2020年, 第33卷, 第9期 刊出日期:2020-09-20
  

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  • 中国公路学报. 2020, 33(9): 0-0.
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    交通运输是国民经济和社会发展的重要基础。随着西部大开发战略、城镇化战略和"一带一路"合作倡议的实施,我国公路、铁路基础设施建设取得了巨大成就,但工程建设中遇到特殊土的种类和问题也在急剧增加(涉及黄土、膨胀土、裂隙土、冻土、红黏土、盐渍土、膨润土、残积土、垃圾土、分散性土、冰水堆积物、红砂土、珊瑚砂、文物土、可燃冰和月球土等多种土类)。这些土受地理环境、气候条件、地质成因以及次生变化等因素影响,具有独特且复杂的成分、结构和性质,并呈现显著的地域特征。
    在公路、铁路工程中,涉及此类土的路基处治是施工中的重中之重。如处理不当,极易诱发路基工后变形大、不均匀沉降显著、边坡滑塌及构筑物开裂等问题,严重影响工程的运行安全和使用寿命。因此,针对特殊土路基稳定与加固问题的重要性、复杂性和独特性,《中国公路学报》编辑部邀请长沙理工大学郑健龙院士和张军辉教授牵头组约国内相关研究领域知名专家学者的稿件,出版一期特殊土路基稳定与加固专栏。本专栏组稿专家还包括:长沙理工大学付宏渊教授、曾铃副教授,华东交通大学徐长节教授,山东大学崔新壮教授,浙江工业大学刘萌成教授,中国科学院武汉岩土力学研究所卢正研究员。本专栏共组约稿件70余篇,经编辑部组织专家审稿,最终录用15篇。
    本专栏主要包括以下3个方面的内容:
    (1)边坡稳定与加固。内容包括干湿循环作用下预崩解炭质泥岩强度特性研究、传感型土工格栅加筋挡土墙性能模型试验研究、饱和-非饱和边坡稳定性分析方法研究、含水率对路基填料剪切特性影响研究。
    (2)路基强度与刚度。内容包括膨胀土侧向膨胀力研究、冻融循环下黄泛区饱和含盐粉土动力特性及损伤规律研究、动力湿化作用下粗粒土高路堤渗流时空演化模型试验研究、堆石料三维强度特性研究、含硫酸钠风积沙土-水特征曲线试验及模型研究、细粒土路基平衡密度状态研究、基于孔隙结构的土体未冻水含量滞回效应研究。
    (3)地基与桩基础。内容包括变荷载下悬浮TDM复合地基固结分析研究、多年冻土区灌注桩人工冷却试验研究、土工织物包裹碎石桩力学特性数值模拟研究、桩体模量对水泥土搅拌桩复合地基破坏影响研究。
    特殊土路基性能的基本理论、试验方法、数值模拟技术、处治方法研究等,是我国耐久性路面发展的主要基础。《中国公路学报》将继续关注相关领域的最新研究成果,以期为广大专家、学者及工程技术人员提供一个学习、交流的平台,促进我国公路交通行业的快速发展。
  • 特殊土路基稳定与加固专栏
  • 曾铃, 罗锦涛, 侯鹏, 卞汉兵
    中国公路学报. 2020, 33(9): 1-11. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.001
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    由于炭质泥岩遇水易风化、强度低、变形大,干湿循环作用下炭质泥岩路堤易形成纵横交错的裂隙网络,加速路堤边坡失稳。为分析干湿循环作用下预崩解炭质泥岩裂隙演化规律与强度特性,通过制备较大尺寸预崩解炭质泥岩试样,开展室外裂隙演化原位试验及裂隙试样直剪试验,实时拍摄不同干湿循环次数下试样裂隙扩展图像,并基于裂隙图像特征参数对各阶段裂隙特征进行定量化描述,进而构建预崩解炭质泥岩的抗剪强度与裂隙参数关系模型。研究结果表明:预崩解炭质泥岩裂隙数量、裂隙最大长度及裂隙率等裂隙参数均随干湿循环次数分为迅速增长、缓慢增长、趋于平缓3个阶段;各因素对裂隙发育影响程度由强至弱依次为初始含水率、干密度、干湿循环次数;含裂隙试样剪切时遇到裂隙剪切应力会发生暂时性衰退,不同裂隙参数试样的黏聚力变化显著,而内摩擦角变化甚微,内摩擦角变化主要取决于土体干密度的变化,而黏聚力变化取决于初始含水率,抗剪强度主要与黏聚力相关联。为研究土体抗剪强度与裂隙参数的关系,拟合得到了裂隙率与黏聚力的指数关系模型,发现其拟合变化曲线呈凹形的抛物线变化,其抛物线分急剧降低和趋于稳定2个阶段。研究成果可为预崩解炭质泥岩路堤工程施工及稳定性分析提供参考。
  • 金青, 王艺霖, 崔新壮, 王磊, 齐辉, 王成军, 苏俊伟
    中国公路学报. 2020, 33(9): 12-21. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.002
