浅析公路改建几何设计加宽等综合处理及优化.doc

吉林大学自考本科毕业论文

毕业论文

课题名称；浅析旧路改建线形设计加宽等综合处理及优化
学生姓名；李 波
学 号； 21
专 业；道路与桥梁工程技术
班 级；06752
指导教师；王楠
浅析旧路改建线形设计加宽等综合处理及优化

摘要：随着国民经济和公共交通建设的快速发展 ，对人民物质生活水平不断的促进与提高， 交通安全也越来受到重视,通过不断的完善道路设计。在对原有的旧路加宽改造对提高既有道路等级和改善路网结构具有较高的技术经济价值。在旧路加宽改造工程的方案设计时需进行多方案的比选，同时必须综合分析各方案的地基沉降、路基稳定性、路基静载压缩变形、以及路基土行车荷载作用塑性累积变形等造 成的路基表面的不均匀变形，以便采取可靠而有效的综合处治方案，减少造价，以及减少对原有绿化景观和人为景观的影响。
关键词；几何设计 旧路加宽 土工合成材料 不均匀变形
Abstract: with the development of national economy and the construction of public transportation development, the people material life level continuously promote and improve, traffic safety is becoming increasingly important, through continuous improvement of road design. In the original old road widening transformation to improve the existing road and to improve road network structure has a high level of technical and economic value. In the widening of the old road reconstruction project design for multi scheme selection, at the same time the scheme must be comprehensive analysis of foundation settlement, stability of roadbed, roadbed of static compression deformation of subgrade soil, as well as traffic load cumulative plastic deformation of the subgrade surface built into the uneven deformation, in order to take the reliable and effective comprehensive treatment scheme, reduce cost, and reduce to the original landscape and man-made landscape effect.
Key words; geometric design The old road widening Geotechnical synthetic material Inhomogeneous deformation

随着国民经济的快速发展，道路交通运输量迅猛增长，原有的公路在公路等级上已经不能满足交通量的需求，这就需要对既有公路或城市道路的旧路进行加宽加铺改造等工程也随着实际的需求，而进行大量的付诸实施，交通工程是公路必不可少的组成部分，是一项有多种工程相互配合、密切联系、共同发挥作用的系统工程，对充分展现公路快速、舒适、安全的特点，减少交通事故，最大限度地发挥公路性能起着重要的作用。交通工程的设置以沿线地形、地物为基础，以路线几何设计为依据，综合考虑交通工程的设置位置，以提高道路使用功能为目标。。公路立体线形的优劣，对驾驶者而言，就是能提供其安全性、快速性及舒适性的程度。合理、优质的公路设计，可以提供清晰醍目的行车方向，提供足够的视距，能够符合驾驶人员普遍期望的设计效果。在公路设计中，影响交通安全的因素虽然是多方面的，而公路几何设计对公路的安全性则起到先决作用，一旦通过选线确定公路走向并由此确定几何线形，则其他项目几乎都已经随选定的几何线形得以确定，其它如桥涵构造物的位置、安全设施等就是如何使之更趋于合理的问题了。
