摘 要

随着社会经济的发展和交通量的逐渐增大，早期建设的高速公路已不能满足需求，需要由原来的双向四车道加宽成双向六车道甚至双向八车道，路基加宽后新旧路基将产生不均匀沉降,导致水泥混凝土面板在荷载作用下产生断裂,沥青混凝土路面产生沥青层断裂，对行车安全造成重大影响。

为了研究高速公路路基改扩建工程中新老路基不均匀沉降问题的技术难题，本课题的研究目的是运用离散元数值方法进行拓宽路基变形不协调和路面沥青层裂缝模拟研究，从细观上分析新老路基拼接处的不均匀沉降的与路面沥青纵向裂缝的形成机理；采用离散元软件PFC3D建立三维新老路基结合处模型，从细观上分析新老路基结合处的相互作用、揭示新老路基的不均匀沉降与纵向裂缝的因果关系、对拓宽工程路基利用土工格栅加筋处治进行有效性分析，得到的主要结论如下：

1.在同样的交通荷载下，新老路基拼接处出现变形不协调；随着交通荷载的增大，不均匀沉降也在增大。

2.验证了土工格栅能够有效的降低新老路基之间的差异沉将，减少水平位移，防止路面的开裂。

3.在交通荷载和沉降速度相同的情况下，加载部位置于新老路基交界处时，相较于单独作用于新路基和单独作用于老路基，沥青路面纵向裂缝发展得更明显。

4.在交通荷载和荷载作用部位相同的情况下，路基沉降速度越大，沥青路面凹陷以及加载处周边脱空更明显。

5.在路基沉降速度和荷载作用部位相同的情况下，荷载越大，路面竖向沉降越大，沥青路面纵向裂缝发展得更明显。

该数值模拟研究丰富了路基变形协调和沥青路面裂缝研究,研究成果可为实际路基拓宽工程提供一定的参考，具有一定的科学意义和工程意义。

关键词：离散元；拓宽路基；不均匀沉降；沥青裂缝；土工格栅

Abstract

With the development of social economy and the increasing traffic volume, the early-built highways could no longer meet the demand and need to be expanded from the original two-way four-lane to two-way six-lane and even two-way eight-lane. After the roadbed is widened, new and old roadbeds will be created. Uneven settlement causes cracks in the concrete-concrete panels under load. Asphalt concrete pavements produce cracks in the asphalt layer, which has a significant impact on traffic safety.

In order to study the technical difficulties in the problem of uneven settlement of new and old roadbeds in the reconstruction and expansion of expressway subgrade, the purpose of this project is to use the numerical method of discrete elements to expand the unconformable deformation of the roadbed and simulate cracks in the asphalt layer of the pavement. The uneven settlement of the new and old roadbeds and the formation mechanism of the pavement asphalt longitudinal cracks; using the discrete element software PFC to establish the three-dimensional model of the old and new roadbed junctions, and from a microscopic perspective, the interactions between the old and new roadbed junctions are revealed, revealing old and new The causality between the differential settlement of subgrade and longitudinal cracks, and the effectiveness analysis of widening engineering subgrade using geogrid reinforcement treatment, the main conclusions are as follows:

1. Under the same traffic load, the deformation of the old and new roadbeds is inconsistent; with the increase of traffic loads, the differential settlement also increases.

2. It is verified that the geogrid can effectively reduce the difference between the old and new roadbed, reduce the horizontal displacement, and prevent cracking of the road surface.

3. In the case of the same traffic load and settling velocity, when the loading site is placed at the intersection of old and new roadbeds, the longitudinal cracks of the asphalt pavement develop more distinctly than if they are applied to the new roadbed alone and to the old roadbed alone.

4. With the same traffic load and load location, the greater the subgrade settlement velocity, the more pronounced the longitudinal cracking of asphalt pavement.

5. In the case where the subgrade settlement velocity is the same as the location of the load, the greater the load, the more pronounced the longitudinal cracking of the asphalt pavement.

This numerical simulation study has enriched the research of roadbed deformation coordination and asphalt pavement cracks. The research results can provide a certain reference for the actual roadbed widening project, and has certain scientific and engineering significance.

Keywords: discrete element; widening roadbed; uneven settlement; asphalt cracks; geogrid

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究的目的与意义 2

1.3 主要研究内容和技术路线 3

1.3.1技术路线 3

1.3.2主要研究内容 3

1.4文献研究 4

1.4.1公路拓宽工程新老路基变形机理研究 4

1.4.2拓宽路基的理论研究和数值模拟研究 4

1.4.3 拓宽路基的变形协调处治技术 5

1.4.4目前研究中存在的问题 6

第2章 离散元基本理论和PFC简介 7

2.1离散元方法概述 7

2.2 PFC简介 7

2.2.1理论背景 7

2.2.2 PFC颗粒流方法计算原理 7

2.2.3 PFC数值模拟流程 9

2.3颗粒流方法的应用 10

第3章 拓宽路基不均匀沉降和路面裂缝的模拟 11

3.1模型综述 11

3.2模型建立 15

3.2.1新老路基拼接处不均匀沉降模型 15

3.2.2沥青层在地基变形不协调作用下的断裂模拟模型 16

3.3 土工格栅加筋处理的模拟 18

第4章 结果与讨论 19

4.1 新老路基拼接处模拟结果 19

4.1.1 不均匀沉降 19

4.1.2土工格栅的加固效果 22

4.2 沥青路面的裂缝模拟 23

4.2.1 不同的加载部位对裂缝的影响 24

4.2.2不同沉降速度对裂缝的影响 33

4.2.3荷载大小对裂缝影响 35

第5章 结论与展望 38

5.1结论 38

5.2展望 38

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1研究背景

随着交通流量和物流量逐渐增大，先前修建的公路运输容量已经不能够满足当前的经济需求，需要扩道，从原来的双向四车道扩建成双向六车道，有些交通运流量大的地方甚至要扩建成双向八车道。老路基经过长时间的恒载和动载的作用，沉降固结基本完成，而新路基未来得及充分沉降，那么新旧路基结合处可能产生如图1.1所示的不均匀沉降, ,导致水泥混凝土路面结构在荷载作用下产生断裂, 进而导致如图1.2所示的纵向裂缝，还有可能导致沥青混凝土路面产生反射裂缝,这些工程病害不仅造成了巨大的工程经济损失，还对行车安全带来了严重的影响。基于此原因,对于公路拓宽技术的研究具有十分重大的社会效益和经济效益。综观现有的公路拓宽工程的病害, 其表现的形式多种多样，按照路基拓宽的损坏机理将拓宽路基的损坏归结为两类：一是拓宽路基稳定性不足导致的损坏，二是新老路基不协调变形引起的损坏。前者是拓宽路基自身稳定性不能充分满足稳定性要求导致的，后者则是新老地基和路基的不均匀变形引发的，其中新老路基间的不均匀沉降是导致病害的主要原因。