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    风化料-废旧轮胎片体(TDA)混合形成的轻质土具有重度小、透水性强等优点,可用于台背回填,能显著降低工后沉降。然而TDA在土中的质量比对加筋土挡土墙性能的影响尚不清楚。为此,针对以风化料和TDA混合料填筑挡土墙的性能开展了一系列比例为1:5的缩尺模型试验,研究风化料中的TDA质量比(20%、30%和40%)和条形荷载位置对挡土墙极限承载力和变形的影响。模型中的加筋材料为自主研发的传感型土工格栅(SEGG),SEGG兼具加固和变形自检测功能,可以通过测试其电阻变化的方法实现对筋材应变的分布式测量。试验结果表明:加筋土挡墙的极限承载力在条形荷载距离侧墙0.4HH为侧墙高度)时达到最大,同时极限承载力随着TDA质量比增加而减小;破坏时侧墙变形随TDA质量比增加而显著增加,同时侧墙形状随条形荷载的位置不同而不同;通过试验观察可知,滑裂面通过了每层SEGG的最大应变区域;随着条形基础与墙面距离的增加,滑裂面向更深处发展;当条形荷载距离侧墙0.8H时,挡墙破坏模式接近平面基础剪切破坏模式;当TDA质量比达到40%时,TDA与风化料出现离析现象。对比发现,20% TDA质量比更适用于加筋土挡土墙工程;当条形荷载距离侧墙为0.4H时,极限承载力达到最大;锚固楔体法适用于加筋土挡墙滑裂面;SEGG应变的测量结果与滑裂面的试验观察结果吻合较好,同时也证明,TDA质量比和条形基础的位置均对挡墙破坏时的滑裂面有影响。
  • 张锐, 赵旭, 郑健龙, 刘正楠
    中国公路学报. 2020, 33(9): 22-31. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.003
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    侧向膨胀力是膨胀土支挡结构设计计算中的关键参数。为揭示并表征膨胀变形影响下侧向膨胀力的变化规律,研制二维膨胀仪,提出侧向膨胀力试验方法,以广西百色压实膨胀土为对象,分别研究竖向膨胀和侧向膨胀影响下侧向膨胀力的变化规律,并建立相应的关系表达式。试验结果表明:恒体积浸水条件下,侧向膨胀力与竖向膨胀力之比为0.42;完全侧限条件下,侧向膨胀力会因竖向膨胀的增大而减小;竖向应力通过影响竖向膨胀变形从而间接影响侧向膨胀力;竖向膨胀相关的侧向膨胀力折减系数Df随竖向应力比(竖向应力与竖向膨胀力之比)的变化可用幂函数表征。保持竖向膨胀不变条件下,侧向膨胀力会随侧向应变(侧向膨胀率)的增大而减小;侧向膨胀力越大,最终侧向应变越大;侧向膨胀相关的侧向膨胀力折减系数R随侧向应变比(侧向应变与最终侧向应变之比)的变化亦可用幂函数表征。以浸水条件下大型膨胀土挡墙为例,应用该试验成果分别计算挡墙静止和被推移时的侧向膨胀力沿深度的分布,实测结果验证了计算结果的合理性。提出的侧向膨胀力试验方法和表征公式简单实用,可提高膨胀土支挡结构设计计算中关键参数取值的准确性。
  • 郑英杰, 金青, 崔新壮, 张禾, 刘泽群, 张金
    中国公路学报. 2020, 33(9): 32-44. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.004
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    山东省黄泛区地处季节性冻土区,当地大量采用含盐粉土修筑公路路基,冻融循环作用后路基土动力性能受损,在车辆荷载作用下会发生路基翻浆病害。为研究冻融作用、盐分含量对饱和路基粉土动力性能及细观结构特征的影响,针对不同含盐量粉土开展有侧限封闭冻融试验,采用振动三轴试验测试多次冻融作用后解冻状态土样的骨架曲线、动模量和动阻尼比,同时采用核磁共振技术测试经历多次冻融循环后解冻状态饱和土样的横向驰豫时间T2谱曲线。研究结果表明:冻融作用后动应力幅值与动应变幅值之间符合修正的Hardin-Drnevich模型,当冻融6次后骨架曲线趋于稳定;初始动模量损伤度随冻融循环次数呈双曲线型增大,氯化盐含量小于12%时,随含盐量增加初始动模量损伤度呈线性增大;阻尼比随动应变幅值增大增加明显,随盐分含量、冻融次数增加而增大;随冻融次数增多,T2谱曲线主峰信号强度幅值减小,同时会产生横向驰豫时间长的波峰;T2级配曲线趋于连续光滑,形态趋于相似,不均匀系数和曲率系数趋于稳定;无盐粉土T2级配曲线的不均匀系数逐渐减小,并约稳定于5.6,曲率系数先减小后增大,并约稳定于0.986;当经历冻融6次后,随含盐量增加,T2级配曲线不均匀系数先增大后减小,曲率系数先减小后增大。
  • 何忠明, 王保林, 黄超, 卞汉兵, 张永杰
    中国公路学报. 2020, 33(9): 45-53. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.005
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    为了研究动力湿化作用下渗流水在粗粒土高路堤内的迁移特性,自主研发设计制作一种室内喷洒降雨装置及车辆动力荷载模拟装置,开展动力湿化作用下粗粒土高路堤渗流场时空演化模型试验,从时间和空间2个角度描述渗流水在路堤内的迁移特性,然后根据模型试验结果,建立粗粒土渗流场时空演化机制,揭示动力湿化作用下的粗粒土高路堤边坡渐变失稳发育机理。研究结果表明:基于相似理论,开展粗粒土高路堤渗流场时空演化模型试验可以较为真实地反映粗粒土高路堤在动力湿化作用下渗流水的迁移特性;动力湿化作用下,湿润锋首先在路堤边坡表面形成,并逐渐从边坡表面向内部拓展,在坡顶处的拓展速率较小,坡脚处的拓展速率较大;受湿润锋演变规律的影响,路堤边坡监测点负孔隙水压力逐渐减小,体积含水率逐渐增大,坡前应力逐渐增加,位于坡脚浅层区域的应力增加速度较快;依据渗流水的迁移规律,将渗流影响范围内的土体自上而下分为浅层暂态饱和区、渗流水填充区及渗流水湿润区;在动力湿化作用下,粗粒土高路堤边坡将逐渐产生沿坡脚深层滑移的渐变趋势。