        在公路勘察设计工作中，一定要综合考虑公路功能、行车安全、 自然 环境等因素，既要坚持地形选线、地质选线，更要做到安全选线；既要充分考虑公路设施的自身安全和运营安全，又要消除公路事故多发点和安全隐患；要尽量采用改善平纵线形的措施，从根本上解决行车安全问题，尤其是对长陡纵坡行车安全问题要给予足够的重视。因此，公路设计工作必须做好公路立体线形的设计，确保道路安全、舒适、和谐。要将安全放在首位，采取一切有效措施，为公路使用者提供安全保障和人性化的服务，切实提高公路交通的安全水平和服务水准。
由于道路沿线地形、地物是客观存在的，是不可改变的，因此，交通工程的设计就必须和公路几何设计结合起来，公路几何设计的好坏直接影响到交通工程的设置，影响道路营运期的安全。公路几何设计主要包含：平面线形设计、纵面线形设计、横断面设计、线形组合设计以、线形与桥隧的配合设计、线形与沿线设施的配合设计等。
一，线形几何设计
  1 平面线形设计
        我国公路平面线形的使用主要是直线、圆曲线、回旋线，对各种线形的选择，应结合各种因素进行考虑。
        1.1直线是公路设计中运用最广泛的线形，直线在勘察设计过程中有勘测设计简单、距离短的优点，但直线单调，驾驶人员容易产生乏味感，降低集中力，加之驾驶者在直线路段一般都会加速行驶，故过长直线的运用不利于行车安全。在选用直线线形时，一定要十分慎重，要对该路段的圆曲线半径、超高、视距等采用运行速度进行检验。我国规定一般直线最大长度为20（V+ΔV），其中V为设计行车速度，ΔV为通常在直线段的实际行驶速度与设计行车速度的差值，一般取ΔV=15～20km/h。
        1.2圆曲线线形要适合地形的变化，并能圆滑的将前后线形连接以保持线形的连续性。圆曲线半径的选用与设计速度、地形、相邻曲线的协调、曲线长度、曲线间直线长度、纵面线形的配合、公路横断面等有关。选用过大的圆曲线半径，会使得圆曲线过长，这与长直线一样容易使驾驶人员产生疲劳感，容易诱发交通安全事故。因此，在选用较大的圆曲线半径时，也应该持谨慎态度。在选用较小的圆曲线半径时，应对相邻路段进行车速极差检验，对视距进行验算，给交通工程的设置提供理论依据，以确保行车安全。
        1.3回旋线的使用主要使用在三级及三级以上公路线形设计中，使用较长的回旋线在视觉上线形变得自然，形式更加安全。回旋线参数的灵活设置增加了线形设计的自由度，使得线形与地形更容易相适应，相邻路段过渡更加顺适，线形更均衡连续，行驶条件更舒适、安全。对于设计车速较高的公路，在计算回旋线时，横向加速度变化率宜采用0.45m/s3，并相应增加回旋线的长度，但应满足超高渐变率和排水设计要求。曲线转角对公路 交通 安全也有影响。大量资料统计，小偏角曲线容易导致驾驶员产生急弯错觉，不利于行车安全。因此，在公路设计中合理确定路线转角十分重要。
        2 纵面线形设计
        纵面线形应注意纵向坡度和变坡点处的竖曲线设计，对于驾驶人员而言，与平面线形相比，在视觉上往往是影响线形质量好会的主要因素。要尽量避免过多的插入竖曲线或小半径竖曲线，这样容易产生驼峰、暗凹、跳跃和断背形象，造成驾驶人员的视觉中断，诱发安全事故。
        纵面线形的优劣很大程度上取决于竖曲线半径的大小，竖曲线半径大小的选择应满足视距要求，且竖曲线长度不宜过短。一般，凸形曲线段事故率要比水平段高，小半径凸形曲线往往成为事故的诱因。竖曲线频繁变换会影响行车视距，严重降低公路安全性。
        道路设计原则上按在同一设计车速路段保持同一行驶状态来进行设计，纵向坡度受车辆和行驶性能的影响较大。爬坡能力明显不同的车辆混在一起，如不采用适当纵向坡度和在路段设置爬坡车道，就会降低道路通行能力和发生交通事故。因此，纵坡坡度一般以平缓为宜，要在经济容许范围内按尽可能较少的降低车辆速度的原则来确定，最大纵坡与不同纵坡最大坡长一般不宜采用。当不得已而设置陡坡时，应对运行速度进行验算，以确保道路通行能力和服务水平符合要求。
