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大學(xué)生科研立項(xiàng)申請(qǐng)書(shū)
項(xiàng)目名稱：安徽省高速公路擴(kuò)建工程路基拼接技術(shù)研究主管部門(mén)：承擔(dān)單位：協(xié)作單位：起止年限：填報(bào)日期：
07年5月7日至08年12月31日07年5月7日安徽省交通廳安徽省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)院
�。ㄒ唬﹪�(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、水平和發(fā)展
我國(guó)高速公路改擴(kuò)建工程剛剛起步，國(guó)內(nèi)尚無(wú)具體的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范。和新建高速公路相比，改擴(kuò)建工程具有施工難度大、工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。老路基以下地基土固結(jié)度已達(dá)一定程度，而新建的拼接路基在未進(jìn)行地基處理的情況下必然會(huì)出現(xiàn)較大的工后沉降，這樣新老路基就會(huì)產(chǎn)生較大的差異沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)路基拉裂，進(jìn)而導(dǎo)致路面縱向開(kāi)裂；另一方面老路基在新建路基荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生新的沉降，影響路拱坡度，路面出現(xiàn)凹陷區(qū)�？梢�(jiàn)消除路基差異沉降的銜接技術(shù)是改擴(kuò)建工程的核心技術(shù)，而這正是目前巖土工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)由于高速公路加寬工程剛剛起步，研究水平主要停留在工程實(shí)踐的水平上，相關(guān)的理論研究無(wú)論在深度還是廣度上更是存在著嚴(yán)重的不足，需要作更加深入系統(tǒng)的研究。國(guó)外對(duì)于軟土地基上高速公寬工程的理論研究盡管起步較早，但大多都建立在離心模型試驗(yàn)和有限元模擬分析的基礎(chǔ)之上。主要開(kāi)展了以下幾方面的研究。1、軟基處理方案優(yōu)選目前，在擴(kuò)建工程中最常用的軟基處理方法有隔離墻、樁網(wǎng)復(fù)合地基、塑料排水板、濕噴樁（粉噴樁）復(fù)合地基、CFG樁復(fù)合地基、輕質(zhì)路堤等。2、新老路基結(jié)合部的拼接技術(shù)研究a。邊坡削坡和臺(tái)階開(kāi)挖：最常用的開(kāi)挖方式包括兩種：一種是先削坡（1：0。5~1：1）再挖成臺(tái)階狀，另一種是直接挖成臺(tái)階狀。臺(tái)階的開(kāi)挖尺寸有一定的限制。我國(guó)幾條高速公路加寬工程都把臺(tái)階高度控制在80cm以內(nèi)，臺(tái)階寬度根據(jù)邊坡坡度、老路邊坡的填筑材料、壓實(shí)度確定，在60～200cm之間。RichardJ。Deschamps等人通過(guò)對(duì)非軟土地基的調(diào)查研究，指出臺(tái)階的豎直高度不宜超過(guò)1。5m。關(guān)于臺(tái)階面上的內(nèi)傾角，國(guó)內(nèi)高速公路擴(kuò)建工程中大多采用2～4%的內(nèi)傾角，出發(fā)點(diǎn)是利用內(nèi)傾的嵌鎖作用增強(qiáng)新老路基的銜接，但是滬寧高速公路擴(kuò)建工程課題組建議不設(shè)置內(nèi)傾角。因?yàn)橛绊懪_(tái)階面壓實(shí)效果、不利于排水，造成角隅處積水、內(nèi)傾角的嵌鎖作用不明顯b。土工合成材料的應(yīng)用：JuhaForsman和Veli—MattiUotinen、楊茂等都成功地將土工合成材料應(yīng)用于軟土地基上公路的改建工程中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和有限元分析結(jié)果表明使用土工合成材料可以有效地加強(qiáng)新填路基與既有路基的整體性、提高地基的承載力和解決路基的不均勻沉降；可以降低由于路堤自重引起的水平應(yīng)力，從而減少水平位移，有效地防止路面開(kāi)裂；影響作用效果的主要因素是土工合成材料的剛度，并且剛度越高作用效果越好。土工合成材料的鋪設(shè)層數(shù)和位置存在多種不同方式。曲向進(jìn)對(duì)沈大高速公路加寬工程中土工合成材料不同的鋪設(shè)層數(shù)和位置對(duì)路面結(jié)構(gòu)的表面主應(yīng)力、表面變形以及層底主應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析，指出以鋪設(shè)二到三層土工合成材料為宜，黃琴龍通過(guò)實(shí)驗(yàn)指出土工格柵埋設(shè)層位越往上，所起的加筋作用越明顯。
c。控制標(biāo)準(zhǔn)：