  • 李学丰, 李瑞杰, 张军辉, 王奇
    中国公路学报. 2020, 33(9): 54-62. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.006
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    考虑颗粒尺寸效应、破碎、分形等细观特征,结合大尺寸三轴试验结果,建立了堆石料的各向异性破坏准则。借助砂土细观组构描述方法,用组构张量描述堆石料颗粒细观特性,提出了新的各向异性状态变量;同时将该变量作为堆石料细微观演化的内变量建立了线性形式的堆石料破坏准则,构建过程既简化了表达式,又保留了现有指数形式破坏准则的优点,能够描述复杂应力条件下堆石料的强度特性。通过状态变量的变化,提出的准则能较好地描述不同各向异性条件下应力状态、路径、罗德角、主应力轴旋转等变化对堆石料强度的影响。引入正交各向异性组构,推导了随罗德角、主应力旋转角变化的各向异性状态变量表达式,给出了不同参数变化下的堆石料三维强度破坏面。用大型三轴排水试验结果确定材料破坏准则的参数,基于分形维数理论研究了不同级配的堆石料在不同围压下的强度和变形特性关系。验证表明:提出的各向异性破坏准则可以较好地描述堆石料分形维数、孔隙比和围压对其三维强度特性的影响;随分形维数及强度参数变化,该准则能较好地反映堆石料强度在细观特性下的变化关系。
  • 邱祥, 蒋煌斌, 欧健, 刘忠伟, 陈淼
    中国公路学报. 2020, 33(9): 63-75. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.007
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    针对"暂态"饱和-非饱和边坡的稳定性问题,推导考虑"暂态"水压力、孔隙水重力、软化与非饱和强度的边坡安全系数计算公式,开发可以自动搜索滑动面位置的"暂态"饱和-非饱和边坡稳定性分析程序,并采用该程序研究算例"暂态"饱和-非饱和边坡安全系数与失稳模式的演化规律,分析不同因素对边坡安全系数的影响程度。研究结果表明:提出的能同时考虑"暂态"水压力、孔隙水重力、软化与非饱和强度的改进瑞典圆弧法,可以有效解决"暂态"饱和-非饱和边坡稳定性分析的问题;边坡失稳模式由深层整体破坏转变为浅层局部破坏时,存在一个可以采用降雨入渗区深度定义的阈值;降雨入渗区深度小于该阈值时,边坡安全系数迅速降低,滑动面最大深度快速减小,边坡失稳模式表现为深层整体破坏;降雨入渗区深度大于该阈值时,边坡安全系数持续降低,滑动面最大深度缓慢增大,在边坡浅层形成一块滑动带,边坡失稳模式表现为浅层局部破坏;"暂态"水压力对边坡稳定性的影响有利有弊,孔隙水重力、软化对边坡稳定性不利,非饱和强度对边坡稳定性有利;不考虑"暂态"水压力的抗滑力矩与下滑力矩之比小于滑动面"暂态"水压力及滑体侧向"暂态"水压力引起的抗滑力矩与滑体侧向"暂态"水压力引起的下滑力矩之比时,"暂态"水压力对边坡稳定性有利,反之则不利。
  • 杨涛, 盛志成
    中国公路学报. 2020, 33(9): 76-84. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.008
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    T形水泥土搅拌(TDM)桩是具有扩大头的变直径搅拌桩,T形水泥土搅拌桩复合地基的固结机理较传统的等直径水泥土搅拌桩复合地基复杂得多,固结计算也更为困难。为了获得悬浮T形水泥土搅拌桩复合地基的固结计算模型,基于加固区桩-土等竖向应变假设,推导出变荷载作用下悬浮T形水泥土搅拌桩复合地基的一维固结控制方程和求解条件。将固结方程和求解条件进行函数变换,利用3层地基一维固结理论建立单级加荷条件下T形水泥土搅拌桩复合地基的固结解析解,包括加固区、桩间土和下卧层土中的平均超静孔隙水压力解答和复合地基整体平均固结度解答。然后,通过与固结度有限元数值计算结果的对比,验证固结解析解的合理性。最后,利用固结度解析解对影响复合地基固结速率的主要因素进行分析,研究悬浮T形水泥土搅拌桩复合地基的固结特性。研究结果表明:复合地基固结度的解析解与有限元数值解较为一致;悬浮T形水泥土搅拌桩复合地基的固结速率随水泥土搅拌桩贯入比、压缩模量、下部小直径搅拌桩的置换率以及下卧层土压缩模量的增加而增大,搅拌桩贯入比、下卧层的刚度对复合地基固结速率的影响更为显著;扩大头尺寸和刚度的变化对T形水泥土搅拌桩复合地基固结速率的影响很小。
  • 张宏, 刘海洋
