2022年, 第35卷, 第11期　刊出日期：2022-11-20

  

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  中国公路学报. 2022, 35(11): 0-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2022, 35(11): 2-0.

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  重大基础设施中桩基工程的理论与实践新进展专栏导语

  中国公路学报. 2022, 35(11): 3-0.

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  随着《交通强国建设纲要》的发布，我国公路、桥梁等重大基础设施建设迎来新一轮的发展浪潮。与此同时，“一带一路”合作倡议的提出，推动了深山峡谷、大江大河和沿海地区公路、桥梁等工程的高质量建设。交通基础设施建设中，桩基础因其承载力高、稳定性好、变形小等优点得以广泛应用。桩基础作为山区公路、海上风电、跨海大桥等重要设施常用的基础形式，直径一般较大，在复杂地形条件、地质条件、冻结深度、水文条件等因素的影响下，其施工条件变得更加复杂，一旦考虑不周将带来严重的工程安全隐患；此外，桩基础服役期间将承受风荷载、波浪荷载以及上部结构传递荷载等的共同作用，这其中涉及到静力、动力与倾覆等耦合问题，对桩基础承载能力和抗变形能力的要求越来越高，这使得桩基础的设计与施工面临着前所未有的挑战。
  近年来，学者们深入探究了复杂环境下桩基工程的施工与运营机制，对桩基承载特性与机理有了新的认知，在保证工程绿色环保、合理安全的前提下，依据水文地质以及建设与运营成本等因素对桩基进行综合设计，可为重大交通基础设施建设提供创新而又准确的理论指导。为充分展示重大基础设施中桩基工程的最新研究成果，及时总结该领域的前沿方向和关键技术，推动理论与技术创新，《中国公路学报》编辑部邀请广东省水利水电科学研究院杨光华教授级高工、同济大学梁发云教授、广东工业大学袁炳祥教授作为组稿负责人，共同向该领域的知名专家、学者约稿，出版本期“重大基础设施中桩基工程的理论与实践新进展”专栏。本专栏共收到相关论文50余篇，最终录用11篇。研究内容主要集中于以下几个方面：
  （1）重大交通工程中桩基承载和失稳的理论分析。主要内容包括：桩-土界面参数量化模型、承台-群桩结构相互作用理论分析、复杂荷载作用下桩基变形特性及地基位移理论计算、斜坡效应下水平地基抗力比例系数确定方法等。
  （2）重大基础设施中桩基承载和失稳的试验研究。主要内容包括：竖向循环荷载下单桩的累积沉降特性、层状地基中水平受荷桩-土相互作用分析、复杂边坡中抗滑桩土拱效应演化研究、整体式斜交桥台-桩-土体系相互作用分析、天然灾害下（地震、台风等）桩-结构体系失效模式分析等。
  （3）大型公路、桥梁工程超大直径桩基承载特性与稳定性研究。主要内容包括：复杂地形下桩基础承载特性及桩土相互作用、重大交通工程中特殊土地区桩基的承载与失稳特性、桥面融雪除冰能量桩热泵系统换热效率研究、特殊地质条件下微型钢管桩抗压承载特性等。
  重大基础设施中桩基工程的基础理论、关键技术和结构创新，是实现我国公路、桥梁工程高质量发展的重要支撑。《中国公路学报》将持续关注该领域的国内外最新研究进展，以期为广大专家、学者及工程技术人员提供学习、交流的平台，促进我国路桥建设事业的可持续发展。
重大基础设施中桩基工程的理论与实践新进展专栏
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  桩-岩界面粗糙度量化模型及其剪切机制研究

  赵衡, 侯继超, 赵明华

  中国公路学报. 2022, 35(11): 1-11. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.001

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  为考虑桩-岩界面粗糙度对其剪切强度的影响，提出一种能描述粗糙体起伏高度变化的量化模型。该模型在现有规则三角形粗糙体模型的基础上将岩体表面的粗糙起伏用不同高度的等腰三角形粗糙体进行量化，其优点在于能同时考虑各个局部粗糙体在界面总体剪切位移下所表现出来的剪胀与剪断2种机制。通过结合常法向刚度条件（CNS）下桩-岩界面的剪切特性，建立了局部粗糙体的剪切模型，并采用对所有局部粗糙体剪切响应求和的方法获取界面的整体剪切响应。基于局部粗糙体的剪胀-剪断两相机制和三角形粗糙体的几何特征推导了界面在剪切过程中处于两阶段粗糙体个数及剪切应力的演化方程；在此基础之上，根据位移控制条件将界面剪切过程划分为：剪胀、渐进破坏及剪断3个过程，并求解了各过程的剪切强度发挥函数，同时提出了完备的参数确定方法。最后，通过室内剪切试验对所提理论模型进行验证，结果表明：①各工况下试验曲线存在明显的3个剪切过程，验证了理论模型的合理性；②所提理论模型可较为精确地预测界面峰值剪切应力τ_u，预测误差在2%~10%之间；③理论模型高估残余应力τ_r误差在17%~25%之间的概率为50%，误差在17%~32%之间概率为81.25%；④峰值应力和残余应力与最大粗糙体高度h_max、初始法向应力σ_n0及法向刚度K成正比。
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  考虑斜坡效应的地基水平抗力比例系数确定方法

