交通荷载下高速公路低路堤沉降研究

　　交通荷载下高速公路低路堤沉降研究第一章绪论1.1研究背景随着我国经济的快速发展，道路交通事业呈现出一片空前繁荣的景象，从1998年我国第一条高速公路在上海建成通车以来，一直到2004年8月底，高速公路的通车里程已经突破了3万公里。特别是近年来我国加大了对公路建设的投资，全国上下已经或者在建的公路项目数量有几千之多。根据交通部制定的《国家高速公路网规划》，到2020年，我国的高速公路将要达到8.2万公里。高速公路作为国家的重要基础设施之一，缩短了地域间的距离，对我国国民经济的发展起到了很大的促进作用。在高速公路迅猛发展的同时，人们对其建设质量也提出了更高的要求，特别是对高速公路投资占有重大比重的路堤填土高度的研究，一直是人们所关心的重点课题之一。目前我国国内的高速公路路堤填方普遍来说比较高，路堤过高会造成土石方数量增加，桥涵、排水和防护工程数量加大，公路用地面积增大，这样将会导致工程总费用的增加，而且还会对周围环境产生一定的影响。同时路堤过高会给其自身强度、稳定性带来不利影响，路堤易产生沉降变形，路面平整度下降，边坡易受冲刷失稳。表1-1是国内几条高速公路路堤的平均高度。目前我国人均耕地面积仅为1.59亩，只有印度的1/2，美国的1/6，加拿大的1/10。预计2030年我国人口达到高峰时，人均耕地面积将降到1亩以下。而高速公路的建设要占用大量土地，并且路堤越高占用土地越多。路堤高度每增加1m，按照1:1.5的路堤坡度来算的话，路堤底两边的宽度就会增加3m，计算下来1km的公路所占用的土体资源就会多出3000m2。这对不可再生的土体资源造成了极大的浪费，而且还会破坏生态环境，不符合可持续发展的方针。 采用高路堤方案的时候，毛细水的上升得到控制，交通荷载对路基的影响区域的土比较干燥，可以防止路基土的冻胀。但是高路堤方案也有一些缺点：(1)路堤的高度增加之后取土量变大，破坏了附近的农业生态环境。(2)路堤高度增高之后，边坡高度随着填方量变大，使得土方工程和边坡防护工程的规模增加，导致工程造价的提升。(3)采用高路堤的方案会使得路堤有一些难以避免的病害：软基处理不能将工后沉降消除、易产生不均匀沉降、路堤边坡易受腐蚀、路基太高容易失稳。(4)施工难度大，需要的施工机械多，时间长，增加了施工工期。(5)行车的不安全系数增大。比之于高路堤，低路堤的设计方案可以有效避免上述弊端。现在低路堤全国还没有形成统一的定义，由于区域差异也没有统一的标准。一般将填土高度低于2.5m的路堤称为低路堤。平原地区的低路堤的含义是，除去泄洪河流、通航和其相交的高速公路外，在满足最小填土高度的前提下，当公路设计的通道密度、下穿通道比例和平均填土高度降低到特定值的时候，这时候称这种方案为低路堤方案。低路堤的设计方案有以下几个优点：(1)采用低路堤降低了路基占地面积和取土用地，节约了土地资源和工程费用。(2)施工方便，质量易于控制。(3)路堤的工后沉降减小，便于养护。(4)与周围地区的标高较为协调，行车安全舒适。(5)对于软土地基分布广泛的长三角地区，采用低路堤的设计将缩减软基处理的工程量。但是参考实际情况，路堤的高度并不是越低越好，随着路堤高度的降低也会产生一些问题：由于路堤高度较小，交通荷载在低路堤中不能完全扩散，路基的沉降变形加剧；由于路堤高度较小，交通荷载在路基中产生的动应力更大，导致路基的沉降变形更大；低路堤相比较与高路堤更容易受到地下水位的影响，降低路基的承载力[1]。所以在在软土路基上建立的低路堤高速公路，应采取有效的措施来防止由于路面交通开放后在交通荷载的循环作用下而产生的路面破坏、差异性沉降、翻浆等危害。在2004年交通部出台的关于保护耕地的相关文件中就提出，公路的建设要与经济的发展相同步，应加大对施工占地数量的限制，增加土体的利用价值。为了坚持我国的可持续发展的方针，节约珍贵的土地资源，在高速公路建设中采用低路堤的设计方案，是今后公路建设中的热点问题，也是亟待解决的重点问题。高速公路上低路堤路基的工后沉降和不均匀沉降是影响公路使用的两大因素，因此，研究交通荷载对低路堤高速公路路基的影响十分必要。第二章金马高速公路土层特性2.1工程概况（1）通过分析金马高速土层地质情况，在试验段现场选取三个土层进行钻孔取样，为室内土工试验做好准备。（2）通过颗粒分析试验得出，金马地区的粘性土uC=7.714，cC=1.258，该土的粒径分布不均匀且级配良好。（3）通过界限含水量试验得出，金马地区粘性土的液限平均值变化范围在40.5～41.5之间，塑限平均值变化在20.3～20.9之间，塑性指数平均值变化在20.1～20.9之间，液性指数平均值在0.17～0.32之间。根据该土在塑性图上的位置分析可知金马地区土以低液限粘土为主。（4）通过固结试验得出，金马地区粘性土的压缩指数sC大约为 0.326，回弹指数cC大约为0.044。（5）通过剪切试验（快剪）得出，金马地区粘性土的内摩擦角大约在14.3到18.7之间，粘聚力c在62kPa到89kPa之间。（6）通过三轴试验（固结排水）得出，金马地区粘性土的内摩擦角大约在21.7到22.4之间，粘聚力c在42.52kPa到45.67kPa之间。