    中国公路学报. 2020, 33(9): 85-93. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.009
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    针对中国西北部沙漠地区风积沙路基土出现的硫酸钠盐渍化现象,为探究水盐耦合效应对含硫酸钠风积沙路基土水力、力学性质的影响,实验室配置不同Na2SO4盐分含量的风积沙路基土试样,基于ASTM D5298-16规范中滤纸法测试其基质吸力、总吸力并绘制土-水特征曲线,分析含盐量对基质吸力、总吸力土-水特征曲线的影响规律,在v-G模型的基础上进行含盐量修正,建立可以考虑水盐耦合效应的风积沙路基土土-水特征曲线模型并通过试验数据对模型拟合验证。结果表明:Na2SO4盐分含量对风积沙基质吸力、渗透吸力和总吸力均有影响,当体积含水率较高时,含盐量主要通过影响渗透吸力而对总吸力影响较大,而当体积含水率较低时,含盐量会对基质吸力产生一定影响;含盐量改变主要对v-G模型中参数a产生影响,含盐量修正后的v-G模型在拟合阿拉善地区含硫酸钠风积沙路基土基质吸力和总吸力土-水特征曲线时适用性较好。研究结果可为该类土体相关工程实践提供理论指导。
  • 姚占勇, 蒋红光, 孙梦林, 杨晨君, 包佳佳, 曹让
    中国公路学报. 2020, 33(9): 94-103. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.010
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    为掌握细粒土路基的平衡密度状态及其变化原因,统计分析9条高速公路路床顶部的压实度和含水率检测资料,对3条黄泛区高速公路路基的压实度、含水率以及1条高速公路的路基模量进行全断面深度检测,并开展非饱和细粒土的湿化试验和弹性恢复试验。现场实测发现:在役路基除了实测含水率较最佳含水率有0~13.8%的增加外,相应的压实度出现了0~10%的线性衰减;其中,路床区、上路堤以及受水位波动影响较大的路基底部的压实度降低十分明显,而下路堤上部区域压实度基本维持不变甚至有所增大;路基压实度的变化与土的含水率密切相关。非饱和土三轴试验结果表明:土体湿化过程中,吸水导致体积膨胀和压实度衰减;当路床土吸湿至平衡湿度(含水率为18%)时,土体压实度降低5.07%。弹性恢复试验结果表明:压实路基土因变形恢复导致路基密度衰减;低含水率、高压实度和低上覆荷载条件下的弹性恢复较大,压实路床土弹性恢复导致的压实度降低值最大为0.5%;综合湿化和弹性恢复结果来看,两者占黄泛区路床区压实度衰减总量(约7%)的79.6%;此外,路基剪切模量的原位实测值较相同物理状态下的室内重塑土结果平均高出了60.64%,表明运营多年的高速公路路基土具有一定的结构性。因此,既有路基的评价应该同时考虑路基湿度增加、密度降低以及土体结构性等综合因素。
  • 陈坤, 俞祁浩, 郭磊, 温智
    中国公路学报. 2020, 33(9): 104-114. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.011
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    多年冻土区灌注桩修筑过程中,混凝土携带的热量和水化热会对周围冻土产生强烈的热扰动,由于基础在回冻前承载力非常小,因此桩基的快速回冻已成为该地区基础设施建设中备受关注的问题。为解决该问题,创新性地提出人工冷却法在多年冻土区灌注桩中的应用,以实现基础的快速降温和回冻,并在青藏高原北麓河进行现场人工冷却灌注桩试验。试验结果表明:人工冷却降温效果显著,试验进行到第2天,基础周围土体温度已经降至天然场温度以下;随着冷却试验的继续进行,基础和周围土体的温度会进一步降低;人工冷却有效降低了土体温度,并增加了桩基周围土体的冷储量,冷却试验结束后的第7个月试验桩的平均界面温度为-0.6℃,无冷却措施桩对应的平均界面温度为-0.37℃。承载力计算结果表明:人工冷却可以快速、大幅提高桩基的承载力,通过该措施的应用,试验桩的承载力可提高至2 231 kN,而无冷却措施桩对应时刻的承载力仅为549 kN;该措施有效缩短了冻土区灌注桩施工的后续等待时间,经过人工冷却的桩基承载力很高,冷却结束后即可进行上部荷载的施工。人工冷却可作为冻土地区桩基快速施工中的一种重要方法和有效途径,其不仅能够解决灌注桩对冻土产生热扰动这一难题,还能够有效缩短工程的建设周期,具有很高的工程应用价值。
  • 寇璟媛, 马新岩, 滕继东, 张升, 李希
    中国公路学报. 2020, 33(9): 115-125. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.012