  尹平保, 杨铠波, 赵明华, 贺炜, 张永杰

  中国公路学报. 2022, 35(11): 12-20. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.002

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  水平地基抗力比例系数对桩基设计至关重要，基于平坦场地比例系数设计的斜坡基桩，常因忽视斜坡效应的影响而带来安全隐患。为研究斜坡效应对斜坡地基比例系数的影响，设计并完成了4组黏性土坡基桩水平静载模型试验，获得了0°、15°、30°及45°坡度下地基等效比例系数与地面处桩身水平位移曲线及桩顶荷载-位移梯度曲线等；建立了地基比例系数与坡度间的拟合关系式；对比分析了斜坡地基比例系数取值对基桩水平承载特性的影响。研究结果表明：黏性土坡地基比例系数随桩身水平位移增大而呈非线性关系减小，当地面处桩身水平位移小于6 mm时，地基比例系数急剧减小，而后减幅较小；基桩临界荷载和极限荷载均随斜坡坡度增加而减小，与平地相比，斜坡坡度每增加15°，基桩临界荷载和极限荷载约分别减小17%和16%；结合现有试验表明，斜坡坡度越大，地基比例系数越小；坡度每增加15°，对应的碎石土、砂土及黏性土坡地基比例系数m约分别减小38%、32%和31%；根据现有试验以及试验结果，建立了不同类型斜坡地基比例系数取值标准与斜坡坡度之间的经验关系，可为斜坡桩基设计提供参考依据。
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  循环荷载下水泥土桩复合单元体变形特性及其地基长期沉降计算方法

  张振, 郑文强, 叶观宝, 陈勇

  中国公路学报. 2022, 35(11): 21-29. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.003

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  对于软土地区的路基工程，若路基处理不当，在长期交通荷载作用下，容易导致服役期路面开裂、不均匀沉降等问题。水泥土搅拌桩法是软土地区最常用的路基加固方法之一。研究循环荷载下水泥土桩复合地基的变形特性，对于指导交通荷载下软土地基长期沉降控制具有重要意义。然而，现有研究主要集中在软土和水泥土单一介质，对于水泥土桩复合体的研究较少。通过开展水泥土桩复合单元体大型动三轴试验，分析围压、静偏应力和置换率等因素对水泥土桩复合体累积塑性应变的影响。研究结果表明：循环荷载下水泥土桩复合体累积塑性显著小于软土，且应变随围压、动应力比及静偏应力的增大而增大，随置换率的增大而减小；静偏应力的增加会导致复合单元体临界动应力比的减小。基于试验结果，建立了水泥土桩复合体长期沉降计算方法。结合现代有轨电车算例，分析交通荷载作用下软土路基以及经水泥土桩法处理后的路基长期沉降结果。计算结果表明，采用水泥土桩法可有效减小软土路基长期沉降。
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  承台-群桩结构波浪力理论分析

  何一宽, 韩冰, 季文玉, 曹明盛, 闫冰川

  中国公路学报. 2022, 35(11): 30-38. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.004

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  目前桥梁基础的波浪力计算大多采用数值模拟的方式进行研究，但数值模拟存在计算成本高、耗时长等缺点。因此基于线性势流理论首次推导了承台-群桩结构的波浪绕射作用计算公式，求解得到了承台波浪力的半解析解。首先将承台-群桩结构简化为上层穿出水面、下层嵌入水底的双层多柱体结构，其中上层单柱体代表承台，下层多柱体代表群桩。然后将计算域划分为承台外侧和下侧2个子域，子域间的交界面函数通过傅里叶级数处理，通过匹配特征函数展开法对每一个子域的速度势函数进行求解，最终得到承台表面波浪力。在进行解的收敛性分析和与边界元软件进行大量的对比验证后，分析了桩半径和承台高度对承台表面波浪力的影响。研究发现：在小波数范围内，承台表面的量纲一的波浪力会随着群桩的存在而增大，并随着桩半径的增加而进一步增大；同时承台高度的增加会首先对波浪力的增加有促进作用，但在承台高度达到某一临界值后，承台量纲一的波浪力将会减小。首次基于势流理论推导的双层多柱体波浪作用的理论公式，为承台-群桩结构表面波浪力的求解提出了一种新的半解析方法，相较于数值模拟，其能在保证结果准确性的同时，也能使得计算更加方便快捷、成本低廉，为之后波浪作用理论的进一步完善提供有力支撑。
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  非液化场地中桩-结构体系地震响应与桩基失效模式分析

