环保型多孔路面材料设计理念与架构

针对道路交通基础设施建设和维护过程中面临的人与自然和谐、交通安全与效率、环境污染、人居条件等突出问题,分析了城市密实路面铺装材料与增加地表渗透,降低道路交通噪声,减少热岛效应,实现部分尾气分解等社会发展需求的不适应性。提出了采用多孔材料作为新一代环保型路面材料的设计理念,以改变路面仅具有单一通行功能的现状,使其兼具通行与透水、降噪、低吸热、减小汽车尾气污染等环保功能。在此基础上,分析讨论了以多孔结构为主体或基体具有透水、降噪、低吸热、减小汽车尾气污染功能的4种路面材料的设计、性能、功能和局限性,并进一步论述了环保型多孔路面材料的设计理念、研究进展与设计架构关键问题。结果表明：多孔路面材料的功能与性能协同设计方法、多孔结构的力学模型、行为理论等关键内容需要开展系统研究;其应用不仅能够拓展路面的功能,引发路面技术的变革,同时能够丰富和发展现代道路工程以及相关学科知识体系,带动现代道路工程技术进步和相关社会产业的发展。     

粉土路基坡面复合面层护坡技术的面层材料特性

针对粉土路基边坡的坡面冲刷破坏和分层滑移破坏特征,提出一种融合玄武岩纤维加筋与聚丙烯酰胺固化作用,并集植草、抗冲刷、增稳多种功效的粉土路基坡面复合面层护坡技术。根据复合面层中不同面层的防护机制,开展对应面层材料的直剪试验、淋滤质量损失试验、渗透试验和毛细水上升试验,通过讨论面层材料中玄武岩纤维加筋量、筋长、聚丙烯酰胺掺量的变化与对应面层材料剪切变形、剪切强度、质量损失比、渗透系数、入渗量的关系规律,从材料角度分析获得玄武岩纤维的相对经济掺量、筋长与聚丙烯酰胺的相对经济配比及其对应材料指标。试验结果表明：复合面层材料相对粉土强度提高80%~150%,抗冲刷性能提高约200%,抗渗性提高约3个数量级;面层材料相对经济的配合比大致为玄武岩纤维筋长12 mm、掺量0.4%,聚丙烯酰胺掺量1%;面层材料大幅改善了原粉土的强度、变形性能、抗冲刷性与抗渗性,3层复合面层材料将减少入渗、削弱侵蚀、提高强度3种功能融为一体。     

高应力泥质粉砂岩非线性蠕变损伤模型研究

为了研究高应力作用下泥质粉砂岩蠕变损伤特性,针对深埋硐室围岩和高陡边坡长期受高应力作用产生的蠕变影响,采用三轴流变试验仪对泥质粉砂岩进行分级增量加载研究其蠕变损伤特性。通过蠕变试验结果分析高应力泥质粉砂岩在硬化和软化2个阶段的不同损伤演化规律,硬化阶段考虑弹性模量、应力水平和应力作用时间综合影响的蠕变损伤效应;软化阶段基于损伤力学原理分析泥质粉砂岩在高应力作用下的蠕变损伤演化特性。通过建立考虑不同因素影响下的高应力泥质粉砂岩损伤演化方程,最终构建符合其蠕变特性的非线性蠕变损伤本构模型,并对改进后的蠕变模型参数进行识别反演。研究结果表明：高应力泥质粉砂岩的蠕变呈现明显的非线性特征,且蠕变硬化和软化特征明显,硬化阶段蠕变损伤变量随着应力水平的增大而增大,且随着时间增加而趋于稳定值;软化阶段蠕变损伤因子随应力水平和时间的增加呈明显的增长趋势,由此可见,高应力泥质粉砂岩蠕变在不同阶段其损伤受应力水平和应力作用时间的影响呈现明显的正相关趋势,说明该模型能够较好地反映泥质粉砂岩在高应力作用下应力水平与时间效应对蠕变损伤特性的影响,试验曲线与理论模型较为符合,研究成果可对高应力泥质粉砂岩深埋硐室及巷道围岩支护提供理论指导意义。     

