老路抬高加宽路堤沉降与路面力学响应数值分析
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摘 要
随着经济的快速发展，我国高速公路交通通行量日益增加，我国现有的高速
公路大部分仍是双向四车道，对高速公路进行改扩建成为了我国提升高速公路通
行量的主要手段和途径。我国高速公路改扩建形式以直接拼接加宽为主，而直接
拼接加宽，由于新路堤的附加荷载作用，新、老路堤间将产生较大的差异沉降，
最终引起的路面开裂。因此，在拓宽工程中，控制新、老路堤间的差异沉降是加
宽工程重要的控制指标，如何减小新、老路堤间的差异沉降成为了重要的研究方
向。基于上述问题，本文提出了一种新型的高速公路加宽形式“老路基抬高加宽”。
目前该加宽形式已在广东省广清高速公路拓宽工程局部路段得到了应用。
本文基于弹塑性有限元法，采用大型岩土工程软件 PLAXIS 对考虑不同软基
处理方式下的老路基抬高加宽路堤工程的路堤变形特性以及路面结构的应力响应
进行了数值分析。首先，由于老路基抬高加宽是一种新的高速公路扩建方式，较
直接拼接加宽有所不同。因此，本文对天然地基上高速公路直接加宽与老路基抬
高加宽的沉降特性进行了对比分析，并对不同软基处理方式下老路抬高加宽公路
工程的沉降变形进行数值模拟分析，研究了不同软基处理方式下老路基抬高加宽
路基的变形特性，据此提出了老路基抬高加宽公路工程的沉降控制指标，优化了
老路抬高加宽新路地基加固方案。其次，由于老路抬高加宽工程较直接加宽路中
心沉降显著增大，控制路中心处路堤工后沉降成为老路抬高加宽工程重要的控制
指标，因此，本文对无砂混凝土小桩后处理技术控制拓宽路堤中心沉降效果进行
了数值分析。最后，本文分析了不同软基处理方法对老路基抬高拓宽路面结构力
学响应的影响。分析结果表明：老路基抬高加宽较直接加宽路堤变形特性发生了
较大改变，且新、老路堤差异沉降减小，但路堤表面最终沉降和工后沉降较直接
加宽有所增大，特别是路中心处沉降。据此可以推断，老路抬高加宽公路路基设
计类似于新建公路，应以路中心工后沉降作为主要控制指标，而不宜采用新、老
路基差异沉降控制设计。老路基抬高加宽工程，在对不同软基加固方式加固效果
数值分析的过程中发现，无论老路软基采用何种加固方式，新路软基采用排水固
结法处理相比其他方式都具有更好的经济适用价值。无砂混凝土小桩后处理技术
可以有效的减小老路基抬高加宽工程路堤中心沉降。在对不同软基加固方式老路
基抬高拓宽工程路面结构力学响应的数值分析过程中发现，在新路软基搅拌桩加
固、塑料排水板加固和轻质路基等加固方案中，搅拌桩加固新路软基仅在老路软
基也采用搅拌桩加固情况下，路面结构应力最小，且不经济；无论老路软基采用
何种加固方式，排水固结法加固较轻质土方案路面结构应力小，且比较经济。
关键词：公路拓宽 老路基抬高 软基处理 变形特性 力学响应 有限元
ABSTRACT
With the rapid development of the economic, the highway traffic volume of our
country is increasing, and China's existing highway is mostly four lanes, so the main
way to enhance the capacity of the existing highway is reconstruction and expansion.
The main widening mode of highway project in china is joint directly widening, for the
joint directly widening project, a big differential settlement will be happened between
new and old embankment due to the additional loads of new embankment, and the
cracking of the pavement will be caused by the differential settlement. Therefore, to
control the differential settlement between new and old embankment was an important
control index of widening engineering, and how to control the differential settlement
also became an important research direction. Considered these problem, this paper
proposed a new widening mode called expressway widening engineering with new fill
on the old subgrade. So far, this new widening mode has been adopted to part of Guang
Qing expressway project.
