新老路基结合部处治技术-中国交通教育研究会.doc

加筋土路基力学行为与设计方法的研究——研究报告简本加筋土路基力学行为与设计方法的研究摘要：针对加筋土路基的关键问题，通过现场调查、理论分析、室内试验、数值模拟和现场测试，对加筋土路基的主要工程问题、静力荷载和行车荷载作用下加筋土路基的力学行为、加筋土路基的设计计算理论、方法和参数以及加筋土路基施工技术进行了深入系统的研究提出了加筋土路基的层位分类法，明确了加筋土路基病害的成因机理、失效模式和控制因素，揭示了静力荷载和行车荷载作用下加筋土路基应力-应变关系、强度特征、变形规律和破坏模式，掌握了路面结构对路基变形的力学响应在此基础上，提出了“稳定控制和变形控制并重”的加筋土路基设计思想，并创建了基于极限上限定理和可靠度理论的两种稳定性控制设计方法以及基于累积塑性变形、工后沉降和不协调变形控制的变形控制的设计方法，提出了加筋土路基设计参数和标准，总结了各种加筋土路基的施工技术，并在重庆、广东、上海三地5项依托工程中得到了应用和验证，编制了《公路加筋土路基设计施工技术指南》项目研究改进和发展了加筋土路基的分析计算理论，突破了加筋土路基设计的关键技术，为相关技术规范的修订提供了科学依据Abstract: Although the reinforcement technology has been applied widely in highway construction, there are many challenges in the field which puzzle highway engineer for a long time in China. Mechanical behavior and design method of reinforced subgrades in highways have been studied thoroughly based on investigation, numerical analysis, experiment and in-situ measure. A new classification method of reinforced subgrades is built. Furthermore, the characteristics of the accumulated deformation, post-construction settlement and uncoordinated deformation of reinforced subgrades under different loads and the mechanical response and failure characteristics of pavement structure correspond to subgrade deformations have been exposed. Consequently, the design methods and construction technology of reinforced subgrades are established, which based on the stability control theory and deformation control theory. The above research achievements are applied and verified in 5 trial projects in Chongqing，Guangdong and Shanghai. Forming Guide for designing and construction technology of reinforced subgrades in highways，it can provide scientific basis for the revision of correlated technology specifications.1 前言近年来，我国的公路建设发展迅猛。

至2005年底，全国公路总里程达到193.05万km，其中，高速公路41005km，二级以上公路已达325828km，公路对国民经济发展的作用越来越显著但是，与发达国家相比，我国在公路密度、技术等级和高等级公路比重等方面还有很大差距同时，我国公路的区域发展也很不平衡，目前西部地区的公路密度不到东部的1/5；东部地区二级以上公路里程占总里程的比重为17.7%，而西部仅为6.6%随着我国西部大开发战略的实施，在我国西部将还会有大量的公路亟待建设在当前的公路建设中，路基的过度沉降，路基结合部的不协调变形以及路堤边坡的失稳破坏等一些与路基相关的问题仍然是制约公路建设飞速发展的技术难题，由此造成道路路况和行车条件恶化，道路服务水平下降，直接导致道路行车安全受到影响，车辆运营成本上升，道路使用寿命缩短，道路维护投入提高，严重影响了公路工程的项目经济效益和当地的社会效益这就在客观上要求西部地区在进行公路建设时应积极采用新材料、新工艺、新技术，以提高公路建设的科技含量在公路工程领域采用的新材料、新工艺、新技术中，现代加筋土路基技术是发展应用较快的一种由于加筋土路基不仅具有较大的变形适应能力，且稳定性好，能因地制宜、就地取材，对原有地质环境扰动小，节省土地等优点，目前该技术已经在公路工程领域得到了广泛的应用，并取得了良好的经济、社会和生态环境效益。

但就总体而言，我国在公路加筋土路基力学行为和设计方法方面的研究还远远不够，主要存在的问题有：缺少科学的加筋土路堤分类方法和实用的加筋土路堤性能指标评价体系；基础理论研究严重滞后于工程应用；对加筋土路基的研究深度不够本项目就是针对我国加筋土路基技术的发展现状及其对国民经济和社会发展的影响，在借鉴国内外相关研究成果，吸收各地成功经验的基础上，充分考虑加筋土路基的成因机理、适用条件和控制因素，结合西部地区的具体情况，从力学机理分析、设计和施工等各个角度，对加筋土路基技术进行了深入的研究，为相关《规范》的修订提供系统、可靠的技术依据2 加筋土路基分类方法和主要工程问题（1）在国内外资料以及云南、重庆等6省（市）11条既有加筋土路基调研的基础上，建立了加筋土路基层位分类法；根据加筋部位和加筋目的不同，提出了加筋土路基的层位分类法，即加筋土路基可分为路床加筋（包括填方路床加筋、零填或挖方路床加筋）、路堤加筋（包括边坡加筋、基底加筋和堤身加筋）和结合部加筋（包括新老路基结合部加筋和填挖结合部加筋）三大类、七小类，为加筋土路基的设计和施工提供了依据2）通过大量现场调研，总结归纳了加筋土路基的三种常见病害，即路基损坏（包括路基沉陷、路基局部滑塌和路基纵、横向开裂）、支挡结构损坏（包括挡墙鼓凸、挡墙倾斜、挡墙沉陷和挡墙漏土）和路面损坏（包括沥青路面损坏和水泥混凝土路面损坏）。