  豆鹏飞, 刘浩, 许成顺, 王进廷, 孙毅龙, 杜修力

  中国公路学报. 2022, 35(11): 39-51. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.005

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  基于非液化场地-群桩基础-上部结构大型振动台试验，建立了非液化场地-桩-结构体系地震响应数值计算模型，在分析桩-结构体系动力响应基础上，深入探讨动力荷载下非液化场地中的桩基失效模式。通过对比数值计算模型所得典型地震响应结果与试验结果，验证了数值计算模型的有效性和合理性，进一步探讨了非液化地基中土-结构体系地震响应规律，重点关注在地震作用下桩基失效过程及桩基-结构体系地震破坏模式。结果表明：在地震作用下，土体加速度在松砂层中不再放大，在最上部出现一定放大，且桩基加速度反应也有相似规律；各深度处土体动剪应力-动剪应变滞回曲线表现出对角线斜率小幅减小的趋势，说明等效剪切模量也出现不同程度的降低，也即地基各处土体抗剪强度均有一定下降；桩身最大弯矩出现在桩身中下部，在桩头与土层交界面附近桩身剪力较大，说明可能发生桩头剪切破坏或桩身弯曲破坏。
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  竖向循环荷载下单桩的累积沉降特性模型试验

  刘开富, 黄棁, 张振营, 朱益军

  中国公路学报. 2022, 35(11): 52-61. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.006

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  高速公路、铁路桩承式路基中桩基的累积沉降发展对路基变形影响很大，为有效控制路基变形并利于后续运营，有必要深入研究竖向循环荷载下单桩的累积沉降发展规律。通过新研发的土体加压装置对模型试验中桩侧土体施加额外的侧向压力，开展了竖向循环荷载下双层地基中单桩模型试验，基于模型试验结果分析了循环荷载下侧向压力对桩顶累积沉降的影响，并进一步探究了侧向增压地基中循环荷载频率、循环荷载比（CLR）、静偏荷载比（SLR）对桩顶累积沉降的影响。研究结果表明：增加侧向压力不仅提高了单桩的极限承载力，还对循环荷载作用下桩顶累积沉降的影响明显，尤其循环荷载较小时增加侧向压力可能会改变桩顶累积沉降的发展模式。循环荷载下单桩的桩顶累积沉降明显受到循环次数、SLR、CLR及循环荷载频率的影响，桩顶累积沉降随着循环次数、CLR和SLR的增加而增大，且在循环加载前期的桩顶累积沉降发展较快，CLR对桩顶累积沉降的影响比SLR的大；荷载频率的增大同样会导致桩顶累积沉降增加，并朝着不利于桩基安全的方向发展；发展型的桩顶累积沉降与循环次数的关系可用对数函数进行表述。当前仅以荷载大小作为桩顶累积沉降发展类型的判定标准存在一定的局限性，应在工程设计及运营中特别注意循环荷载频率、CLR、SLR等因素的影响。
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  层状地基中水平受荷桩-土相互作用试验（双语出版）

  袁炳祥, 樊立韬, 李志杰, 罗庆姿, 王永洪, 幸厚冰, 蒋国平

  中国公路学报. 2022, 35(11): 62-72. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.007

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  为了深入研究侧向受荷桩的承载特性及抵抗变形的能力，结合实际工程中天然土体的成层特性，开展了侧向受荷桩的室内模型试验，研究了不同粒径土层厚度及相对密实度对桩土相互动态耦合作用的影响，并结合PIV图像技术，分析了桩周土体位移场的发展趋势，为水平受荷桩的设计提供了理论依据。试验结果表明：①土体刚度与较小粒径土层的厚度呈正相关关系，而较大粒径砂土层厚的增加则对整个桩土体系的刚度产生了弱化作用；②当桩顶位移相同时，随着较小粒径砂土层厚的增大以及相对密实度的提高，土抗力随之增大，在深度为5~6倍桩径范围内达到最大值，且相对密实度对土抗力的影响更大；③水平受荷桩的桩前和桩后砂土表面均形成了一个纺锤形的位移影响区域，且此区域与水平加载方向的最大夹角随土层条件和相对密实度的变化很小，其值均为45°左右；④在相同的桩顶荷载下，砂土相对密实度的增大约束了桩体的运动趋势，使得桩体的水平位移减小，例如，当桩顶荷载均为30 N，密实度为0.5时桩前砂土的最大位移影响范围比密实度为0.3时普遍减少了约1倍桩径的距离；⑤桩身弯矩值随着较小粒径土层厚度的增大而增大，最大弯矩约出现在0.15 m深度（5倍桩径）处；随着砂土相对密实度的提高，桩身弯矩也逐渐增大，最大弯矩所在的位置逐渐上移。
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  整体式斜交桥台-桩-土体系往复加载拟静力试验

