中国路面工程学术研究综述·2024

近年来,中国公路建设成果斐然,路网规模快速增长、关键技术不断突破。为进一步提升中国路面工程学科水平及国际影响力,推动路面工程可持续、高质量发展,从公路韧性评估与恢复、长寿命路面结构与材料、公路交通能源自洽、低环境影响公路技术、路面材料基因与高通量、公路数字化及智能化、公路智能检测与高性能养护等七大研究方向,系统梳理了近年来国内外路面工程的发展现状、前沿热点问题与未来发展趋势。具体围绕公路绿色化、韧性化、智能化、长寿命与交能结合等领域,遴选了20个热点研究方向,涵盖公路致灾因素及失效机理、公路韧性评估与恢复、公路韧性提升关键技术、公路长寿命路面结构足尺试验、公路结构与功能寿命增强技术、公路清洁能源采集技术、公路能源自洽设计、公路路域环境影响测试与评估方法、低环境影响路面新材料、沥青路面温拌再生技术、路面材料基因研究、路面材料跨尺度计算、路面材料基因与高通量研究、公路数字化建模技术、公路数字孪生仿真技术、公路运维数据驱动技术、公路探地雷达检测技术、路面性能轻量化检测、公路沥青路面抗滑性能检测及恢复技术、公路高性能预防养护技术等主要内容。该综述可为中国路面工程学科发展提供指引和参考,为路面工...     

基于APSO算法的公路光伏声屏障储充系统优化

为实现公路光伏声屏障发电系统的能源自洽，基于自适应粒子群算法提出了一套从光伏出力、蓄电池储能到充电桩用电的“光储充”容量配置方案。根据项目所在地的温度、辐射强度及光伏组件性能衰减规律建立光伏出力模型，结合公路光伏声屏障吸声降噪效果，计算光伏组件最佳倾角并获取该倾角下的光伏资源禀赋。基于光伏出力与负荷需求，获取蓄电池逐时荷电状态，利用雨流计数法和等效循环寿命法计算蓄电池的预估使用寿命，建立了涵盖初始投资、运行维护和设备更换3部分费用的成本模型，相较于传统固定寿命的成本模型更加具有实际意义。然后，以最小化总成本为优化目标，考虑系统的最小功率、占地面积、蓄电池荷电状态、系统负荷缺电率和系统弃能率5个约束条件，建立了公路“光储充”系统容量配置协调优化模型。采用自适应的粒子群算法，通过改进惯性权重提高了粒子的全局和局部搜索能力，得到了给定光伏板数量下蓄电池及充电桩的最优容量配置方案。结果表明：提出的公路“光储充”模型的能源自洽率达95%以上，对加快公路交通能源融合具有重要意义。针对蓄电池荷电状态，设定荷电状态全年处于0.2～0.8之间，防止了蓄电池的过充过放，显著提高了蓄电池的使用寿命；针对粒子...     

沥青混凝土与连续配筋混凝土复合式路面承载力分析

为了防止公路的早期破坏,为长寿命路面结构研究提供理论依据与技术支持,应用有限元方法对沥青混凝土与连续配筋混凝土复合式路面进行了温度场与疲劳应力分析。分析结果表明:小于4cm的沥青混凝土面层主要用于改善路面使用性能;大于4cm的沥青混凝土面层可以有效改善路面的温度场,每增加2cm,可满足15%～20%的超载要求。可见该复合式路面能够承受重载和一定程度的超载而不发生疲劳破坏。     

考虑初始缺陷的水泥基复合材料细观开裂研究

为了研究微观初始缺陷对水泥稳定碎石基层材料（CTB）细观开裂的影响，基于离散元法（DEM）和随机算法构建了细观非均质随机骨料数值模型，结合参数反演确定了模型细观参数，并引入裂隙网络（DFN）来表征水泥砂浆内部的微观初始缺陷。通过虚拟半圆弯曲（SCB）试验模拟了细观开裂过程，比较分析了数值模拟结果和试验结果，并进一步研究了裂隙密度和宽度对结构细观开裂的影响。结果表明：细观断裂模型的数值模拟结果和试验结果基本吻合，模型能较好地表征细观随机开裂行为；材料的宏观开裂是由于细观损伤的累积导致，宏观裂纹的产生经历了平稳扩展和快速贯通的过程；张力是裂纹演化的驱动力，裂纹通常沿着砂浆与骨料的界面薄弱区进行扩展；微观缺陷显著影响水泥基材料的力学性能和断裂行为，初始裂隙通过诱导微裂纹的扩展与贯穿，降低结构整体强度，但是在一定程度上增大了结构的容许形变，其中20~40 m·m^-2的裂隙密度和0.3~0.45 mm的裂隙宽度对材料强度影响最为显著，施工过程中合理控制裂隙密度和宽度对于提高材料抗裂能力有益。所构建的细观模型可以很好地捕捉微裂纹的扩展和贯穿过程，能够实现对细观断裂的精确模拟，为探索水泥基复合材料的破坏过程和机理提供了一种新的研究手段。     