（7）通过吸力试验得出，金马地区粘性土的总吸力和基质吸力基本相同，说明这个地区的土含溶解盐的量很小，溶质吸力很小。第三章交通荷载引起低路堤路基沉降模拟分析...........193.1交通荷载特性...........193.1.1车辆荷载的拟静力描述...........193.1.2交通荷载的动力特性...........213.1.3交通荷载的模拟...........223.2数值模拟...........253.3金马高速路基沉降特点...........433.3.1长期沉降...........443.3.2季节性影响...........453.4本章小结...........47第四章交通荷载引起低路堤路基沉降...........494.1简化计算模型...........494.2模型参数...........514.3计算分析...........534.4与模拟结果比较...........584.4.1长期沉降...........584.4.2季节性影响...........594.5本章小结...........61第五章低路堤路基沉降控制措施分析...........625.1增加结构层刚度...........625.1.1增加面层刚度和厚度...........625.1.2增加基层刚度和厚度...........635.2碎石路堤...........645.3硬壳层...........665.4本章小结...........67结论 本文以交通荷载作用下低路堤路基沉降为主要研究目标。通过大量的室内和现场试验，以及理论和数值模拟分析相结合的方法深入研究了交通荷载引起的低路基永久性沉降及其沉降控制措施。通过颗粒分析试验、液塑限联合测定试验、固结试验、剪切试验、三轴试验、吸力试验来研究软土的物理力学特性，为数值模拟和简化计算方法提供材料参数。然后计算和分析了车流量、路堤高度、车重、地下水位等因素对交通荷载引起的路基永久性沉降的影响，且针对这两种方法进行比较验证，并分析了不同控制措施对沉降控制的效果。全面的分析了交通荷载对低路堤路基沉降的影响。主要结论如下：（1）金马地区的土属于低液限软粘性土，土的粒径分布不均匀且级配良好。压缩指数sC大约为0.326，回弹指数cC大约为0.044。内摩擦角大约在14.3到18.7之间，粘聚力C在62kPa到89kPa之间。（2）针对交通荷载的长期性、重复性、动力特性。提出了一个新的数学模型用于模拟交通荷载，很好的从时间和空间两个方面模拟了交通荷载的特性。（3）利用SOL软件建立了有限元计算模型，而且采用Matlab编写相应的车辆荷载加载子程序，一定程度上实现了有限元的二次开发。（4）有限元计算中分别从车流量、车重、车速、地下水位、路堤高度等方面来分析这些变量对交通荷载路基沉降和孔压的影响。计算结果表明，随着车流量、车重的增加，地下水位的升高和路堤高度的降低，由交通荷载引起的路基沉降会越来越大；车速对路基沉降影响较小。（5）针对金马地区的情况，计算分析了路基的长期沉降和季节性对路基沉降的影响。计算结果表明，路基沉降的发展大约在前10年完成了大部分。在雨水多发的季节路基产生的沉降更大。（6）通过对简化计算模型的分析，针对金马地区情况，计算和分析了车流量、车重、地下水位、路堤高度等方面对路基沉降的影响，并与有限元计算结果进行对比分析。在预测沉降大小上两者差别不大，不过当计算时间较长时，有限元计算结果更趋于稳定。参考文献[1]徐毅.交通荷载对高速公路路基影响的试验研究[D].河海大学,2006.[2]Broechanicsinpavementengineering.Geotechnique.1996,46(3)：383-426.[3]HyodoM,YasuharaK.Analyticalprocedureforevaluationporeation ofsaturatedclaygroundsubjectedtotrafficloads.NumericalMethodsInGeomechanics.1988,6(1):653-658.[4]JonesDV,PetytM.Groundvibrationinthevicinityofrectangularloadonhalf-space.JournalofSoundandVibration,1993,166(1):141-159.[5]JonesDV,PetytM.Groundvibrationduetoaglgclonicload.JournalofSoundandVibration,1998,212(1):61-74.[6]TakemiyaH,SatonakaS,Xieechanics,2002,March:318-327.[10]XSheng,CJ.CJonesandM.Petyt.GroundVibrationGeneratedbyaHarmonicLoadActingonaRailwayTrack.JounalofSoundandVibration,1999,225(1):3-28.(责任编辑：gufeng)