可知，不协调变形在新、老路基顶面呈现下凹式的曲线形态，如图3-17所示。利用大型通用有限元程序ANSYS进行路面结构的力学响应分析，得到路面结构的响应（弯拉应力）如图4-2所示。,图4-2 路面结构的弯拉应力分布图（老路面上加铺新路面）,可见，采用如表4-1所列参数的路面结构在路基顶面不协调变形的作用下，基层和面层底面受拉。考虑到沥青路面的面层结构抗拉强度远高于半刚性基层抗拉强度，在不协调变形的作
48、用下，路面结构首先在基层底面开裂，路面整体强度降低，在行车荷载的作用下裂缝向面层扩展、传播，最终形成贯穿整个路面厚度的裂缝，雨水由裂缝进入，进一步加剧了裂缝的发展和路面的损坏。通过调整新、老路面结构的宽度和不协调变形的形态，进行了大量的力学响应分析，得出结论：路面基层底面最大弯拉应力发生位置可能在拓宽路基部分，也可能在旧路基部分。所以，在老路路面结构不利用的情况下，新老路基下凹形的不协调变形可导致老路基部分路面或者拓宽路基部分的基层底面弯拉开裂。,3 老路路面结构利用时路面结构的力学响应拓宽工程中，当设计标高与老路路面标高相同时，为发挥原有路面的使用寿命、节约工程投资，常采用利用原路面结构的方
49、案。此时最终反映到路面结构部分的不协调变形是老路基在施工期间和施工结束后发生的总沉降，新路基在施工结束后发生的工后沉降。由第3章分析可知，不协调变形在老路基部分呈现上凸形曲线形态、新路基部分呈现下凹形曲线形态，总体呈现“”形，如图3-18、3-19所示。并且，当老路路面结构继续利用时，新、老路面的结合方式由于拓宽道路线形设计的差异有两种可能：新、老路面分离（如中间设置中央分隔带）和新、老路面结合。1、新、老路面分离当新老路面分离时，可以对新、老路面的力学响应分别加以分析。利用ANSYS程序得到新、老路面结构的力学响应（弯拉应力）分别如图4-3、4-4所示。,图4-3 老路面弯拉应力分布图（新老
50、路面分离）,图4-4 新路面弯拉应力分布图（新老路面分离）,可见，当老路路面结构利用且新、老路面分离时，新路基不协调变形在新路路面基层底面产生附加弯拉应力，老路基不协调变形在老路路面基层顶面产生了附加弯拉应力。所以，路面结构的损坏模式包括老路路面基层顶面的拉裂和新路基层底面的拉裂，这和新建路面结构的损坏模式是不同的（后者仅需考虑基层底面的弯拉应力和强度）。,2、新、老路面结合由新老路基不协调变形的特征分析可知，当新、老路面结构结合时，新老路基结合部会形成不协调变形变坡率的突变，即不协调变形曲线的非光滑连续。在该变坡率的突变点将会产生巨大的应力集中，从而导致新老路基结合部的路面开裂（如图4-5）