        3 横断面设计
        公路横断面设计对交通安全的影响不如平面、纵面设计那么大，但是也是设计中不容忽视的问题，横断面的布置应根据道路使用功能、交通量大小、交通流的组成以及安全行车要求进行合理设计，做到连续性和一致性。在桥梁、隧道与路基衔接路段，其宽度如果与路基宽度不一致时，或人行道与护拦引起路面、路肩宽度发生变化时，或者跨线桥下车行道侧面的桥墩、桥台过近，侧向余宽不够时，都会引起交通安全事故，因此，在设计过程中，也应该加以重视。
        4 平纵横组合设计
        在视觉上违背 自然 诱导的线形组合是导致事故多发的主要原因，在平纵线形设计中，要避免小半径平曲线与竖曲线的组合、直线与竖曲线的组合、小半径平曲线与大纵坡的组合，这些都会引起驾驶人员视觉的突变，是诱发交通安全事故的主要原因，因此，在平曲线的组合中，尽量避免或少采用反向曲线、断背曲线和复曲线。
        5 线形与桥隧的配合设计
        对于行驶速度要求较高的公路，除特殊结构的大桥外，均应符合路线总体布设的要求，使桥头引道与路线的线形连续、均衡，避免线形的突变而引发交通安全事故，桥头引道的纵坡不宜过大，过大容易引起桥梁结构的安全。
        隧道、隧道洞口连接线与路线的衔接应符合路线布设的总体要求，隧道进出口前后是交通安全事故多发路段，因此，隧道进出口附近的平、纵面线形均应满足要求，进出口前后3S范围内的线形设计应保持一致，进出口纵坡也应满足车辆行驶要求。
二，旧路加宽与土工合成材料
对旧路进行加宽加铺改造时要特别注意：①新旧路基间的不均匀沉降以及新路基的塑性累积变形对路面结构响应的影响，②新旧路基间的刚度差异对路面结构响应的影响，③面层反射裂缝的防治等。为此，在旧路加宽改造工程的实施之前必须进行先期的方案试验研究。通常可采用软弱地基处理、基底清淤换填、旧路路堤台阶开挖、土工合成材料加筋垫层和加筋土路堤、土工织物防渗和排水、改良土高强路堤和轻质路堤、铺设土工合成材料防裂层或增大加铺层厚度等工程技术措施。本文结合(关中环线)公路加宽改造工程的实施，提出旧路加宽综合处治方案设计时的几点考虑。
2.1.关中环线试验路路基加宽方案设计的比选
2.1．1关中环线试验路的基本概况
　 关中环线位于关中盆地，属于暖温带半湿润的季风气候区，兼具大陆性气候特点，属过渡地带，雨量适中，四季分明。年均温6～13℃，年降水量500～800毫米，其中6～9月份占60％，多为短时暴雨，冬春降水较少，春旱、伏旱频繁。 渭河自西向东横贯盆地中部，形成广阔的渭河冲积平原，地势平坦，气候适宜，　关中环线公路位于陕西省中部渭河平原，属于我国南北交界区，关中环线沿线地势平坦，其地质条件主要属于第四纪沉积层，地表土多为粉质中液限黏土和中液限黏土、并间有弱碱性盐渍土的交错分布，其下为圆砾土、砂砾土和粉质黏土。地表排水不良，土壤含水量较大，对路基的稳定性与工程施工均有较大的影响。
2.1.2关中环线试验路路基加宽方案设计
根据关中环线现有路况、水文地质条件和可用的地方材料，综合考虑各种因素对路基刚度差异、不均匀沉降、侧向滑移和防水防渗的影响。经技术经济分析，分别在单侧和双侧加宽地段各选择了一个试验路段，
2.2.1 基本处治措施
⑴ 基底清淤与换填
　　旧路修筑时因就地取土而在路基边坡外侧形成了沿路线走向约1.5m深的积水沟，沟底堆积了大量的淤泥。因此，必须彻底清除边沟内的淤泥以提高路基基底强度，减小由此而造成的新旧路基间的不均匀沉降。边沟清淤后换填天然砂砾，砂砾层顶面需高出常水位20cm以上，并在其上设置3%的横向排水坡以利排水。
⑵ 台阶开挖与构筑
　　为增加新旧路基的整体稳定性，在填筑前须先将旧路路基边坡面开挖成台阶状。单侧加宽部分第一级台阶宽350cm，高100cm，其上三级台阶的宽×高均为150cm×100cm。双侧加宽部分均开挖成宽120cm，高分别为120cm、80cm、80cm的三级台阶。
2.2.2 旧路路基单侧加宽采用土工合成材料的几种方案