  赵秋红, 翁琴龙, 黄福云, 陈宝春

  中国公路学报. 2022, 35(11): 73-85. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.008

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  将整体式桥台引入斜交桥中形成整体式斜交桥，可有效改善地震中桥梁上部结构纵横向耦连效应造成的面内扭转及落梁现象；但整体式桥台中主梁与桥台浇筑为一体，在地震作用下将发生复杂的桥台-桩-土相互作用。为此，以某整体式斜交桥为原型，开展了斜交桥台-H形钢桩-土体系往复加载拟静力试验研究，探究了体系的抗震性能、台后土压力分布规律以及桥台和钢桩的水平变形特征等。结果表明：斜交桥台-H形钢桩-土体系具有较高的耗能能力及延性，台后土对体系的抗震性能影响显著。台后土提高了体系抗侧承载力及刚度，但亦造成正负向受力不对称性，其中正向抗侧承载力及刚度明显高于负向，但残余承载力及位移明显小于负向。在小位移（<0.01H，H为桥台高度）下，斜交桥台的台后土压力沿埋深方向近似呈三角形分布，最大土压力位于台底；沿水平方向呈抛物线形分布，最大土压力位于距桥台锐角0.25 m处；沿纵桥向呈三角形分布，最大土压力位于台背。在大位移（≥0.01H）下，台后土靠台背处出现明显扇形塌陷区域，导致桥台顶部土压力降低，沿埋深方向开始呈双折线分布，沿水平方向呈三折线分布，最大土压力位置不变；沿纵桥向呈双折线分布，最大土压力与台背距离随加载位移逐渐增加。试验结束时，桥台顶部塌陷区域深度近500 mm，宽度近600 mm。加载过程中桥台基本为刚体，出现平动及转动位移；由于部分台后土流动至钢桩前侧，钢桩顶部产生朝向台后土方向的局部累积变形，桩身水平变形在埋深0.25 m处出现拐点及最大值，而非桩顶，试验结束后无明显残余变形。
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  黄土地区抗滑桩嵌固段桩前被动土拱形成演化过程试验

  任翔, 罗丽娟, 李芳涛, 潘瑞, 刘龙, 穆桐

  中国公路学报. 2022, 35(11): 86-96. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.009

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  抗滑桩是大型交通基础设施中稳定边坡和治理滑坡的主要手段之一，嵌固段桩前被动土拱效应是影响抗滑桩水平承载力的重要因素，被动土拱的形成演化过程是抗滑桩水平抗力调整的关键。通过几何缩尺比例为1∶15的抗滑桩物理模型试验，对桩前被动土拱的形成演化过程进行了探究。根据抗滑桩桩前被动土拱和模型试验系统的对称性，自主设计土压力传感器的布设方案，以保证在试验过程中对桩前土体各测点的x和y方向土压力分布规律进行实时采集；采用千斤顶对模型桩施加水平荷载，对加载过程中抗滑桩嵌固段桩身弯矩、桩前土压力及桩前土体应力变化规律进行了分析。绘制桩前土体应力云图并对桩前被动土拱拱轴线进行了拟合，同时采用数值模拟方法进行对照分析，以揭示桩前被动土拱的演化过程。结果表明：①桩身弯矩和桩前接触土压力均在嵌固点下4倍桩宽处附近出现极大值，后随埋深逐渐减小；②桩前被动土拱是由相邻桩对桩前土体的相互作用使主应力发生偏转而逐步形成的，其演化过程可分为初步形成阶段、承载阶段和破坏阶段；③桩前被动土拱拱轴线呈抛物线形式，随埋深逐渐增大形成被动土拱所需桩顶位移随之增大；④同一埋深处桩前被动土拱矢跨比随桩顶位移增加而逐渐变大，在承载阶段土拱矢跨比随埋深逐步减小。
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  红层软岩钢管微型桩抗压承载特性试验

  罗辉, 张锐, 聂如松, 刘正楠

  中国公路学报. 2022, 35(11): 97-106. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.010

