拓寬道路沉降差異

1、差異沉降對拓寬路面結(jié)構(gòu)影響機制研究摘要：本次研究首先介紹了近年來在中國發(fā)展的許多高速公路擴寬工程的背景，使用一個大型地面沉降模擬器和一個光纖光柵(FBG)應(yīng)變傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),一個大規(guī)模的模型試驗,并且相似性為1:2,已經(jīng)完成了分析了新的和舊的地基在加載條件下路面結(jié)構(gòu)不均勻沉降的影響。結(jié)果表明, 在擴大道路的路面結(jié)構(gòu)中過度的不均勻沉降會引起相當(dāng)大的拉應(yīng)變,測量出的拉應(yīng)變最大值(S)的為6厘米。重復(fù)荷載下路面結(jié)構(gòu)層的頂部受到拉伸和壓縮壓力的交替作用,這將最終導(dǎo)致路面的疲勞失效。然而,土工格柵的應(yīng)用在新的和舊的道路的拼接上在一定程度上能夠減少沉降差。拓寬道路的新路基容易受到動載荷對上述路面結(jié)構(gòu)的影響

2、。而對于老路基,由于其相對高的剛度,它可以很好的散布靜態(tài)或動態(tài)負(fù)載在道路上。測試還表明,土工格柵的應(yīng)用可以有效地預(yù)防或延緩路面結(jié)構(gòu)的故障。土工格柵,路基的回彈模量的增加,并且可以減少不均勻變形;因此,在加載條件下路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變分布變得均勻。在這種情況下獲得的結(jié)果將提供一個有用于結(jié)構(gòu)設(shè)計和未來高速公路拓寬工程的維護(hù)策略的參考。關(guān)鍵詞:路基擴大;沉降差;光纖光柵(FBG)應(yīng)變傳感器;模型試驗1. 介紹目前,越來越多的高速公路項目推出擴大或重建舊的道路。然而,大量的缺陷如在公路建設(shè)不久之后的道路上觀察到的縱向裂縫或者被分割的胡同1。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,這些缺陷被認(rèn)為主要是由新的和舊的道路之間的沉降差引

3、起 2 - 6。因此,研究不均勻沉降對擴寬路面結(jié)構(gòu)的影響具有十分重要的現(xiàn)實意義。到目前為止,許多國內(nèi)外發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)把這個問題作為研究項目。例如,Huang等人。7 加寬路基已經(jīng)進(jìn)行了實驗室測試。在測試中,一層路堤填土的底部采用了可溶性化學(xué)肥料。它解決了水的問題。通過這樣做,不均勻沉降被模擬出來了。利用大型離心測試和有限元程序PLAXIS,Hortnxs-Pedersen和Broers 8分析了在路基拓寬建設(shè)中軟基的力學(xué)性能和變形特性。同樣的,Allersma等人。9使用一個小型的離心式測試儀和PLAXIS分析擴寬地基的擾動和評估路堤填筑的兩種不同方法。然而,應(yīng)該指出的技術(shù)問題,曾經(jīng)遇

4、到的研究項目,應(yīng)該把重點放在非系統(tǒng)模型試驗和原型觀測資料的缺乏上。因此,不幸的是這些研究項目,無法為路面結(jié)構(gòu)引起的不均勻沉降的失效模式提供強大的數(shù)據(jù)支持和機理分析。此外,拓寬路基的應(yīng)力狀態(tài)和變形分布非常復(fù)雜,很難建立一個解析關(guān)系和實現(xiàn)應(yīng)力和變形之間的數(shù)值解。對于傳統(tǒng)的模型試驗,由于模型的盒子大小的限制,它不能真正的代表原型機械的性能。針對這一點,一個大型模型試驗首次進(jìn)行了研究擴寬道路的路面結(jié)構(gòu)在不均勻沉降的影響下的應(yīng)力和變形特征。這項研究的結(jié)果將提供一個有用的參考設(shè)計和擴寬高速公路的維護(hù)策略。2. 模型試驗設(shè)計 2.1相似的比例模型測試模型是放置在一個可控的沉降平臺模擬擴寬道路的沉降差對路面結(jié)