　　方案一(S1)：二灰填筑方案，即：基底换填天然砂砾+土工网+天然砂砾+粉质土+土工网+粉质土+二灰。
　　在路基顶面以下1.0m范围内采用粉煤灰∶熟石灰=0.9∶0.1(质量比)的比例均匀拌和后填筑，以构成轻质路堤。二灰作为轻质路堤填料具有很好的工程性质：其后期强度高、整体稳定性好，能够有效地减小新旧路基间的刚度差；其自重荷载小，能有效地减小路堤因自重荷载作用而产生的压缩变形，对确保路基的容许沉降非常有利。
　　方案二(S2)：三层土工网方案，即：基底换填天然砂砾+土工网+天然砂砾+粉质土+土工网+粉质土+土工网+粉质土。
　　土工合成材料（本试验路用土工网）加筋路堤不仅可以增强新旧路基间的整体稳定性，而且还可以使新加宽路基的强度和刚度得到很大的提高，从而可有效地减小新旧路基间的刚度差异。土工合成材料还具有减小新加宽路基的不均匀沉降和侧向位移的作用，从而使得路基横断面上的沉降趋于均匀。
　　方案三(S3)：两层土工网方案，即：基底换填天然砂砾+土工网+天然砂砾+粉质土+土工网+粉质土。
　　根据工程实践经验，当路堤填方高度低于4.0m时，在新加宽路基中可只铺设2层土工网。但考虑到行车荷载在新旧路基结合部的局部荷载作用和路基顶部可能产生的滑动对路面的剪切作用，故在S2方案中铺设了3层土工网以进行对比试验。
2.2.3 旧路路基双侧加宽采用土工材料的几种方案
　　方案一(D1)：粉质土填筑方案，即：基底换填天然砂砾+粉质土+不透水土工布+粉质土+不透水土工布。
　　在粉质土路堤的内部和顶面各铺设一层不透水土工布，可起加筋和隔离防渗的作用。由于不透水土工布的加筋作用可增强新旧路基间的整体稳定性好，减小路基的不均匀沉降；由于不透水土工布的隔离防渗作用，可防止垫层砂砾料的陷入，并能防止雨水浸入对路基的破坏，同时也可在一定的程度上减少路堤自身的压缩变形。
　　方案二(D2)：粉煤灰填筑方案，即：基底换填天然砂砾+粉煤灰+二灰+不透水土工布。
　　D2方案的地质条件相对较差，采用粉煤灰+二灰的轻质填料填筑路堤，不仅可以降低新路堤自重，减小路堤的压缩变形，而且还可以提高新路堤的强度和刚度，并可减小路基在行车荷载作用下的塑性累积变形。轻质填料路堤同时起到了减小新旧路基间刚度差异和不均匀沉降的作用，从理论分析和工程实践上来看，是旧路加宽方案中较为理想的一种综合处治措施。
　　方案三(D3)：砂砾填筑方案，即：自基底换填至整个路堤全填天然砂砾。
　　由于天然砂砾的渗水性填料，可以很好地将浸入路堤中的雨水排出，同时天然砂砾也具有很高的强度和刚度，有利于减小新旧路基间的刚度差，并可减小路基在行车荷载作用下的塑性累积变形。但天然砂砾由于自重较大，使得地基和路堤可能在自重荷载作用下产生较大的沉降和压缩变形，从而造成新旧路基间较大的不均匀沉降。
　　方案四(D4)：二灰填筑方案，即：基底换填天然砂砾+粉质土+二灰+不透水土工布。
D4方案的地质条件相对较好，采用粉质土+二灰的半轻质路堤，可使高新路堤的强度和刚度得到部分提高，并能减小一部分路堤的压缩变形和塑性累积变形，可作为与其它加宽处治方案的对比试验。
通过以上几种方案在实验路段的实际效果对比，从而选择出适合本条加款的的方案。
三. 旧路加宽的地基沉降与路基稳定性分析
　　在旧路加宽改造中，地基沉降和路基稳定性分析无疑是非常重要的。沉降的处理就是在路基施工过程中加速因新修路基而引起的地基沉降，或者采取有效措施控制路基由于剪切变形而产生的侧向位移，从而减小路基的工后沉降。对于稳定性的处理则必须增大新修路堤及地基的强度，提高其抗剪切变形的能力。
　　由均质粘性土填筑的路堤的稳定性根据滑动圆弧法进行分析，路堤坍塌破坏时，其滑动面为一曲面，假定其为圆弧形，圆弧滑动面的位置用4.5H法确定。土工合成材料的加筋作用按在常规的圆弧稳定分析方法中增加一个拉力的办法进行考虑，把加筋力作为水平力施加于滑动土体，来计算其稳定性和确定加筋层数。
　　在旧路加宽改造工程中，由于新旧路基的固结程度不同，将会导致路基的横向不均匀沉降，从而造成路面的开裂破坏。因此，必须准确掌握加宽路基的最终沉降量及固结度，并验算其剩余沉降量是否满足工后沉降量的要求。在沉降分析中，可假定旧路路基下的地基已趋于完全固结，采用分层总和法计算新加宽部分路基的地基总沉降量。
