- 绪论
1.1研究背景
公路交通作为交通运输体系的重要组成部分,在当今国民经济发展中正发挥着越来越重要的作用。它以强大的通行能力，快捷的运行速度，灵活的运行方式等特性极大地提高和丰富了运输的能力和内容。公路运输对创造就业机会、调整产业结构、合理开发自然资源以及发挥城市的经济辐射作用均有着重要意义，国民经济的发展离不开公路运输的支撑，随着我国国民经济的飞速发展，已有很大一部分已建成的道路路堤不能适应和满足当前社会经济发展的要求，越来越多的路堤需要改建和扩建。对现有旧路进行改扩建将是我国本世纪初公路建设所面临的亟待解决的问题，路堤拓宽对于现阶段有重要的意义，是当前急需解决的重要问题之一。
路堤是指路基顶面高于原地面的填方路基，是交通运输工程道路建设中常见的一种道路横断面形式。路堤在天然地面上用土或石填筑的具有一定密实度的线路建筑物。路堤结构路基填料的选择与密实度控制在路基设计、施工中最为重要。路堤沉降路堤在其自重及列车荷载作用下会产生压密沉降，另外，在列车动荷载的长期重复作用下会产生累积沉降。路基的过量沉降会造成路基病害、增加线路养护维修工作量、影响正常行车，因此如何减小和控制路堤沉降是路基工程要解决的重要问题。主要通过对填料的控制、提高压实标准等手段加以解决。路堤加宽曲线上由于设置外轨超高，加厚了外轨枕木端下的道床，道床坡脚外移，同时又需要保留一定路肩宽度，所以必须将曲线外侧的路基加宽。在结构上分为上路堤和下路堤，上路堤是指路床以下0.7m厚度范围内的填方部分，下路堤是指上路堤以下的填方部分。按路堤的填土高度的不同，一般路堤又可分为矮路堤和高路堤。填土高度小于1.5m者，属于矮路堤；填土高度大于18m（土质）或20m（石质）的路堤属于高路堤。随着路堤所处的条件和加固类型的不同，还有浸水路堤、护脚路堤及挖沟填筑路堤等形式，非以上特殊情况的路段时为普通路堤。
路堤拓宽是指就是在原有路基的基础上，单侧或双侧加宽。路堤拓宽的方式有挖方老路基加挖方新路基，这种方法适用于山区非陡坡道路单侧挖方拓宽；第二种是挖方老路基加填方新路基，适用于山区非陡坡道路单外侧填方拓宽；第三种方法是半填半挖老路基加挖方新路基，适用于山区非陡坡道路单内侧挖方拓宽型式；第四种是半填半挖老路基加填方新路基，适用于山区非陡坡道路单内侧挖方拓宽型式；第五种是填方老路基和挖方新路基；第六种填方老路基和填方新路基；第七种挖方老路基和两侧拓宽新路基；第八种半填半挖老路基和两侧拓宽新路基；第九种是填方老路基和两侧拓宽新路基。第十种是路堑老路基和单侧挖方新路基；第十一种是路堑老路基加双侧挖方新路基；第十二种是路堑老路基加外侧拓宽；第十三种是半填半挖老路基加外侧拓宽设挡墙；第十四种是半填半挖老路基和外侧拓宽放坡；第十五种是填方老路基放坡加填方新路基放坡；第十六种是填方老路基挡墙加双侧填方新路基；第十七种是填方老路基加单侧填方新路基。
1.2路堤拓宽中土拱效应的研究
1.2.1土拱形态与成拱过程的起源及近期发展
土拱效应在土木工程种是一个很普遍的现象，该效应是有太沙基在1939通过活动门实验证实的。土拱效应是通过土体的抗剪强度的发挥而实现的，土拱在形成的过程中，在荷载或者自重的作用下，土体发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相楔紧的作用，于是在一定范围土层中产生“拱效应”。由于“土拱效应”的存在，使得围护结构后的主动土压力产生重分布。土拱效应也是地层产生相对位移而造成的应力释放的现象。在刚性桩复合地基中，桩体承受的荷载作用要比桩间土承受的荷载作用大得多，这就是土拱效应作用所致。土拱效应和土拱的形态息息相关，但是，土拱效应提出以来，对土拱具体形态的研究不多，直至近20年来才进行较多，之前的研究寥寥可数。总结而言，目前提出的比较重要的土拱具体形态有：三角拱形模型；半圆形模型；半球形模型；中国科学院院士根据HEWLEIF模型试验结果提出的半球壳形模型。2015年，谭可源提出一种关于刚性桩复合地基土拱效应的三维土拱模型，并作出了理论证明，与既有的土拱模型不同，为区别于既有的土拱模型，称为谭氏土拱模型，简称谭氏拱。
1.2.2不同类型路堤中土拱效应的研究
曹卫平等[1]作者通过三维拱土效应模型试验的方法，对桩土的相对位移、路堤高度、桩帽间距和水平加筋体拉伸强度等因素对桩土应力比及路堤沉降的影响展开了研究。研究发现当桩土间相对位移是6-8mm时，桩土应力比最大；桩帽宽度和距离的比值以及路堤高度和桩帽间距的比值的增大会加大桩土应力比，并且可以减小路堤顶面的沉降差异。当沉面高度与桩帽间距的比值是3.5时，可以在桩乘式加筋路堤中形成三维拱土效应。杨涛等[2]作者通过有限元软件分析方法，对确定土拱的几何形态以及拱高等拱体的几何特征参数展开了研究，研究发现，土拱形态时半个椭圆，土拱的形成需要一定的路堤高度和桩帽与桩帽间地基土的沉降，土拱高度与桩帽间距成正比，与填土内摩擦脚成反比。肖宏等[3]作者通过因次分析法，并进行了模型制作，运用相似理论开展推导的方法，对轨道路基工程在无渣的情况下的沉降问题，路基机床在桩网加固后的情况下的参数变化展开了研究，研究发现，桩网结构柔性拱的沉降波形呈网兜状，沉降最大处发生在4个桩的中心位置；当路基填筑高度的慢慢增加，土工格栅的应变和桩间土压力也在增加，但不是一直随着增加，当路基填筑到31层的时候，其应变和土压力开始缓慢的增加，这说明形成了桩间土拱已经形成了，土拱发挥效应使得上部土压力不直接释放在隔栅层里而是在不断的转移，调节荷载受力，增大应变。
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