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  为揭示红层软岩钢管微型桩抗压承载特性，为红层软岩地基加固设计提供参考，选取湖南衡阳强风化粉砂质红层软岩地基，开展了不同长度注浆钢管微型桩原位抗压静载试验，分析了桩体沉降、桩身轴力和桩侧摩阻力的分布规律，并与规范计算值进行了比较。在修正微型桩荷载传递函数的基础上，提出了考虑桩顶位移的微型桩抗压承载力预测方法，并通过原位试验结果进行了验证。研究结果表明：钢管微型桩轴力主要分布在桩身中上部，桩侧摩阻力沿桩身呈“三角形”分布；随桩长的增加，抗压承载力非线性增加，桩顶沉降量非线性减小；桩长越短，极限侧摩阻力峰值越大；相较于规范计算值，实测桩端阻力、全桩长范围极限摩阻力均值以及抗压承载力均偏小。采用该方法得到的抗压承载力预测值与原位实测值之间相关性较好，相对误差为0.6%~11.6%。对红层软岩地基进行钢管微型桩加固设计时，建议桩端阻力不计入抗压承载力，按纯摩擦桩进行设计，并对规范中的极限侧摩阻力推荐值折减。
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  桥面融雪除冰能量桩热泵系统换热效率现场试验

  陈鑫, 孔纲强, 刘汉龙, 江强, 杨挺

  中国公路学报. 2022, 35(11): 107-115. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.011

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  基于能量桩的桥面工程主动式融雪除冰技术作为一种新型桥面融雪除冰技术，具有环保、节能等技术优势。依托江阴市征存路观风桥市政桥梁工程，开展能量桩供热桥面板的换热效率与热-力响应特性现场试验。在桩基础和桥面板中分别预埋聚乙烯管作为换热管，通过水泵驱动换热管中的流体循环，提取浅层地温能供热桥面板；沿桩身深度方向和在桥面板中布设了温度-应变传感器，用于监测试验过程中相应位置的温度和应变。试验分析冬季工况下，一根20 m的能量桩供热20 m²的桥面板时，流体、桥面板、桩的温度变化以及桥面板和能量桩的热致应力分布。研究结果表明：根据现场试验条件，环境温度为-4℃时，20 m能量桩供热20 m²桥面板可保证桥面板表面温度始终高于0℃，即平均每延米能量桩热泵系统可保障1 m²桥面板不冻结；温度的改变使得能量桩和桥面板中产生热致应力，桩身最大轴向热致应力出现在桩深10 m （50%桩长）处，约为-1.05 MPa，为混凝土抗拉强度（2.0 MPa）的52.2%，桩身最大轴向热致应力的温度响应约为0.205 MPa·℃^-1；桥面板中最大热致应力为0.77 MPa，为混凝土抗压强度（26.8 MPa）的2.9%，热致应力的温度响应为0.086 MPa·℃^-1；能量桩上部受到最大正摩阻力为21.1 kPa，下部受到最大负摩阻力为13.3 kPa；试验结束时桩顶热致位移为-0.239 mm，约0.03%桩径。
桥梁工程
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  桥梁结构安全系数取值问题讨论

  刘永健, 张国靖, 周绪红

  中国公路学报. 2022, 35(11): 116-132. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.012

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  安全系数具有含义明确、便于工程技术人员理解和工程应用等优点。为了方便读者理解和阐释具体的问题，对桥梁结构安全系数取值原则和设计规范中存在的问题进行分析与讨论。首先，从影响结构安全的诸多不确定因素入手，定义了基准安全系数和调整系数；其次，从材料、构件、连接和结构，主要承重结构和桥道结构，上部结构和下部结构，结构约束体系，永久性构件和非永久性构件，施工阶段和运营阶段，结构分析手段，以及荷载取值等角度讨论了安全系数的调整原则；最后，在既定原则的基础上，从结构抗力、荷载作用、破坏模式和分析手段的角度，主要对比分析了桥梁设计规范中的安全系数，讨论了规范中安全系数取值的合理性，并提出了安全系数取值方面存在的问题和建议。
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  流线型钢箱梁涡激振动机理与气动控制措施

  刘志文, 江智俊, 黎晓刚, 邵超逸, 王灿东, 陈政清

  中国公路学报. 2022, 35(11): 133-146. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.013

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  以某主跨390 m的独塔流线型钢箱梁斜拉桥为工程依托，采用风洞试验与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）相结合的方法对流线型钢箱梁涡激振动机理与气动控制措施进行研究。首先，采用几何缩尺比为1∶30的主梁节段模型进行主梁涡振性能与气动控制措施优化研究；其次，采用CFD方法对主梁涡振响应进行流固耦合计算，将Newmark-β算法嵌入ANSYS Fluent用户自定义函数（User Defined Functions，UDFs）实现主梁结构振动响应求解，同时结合动网格技术实现主梁断面流固耦合分析；并根据判断条件来检索箱梁壁面上的网格单元，以获得主梁断面振动过程中的表面压力，然后结合主梁结构振动响应、表面压力以及流场特征等对主梁涡激振动机理进行分析。结果表明：该桥主梁原设计方案存在涡激共振现象，将梁底检修车轨道内移120 cm可有效抑制主梁涡振响应；主梁涡激振动响应的数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好；检修车轨道内移120 cm后主要改变了箱梁下表面平均压力系数分布特性，且箱梁表面各测点脉动压力卓越频率不一致，有效减小了主梁涡激振动响应；流线型箱梁靠近迎风侧的“被动区域”对结构涡振响应贡献较小，背风侧“驱动区域”发生周期性旋涡脱落是影响流线型箱梁涡振的主要因素。
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  钢桁-混凝土组合结构梁桥连续破坏-倒塌动态行为研究