�、俾返痰膲簩�(shí)度控制，海南環(huán)島東線高速公路擴(kuò)建工程中部分路段提高了路基壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)：填方路基把規(guī)范規(guī)定的90%壓實(shí)度區(qū)提高到93%，93%區(qū)提高到95%，95%區(qū)提高到96%，合寧高速（大蜀山至隴西立交）擴(kuò)建工程根據(jù)現(xiàn)行路基設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行路基壓實(shí)；
②加寬路基允許工后沉降和新老路基差異沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)，沈大高速公路改擴(kuò)建工程路基加寬技術(shù)研究課題組提出了新加寬路基工后沉降量不大于8cm的控制標(biāo)準(zhǔn)。河海大學(xué)在滬寧高速公路拓寬工程試驗(yàn)段地基處理中期報(bào)告中指出：拼接路基施工后，原高速公路路基中心與新路肩的橫坡度增大值應(yīng)小于0。5%，與原公路橫坡相比不得出現(xiàn)反坡，拼接路基施工后，原路中心處附加沉降量應(yīng)小于3cm。d。新老路基拼接的施工工藝：國(guó)外針對(duì)軟土路基上加寬路基填筑施工提出了間隙法（TheGap—method）施工，這是一種二步填筑法，先在距離老路基一定距離外填筑部分新路基，新老路基之間留有一定間隙（Gap），待地基固結(jié)一段時(shí)間后再填筑新老路基之間的間隙。由于在第一階段新路基填土自重作用下的固結(jié)會(huì)使新老路基間隙下的軟土強(qiáng)度和水平應(yīng)力提高，因而可以有效減小第二階段填土對(duì)老路基產(chǎn)生的附加變形，而且這種分步填筑法要比一次性整體填筑對(duì)老路基產(chǎn)生的變形要小。
3、加寬工程中的計(jì)算分析方法
（1）有限元法數(shù)值計(jì)算目前，國(guó)外多采用PLAXIS巖土有限元軟件，利用彈塑性摩爾庫(kù)侖模型或修正Cam—Clay模型對(duì)加寬路基進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，如H。G。B。Allersma等人利用小型離心機(jī)模型結(jié)合PLAXIS有限元程序分析了加寬路基兩種不同填筑方法（普通水平填筑和間隙法填筑）對(duì)加寬路基的影響。周志剛等引入土工合成材料單元以及相相應(yīng)的接觸面單元，以模擬筋土之間的相互作用，采用平面應(yīng)變非線性有限元方法提出土工格網(wǎng)處理填挖交界路基非均勻沉降的機(jī)理。
�。�2）沉降計(jì)算的參數(shù)反分析法為了克服實(shí)驗(yàn)參數(shù)的離散性和不均勻性，利用老路基的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，采用參數(shù)反分析的方法來(lái)確定地基參數(shù)，以綜合反映地基的基本特性。蘇超成功的將地基參數(shù)反分析方法應(yīng)用到錫澄—滬寧高速公路的拼接工程。
�。�3）模型試驗(yàn)分析a。離心模型試驗(yàn)利用離心機(jī)模型試驗(yàn)來(lái)模擬軟土地基、新老路基及加筋土工合成材料，量測(cè)加寬路基的沉降量及孔隙水壓力的消散情況。南京水利科學(xué)研究院曾進(jìn)行過(guò)滬寧高速公路的路基離心模型試驗(yàn)，取得了較好的結(jié)果。A。G。I。Hjortns—Pedersen和H。Broers曾利用大型離心機(jī)模型試驗(yàn)和PLAXIS有限元程序分析了加寬路基施工過(guò)程中軟土地基的力學(xué)特性和變形特性。
（二）研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)（包括階段目標(biāo)、最終目標(biāo)）及主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)
國(guó)內(nèi)外由于高速公路加寬工程研究水平主要停留在工程實(shí)踐的水平上，相關(guān)的理論研究無(wú)論在深度還是廣度上更是存在著嚴(yán)重的不足，需要作更加深入系統(tǒng)的研究。專(zhuān)題一：建立擴(kuò)建工程通用的彈塑性有限元模型并綜合進(jìn)行變形特性研究專(zhuān)題一：建立擴(kuò)建工程通用的彈塑性有限元模型并綜合進(jìn)行變形特性研究彈塑性有限元模型利用老路基的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，采用參數(shù)反分析的方法來(lái)確定老路基下的地基參數(shù)；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定加寬部分路堤下地基的參數(shù)；建立能反映土工格柵受力特性的單元及樁土聯(lián)合作用的接觸單元；模擬在不同填土高度、不同拼寬寬度工況下路基變形特性。并通過(guò)典型離心模型試驗(yàn)修正有限元模型，最終建立較為客觀的擴(kuò)建工程通，用的彈塑性有限元模型，并研究其變形特性。