Based on the elastic-plastic finite element method and by using large-scale
geotechnical software PLAXIS, considered different soft soil foundation treatment
methods for the expressway widening engineering with new fill on the old subgrade,
this paper analyzed the deformation behavior of the widening subgrade and studied the
mechanical response of pavement structure. In detail, the expressway widening
engineering with new fill on the old subgrade as a new widening mode is different from
the joint directly widening, so the first part of this paper compared the deformation
behavior of the expressway widening engineering with joint directly widening and with
new fill on the old subgrade widening. Moreover, this part analyzed and studied the
deformation behavior of the widening embankment on the condition of different soft
soil foundation treatment methods, and accordingly proposed the settlement control
index and optimized the new road soft soil foundation reinforcement scheme of the
expressway widening engineering with new fill on the old subgrade. Based on the
partial conclusion of the first part, the road center settlement of the expressway
widening engineering with new fill on the old subgrade is more greater compared with
the joint directly widening. So the second part of this paper researched the treatment
effect of no-sand concrete micro-pile post-treatment technology which adopted to
decrease the road center settlement of the expressway widening engineering with new
fill on the old subgrade. Finally, this paper studied the mechanical response of pavement
structure on the condition of different soft soil foundation treatment methods.
It is founded that, compared with traditional widening modes, the deformation
behavior of the widening subgrade with new fill on the old subgrade is different, the
differential settlement between new and old embankment is lower but the final
settlement and the post-construction settlement on the surface of widening subgrade is
larger, especially the road center settlement. According to this conclusion we can deduce
easily that the deformation behavior of expressway widening engineering with new fill
on the old subgrade is similar to a new building road’s, so the road center settlement
should be regarded as main control index of post-construction settlement not the
differential settlement between new and old embankment should be. Moreover, The
expressway widening engineering with new fill on the old subgrade under the condition
of different soft soil foundation treatment methods, when plastic draining planks are
used to reinforce the new road soft foundation, the comprehensive treatment effect is
best. The no-sand concrete micro-pile post-treatment technology could effectively
reduce the settlement on the center of embankment. During the analysis of the
mechanical response of pavement structure, it is found that the cement soil mixing pile
reinforcing new road foundation is very useful when the old road foundation was
reinforced by the cement soil mixing pile too, in this situation the pavement structural
stress is minimum, but this reinforcement method is not useful in every situation and it’s
also cost a lot. More than that, the reinforcement method of plastic draining planks is
more useful than the light soil solution in every situation and it’s more economic than
other solutions.
Key words: road widening; new fill on old subgrade; soft foundation
treatment; deformation behavior; mechanical response; FEM
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................. 1
1.1 研究背景与意义 ................................................................................................ 1
1.2 国内外高速公路加宽工程研究现状 ................................................................ 2
1.2.1 加宽方式研究现状 .................................................................................. 2
1.2.2 地基处理方法适应性研究现状 .............................................................. 4
1.2.3 新、老路基相互作用机理研究现状 ...................................................... 6
1.2.4 差异沉降标准研究现状 .......................................................................... 7
1.2.5 拓宽路面结构力学响应研究现状 .......................................................... 8
1.3 本文研究内容 .................................................................................................. 10
第二章 老路抬高加宽公路工程变形性状数值分析 ................................................... 11
2.1 引言 ................................................................................................................... 11
2.2 天然地基上直接加宽与抬高加宽路基的变形性状比较 ............................... 11
2.2.1 有限元模型、边界条件与计算参数 ..................................................... 11
2.2.2 加宽路堤沉降特性比较 ........................................................................ 14
2.2.3 加宽路堤表面水平位移特性比较 ........................................................ 16