5、構(gòu)影響下的應(yīng)力和變形特征。通過調(diào)整沉降平臺可以觀察到在彎曲張力壓力和疲勞交通荷載的共同作用下路面結(jié)構(gòu)的變形和破壞。研究中的模型試驗采用的是幾何相似比CL2預(yù)設(shè)裝置和體重相似比C1的大規(guī)模模型,其中是單位重量。原型的其他基本參數(shù)的相似比例,取決于相似理論10,計算如下:CEs = 1,Cµ= 1,Cc = 1,C= 1,C= 1,CE = 2,C= 1,其中Es是路基的彈性模量,µ泊松比,c是凝聚強度,是內(nèi)摩擦角,是土壓力,E是道路上的彈性模量,是道路上的應(yīng)變。2.2測試材料模型試驗的路基土壤在西安城市的郊區(qū)減少了,基本的物理-機械性能如表1所示。確定最優(yōu)含水量的土壤壓實試驗

6、的結(jié)果為13.2%。在新的和舊的地基之間真正的模擬剛度和變形的不同, 按4%的比例將生石灰添加到填土里適合舊的路基。與此同時,必須嚴(yán)格控制水分,確保密實度超過0.98。根據(jù)現(xiàn)場試驗, 在壓實后填充土壤平均含水量為13.3%,最大干密度為1.28 gcm³,大概可以滿足上述的要求。新的和舊的地基的半寬度分別為4m和7m,長度為3 m。放置的填土緊密的靠著作為中央的老路基的測試平臺的混凝土墻。新路基和路面的原始設(shè)計是遵循測試模型的建設(shè),包含一個上層為4厘米的AK-13C瀝青混凝土,底層為6厘米的AC-25和基層為9厘米的被放置和壓實3層的水泥穩(wěn)定碎石(圖1)。假設(shè)新路基的最大沉降發(fā)生在路

7、肩,可以表示為S = S2S1(1)，其中S2和S1分別是新路基的路肩和老路基中央線的沉降。2.3基礎(chǔ)沉降的測試裝置模型試驗是在長安大學(xué)實驗室的基礎(chǔ)沉降的大規(guī)模測試裝置上進(jìn)行的。檢驗器主要由升降系統(tǒng)、支承系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成。升降系統(tǒng)可以模擬路基沉降的速度和數(shù)量,除了大量的工業(yè)計算機和傳感器,它采用了超過100臺千斤頂均勻間隔的進(jìn)行。實驗臺本身包括支持系統(tǒng)，并且監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控原理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)組成。圖2顯示了升降系統(tǒng)對基礎(chǔ)沉降的模擬。平臺是用來模擬地面的;它包含許多顯示出一定的動態(tài)效應(yīng)的面板組裝在一起。拐角處的要點或面板節(jié)點被視為沉降節(jié)點曲線。舉起的千斤頂在不同的位置可以調(diào)整,以達(dá)到在

8、不同的位置的基礎(chǔ)所需的沉降。2.4測量系統(tǒng)分析路基的應(yīng)力變化的原因是填土的自重和疲勞試驗的周期荷載、被安裝在應(yīng)用了土工格柵的新的和舊的地基底部的壓力受感裝置YL1,YL2,YL3和YL4,以及被安裝在沒有應(yīng)用土工格柵的新的和舊的地基底部的YL5 ,YL6,YL7和YL8。本研究采用的光纖光柵(FBG)應(yīng)變傳感器能夠充分反映路面結(jié)構(gòu)上的所有測量點在從上面的交通荷載和從下面的不均勻沉降共同作用下的應(yīng)力變化。與傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)相比，用光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器 ,有著堅固耐用,靈敏和可重復(fù)性,快速反應(yīng),體積小,溫度適用范圍廣和無電磁干擾得特點16。在這種情況下的光纖光柵應(yīng)變傳感器的主要規(guī)格(圖

9、3)給出如下:(1) 分辨率:0.1FS。(2) 測量誤差:< 2%。(3) 溫度適用范圍:20°50°C。(4) 測量范圍:2 000 2 000µ。圖4和圖5顯示了光纖光柵應(yīng)變傳感器分別用于模型試驗的網(wǎng)絡(luò)分析儀sm - 125和應(yīng)變傳感模塊。2.5加載系統(tǒng)描述在新的和舊的地基之間的拼接的路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變特征,不均勻沉降的經(jīng)驗,一個模擬了路面上的交通負(fù)荷的單點裝載系統(tǒng)。路基的疲勞試驗?zāi)Ｐ褪褂玫囊粋€液壓脈動疲勞試驗機PME-50A有以下主要規(guī)格:(1)最大靜態(tài)/動態(tài)載荷:500 kN。(2)操作動載荷的頻率:每分鐘100 - 500次(或1.6 8.3赫茲)。