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    冻结特征曲线(SFCC)是描述负温与土体内部未冻水含量之间的关系曲线,是非饱和冻土研究的重要基础。冻融循环是冻土研究的关键因素。以粉土和黏土为试验对象,采用低场核磁共振(NMR)技术,测得了土体在冻融循环作用下的冻结特征曲线和孔隙结构分布图,研究土体在冻融循环作用下冻结特征曲线的变化。试验结果表明:随着循环次数的增加,土体孔隙分布发生了变化,进而导致冻结特征曲线滞回圈和特征温度点的变化,冻结特征曲线变化的本质是孔隙结构的变化;从微观结构出发得到了基于孔隙结构的SFCC表达式,指出融化过程的冻结特征曲线是主冻结特征曲线;结合试验数据的对比分析,模型有效展示了多次冻融循环下土体冻结特征曲线的滞回效应,适用于多次循环下的非饱和冻土。
  • 刘龙旗, 毛雪松, 肖亚军, 吴谦, 聂孟兰
    中国公路学报. 2020, 33(9): 126-135. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.013
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    坡积体是由坡面细流的侵蚀、搬运和沉积作用形成的一种土石混合体,含水率对其力学强度特性有重要影响。以陕西汉中略阳坡积体为研究对象,通过大型直剪试验分析坡积体重塑样在不同含水率条件下的应力应变特性、剪切"跳跃"特性、体积应变特性及抗剪强度参数变化规律。调研结果表明:略阳地区坡积体具有分布广、规模大、成因和结构构造复杂等分布特征,物质组成、结构构造和降雨是影响其工程特性的主要因素。室内大型直剪试验结果表明:含水率较低试样的应力-应变曲线可分为线弹性、局部剪切和剪切破坏3个阶段,而含水率较高试样只有前2个剪切阶段;低含水率试样的剪切"跳跃"现象主要发生在剪切初期,高含水率试样主要发生在剪切后期;低含水率试样在低应力下整体表现为剪胀,随着正应力的增加,剪胀量变小,而高含水率试样则表现为剪缩;高应力条件下试样全部表现为剪缩,且剪缩量随着含水率的增加而增大;剪切试样的抗剪强度整体上都是随着含水率的增大而降低,但降低幅度不大;试样的抗剪强度参数用内摩擦角和"等效黏聚力"表征,"等效黏聚力"随着含水率的增加先增大后减小,而内摩擦角则先减小后增大;土石混合填料抗剪强度曲线呈双线性变化。
  • 谭鑫, 曹明, 冯龙健, 赵明华
    中国公路学报. 2020, 33(9): 136-145. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.014
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    不同于普通碎石桩,土工织物包裹碎石桩受力变形过程因涉及到碎石与织物之间的相互作用而变得更为复杂。为研究包裹碎石桩强度及变形等力学特性,采用数值方法模拟土工织物包裹碎石桩的单轴与三轴压缩试验。通过对比试验数据验证数值模型的合理性,并在此基础上,分析土工织物模量、抗拉强度和围压对包裹碎石桩力学特性的影响,揭示包裹碎石桩体变形承载及破坏机制。结果表明:包裹碎石桩体在加载早期即已进入屈服状态,当织物发生拉伸破裂后包裹碎石桩体强度随即从峰值强度迅速下降;包裹碎石桩模量随土工织物模量呈线性增长,碎石相对密实度越高其模量增长幅度也越高;包裹碎石桩单轴抗压强度随土工织物抗拉强度线性增长,增长幅度与碎石相对密实度无关;在三轴压缩状态下得到的表观黏聚力随土工织物抗拉强度线性增加,与碎石相对密实度无关;土工织物抗拉强度对包裹碎石桩体的摩擦角几乎没有影响,其对包裹碎石桩体强度的提升主要以增加表观黏聚力的形式体现;围压和土工织物对碎石桩体约束作用发挥的先后顺序将改变包裹碎石桩三轴压缩状态下的应力-应变曲线形态;数值模型无法反映碎石颗粒对包裹织物带来的刺入及磨损,因此在土工织物包裹碎石桩数值模拟中必须对织物抗拉强度进行一定程度折减,否则数值模拟结果将极大高估其抗压强度。
  • 郑刚, 夏博洋, 周海祚, 于晓旋
    中国公路学报. 2020, 33(9): 146-154. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.015
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    针对目前水泥土搅拌桩复合地基整体稳定性研究主要基于假定全部桩体发生剪切或者弯曲破坏的不足,采用有限差分法,对不同位置处桩体的受力特性,破坏模式以及复合地基整体破坏过程的开展方向进行研究,在此基础上,分析桩体弹性模量对桩体受力、破坏模式和破坏顺序的影响。结果表明:水泥土搅拌桩复合地基在路堤荷载作用下,会同时发生弯曲与剪切2种破坏模式,并且水泥土搅拌桩受力在空间分布上具有很大的不同;路堤荷载作用下,桩体的破坏具有渐进性,坡肩以外桩体更易发生弯曲破坏,破坏方向由坡脚首先发生,并向路堤中心逐渐延伸,而路堤内侧桩体更容易发生剪切破坏,破坏方向由路堤中心向坡脚延伸;随着桩体弹性模量的增加,桩体会由剪切破坏转变为弯曲破坏;低模量水泥土搅拌桩复合地基会首先发生内部剪切破坏,之后坡脚处发生弯曲破坏;高模量水泥土搅拌桩复合地基会先于坡脚处发生弯曲破坏,随后在路堤中心发生剪切破坏;桩体弹性模量的提高会增加桩体抗弯刚度,使其承担更大的弯矩,更容易发生弯曲破坏。