3）从加筋土路基稳定性不足和加筋土路基变形过大两个方面系统分析了加筋土路基的病害机理加筋土路基稳定性不足是指加筋土路基自身稳定性不能充分满足稳定要求，其产生的原因主要包括路基填料质量差、筋材性能降低、筋土界面性能降低以及地基条件差加筋土路基的过量变形以不协调变形和工后沉降为主，这些变形包括道路纵向不协调变形、横向不协调变形和工后沉降加筋土路基过大的变形主要来源于路基压实度不足和不协调变形两个方面4）通过国内外资料和既有工程实体调研分析表明，加筋土路基失效模式可以分为两大类：一类是与稳定相关的失效模式，包括内部失稳、整体失稳和坡面局部失稳三种其中内部失稳包括筋材拔出和筋材断裂等；整体失稳包括路基基底滑动、深层整体滑动、地基承载力不足和地基土薄层挤出等一类是与变形相关的失效模式，如路基沉降过大和不协调变形过大等3 静力荷载作用下加筋土路基的力学行为（1）采用筋土分离模型、流固耦合技术，建立了加筋土路基的数值分析模型分析表明，加筋使土体的应力-应变关系得到改善，土体的延性明显提高，剪切强度增大，残余强度的降幅减小，且达到峰值强度时的剪切位移增大提高筋材模量或土体模量、增加加筋层数，可以提高加筋土体的强度和抗变形能力。

2）数值模拟结合室内试验，系统研究了静力荷载作用下三大类加筋土路基的力学行为① 路床加筋a）半刚性基层路面路床顶加筋：在保证底基层与筋材之间摩擦咬合作用的情况下，加筋可以减小路表弯沉，底基层弯拉应力减小最为显著.b）半刚性基层路面上路床换填加筋：软弱地基上路床换填加筋的效果取决于加筋位置和加筋层数；加筋位置不合理，单纯增加加筋层数，未必得到理想的加筋效果上路床换填加筋的适宜位置是筋材位于上路床的下部，多层加筋时宜自下而上增加层数；软弱地基顶面的压应力分布更加均匀；相对于路床顶加筋，上路床换填加筋效果更好c）粒料基层路面路床顶加筋：筋材与粒料间的摩阻力对基层粒料起侧向约束作用，可抑制粒料的侧向变形，提高基层刚度，从而显著减小基层的塑性变形；加筋对于延长路面使用寿命具有重要作用加筋效果和筋材与基层的模量比密切相关，相对于半刚性基层，粒料基层路面加筋效果更佳② 路堤加筋可以有效提高路堤边坡的稳定性对于良好地基而言，路堤加筋对减小路堤沉降并不明显；对软弱地基，路堤加筋可在一定程度上减小路堤顶面的沉降，但并不突出增大筋材模量、增加加筋层数、采用内摩擦较好的填料，有助于提高加筋的作用效果③ 路基结合部加筋可提高路基的整体稳定性，减小路基顶面的不协调变形，减小量可达6.5%左右。

增加加筋层数、筋材模量、筋材长度和填料强度等有助于不协调变形的减小，且加筋位置在结合部底部效果最为明显4 行车荷载作用下加筋土路基的力学响应与破坏模式对行车荷载作用下三大类加筋土路基的动力响应进行了分析1）路床加筋① 行车荷载作用下，加筋效果与加载时间紧密相关，行车速度越快，加载时间越短，应力影响深度越浅，筋材发挥作用的程度越低② 相对于静力加载，行车荷载作用下，加载中心线附近发生明显的应力集中，行车速度越快，应力集中越强③ 行车荷载引起的动偏应力明显大于静偏应力，而偏应力是引起路基累积塑性变形的关键因素，因此，路床加筋的力学行为分析有必要考虑动力响应分析表明，加筋可以明显减小行车荷载作用下路基中的动偏应力，从而减小行车荷载作用下路基的累积塑性变形2）路堤加筋从行车荷载作用下路堤加筋的荷载-变形特征可知，当地基强度较大时，行车荷载作用所引起的加筋路基累积塑性变形相对于土体固结变形而言可以忽略不计综合考虑行车荷载引起的附加弯拉应力与路基不协调变形引起的弯拉应力得出，行车荷载的速度越小，路基不协调变形引起的变坡率越大；基层的强度越高，则基层中所产生的附加弯拉应力越大3）结合部加筋根据对行车荷载引起的路基结合部两侧的动偏应力分析可以得到，行车荷载引起的累积塑性变形很小，所以加筋对于减小结合部两侧的累积塑性变形几乎没有效果，但加筋可以通过减小路基顶面的不协调变形，从而减小基层的弯拉应力，延缓路面结构的损坏。

5 加筋土路基设计理论、方法和参数（1）针对加筋土路基的稳定失效模式，提出了相应的设计状态，并进一步建立基于稳定控制的加筋土路基设计计算理论、方法和标准① 对国内外6种加筋土路基稳定性分析方法进行分析和比较，明确了我国公路现行规范所推荐的加筋土路基稳定分析方法偏于保守，主要原因是未考虑筋材抗拉阻力的垂直分量② 根据塑性极限上限定理，考虑土体内部的应力-应变关系和库仑材料相关联流动法则，得到了加筋土路基稳定极限分析条分法公式中采用的条分法平移破坏原理，不仅可以给出一个清楚的机动许可速度场，而且安全系数计算结果与传统条分法（如荷兰法和瑞典法）所得的计算结果具有可比性，因此该公式可作为分析验算加筋土路基稳定的计算方法。