專(zhuān)題二：專(zhuān)題二：加寬路基允許工后沉降和新老路基差異沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)路面橫坡、縱坡和平整度要求探討路面功能性要求；采用彈性力學(xué)多層路面結(jié)構(gòu)體系理論分析路基不均勻沉降引起的路面結(jié)構(gòu)層中附加應(yīng)力，并考慮車(chē)輛荷載的作用，探討我省特有路面結(jié)構(gòu)性要求容許的不均勻沉降；根據(jù)容許不均勻沉降，提出拓寬地基上高速公路擴(kuò)建工程中的工后沉降控制指標(biāo)。
專(zhuān)題三專(zhuān)題三：地基處理方法的優(yōu)選為了將拓寬路基對(duì)既有道路產(chǎn)生的附加沉降和新老路基之間的不均勻沉降控制在可以接受的范圍之內(nèi)。只有在理論分析的基礎(chǔ)上尋找經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的工程加固措施，使新老路基成為一個(gè)良好的整體。為此針對(duì)擴(kuò)建工程的變形特性，可以開(kāi)發(fā)實(shí)用的地基處理新技術(shù)，如剛?cè)峤Y(jié)合、薄壁管樁的處理方法等。對(duì)于不同的地質(zhì)情況，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、施工便捷性等多方面綜合優(yōu)選適宜的地基處理方法。
研究目標(biāo)
1、在擴(kuò)建路基仿真數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，得出不同工況下路基的變形特性、土工格柵的最佳布置方案，并明確路基的壓實(shí)度。
2、針對(duì)我省的不同路面，提出加寬路基允許工后沉降和新老路基差異沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)。
3、根據(jù)路基的變形特性及地基的地質(zhì)情況，提出相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)合理的地基處理方法。自從80年代以來(lái)，我國(guó)已修建4萬(wàn)多公里的高速公路，其中4車(chē)道占絕大多數(shù)。目前部分已修建4車(chē)道的通行能力已不能滿足日夜增長(zhǎng)的交通量的需求，需要對(duì)原有路基拓寬。自廣佛高速公路加寬工程動(dòng)工以來(lái)，先后有海南環(huán)島東線、滬杭甬、沈大、南京繞城、滬寧等高等級(jí)公路相繼局部或全線擴(kuò)建加寬。擴(kuò)建工程在全國(guó)迅速開(kāi)展起來(lái)，我省先后進(jìn)行馬蕪—蕪宣高速公路拼接、廬銅—老合銅路拼接，合寧高速大署山至隴西段拓寬。由于高速公路擴(kuò)建工程是剛剛開(kāi)始的新事物，理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，可借鑒的成果較少，設(shè)計(jì)、施工、技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容規(guī)范都涉及不多，為了路基的'安全，設(shè)計(jì)過(guò)于保守，不經(jīng)濟(jì)科學(xué)，造成了巨大的浪費(fèi)；另一方面由于對(duì)擴(kuò)建工程路基變形特性的認(rèn)識(shí)的模糊，跳不出新建工程的設(shè)計(jì)方法和認(rèn)識(shí)，出現(xiàn)局部路基失穩(wěn)，路面縱向開(kāi)裂的事故，社會(huì)負(fù)面影響大。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的角度講，高速公路的改擴(kuò)建工程將是本世紀(jì)初我國(guó)公路建設(shè)亟待解決和必須解決的重要問(wèn)題，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和前瞻性。
�。ㄈ┻_(dá)到的科學(xué)技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益及其推廣應(yīng)用范圍
高速公路擴(kuò)建工程路基拼接技術(shù)研究屬于應(yīng)用科學(xué)。由于高速公路擴(kuò)建工程是剛剛開(kāi)始的新事物，理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，通過(guò)本項(xiàng)目的科驗(yàn)研究，使設(shè)計(jì)人員從理論方面對(duì)高速公路擴(kuò)建工程的特性有更加系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，澄清思想上的混亂，填補(bǔ)路基設(shè)計(jì)規(guī)范在擴(kuò)建工程路基拼接技術(shù)方面的空白，技術(shù)方面達(dá)到國(guó)內(nèi)交通行業(yè)領(lǐng)先水平。