2.2.4 超静孔隙水压力特性比较 .................................................................... 16
2.3 新路软基不同处理方式下老路抬高加宽路堤变形性状 .............................. 18
2.3.1 有限元模型与模型计算工况 ................................................................ 18
2.3.2 计算简化 ................................................................................................ 19
2.3.3 新路软基不同加固方法下加宽路堤沉降特性 .................................... 22
2.3.3 水平位移特性分析 ................................................................................ 25
2.3.4 地基土固结速率 .................................................................................... 28
2.4 老路抬高加宽公路新路软基适宜的地基处理方法分析 .............................. 31
2.5 本章小结 .......................................................................................................... 32
第三章 混凝土小桩后处理技术控制路堤中心沉降效果的数值分析 ...................... 34
3.1 引言 .................................................................................................................. 34
3.2 无砂混凝土小桩用于老路软基后处理适用性分析 ...................................... 34
3.2.1 水泥土桩与无砂混凝土小桩施工工艺与技术特点比较 .................... 34
3.2.2 后处理适用性比较 ................................................................................ 37
3.3 新路软基不同处理方式下混凝土小桩后处理效果分析 .............................. 37
3.3.1 有限元模型与计算工况 ........................................................................ 37
3.3.2 各工况下加宽路基变形性状 ................................................................ 39
3.3.3 无砂混凝土小桩后处理效果分析 ........................................................ 43
3.4 老路基不同抬高高度下混凝土小桩后处理数值分析 .................................. 45
3.4.1 有限元建模与计算工况 ........................................................................ 46
3.4.2 各工况下加宽路堤的变形性状 ............................................................ 47
3.5 本章小结 .......................................................................................................... 50
第四章 老路基抬高加宽路面力学响应的数值分析 .................................................. 52
4.1 引言 .................................................................................................................. 52
4.2 老路抬高加宽工程路面结构的力学响应 ...................................................... 52
4.2.1 有限元模型、边界条件与计算参数 .................................................... 52
4.2.2 各工况沉降特性 .................................................................................... 55
4.2.3 路面结构力学响应分析 ........................................................................ 61
4.3 直接加宽与老路基抬高加宽路面力学响应比较 .......................................... 63
4.3.1 有限元模型、边界条件与计算参数 .................................................... 63
4.3.2 直接加宽工程地基不同加固方式下路面结构的力学响应 ................ 65
4.3.3 不同拓宽方式下路面结构力学响应的比较 ........................................ 67
4.4 本章小结 .......................................................................................................... 68
第五章 结论与展望 ...................................................................................................... 70
5.1 主要结论 .......................................................................................................... 70
5.2 展望 .................................................................................................................. 71
参 考 文 献 .................................................................................................................. 72
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 76
致谢 ................................................................................................................................ 77
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
1.1 研究背景与意义
随着我国经济的迅速发展，高速公路建设发展迅速。据统计，截至 2013 年12
月，我国高速公路总里程已达 10.4468 万公里。超越美国的 9.2 万公里，居世界第
一。但值得提出的是，在我国已建成使用的大部分高速公路中，特别是早期建成
的高速公路，受当时技术经济等条件的限制，绝大部分高速公路采用的是双向四
车道，在目前日益增加的交通通行量需求条件下，这些高速公路低效的通行服务
能力成为我国高速公路发展的瓶颈。如何提高道路的通行能力，成为我国高速公
路建设中迫切需要解决的问题。解决经济高速发展带来的交通能力不足的问题，
高速公路新建与改扩建是两个主要的解决手段，考虑到选址以及投资等因素，高
速公路改扩建是更为适宜的方法。自 2002 年沈大高速公路扩建工程以来，我国逐
步进入高速公路改扩建时代，目前已进入改扩建高峰期。
在高速公路扩建工程中，在考虑满足工程的技术要求前提下，还需充分考虑
扩建道路与原有道路的有机结合，因此，高速公路改扩建较之新建技术更为复杂。
相比较而言，由于我国高速公路改扩建的起步较晚，虽然经过了近二十几年的快
速发展，开展了一定规模的实践与研究工作，总结出了不少理论及实践经验，在
一些关键技术上也取得了较大的成绩。但仍未形成成熟的设计理论。因此，我国
高速公路改扩建工程从设计到施工仍处于探索阶段。
我国高速公路加宽工程中主要的加宽形式主要为分离式加宽和直接拼接加宽，
主要考虑占地面积以及经济投资等关键因素，目前主要以采用直接拼接加宽为主。
其中直接拼接加宽又可分为双侧对称拼接加宽、单侧拼接加宽和混合拼接加宽。
无论哪一种拼接加宽方式，在改扩建工程中，新、老路基不均匀沉降都成为加宽
工程中的难题，特别是在软土地区进行公路改扩建时，新、老路基不均匀沉降更
是成为阻碍加宽工程发展的技术瓶颈。因此，如何有效地解决加宽工程中新、老
路基不均匀沉降成为加宽工程技术的关键。
加宽后路堤的设计标高高于加宽前老路堤，本文称这种加宽方式为“老路基
抬高加宽”。老路抬高加宽是在老路直接加宽技术基础上发展起来的一种新型公路
加宽形式，该加宽方式已在广东省广清高速公路拓宽工程局部路段得到了应用。
目前，国内外关于公路拓宽问题的研究主要是针对老路直接加宽和分离式加宽方
式展开的，针对老路基抬高加宽的研究极少。由于这一新型公路加宽形式下的新
老路基相互作用机理与直接加宽路堤有着较大区别，国内尚无设计规范可循，因
此，有必要针对软土地基上老路基抬高加宽工程问题展开研究，这不仅具有较大
的理论意义，也具有现实工程实用价值。
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作者：侯斌
分类：高等教育资料
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时间：2025-01-09