草类根系对坡面土强度及崩解特性的影响试验

坡面植被的固土防冲刷失稳作用往往取决于草类根系对坡面土强度和抗崩解特性的提高幅度。为研究草类根系对提高坡面土强度和抗崩解特性的影响规律,首先通过植草种植试验和观察,研究草类根系生长及竖向深度含根量分布规律,然后采用直剪试验得到不同根系含量或不同生长深度与根-土复合体强度的关系,并对添加不同含量根系的根-土复合体进行强度试验,比较种植活根系和添加死根系根-土复合体不同的强度特性。对路堑坡面植草根系原状土样和添加根系重塑配制土样进行崩解试验,比较分析坡面土壤的结构性、根系含量对植草坡面土体崩解特性的影响。结果表明：草类根系的纵横穿插与缠绕根网加筋作用使草类根系能显著增强根-土复合体的强度,种植根系的毛细根系及生物活性使其对土体强度提高的加筋效应远优于添加根系,其提高幅度与根含量呈线性增加关系;由于草类根系的缠绕包裹作用提高了土的强度,且草类根系在土体孔隙中的穿插能减少雨水入渗时的孔隙气压及封闭气体,从而使草类根系能显著提高根-土复合体的抗崩解特性;路堑边坡土体的结构性以及主根系衍生出大量毛细根系的存在,使添加根系重塑配制土的抗崩解能力远小于路堑边坡种植根系原状土;根土样在配制土中采用稻秸秆代替草类根系,在同样添加比例的情况下具有更高的抗崩解能力及加筋强度。     

降雨入渗条件下非饱和土渗流特征试验

设计了一种可测量降雨入渗与底部排水条件下土体体积含水率与基质吸力变化规律的试验装置,开展不同降雨强度条件下砂土和粉质黏土的降雨入渗与排水过程室内模型试验,得到了不同土质在不同降雨强度下各高程处体积含水率与基质吸力的变化规律。结果表明：可将降雨入渗条件下不同土质的体积含水率变化划分为3个阶段,首先表面土体含水率上升,随着雨水的入渗,表面含水率保持不变,土体内部含水率由上至下依次上升,随后当浸润线达到装置底部后,土体的含水率开始逐渐增大,由非饱和状态过渡至饱和状态,最后当装置底部达到饱和后,土体中的水位开始逐渐上升,各个测点在降雨作用下由下至上依次达到饱和状态;不同土质土体的表面体积含水率均与降雨强度呈线性关系,在相同降雨强度下粉质黏土表面体积含水率大于砂土,不同土质浸润线的下降速度与降雨强度均呈对数函数关系,在相同降雨强度下砂土浸润线下降速度大于粉质黏土;土体基质吸力随着雨水的入渗由上至下逐渐减小,在水位上升过程中基质吸力变化幅度小于降雨入渗过程;在排水过程中,砂土与粉质黏土各高程处的含水率随排水时间的变化规律分别呈幂函数关系和指数函数关系,位置较高测点的含水率下降明显快于位置较低的测点。     

路基下伏矩形溶洞的稳定性解析法

为评价荷载作用下的路基下伏矩形溶洞的稳定性,首先根据岩溶区路基承载特性建立简化的力学分析模型,并进一步得到等效计算模型。其次,基于复变函数理论,提出矩形溶洞任意截面映射函数的确定方法,并给出常用矩形截面映射函数的具体表达式。然后,求得矩形溶洞在自重与路基荷载联合作用下的地层应力;在此基础上,进一步求得任意截面的最大、最小主应力,同时引入Griffith强度准则,对溶洞的稳定性进行评价。最后,通过数值方法及工程实例对本文计算方法进行验算。研究结果表明：该方法所得水平应力和切应力与数值结果误差在5%以内,竖直应力误差在8%以内,工程实际情况与理论计算结果吻合良好,对岩溶区路基设计计算有一定的参考价值;值得注意的是,矩形溶洞4个顶点处的水平应力及竖向应力值都比较大,应力变化幅度较为明显,存在严重的应力集中现象,说明矩形溶洞的4个顶点比较容易破坏,在工程实践中应特别注意该处的验算。     

考虑拉剪耦合作用地震边坡稳定性分析

基于拉剪耦合作用,对Mohr-Coulomb强度准则进行修正。在不同坡高、不同高宽比的边坡底部入射3条经典地震波,对边坡进行动力稳定性分析。首先采用显式迭代子增量法编写考虑拉剪耦合作用的Mohr-Coulomb强度准则子程序,并在边坡模型的截断边界添加黏弹性人工边界、输入等效地震荷载,模拟边坡受到的地震作用;然后以单元分别受到压缩和拉伸作用为例验证子程序的正确性;通过与已有地震边坡的研究结果对比,表明在地震边坡分析中若不考虑材料的拉剪耦合作用,得出的结论偏危险;最后在边坡底部垂直入射3条地震波,分析不同坡高、不同高宽比的边坡在2种强度准则下安全系数的区别。研究结果表明：不同边坡（坡高、高宽比不同）在不同地震波（El-Centro,Kobe,Northridge）作用下的安全系数各不相同,但安全系数都随坡高增加和坡角增大而降低;考虑拉剪耦合作用边坡的安全系数小于不考虑拉剪耦合作用边坡的安全系数,并且其安全系数的变化各有特点;坡高和高宽比的变化影响边坡对地震波频段的响应;分析地震边坡的稳定性,应综合考虑材料的拉剪耦合作用以及边坡高度和高宽比的变化规律。     