  • 道路工程
  • 陈渊召, 李振霞, 赵晨奥, 郭滕滕, 王朝辉, 李金星, 高登峰
    中国公路学报. 2020, 33(9): 155-167. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.016
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    为解决目前冬季融冰雪成本高、环保性差的问题,首先基于医学制药中的"缓控释"思想,确定涂层材料的组成,为使表面能较高的亲水性填料、补强剂与表面能较低的树脂能有效结合,采用偶联剂对组分中的填料和补强剂进行表面改性处理,用高分子纤维素分别制备疏水型与亲水型包衣溶液,对环保型融雪剂进行包衣成膜,研究其微观形貌以评价成膜状况;然后通过融冰雪试验确定涂层溶液的最佳涂刷量,研究涂层的抗黏附性能与缓释持久性,通过分析涂层的微观形貌特征,揭示其缓控释融冰雪机理;最后分别通过研究融冰雪涂层的耐水性、耐磨性和耐腐蚀性分析其耐久性能,通过分别分析融冰雪涂层对植物生长和金属腐蚀的影响以评价其环保性能。研究结果表明:亲水型与疏水型包衣溶液的掺配比例是1:8,环保型主动融冰雪涂层溶液的最佳涂刷量为0.65 kg·m-2,融冰雪涂层具有良好的缓释持久性和抗黏附性能;在融冰雪过程中,包衣薄膜吸水溶胀,溶解缠绕在包衣薄膜表面的亲水型高分子纤维素,使镶嵌在包衣表面的抗黏剂及致孔剂碎片脱落,在包衣薄膜表面形成孔洞,渗出融雪剂晶体,包衣薄膜成功地发挥缓释作用;水进入包衣膜内后溶解融雪剂,浓度升高,渗透压增大,融雪溶液便渗出包衣薄膜,融化冰雪;环保型主动融冰雪涂层具有良好的经济、环保和耐久性。
  • 刘飞禹, 陶宇, 王军, 叶强, 符洪涛
    中国公路学报. 2020, 33(9): 168-179. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.017
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    真空预压联合电渗法是疏浚淤泥最有效的地基处理方法之一,但由于真空预压阶段排水板淤堵导致土体固结不足,同时电渗阶段土体开裂严重导致界面电阻较大、能耗过高,该方法在实际工程中并未得到广泛应用。基于此提出一种新的方法,即分级真空预压联合电渗和强夯法,以克服原方法存在的缺陷;同时研究在不同真空分级级数下分级真空预压联合电渗和强夯法对疏浚淤泥的加固效果。采用自制玻璃模型桶,通过室内模型试验对疏浚淤泥加固过程中的土体出流量、电流强度、土体表面沉降以及试验后土体含水量、土体十字板剪切强度、土体pH值和阳极腐蚀量等进行监测。试验结果表明:在分级真空预压、电渗、强夯联合作用中,采用分级施加真空压力的方式有效缓解了真空预压阶段排水板淤堵,使得土体出流强于真空预压联合电渗法,土体表面沉降发展更显著;在电渗阶段与强夯结合有效提高了土体致密性,弥补了土体裂缝,增强了电路电流,提高了电渗排水效率;采用分级真空预压联合电渗和强夯法较传统真空预压联合电渗法而言阳极腐蚀量更小,能耗更低;真空分级级数越多,对疏浚淤泥的加固效果越好;在试验中采用分3级施加真空压力的方式处理疏浚淤泥,处理后的土体十字板剪切强度达到105 kPa,含水量降至37.6%,对疏浚淤泥的加固效果最优。
  • 桥梁与隧道工程
  • 黄福云, 陈伟, 徐普, 薛俊青, 张峰
    中国公路学报. 2020, 33(9): 180-192. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.018
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    整体桥因其全周期寿命长、整体性好和养护费用低等特点,得到了广泛应用,但对其在地震荷载作用下的受力特点和变形规律还缺乏深入研究。基于此,以某整体桥为背景,制作桥台-H形钢桩试验模型,开展整体式桥台-H形钢桩-土体系抗震性能拟静力试验研究,分析桥台-H形钢桩的破坏模式、滞回性能、骨架曲线、水平变形和桥台转角等变化规律。试验结果表明:H形钢桩出现较大的负向残余变形,但负向加载下H形钢桩未出现破坏;台后、台底及桩顶土体均出现大范围脱空;试件的等效黏滞阻尼比约为0.35,具有良好的耗能能力;正向加载下试件的弹性抗弯刚度是负向的12.6倍,最大承载力是负向的3.85倍,台后土对试件的刚度和承载力影响显著;破坏时试件刚度减小至初始刚度的33%,退化不显著;相比位移延性和割线刚度,采用环线刚度分析其抗震性能更为合适,改进后的割线刚度能更准确地反映试件的刚度退化;考虑整体和局部累积变形的影响,大加载位移作用下,桩身出现较大的负向整体累积变形,且桩身沿深度方向多处出现局部累积变形;加载过程桥台仅发生刚体位移,正向转角逐渐增大,负向转角先增大后减小再转为正向倾斜。研究发现整体式桥台-H形钢桩-土体系拥有优越的抗震性能。
  • 晏班夫, 李得睿, 徐观亚, 朱平, 邵旭东
    中国公路学报. 2020, 33(9): 193-205. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.019