3. 旧路加宽的路基土压缩变形分析
　　路基土在其自重和路面结构等静荷载作用下的变形主要表现为土体的压缩变形，可通过室内试验测定土的相应变形指标，选取适宜的力学模型采用有限元法分析路基土的应力状态，从而得到路基与地基的总变形量、不均匀变形量、不均匀变形范围以及变形与时间的变化关系等控制指标。
　　在路基土压缩变形的有限元法分析中，将新填筑的路基土视为弹塑性材料，采用邓肯非线性模型。而将旧路路基视为弹性材料，将土工织物视为线弹性材料，按平面应变问题求解。其中，路基和地基采用平面四边形等参单元、土工织物采用接触面单元、路面结构层采用弹性梁单元进行模拟，假定土工织物与土体的界面间无相对位移，采用如此所示的有限元分析模型。
4. 路基土在行车荷载作用下塑性累积变形的分析
　　路基土作为一种非线性弹-塑性变形体，在行车荷载作用下除产生弹性变形外，还会产生部分不可恢复的塑性变形。塑性变形会随着行车荷载作用而逐渐累积，在行车道中央轮迹带范围内的路基土所承受的荷载较大，荷载作用次数也较多，因此产生的塑性累积变形也较其它位置要大，从而导致路基的不均匀变形。
　　路基土塑性累积变形可采用如下的计算方法：①沿深度方向将路基土划分为若干个子层，运用三变量塑性应变方程分别计算各个子层的塑性应变；②根据路基土某一子层塑性应变的大小和厚度得出该层的塑性变形；③采用分层总和法将不同深度处各子层的塑性变形累加得到路基土顶面某一点处的塑性累积变形；④综合考虑水平方向不同位置荷载在同一计算点所引起的塑性变形的叠加，得出路基土顶面某一点的最终塑性累积变形。
因此，可采用如下的计算公式进行路基土的塑性累积变形的分析。
δp=∑δjp =∑∑εijphI=∑∑a(σijd/σis)m(Nl˙fj)bhi (i=1,2,…n j=1,2,…p)
式中：δp——计算点处路基顶面总的塑性累积变形；
fj——第j个轴载作用位置，fj代表轴载在该位置出现的概率，共有p个作用位置；
δjp——第j个作用位置处的轴载在计算点处产生的塑性累积变形；
i——第i个计算子层，hI代表该子层的厚度，σis代表该子层土的静态抗压强度，共分n个子层；
εijp——处于j位置的轴载在第i个计算子层内产生的平均塑性应变；
σijd——处于j位置的轴载在第i个计算子层内产生的平均偏应力；
Ni——代表第l个车道累计标准轴载作用次数；
a，m，b——回归系数，称为永久变形参数。
　　计算深度取决于容许误差的大小，可通过控制应力比(σd/σs)的衰减程度来确定。如可采用应力比(σd/σs)的衰减至10%时的深度作为计算深度。如果取固定的计算深度和等层厚可使计算得到简化经过这样处理得出的计算结果仍能够满足要求。
5. 旧路加宽试验路的观测测试
　　在旧路加宽改造工程中需进行必要的现场观测测试，以便掌握地基和路基的沉降与变形，以及路基土体内应力状况。在试验路单侧加宽段的每个横断面均埋设了6对沉降板和土压力盒，双侧加宽段各埋设了5对沉降板和土压力盒。
　　沉降板的埋设位置是根据观测总沉降量、分层沉降量和横向不均匀沉降的要求来确定的。埋设在天然原地面的沉降板主要用来测量地基的沉降量；埋设在加宽路基不同高度上的沉降板，主要用来测量新路基自身的分层沉降量；埋设在新路基横断面表层不同位置的沉降板，主要用来测量新路基表层的横向不均匀沉降。
　　土压力盒均埋设在沉降板的一侧，可用来了解在路堤填筑过程中及路堤填筑完成后的土压力变化状况、沉降与土压力间的相互关系等。
6. 结束语
　　⑴ 旧路加宽处治的方案很多，各种方案都具其自身的优缺点和适用条件。在进行具体的方案设计时，要对各种方案进行充分的研究，然后综合考虑具体工程的地质条件、道路等级标准和使用要求、现场施工条件，以及对周围环境的影响等因素，选择最适宜的方案。
　　⑵ 理论分析计算可为方案设计提供可靠的依据。地基沉降和路基的稳定性分析，以及路基土的总变形量不均匀变形量、不均匀变形范围等的分析计算，可为方案设计提供有效的参考指标。
　 （3）通过关中环线的加宽方法和所用到的土工合成材料在开放交通后后的 验证，可以为更多的公路改建加宽提供案例，提供参考。
参考 文献
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