  郑小博, 张岗, 黄来喜, 汤陈皓, 熊鑫, 丁宇航

  中国公路学报. 2022, 35(11): 147-159. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.014

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  近年来交通荷载激增，桥梁构件破坏和整体结构倒塌时有发生，造成重大人员伤亡和经济损失。其中，相对其他形式结构桥梁，钢桁-混凝土组合结构桥梁冗余度较低，重载作用下构件的初始破坏易引发桥梁整体倒塌，故明确钢桁-混凝土组合梁桥连续倒塌机理和模式，对该类桥梁抗连续破坏-倒塌设计具有十分重要的理论和工程意义。因此依托钢桁-混凝土组合连续梁桥实体工程，采用能量法和显式动力学数值分析方法，对其构件重要性、破坏后剩余结构冗余度和倒塌动态行为开展研究。研究结果表明：最不利荷载作用下，钢桁-混凝土组合连续梁桥边跨正弯矩最大区域下弦杆破坏后剩余结构的最低冗余度为1.94，而边跨梁端支点附近腹杆破坏后剩余结构的最低冗余度为1.61。组合梁边跨正弯矩区下弦杆破坏后剩余结构遵循转动铰机制倒塌，破坏路径较长，结构整体倒塌前具有显著变形，最大竖向位移达到60.1 cm；组合梁支点区域腹杆破坏后剩余结构遵循滑移面机制倒塌，破坏路径极短，倒塌前整体结构无明显变形，最大竖向位移仅为9.1 cm，结构破坏呈明显脆性特征。腹杆失效所形成的滑移面倒塌机制对钢桁-混凝土组合结构梁桥极为危险，需重点设计预防。通过对钢桁-混凝土组合连续梁桥破坏路径的研究，探明了该类结构各构件的重要性分布特征和结构连续倒塌机制，为提高同类型桥梁抗破坏-倒塌性能提供理论依据和设计方法。
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  预应力混凝土连续梁桥桥面爆炸损伤试验研究

  院素静, 宗周红, 娄凡, 林津

  中国公路学报. 2022, 35(11): 160-170. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.015

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  为了研究桥面爆炸荷载作用下预应力混凝土连续T梁桥的抗爆性能，进行了2×8 m两跨预应力混凝土连续T梁桥模型的野外爆炸试验，并结合数值模拟的方法，研究了不同爆心位置和桥面爆炸荷载作用下预应力混凝土连续T梁桥的动力响应、破坏模式及损伤程度。研究结果表明：跨中桥面上方发生爆炸时，预应力混凝土连续T梁桥桥面破坏形态均表现为桥面板混凝土破碎开洞、T梁腹板和梁底混凝土崩落，属局部冲切破坏；中墩墩顶上方发生爆炸时，预应力混凝土连续T梁桥桥面未发生严重毁伤，邻近中支点的横隔板出现由顶部爆心轴线处向横隔板底放射形扩散的裂缝。相同药量和爆心高度下，桥面中梁跨中爆炸时中梁底加速度峰值最大，桥面边梁跨中爆炸时中梁底加速度峰值最小；提升混凝土强度、箍筋加密布置、施加预应力和增大宽跨比等能一定程度地提高主梁的抗爆性能；研究成果可供梁桥的抗爆防护设计参考。
隧道工程
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  考虑注浆填充率的大直径盾构管片上浮解析解与应用

  付艳斌, 梅超, 卞跃威, 张小龙, 王福道, 胡瑜

  中国公路学报. 2022, 35(11): 171-179. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.016