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    传统的有接触结构形变测试存在现场操作困难、多点测试不便、测试成本高等问题,难以应对工程结构形变测试中较为复杂的应用场景。为实现无需人造靶标、可远距离测试且具有较高测试精度的非接触无靶标形变测试,针对采集的结构形变视频图像,引入数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术,采用基于Fourier变换的互相关整像素匹配算法与反向组合高斯-牛顿迭代亚像素匹配算法,利用英伟达公司的CUDA并行计算平台,实现结构多点动位移时程的快速测试;基于有限元应变计算与正则化平滑理论,采用位移场后处理方式实现结构连续与非连续应变场的计算。对DIC匹配算法的精度及运算速度、应变算法处理连续与非连续位移场的性能进行对比分析;对超高性能混凝土墩柱抗冲击试验及拱桥吊杆振动试验视频数据进行处理,得到多点位移(频率)测试结果,并与传统测试方法进行对比分析;对砂体抗拔试验及混凝土梁抗弯试验视频进行处理,以云图方式展现位移场与应变场的分布,并与基于逐点最小二乘法的应变测试结果进行对比。研究结果表明:基于快速DIC与正则化平滑技术的非接触结构形变测试方法在结构多点变形、位移频谱及应变场,特别是非连续应变场的测试中得到了较理想结果,具有一定的工程应用价值。
  • 金辉, 徐岳, 姜凤华, 程嘉稀
    中国公路学报. 2020, 33(9): 206-214. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.020
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    为了研究锚贴U形钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的抗弯性能,设计5根加固梁和1根对比梁进行抗弯试验。试件的主要设计参数包括有无加载历史、钢板纵向加固长度、钢板厚度和螺杆间距。加载仪器采用1 000 kN梁柱加载系统,应变采集使用静态应变分析系统,挠度采用机电百分表测量。试验过程中,观测记录试验梁在荷载作用下截面应变、跨中挠度、加固部分与原混凝土之间的相对滑移、裂缝的产生与发展。基于平截面假定,推导试验梁的极限抗弯承载力计算公式,并对比模型试验与理论分析结果。试验结果表明:与未加固的对比梁相比,锚贴U形钢板-混凝土组合加固后的试验梁其开裂弯矩提高近50%,极限抗弯承载力提高约1倍;钢板纵向加固长度对梁的整体刚度有显著的影响,加固范围越大刚度提升越显著;加固范围应充分考虑加固部分截断处截面的抗剪能力,避免使试件从塑性弯曲破坏模式变成脆性剪切破坏模式;对比螺杆间距15 cm与30 cm试验梁的结果发现,只要符合构造要求的螺杆间距对试件的承载能力影响很小,但对裂缝开展有一定的影响,螺杆间距越密其裂缝开展明显变小;随着加固钢板面积增大,抗弯承载力也随之提高。针对加固后适筋破坏的RC梁,推导了极限抗弯承载力计算公式,利用公式计算出的极限抗弯承载力的理论值与试验值相对差值均在10%以内。
  • 张俊儒, 马凯蒙, 方钱宝, 孔超, 焦康杰
    中国公路学报. 2020, 33(9): 215-224. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.021
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    即将开工建设的川藏铁路雅安至昌都段,隧道穿越地层多以陡倾(立)变质层状板岩为主,埋深大都在千米左右,地应力高或极高,其建设面临着很严重的大变形问题,给设计阶段初期带来极大挑战。针对以上工程背景,基于层状围岩的变形特征,对高地应力陡倾板岩隧道的合理洞型选择展开研究。首先通过解析计算分析圆形洞室层状围岩的变形特征,并进一步采用离散元数值模拟计算分析马蹄形洞室的变形特征,经相互对比验证数值计算的可行性和合理性,在此基础上,对比研究高地应力陡倾板岩地层单洞双线隧道、双洞单线隧道选择对控制变形的优越性,最后在选定的双洞单线隧道洞型基础上进行优化选择。研究结果表明:与岩层倾角垂直处围岩以结构变形为主,结构面张开变形与薄层结构的弯曲变形为变形的主要来源,且垂直结构面方向围岩变形程度与影响范围均大于其他方向;从控制隧道变形及开挖影响范围考虑,在高地应力陡倾(立)板岩地层采用双洞单线隧道更为合理;在高地应力陡倾(立)板岩地层中,单线隧道高跨比为1.02~1.06时,变形控制最好,而圆形隧道由于开挖面积的增大并非为最优断面。
  • 交通工程
  • 孙剑, 张一豪, 王俊骅
    中国公路学报. 2020, 33(9): 225-235. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.022
