旧路基拓宽改建沉降开裂机理及强夯工艺研究

论文摘要

随着我国国民经济的快速发展,高速公路的交通量迅速增长,相当一部分建成使用的高速公路和等级路已不能适应交通量迅速增长和经济社会发展的要求,需要改建和扩建。对旧路拓宽进行升级改造,既节省费用,缩短工期,又可以少占用土地,并有利于环境保护。但高速公路拓宽改建工程会遇到三个关键的问题:(1)新旧地基路基间的差异沉降及其引发的路面纵向开裂问题;(2)新旧路基压实度不均匀问题;(3)新旧路基结合的整体性和强度的一致性问题。本文针对以上高速公路扩建工程中相关的关键技术问题,采用数值模拟和理论分析、现场试验等相结合的方法,对新旧路基的相互作用特性以及强夯技术进行了专门的研究,主要研究内容及成果如下:1)在调研国内外大量高速公路拓宽工程的基础上,对路基拓宽存在的问题进行了综合分析,对路基拓宽差异沉降和开裂机理的研究进行了综述,对目前高速公路拓宽改建工程中采取的消除差异沉降的各种技术措施进行了评价。2)运用有限差分方法模拟高速公路改造中旧路基直接利用的施工过程,对路基不均匀沉降进行流固耦合分析,从而研究旧路基直接利用引起的地基和路基不均匀沉降规律。着重研究了加宽方式、新旧路基高度等多个因素对地基、路基及其差异沉降的影响规律。对地基初始固结进行了计算,并按施工进度进行了模拟;对不同新旧路堤条件下的路堤速度矢量和沉降盆进行了分析;对由于偏心度不同而导致的地基路基最大沉降点的位置进行了探讨。研究发现,高速公路旧路基利用中,若不作处理,在新旧路基的拼接处产生的差异沉降最大。3)基于离心加载方法,利用材料破裂过程分析数值计算方法RFPA,模拟了高速公路扩建工程中引起的路基路堤沉降、基层和面层纵向开裂过程,对单侧、双侧不同拓宽方式及不同填筑高度情况下,路基纵向开裂机理进行了研究,发现路基纵向开裂易发生在新旧路基拼接处。新填筑路堤越高,其稳定性越差,产生的不均匀沉降越严重,随着新路基沉降滑移的不断增加,路基路面产生的附加弯拉应力和附加剪切应力越大,附加应力过大的直接后果就会导致基层产生纵向开裂,基层的裂缝进而反射到沥青面层引起面层纵向开裂。4)对旧路利用中地基路基强夯工艺关键参数进行研究。通过现场动态水压力、超静孔隙水压力和动土压力试验与分析,对地基强夯最优夯击能,两遍夯实之间的时间间隔等关键参数进行了研究,分析了路堤强夯相对于一般地基强夯的不同之处。用动态有限差分法对夯锤与路堤的相互作用过程进行了动态模拟,分析了土体在夯锤作用下的动态响应。运用量纲分析和数值分析等方法,对路堤强夯最优单击夯击能、最优夯击次数、有效深度加固系数的确定进行了研究。给出了考虑地质条件和各种强夯参数的有效深度加固系数的计算公式。通过路面弯沉计算,论证了强夯在旧路利用中的有效性,以及80cm均匀路床区起到的支撑层和缓冲层的作用。5)对威乳高速公路路堤加宽试验段实施了两种方案的强夯试验:第一种为松铺填筑新路堤与旧路,齐平后一起强夯:第二种为分层碾压填筑新路堤,新旧路堤齐平后,对拼接处进行强夯。研究了旧路堤利用中的强夯工艺。提出了强夯质量采用压实度与贯入度控制和相应的检测方法,给出了与以往用固定的贯入度作为止夯标准不同的路堤止夯标准计算公式。夯后进行了压实度测试、回弹、弯沉试验及沉降观测,结果证明两种强夯方案都能满足道路设计要求,但从成本和工期这两个方面来看,方案一优于方案二。通过现场试验的经验和教训,给出了强夯施工工艺要点。6)针对强夯施工振动对周围环境的影响引起纠纷和延误工期等问题,对强夯振动对建筑物的危害和对人员的影响进行了研究,通过现场试验,用快速傅立叶变换对振动数据进行了频谱分析,发现强夯振动主频,与大多数建筑物的主频非常接近,而且竖向振动主频也在人的敏感频率带内。参照国际通用振动界限,通过试验场地及振动测试,得出了建筑物的振动安全距离、人体舒适性降低极限距离、工效降低极限距离以及暴露极限距离。通过对强夯振动产生的应力波传播方式进行理论分析,提出了路堤强夯振动的缩小效应现象。用工程类比的方法,归纳出反映路堤高程的质点振速近似公式。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 道路改建、扩建技术