沥青混凝土超声波检测的衰减特征与影响因素研究

为有效获得沥青混凝土的超声波检测结果，基于压电换能器模拟和沥青砂浆Burgers黏弹性模型，建立三相介质的沥青混凝土有限元模型，在20~100 kHz频段范围内，比较9种入射频率下沥青混凝土中超声波细观的衰减特征及宏观的振幅变化，分析3种集料粒径（13.2，19.0，26.5 mm）及不同温度（-10℃~60℃）对沥青混凝土中超声波衰减的影响；针对数值模拟结果，使用超声横波成像仪MIRA-A1040进行室内试验验证，研究9种入射频率下实测振幅和断面重构图的衰减规律。研究结果表明：当温度为20℃时，在频段20~100 kHz内，入射频率每升高10 kHz，反射波振幅线性降低约3 dB；随着入射频率的升高，沥青砂浆中声压等值线的规则性、连续性及试件断面重构图的辨识度均大致呈线性降低趋势；当入射频率和温度不变时，集料粒径引起的散射衰减会引起振幅小幅度的降低；当集料粒径不变时，影响振幅降低速率的主要因素是温度，本质为沥青砂浆黏弹性引起的吸收衰减；以入射频率为30 kHz的沥青混凝土AC-13为例，温度每升高10℃，振幅约线性降低5 dB；2种衰减综合决定了反射波振幅的数值；沥青混凝土检测的入射频率不宜超过60 kHz，温度不宜超过40℃；用于沥青路面面层的检测时，建议入射频率范围为20~60 kHz；较低的入射频率与温度有利于沥青混凝土的超声波检测。     

连续配筋水泥混凝土路面面板位移研究

从理论分析和实地观测两方面深入研究了CRCP的面板位移情况,比较了地锚梁法和工字梁法两种锚固方式的特点。理论分析表明面板位移情况与板长无关,只与混凝土材料性质、温差和基层顶面的摩擦有关。实际观测表明:路面板中间段几乎没有位移,靠近端部的位移比较明显,位移段长度为200~300 m;地锚梁端部位移很小,变化也比较缓慢。对于存在沥青上面层的CRCP路面,为减小由于端部接缝变形过大造成的对沥青上面层的破坏,建议采用地锚梁的端部锚固方式。     

连续配筋水泥混凝土路面裂缝发展规律研究

裂缝位置是连续配筋路面的薄弱面,裂缝间距和裂缝宽度则是CRCP配筋设计的两个控制指标。通过对不同配筋率的两段CRCP路面裂缝进行长期观测,分析归纳了CRCP路面的主要裂缝类型、裂缝形态、裂缝主要参数以及各参数的变化规律。研究发现横向裂缝是CRCP的主要裂缝形式,除了常见形态外,还出现了大量群集裂缝以及Y形裂缝。裂缝可以用裂缝间距、裂缝宽度以及裂缝长度等参数来表征,各参数随配筋率、端部锚固形式、观测气温以及时间而不断变化,相关研究结论可为今后CRCP路面实施裂缝控制技术以及CRCP的优化设计提供有益的参考。     

路面养护措施负指数与S形衰变模型拟合研究

对路面养护性能的评价是进行合理养护规划,实现路面管理系统功能的基础。该文根据实际罩面养护路段的长期性能数据,采用刘伯莹和孙立军路面衰变方程进行拟合,并对衰变方程参数的物理意义进行了分析,对不同养护方法的长期性能衰变规律进行了比较研究。分析结果表明:孙立军方程的鲁棒性更好,对于路面初始性能较低的情况也能够达到较好的拟合效果。对于养护措施的长期性能,两种方程给出了类似的结果,AC-16初始路面性能较好,而SMA-13的抗病害能力相对较好。另外,由于中国当前路面性能评价标准对路面性能水平的打分偏高,尤其对于高速公路。实际工程中不存在路面性能衰变到62%的情况,因此孙立军方程的寿命因子偏大。建议采用调整路面评价指标或增加放大系数的方法来提高孙立军方程的拟合效果。     

基于多元回归模型的高速公路养护路段长期性能研究

如何评价不同养护措施的长期效益,选择合适的养护措施是高速公路管理部门面临的重要问题。本研究收集了浙江省高速公路的46个养护路段的历史性能数据,以PCI,RQI和RDI三种指标为因变量,以养护方法、寿命和断面交通量为自变量,采用多元线性回归方法分析不同养护措施的衰变规律。采用包含交互项的多元回归方程,分析了不同影响因素的交互作用,及其对衰变速率的影响。研究结果表明同一因素对PCI和RDI的影响大于RQI;不同的养护方案的衰变规律受断面交通量影响,但并不显著;寿命对路面衰变速率存在较大影响,寿命越长,罩面养护方案的优势越显著。本研究分析结果,可为更加经济有效地进行道路养护方案决策提供依据。