10、另一組疲勞試驗中采用的主要設(shè)備是動態(tài)應(yīng)變測量和分析系統(tǒng),標(biāo)有DH5937。它是用來衡量瀝青混凝土層和水泥穩(wěn)定礫石層的表面應(yīng)變和靠持續(xù)時間和負(fù)載時間識別他們的變化趨勢的。動態(tài)負(fù)載的大小決定應(yīng)變在疲勞試驗期間的變化。通常情況下,這是固定在20.0和90.0 kN之間,對應(yīng)于接觸表面上的0.28 - -1.27 MPa的平均壓力。評估施加載荷的區(qū)域有和沒有應(yīng)用土工格柵分別對擴大路基的影響。加載點JZ1和JZ2選擇在靠近拼接線和FGB電線之間的十字路口(圖7)。圖7說明了負(fù)載的時間和持續(xù)時間在這兩點。3討論測試結(jié)果3.1不均勻沉降的路面結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)變的變化圖8顯示了在不同橫截面上的模型的每一層的路面結(jié)

11、構(gòu)的側(cè)向壓力的變化曲線。可以觀察到, 柔性路面面層和半剛性基層的組合展示了良好的剛度和結(jié)構(gòu)完整性，他們基本上表現(xiàn)出同樣的變形特性。根據(jù)圖8, 在新的或舊的道路頂部的5路面層的大部分地區(qū)受到拉伸變形。然而,在舊路上遠(yuǎn)離中線的5米點處,路面結(jié)構(gòu)的形變開始發(fā)生從拉伸到壓縮的變化。這表明新的和舊的地基之間的沉降差可能會導(dǎo)致在路面結(jié)構(gòu)上有相當(dāng)大的拉伸應(yīng)變,但舊路的中線附近,路面結(jié)構(gòu)因為不均勻沉降發(fā)生在外部道路的一部分反而會受到壓縮應(yīng)變作為補償。路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變增加平穩(wěn)并且不均勻沉降s的范圍是2cms6cm, 當(dāng)它繼續(xù)保持在低水平時路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變發(fā)生了明顯的變化,但當(dāng)6cm< S10cm時,路面結(jié)構(gòu)的

12、應(yīng)變將會提升到一個沒有明顯變化的很高的水平。這就是為什么建議拓寬道路在最大沉降差為6cm時。也可以觀察到在圖8中峰值應(yīng)力不發(fā)生在新的與舊的地基之間的拼接。相反,它發(fā)生在對稱的拼接兩側(cè),這意味著大的不均勻沉降的大小可能導(dǎo)致路基惡化到一個更廣泛的區(qū)域。3.2疲勞試驗的結(jié)果圖9顯示了土壓力在帶有土工格柵的擴大路基不同位置測量不同的深度。可以觀察到,在初始階段,土壓力細(xì)微的隨著加載應(yīng)用的變化而變化;但當(dāng)后者上升1 - 2百萬倍的閾值點時,土壓力急劇增加。此外,底部路基的土壓力測量比頂部低得多,這可能與負(fù)荷從路面表面向下轉(zhuǎn)移時的緩和有關(guān)。在圖9(a)和(b),我們可以觀察到,沒有土工格柵,在舊路基頂部和

13、底部的土壓力分別低于新路基,如果應(yīng)用土工格柵,他們會變得更接近。這可以解釋為土工格柵引起了老路基的高剛性和土壤硬化效應(yīng)。它在傳播中發(fā)揮著積極的作用,減輕路面交通負(fù)載。3.3新的和舊的地基之間的邊界的疲勞試驗的應(yīng)變變化圖10顯示了路面應(yīng)變與加載點JZ1(有土工格柵)和JZ2(沒有土工格柵) 的時間關(guān)系。在低負(fù)載的時候,路面表面受到拉伸應(yīng)變隨著沉降差S的增加而增加。在S = 2cm時,應(yīng)變平穩(wěn)增加隨著負(fù)載的增加和發(fā)生在負(fù)載應(yīng)用的細(xì)微變化。但隨著s的進(jìn)一步增加,它的發(fā)展更為迅速隨著負(fù)載的增加。尤其是當(dāng)s超過6cm和負(fù)載大于200萬的時候,路面的拉伸應(yīng)變增長到一定程度上之后會變成壓縮。這表明過多的不均