• 1.2.2 道路改扩建工程中不均匀沉降的计算、分析及现场观测
• 1.2.3 路基与路面结构层纵向开裂机理分析
• 1.2.4 强夯在地基路基处理中的应用
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究方法与技术路线
• 1.5 创新点
• 第二章 旧路堤直接拓宽引起的路基差异沉降规律研究
• 2.1 差异沉降计算的技术路线
• 2.2 计算模型
• 2.2.1 几何模型
• 2.2.2 计算原理及模型参数的确定
• 2.3 地基初始固结计算
• 2.4 地基沉降计算过程
• 2.5 沉降计算结果
• 2.6 地基沉降与差异沉降分析
• 2.6.1 地基沉降分析
• 2.6.2 地基不均匀沉降分析
• 2.7 路基沉降与不均匀沉降分析
• 2.7.1 路基沉降分析
• 2.7.2 路基不均匀沉降分析
• 2.8 小结
• 第三章 路基开裂机理研究
• 3.1 路基开裂过程数值分析的原理与实施
• 3.1.1 基本原理
• 3.1.2 网格剖分
• 3.1.3 基元赋值
• 3.1.4 应力分析方法
• 3.1.5 相变分析
• 3.1.6 RFPA离心机法原理
• 3.1.7 RFPA分析过程流程图
• 3.2 计算模型
• 3.2.1 我国高速公路的典型拓宽方式
• 3.2.2 模型简化与假设
• 3.2.3 模型计算参数
• 3.3 模型破坏过程模拟及分析
• 3.3.1 模型1的破坏过程及分析
• 3.3.2 模型2的破坏过程及分析
• 3.3.3 模型3的破坏过程及分析
• 3.3.4 模型4的破坏过程及分析
• 3.4 工程实际
• 3.5 小结
• 第四章 利用旧路堤建设高速公路强夯方法关键参数研究
• 4.1 强夯法简介及需进一步研究的问题
• 4.1.1 强夯处理方法的机理
• 4.1.2 强夯处理方法的影响因素
• 4.1.3 强夯处理有效深度的计算方法
• 4.1.4 强夯振动的影响范围及安全距离
• 4.2 试验段介绍及强夯处理方案确定
• 4.2.1 试验段介绍
• 4.2.2 方案确定
• 4.3 新地基强夯处理关键参数研究
• 4.3.1 夯击间隔时间的研究
• 4.3.2 夯击次数的研究
• 4.4 路堤强夯处理关键参数研究
• 4.4.1 路堤强夯特点
• 4.4.2 单击夯击能与 Menard公式系数α
• 4.4.3 强夯加固深度系数的确定
• 4.4.4 止夯夯击次数
• 4.5 强夯引起的路堤不均匀性对路面弯沉的影响
• 4.5.1 论证思路
• 4.5.2 数值计算步骤
• 4.5.3 几何模型与车载模型
• 4.5.4 路基材料的本构关系及计算参数的确定
• 4.5.5 计算结果与分析
• 4.6 小结
• 第五章 地基与路堤强夯现场试验研究
• 5.1 强夯试验方案与实施
• 5.1.1 地基强夯试验
• 5.1.2 路堤强夯试验
• 5.2 控制指标与检测方法
• 5.2.1 控制指标
• 5.2.2 检测方法
• 5.3 试夯结果
• 5.3.1 地基的试夯结果
• 5.3.2 路堤的试夯结果
• 5.4 路堤强夯的止夯标准
• 5.5 路堤的弯沉与回弹试验结果与分析
• 5.6 路堤的沉降观测
• 5.6.1 沉降观测设备及其埋设
• 5.6.2 沉降结果及其分析
• 5.7 道路强夯施工需注意的几个问题
• 5.8 威乳路各施工方案经济与工期简要比较
• 5.9 小结
• 第六章 道路强夯施工危害的控制的研究
• 6.1 强夯振动危害及评价指标简述
• 6.1.1 强夯振动对建筑物的危害
• 6.1.2 强夯振动对人员的影响
• 6.2 试验场地及振动测试
• 6.3 试验结果及其分析
• 6.4 路堤强夯中地面振动的缩小效应
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间参与的科研项目及科研成果
• 学位论文评阅及答辩情况表