基于超限学习机的黄土高路堤预拱超填研究

黄土山区公路建设存在大量V形冲沟,使路基产生过大工后沉降,为解决工后超标准沉降问题,减小工后沉降处治成本,需设计路基预抛高（预留沉降量）,使公路交工验收时高程符合设计要求。现行规范对如何布设预抛高没有明确说明,因此有必要研究黄土高路堤沉降分布规律,提出其预拱超填方法,针对此类问题依托渭武高速公路工程,通过对试验路历时2年多的沉降观测,得到路基施工期、路面施工期及公路通车1年后的路基沉降数据,提出黄土高路堤沉降随时间和空间的分布规律,得到路堤沿时间及纵、横断面的沉降分布特征,为黄土高路堤填筑末期预抛高的布设形式奠定了基础;基于超限学习机算法,建立黄土高路堤工后沉降预测模型,利用实际沉降观测数据与模型预估结果进行对比,采用平均绝对百分误差对预测结果精度进行评定;最后,通过定量分析填土高度、施工速率、路面重力、路基路面验收时间及交通量修正对路堤工后沉降的影响,提出基于可靠度的黄土高路堤预抛高预测模型及公式,据此给出基于超填平衡的试验路纵、横断面预抛高设置方法,并通过工程实例,验证预抛高模型及公式的准确性。研究结果表明：该沉降预测模型精度良好;研究结果可为黄土地区高填方路基填筑末期预抛高的详细布设提供参考。     

橡胶-砂颗粒混合物压缩特性与胶结退化试验

为揭示轻度胶结橡胶-砂颗粒混合物的压缩特性和胶结退化过程,通过室内一维压缩试验、剪切波速测试和扫描电镜检测,对比分析混合物的应力-应变特征和刚度演化规律,研究颗粒间胶结作用、砂掺量等对试样密度、残余应变、剪切波速和小应变剪切模量的影响,同时定性评价压缩后胶结混合物微观结构特征,探讨轻度胶结刚-柔性颗粒混合物的受力变形机制。试验结果表明：橡胶-砂颗粒混合物密度随砂掺量增加呈线性增加趋势;少量胶结物质添加可有效减小压缩变形和残余应变,胶结试样的加载压缩曲线可分为胶结控制、胶结退化和应力控制3个阶段,残余应变与砂掺量间呈指数减小关系;颗粒间胶结作用在高应力条件下退化完全,胶结试样剪切波速表现出与未胶结试样相似的变化规律;相同砂掺量与应力条件下,胶结试样具有较高的小应变剪切模量,压缩过程中小应变剪切模量的演化规律与剪切波速类似;颗粒间胶结在荷载作用下首先发挥作用并逐渐退化,当刚性颗粒（砂颗粒）含量较低时,混合物的受力介质主要为柔性颗粒（橡胶颗粒）,颗粒空间位置无显著改变;当刚性颗粒含量较高时,荷载作用下刚性颗粒会发生一定的滑移和滚动,形成相互接触的受力链以承受荷载,柔性颗粒则可阻止受力链倾覆与倒塌。     

道路工程学科前沿进展与道路交通系统的代际转换

当前,新一轮科技革命正在蓬勃发展,深刻影响并改变着各个行业,传统的道路交通也不例外。试图以新的视角总结梳理传统道路学科的发展现状和国际前沿,重在捕捉当前的研究热点,绘制学科发展地貌,思考道路工程从汽车发展的促进因素成为制约因素面临的挑战和任务。在此基础上,从道路加物质、资源、环境、能源、安全和光能等角度,描绘了适应新要求的未来道路应具备的典型特征,进而提出了道路工程基础设施的代际划分方法。针对新一代道路,梳理了超级道路的创新至零、工业化生产、免干扰维护、路-车协同、智慧运营和弹性管理等核心内涵,并就类人系统、能源场景、微生态化和速度不限等可能外延进行了预测。