目前我省已拉開(kāi)高速公路擴(kuò)建的序幕，然而在此方面，理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，有許多認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，致使設(shè)計(jì)具有盲目性，無(wú)形當(dāng)中造成了資源的浪費(fèi)；施工中，由于新老路基間的不均勻沉降，出現(xiàn)路基拉裂，進(jìn)而導(dǎo)致路面縱向開(kāi)裂的事故，不僅延誤工期、增加投資，而且造成極大的負(fù)面社會(huì)影響。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的角度講，高速公路的改擴(kuò)建工程將是本世紀(jì)初我國(guó)公路建設(shè)亟待解決和必須解決的重要問(wèn)題，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國(guó)內(nèi)高速公路加寬工程研究水平主要停留在工程實(shí)踐的水平上，一般在舊路加寬改造工程的實(shí)施之前，根據(jù)以往擴(kuò)建工程的路基拼接技術(shù)進(jìn)行方案試驗(yàn)研究，具有粗放性、行政性特色，相關(guān)的理論研究無(wú)論在深度還是廣度上更是存在著嚴(yán)重的不足，需要作更加深入系統(tǒng)的研究。因此，本科研從路基變形的特性、差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)、地基處理方法的優(yōu)選出發(fā)，推進(jìn)國(guó)內(nèi)高速公路加寬工程理論的深化，在較完善的理論基礎(chǔ)上提出路基拼接技術(shù)方案，是一項(xiàng)非常有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的研究活動(dòng)，在全國(guó)改擴(kuò)建工程方面有推廣的價(jià)值、意義。
（四）研究，試驗(yàn)方法和技術(shù)路線（包括工藝流程）
關(guān)于專(zhuān)題一技術(shù)路線：關(guān)于專(zhuān)題一技術(shù)路線：技術(shù)路線以國(guó)內(nèi)多條高速公路擴(kuò)建工程項(xiàng)目為依托，采取室內(nèi)試驗(yàn)、沉降觀測(cè)與理論分析相結(jié)合的方法進(jìn)行科學(xué)分析拓寬路基變形特性研究。室內(nèi)試驗(yàn)主要開(kāi)展新老路面、路堤、地基土的一些物理、力學(xué)指標(biāo)；進(jìn)行各種土工材料的室內(nèi)拉伸試驗(yàn)、樁土載荷實(shí)驗(yàn)、不同壓實(shí)度下直剪試驗(yàn)以測(cè)得模擬土工格網(wǎng)與土體界面摩擦的接觸面單元的切向彈簧模型參數(shù)；在典型離心模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上最終建立較為客觀的擴(kuò)建工程通用的彈塑性有限元模型，并研究路基及土工格柵的變形特性，并評(píng)價(jià)路基壓實(shí)度、土工格柵的布置方案。沉降觀測(cè)主要為收集路基沉降、不均勻沉降的觀測(cè)，以檢驗(yàn)擴(kuò)建路基有限元模型的通用性，并評(píng)價(jià)有限元計(jì)算結(jié)果。關(guān)于專(zhuān)題二技術(shù)路線：關(guān)于專(zhuān)題二技術(shù)路線：技術(shù)路線加寬路基處新老路基的差異沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)，目前尚無(wú)明確的定論，本文從路面結(jié)構(gòu)的功能性和結(jié)構(gòu)性要求兩方面，分析高速公路擴(kuò)建工程路基容許的工后差異沉降。對(duì)于功能性要求以不降低公路等級(jí)、服務(wù)水平出發(fā)；對(duì)于結(jié)構(gòu)性要求方面，在建立彈塑性模型的基礎(chǔ)上，采用半波正弦荷載來(lái)模擬汽車(chē)豎向動(dòng)載�？紤]汽車(chē)荷載和土體固結(jié)共同作用產(chǎn)生的差異沉降，對(duì)不同路面受力變形特性的影響，進(jìn)而得出一種計(jì)算路面破壞時(shí)臨界差異沉降的方法。關(guān)于專(zhuān)題三技術(shù)路線：關(guān)于專(zhuān)題三技術(shù)路線：技術(shù)路線在載荷實(shí)驗(yàn)下研究樁、墻土的共同作用的特性，并測(cè)得樁、墻與土體界面摩擦的接觸面單元的切向彈簧模型參數(shù)；在深刻認(rèn)識(shí)拓寬路基變形特性的基礎(chǔ)上，建立不同地基處理工況下一般彈塑性有限元模型，通過(guò)有限元計(jì)算，分析路基變形情況；在理論分析的基礎(chǔ)上尋找經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的工程加固措施。最終得出不同地質(zhì)條件、不同填土高度推薦采用的處理方案，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。
簽名：xxx
日期：年月日
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