14、勻沉降將強加在首先受到拉伸應(yīng)變和之后受到壓縮應(yīng)變影響下頂部層路面上,最終將導(dǎo)致路面的疲勞失效。比較圖10（a）與（b）,可以觀察到,新的與舊的路基之間的邊界, 有土工格柵的路基路面結(jié)構(gòu)承受更小的應(yīng)變。然而,這表明,土工格柵可以減少沉降差而且在一定程度上減少它對路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的影響。圖11顯示了基層頂層的應(yīng)變與負(fù)載次數(shù)的關(guān)系。它表明,拉伸應(yīng)變隨s而增長,但與圖10不同的是,它增加率較低隨著負(fù)載次數(shù)的增加。根據(jù)圖11(a)和(b),應(yīng)用了土工格柵的路基可以減少基層結(jié)構(gòu)的拉伸應(yīng)變,是和道路表面的情況一致的。4公路工程路基施工的質(zhì)量問題探析4.1公路路基常見病因分析 1.路基沉陷。路基沉陷出現(xiàn)的原因主

15、要有：填方路基由于壓實不足而下沉；橋涵通道等構(gòu)造物與路基銜接處由于所用材料不當(dāng)或碾壓時比較困難而無法充分壓實，造成路基逐步下沉；軟土地基未加處置或方法不妥當(dāng)造成路基沉降。目前，修建高速公路，建設(shè)周期一般較短，路基沒有足夠的自然沉降時間，但是因趕工期在未自然沉降充分的路基上修建路面，路基的沉降也會反映到路面之上；路基施工時，土壤含水量過大，填土無法達(dá)到規(guī)范要求的壓密度，從而給路基留下沉降的隱患。 2.縱向裂縫。路基起始填筑寬度不夠，到填至一定高度時經(jīng)檢查才發(fā)現(xiàn)填土不夠?qū)?，或中線偏位，進(jìn)行填補鑲邊，在鑲邊時，又沒有按規(guī)定挖臺階和由下而上的分層填筑碾壓，造成工程竣工后鑲邊下沉，產(chǎn)生縱向裂縫；靖淤不到

16、位，在清除植被或軟基清挖時，在左邊還有12m寬未清到，或堆放的淤泥尚未完全運到路外，就進(jìn)行填土施工致使路基邊緣下沉，產(chǎn)生縱向裂縫；半填半挖路段的路基，在填挖交界處未按規(guī)定挖臺階進(jìn)行分層填筑壓實，也易產(chǎn)生縱向裂縫；路基壓實不到位，致使產(chǎn)生縱向裂縫，在路基施工中，應(yīng)適當(dāng)加寬填土，一般每邊需加寬50cm。 4.2公路路基施工的技術(shù)要求 1.級配砂礫墊層技術(shù)要求。級配砂礫是路面墊層較好的主要材料，但砂礫本身的質(zhì)量優(yōu)劣直接影響到墊層的作用及路面整體的工程質(zhì)量，所以監(jiān)理工程師應(yīng)掌握對砂礫的技術(shù)要求，控制級配砂礫墊工程質(zhì)量。這些技術(shù)要求包括：級配砂礫中礫石的壓碎值應(yīng)小于30。礫石含量055cm的顆粒不得少于

17、50，最大顆粒不得大6cm，級配砂礫中0.074ram的粉料數(shù)量不應(yīng)大于7，且塑性指數(shù)不應(yīng)大于6，鑒于級配砂礫墊層的強度主要與顆粒級配和壓實有關(guān)，所以對級配砂礫的級配應(yīng)有所要求。 2.級配砂礫墊層的施工工藝。級配砂礫墊層的施工可以分為碾壓路槽、運輸攤平、整形灑水碾壓和初期養(yǎng)護(hù)等五個工序。級配砂礫是一種松散材料，為防止遭到行車破壞，監(jiān)理工程師應(yīng)提醒施工單位在進(jìn)行施工組織計劃時，要半幅通車半幅施工方法，避免因施工造成行車混亂，使級配砂礫墊層的表面松散、平整度差和延長工期。 3.水泥穩(wěn)定砂礫基層根據(jù)施工方法。又可以分為廠拌法和路拌法兩種形式。底基層可采用路拌法，上基層可采用廠拌法。水泥穩(wěn)定砂礫作為高