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  大直径盾构隧道管片上浮问题是目前隧道建设难点。以大直径盾构隧道施工阶段管片上浮问题为背景，研究硬岩地层大直径盾构管片上浮影响因素，并考虑管片壁后同步注浆的填充效果，深入探究大直径管片上浮规律，为盾构施工速度和注浆效果的控制提供参考依据。根据硬岩地层大直径盾构注浆填充率不足的特点，从管片横向受力角度建立单环管片上浮计算公式。基于弹性地基梁理论建立隧道纵向上浮分析模型，通过梁的挠曲线微分方程并结合边界条件与变形协调方程，推导出考虑浆液填充率和时效性的管片上浮变形及内力的简易解析解，进而采用总量法获得了隧道纵向多环累计上浮量。结合工程实例进行了参数敏感性分析，研究结果表明：隧道管片上浮解析解的计算结果与实际工程监测数据吻合良好，能够有效揭示隧道上浮过程中的变形规律、管片弯矩和剪力变化特征；上浮规律表现为激增段、缓降段和平稳段；浆液填充率、时效性和地基基床系数对大直径盾构上浮比较敏感，盾体间隙的增大易导致填充率不足，同步注浆应严格控制注浆压力和注浆量；浆液初凝时间和掘进速度直接决定单次注浆影响范围和上浮力大小。研究结果可用于盾构隧道管片上浮及变形预测，在掘进过程中可根据影响因素与上浮关系进一步调整施工参数，对大直径盾构隧道设计与施工具有一定指导意义。
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  考虑衬砌渗透性的盾构下穿既有隧道纵向结构错台变形研究

  张治国, 程志翔, 张孟喜, 马少坤, 吕玺琳

  中国公路学报. 2022, 35(11): 180-194. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.017

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  目前针对盾构开挖下穿既有隧道的解析理论研究一般基于Winkler地基模型，且未考虑既有隧道衬砌渗透特性，常常忽视地基剪切变形和既有隧道渗漏水的影响。基于体现土体剪切特性的Pasternak地基模型，首先计算了既有隧道渗漏水影响下盾构开挖在既有隧道轴线处产生的附加荷载。在此基础上，通过能量变分法建立由抗拉弹簧及剪切弹簧共同连接相邻管片环的既有隧道变形模型，获取隧道纵向结构剪切错台响应规律。选取多个工程实例，将理论解析结果与现场实测数据进行对比后发现，考虑地基剪切变形及既有隧道渗漏影响的理论解析结果更加贴近实测数据。此外，针对既有隧道异常渗漏区间渗漏程度、异常渗漏范围、异常渗漏位置进行了影响因素分析，并依据环间错台量及环间转角对既有隧道进行安全等级评估。通过参数分析发现：随着异常渗漏区间衬砌渗漏程度的增大，既有隧道纵向结构变形显著增大，当异常渗漏区间衬砌-土体相对渗透系数为0.1时，已有小范围环间错台量及转角被纳入安全评估等级Ⅲ；随着异常渗漏范围的扩大，既有隧道纵向结构变形增大，更大范围的环间错台量及转角达到安全评估等级Ⅲ；异常渗漏位置向远离新建隧道中心轴线方向发生偏移，既有隧道纵向变形逐渐减小，纵向结构变形峰值沿异常渗漏位置偏移方向发生偏移。
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  螺栓对盾构隧道管片接头抗弯承载力的影响

  张力, 何川, 封坤, 郭文琦, 张景轩, 肖明清

  中国公路学报. 2022, 35(11): 195-203. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.018

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  抗弯承载力是管片接头的重要力学属性，可为评价管片接头或整环结构承载安全提供重要参考，而螺栓是管片接头的重要组成部分，由于实际工程中接头连接螺栓可能失效，因此研究螺栓对于管片接头抗弯承载力的影响十分必要。为此，首先基于经典钢筋混凝土构件抗弯理论和压弯荷载下管片接头受力特征，建立了考虑复杂接缝面构造的接头抗弯承载力理论模型，然后分别开展有螺栓接头和无螺栓接头抗弯破坏试验对理论模型进行验证，最后基于理论模型，针对厚度0.40~0.65 m的6种典型管片接头，分析有、无螺栓对接头抗弯承载力的影响。研究结果表明：高轴压下，有螺栓管片接头和无螺栓管片接头的破坏过程分别可分为3个阶段和2个阶段，接头受压区边缘混凝土接触后破坏现象开始密集产生；正负弯矩下，有螺栓和无螺栓接头抗弯承载力理论模型与足尺试验的最大相对误差分别为5.6%和6.1%，表明理论模型具有较高的计算精度；对于不同厚度管片接头，轴压比大于0.309~0.455（正弯，负弯为0.417~0.499）或偏心距小于0.101~0.166 m （正弯，负弯为0.071 1~0.099 2 m）时，螺栓对其抗弯承载力无影响，因此当管片接头处出现连接螺栓失效等情况时，可适当增大接头轴力或降低接头偏心距，以减小螺栓对接头抗弯承载安全的影响。
交通工程
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  减速频次催生换道意图下自动驾驶车辆自适应换道模型

  杨敏, 王立超, 王建

  中国公路学报. 2022, 35(11): 204-217. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.019