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    大量证据表明,驾驶人分心是导致交通事故的主要原因之一。当前基于侵入式(如脑电波等)或半侵入式(如视频等)检测驾驶人分心的方法,不仅对驾驶任务造成一定干扰,且受多种环境因素的制约,误报率较高。基于此,只考虑非侵入式车辆运动特征,提出一种基于深度学习的驾驶人分心状态识别方法:首先,从自然驾驶数据集中获得大量的跟驰片段,采用态势感知方法,提取典型的分心驾驶片段,并建立仅包含车辆运动学特征的分心判别指标集;其次,利用梯度提升决策树-递归特征消除算法(GBDT-RFE)和随机森林-递归特征消除算法(RF-RFE)对特征进行重要度排序,得到重要度较高的分心监测指标;最后,采用长短时记忆神经网络(LSTM-NN)实现分心驾驶的分类识别,并与支持向量机和AdaBoost的模型结果进行对比。研究结果表明:LSTM-NN在判别分心或正常状态时F1分别为89%、91%,高于SVM和AdaBoost对应二分类结果;进行多分类任务时,判别分心情景的平均F1较SVM和AdaBoost分别提升了12%和7%,不同类别分心识别的误报率在15%以下,说明LSTM-NN能够有效学习分心序列的前后信息,有利于准确估计驾驶人的状态。研究结果可为车辆分心预警系统和驾驶风险倾向性评估提供方法基础。
  • 何仁, 赵晓聪, 王建强
    中国公路学报. 2020, 33(9): 236-250. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.023
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    人机共驾中,共驾模式的选择和驾驶控制权的分配高度依赖于对驾驶人状态的正确识别。为了分析人机共驾中驾驶人的状态,对行车风险场模型进行重构,通过构建风险场力作用机制,建立包含驾驶人特性、自车特性和外部风险特性的人-车-路闭环系统中的驾驶人风险响应度模型,用于表征驾驶人对风险的认知能力和应对倾向。根据24位驾驶人在跟车和并道2个场景中的驾驶试验结果,对不同风险响应度下驾驶人的驾驶特性进行分析。研究结果表明:驾驶人风险响应度在驾驶过程中具有时变性,在驾驶人个体之间和不同驾驶场景间均存在差异性。在风险响应度分别为低、中、高的3类驾驶片段中,驾驶人在驾驶时的碰撞时间倒数TTCi和加减速行为均具有显著差异(p<0.05);风险响应度较高的保守型驾驶中,驾驶人行车时倾向于保持较小的TTCi(均值为-0.48 s-1,标准差为1.25 s-1),单位时间内制动操作最多[均值为0.65次·(15 s)-1],总体驾驶风格倾向于规避风险;风险响应度较低的激进型驾驶中,驾驶人行车时倾向于保持最大的TTCi(均值为0.28 s-1,标准差为0.42 s-1),相较于保守型驾驶,单位时间内加速操作较多[均值为0.48次·(15 s)-1],制动操作较少[均值为0.50次·(15 s)-1],总体驾驶风格倾向于追求行驶效率;风险响应度居中的平衡型驾驶中,驾驶人行车时所保持的TTCi居中(均值为0.04 s-1,标准差为0.36 s-1),单位时间内加速操作[均值为0.23次·(15 s)-1]和制动[均值为0.41次·(15 s)-1]操作总数最少,对于行驶效率和行车安全的追求相对均衡。相较于以往将驾驶人作为孤立个体的驾驶人状态评估方法,所提出的驾驶人风险响应度模型可以依据驾驶人在人-车-路交互中的驾驶表现,更为全面地反映驾驶人的个性化驾驶状态。
  • 吕楠, 赵敬源
    中国公路学报. 2020, 33(9): 251-260. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.09.024
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    物流园区选址是其规划建设中不可或缺的部分,传统的选址方法以定性分析为主,缺乏对选址结果可靠性的评判标准,为此,引入贝叶斯概率方法开展了物流园区选址规划理论研究。借助EM算法和GeNie软件,构建了贝叶斯网络模型,挖掘出各影响因素间存在的内在因果和逻辑关系,量化各影响因素的显著性,构建科学合理的物流园区选址规划评价指标体系;采用K-means聚类方法建立了物流园区选址模型,使用MATLAB软件对建立的模型进行迭代计算,并引入贝叶斯判别方法对聚类结果进行了可靠性分析;基于贝叶斯网络方法优化了灰色模糊风险评估模型,结合了定性分析和定量计算,得出相应的选址风险系数与评估风险概率,完成了物流园区的选址风险等级评估。研究结果表明:基于贝叶斯方法建立的物流园区选址模型能够充分考虑城市规模、经济社会发展、城市物流量及交通区位等多因素的影响,实现了对物流园区选址结果的量化评价,降低了人为主观因素和客观数据的模糊性对物流园区选址方案的影响,有效提高了物流园区选址规划的科学性和可靠性。以陕西省10个地级市为候选地点验证该选址模型的可行性,结果显示:西安建设物流园区的选址风险系数为4.030 1,处于低风险水平,依据总体风险概率确定低风险水平的可靠性为65.50%,证实了在西安建设物流园区(西安港)风险系数较低,科学可行,且西安港风险评估结论具有较高的可靠性。