18、等級公路路面的基層，是路面結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，關(guān)系到路面整體強度的高低和能否保證在路面設(shè)計周期內(nèi)正常使用.4.水泥穩(wěn)定砂礫基層的施工工藝。水泥穩(wěn)定砂礫基層的施工工藝有兩種。路拌法施工水泥穩(wěn)定砂礫基層，工序分為：初平砂礫料、灑水悶料、擺放水泥、攤平水泥、機械拌合、整型找平、碾壓成型灑水養(yǎng)生。廠拌法施工水泥穩(wěn)定砂礫基層，工序分為砂礫備料、水泥劑量、加水拌和、運料上路、攤鋪碾壓和灑水養(yǎng)生等。 5.公路路基的級配砂礫墊層。路基復(fù)查，建立工程師在級配砂礫墊層施工前，必須對已竣工的路基進(jìn)行復(fù)查驗收，并向路面施工單位進(jìn)行組織交接手續(xù)，交接手續(xù)應(yīng)由駐地監(jiān)理工程師組織，由路基、路面兩個施工單位的領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)負(fù)責(zé)

19、人參加，路基竣工后，由路基施工單位進(jìn)行自檢路基自檢報告；材料試驗，路面施工單位必須向監(jiān)理工程師提交關(guān)于級配砂礫的各項材料試驗。砂礫顆粒篩選試驗，平均每半公里監(jiān)理工程師在施工段上取料，送交監(jiān)理工程師審查，滿足級配砂礫的技術(shù)要求后，路段上的級配砂礫方可使用，砂礫容量試驗，重型標(biāo)準(zhǔn)實驗室。求得最佳含水量及最大密實度。 4.3路基施工技術(shù)措施 1.路基質(zhì)量控制。在公路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計中土基的回彈模量影響結(jié)構(gòu)層。路基上的控制，壓實度控制保證土的最佳含水量，強度控制路基工程。 2.水破壞的控制。水對公路路基使用性能的影響較大，它降低路基的強度，特別是夏天高溫天氣，雨水滲入整體道床。形成高溫水，在行車荷載作用下

20、，碎石剝落下來，兩者分離，在行車作用下形成坑澗，表層施工按防水層處理，使水進(jìn)人不到結(jié)構(gòu)層內(nèi)部，從而避免出現(xiàn)這樣的破壞。 3.裂縫的防治。公路通常采用整體道床，整體道床裂縫的種類基本上可以分為兩大類，基層開裂所形成的反射裂縫和面層自身產(chǎn)生的溫縮裂縫，這是第一類屬于非荷載裂縫：另一方類是行車荷載反復(fù)作用而產(chǎn)生的裂縫，它是由于整體道床基層承受的拉應(yīng)力超出其抗彎強度而產(chǎn)生的網(wǎng)狀不規(guī)則的裂縫，這要在設(shè)計時充分考慮。施工時控制好質(zhì)量就是為了解決第一類裂縫。 整體道床基層裂縫的控制。選擇收縮性小的水泥穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)做基層，施工時要考慮到水泥類穩(wěn)定材料產(chǎn)生裂縫的機理。 整體道床面層裂縫的防治。瀝青整體道床非荷載裂縫是低溫和疲勞裂縫總和。它與瀝青的品質(zhì)有關(guān)，主要是瀝青的溫度敏感性和針入度，國內(nèi)外多項試驗表明，針人度指標(biāo)越高，溫度敏感性越低。 公路的路基質(zhì)量對公路的使用性能影響較大，因此在進(jìn)行路基施工時嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行，針對不同的路基項目采取不同的具體措施。5結(jié)論(1) 在S4cm的情況下隨著沉降差的增長，路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變增加平穩(wěn),但當(dāng)S大于6cm時大幅上升。因此, 在高速公路拓寬工程中建議將最大值沉降差控制在6cm。(2)在新的和舊的地基之間大的沉降差將強加在拉伸和壓縮應(yīng)變交變作用下的道路頂層的頂部上,最終導(dǎo)致路面的疲勞失效。然而，應(yīng)用土工格柵的拼接,可以減輕沉降差,在一定程度上進(jìn)一步減少其對路