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  科学、合理、拟人化的换道控制是实现自动驾驶车辆安全高效行驶的重要保障，已有研究主要考虑相邻车道速度差、换道间隙等要素对车辆换道控制的影响，并未考虑车辆频繁加减速导致乘车体验差而催生换道意图这一重要现象。针对该问题，设计以抗干扰能力为基础的自动驾驶车辆自适应换道调控方法，其调控过程主要包括：采用智能驾驶人模型控制自动驾驶车辆纵向驾驶行为，以减速频次为指标度量自动驾驶车辆的抗干扰能力，并将抗干扰能力引入到自动驾驶车辆换道决策过程中，模拟自动驾驶车辆因频繁加减速导致乘车体验差而产生换道意图的现象，在此基础上，提出车辆换道控制模型。然后，以智慧高速为背景，利用Netlogo构建多种自动驾驶车辆运行场景，测试所构建的自适应换道调控方法。研究结果表明：智能驾驶人模型的选用能够合理体现自动驾驶车辆换道行为对交通流的运行影响；相比于低密度车流（≤30 veh），在中高密度车流情况下（≥40 veh），自动驾驶车辆维持原有车道运行的能力较弱、换道频率较高，且过高[80次·（5 min）^-1]或过低[10次·（5 min）^-1]的抗干扰能力临界值会导致自动驾驶车辆运行速度降低至10 km·h^-1，因此可以根据不同车流密度条件对自动驾驶车辆的最大抗干扰能力进行设置和调整，从而保证自动驾驶车辆的运行效率，这也从侧面证明了所提自适应换道调控方法的科学性与合理性。研究结果对于提高自动驾驶车辆换道控制的合理自主性具有重要意义，该结果进一步完善了自动驾驶车辆换道模型库，能够为自动驾驶自适应换道调控提供理论和技术支撑。
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  面向协调路径集与双环结构的区域绿波控制模型

  卢凯, 叶志宏, 吴蔚, 邓兴栋

  中国公路学报. 2022, 35(11): 218-227. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.020

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  考虑到区域内交叉口之间的方向性协调控制需求，以协调路径集作为区域绿波控制对象，针对双环相位结构建立一种区域绿波协调控制模型。通过对协调路径链、协调路径进行特征表述，结合协调路径的相交情况，分析在进行区域绿波协调控制设计时，不同类型的交叉口协调相位时间基点约束条件；在初选协调路径集的基础上，通过分析公共信号周期、相位时间、相位结构、相位差等优化变量之间的约束条件，以所有满足协调控制设计的协调路径总流量最大为优化目标，建立面向协调路径集与双环结构的区域绿波控制模型，实现对区域绿波协调控制参数的综合优化。模型通过引入协调路径决策变量以及设置交叉口协调相位基点最大允许偏移时间，保证通过区域协调路径集再优选后，纳入最终协调路径集的各协调路径上下游交叉口的协调相位基点受到最大允许偏移时间约束，以获得理想的绿波协调控制效果。算例仿真试验结果表明：与Synchro软件的单点优化和区域协调信号配时设计方案相比，所提模型方案的协调路径集平均延误时间分别减少了35.5%和18.1%，平均停车次数分别减少了74.1%和63.8%，所提模型方案的整个路网平均停车次数分别减少了38.9%和25.1%，可见所提模型能够最大限度地保证区域内协调路径集的绿波协调控制效果，在减少区域停车次数方面效果显著。
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  基于多方式广义费用模型的超级交通网络需求预测技术应用

  袁春毅, 聂向军, 邵春福, 金冰峰, 王明智

  中国公路学报. 2022, 35(11): 228-238. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.021

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  针对综合交通网络规划各方式缺乏有机融合问题，通过建立以虚拟概化线连接的铁路、公路、水运、民航各方式交通线网和火车站、港口、机场等枢纽节点一体衔接的超级交通网络模型，运用广义费用函数计算客货在路网、枢纽及虚拟概化线上流动产生的广义费用，实现各方式交通网络融合。考虑公路客货运周转量占全方式总量比例高，但客货运平均运距短，以县级行政单元为基础将全国划分为2 540个综合交通小区，获取2018年各运输方式全年客货运起讫点（OD）数据，通过聚合、拆分等方法，将各方式OD表叠加形成现状综合交通小区客货运输量OD表；采用总量预测、自上而下分层控制的技术路线，对2050年全国总量、分区域总量和综合交通小区客货运发生吸引量进行预测，计算2050年综合交通小区客货运输量OD，实现各方式运输需求融合。基于Fisk模型，构建组合出行情况下多方式、多类别随机用户均衡分配模型（SUE），采用连续权重平均（MSWA）法对模型进行求解，并通过算例验证了模型和算法的有效性。结果表明：模型能够体现“宜铁则铁、宜公则公、宜水则水”的规划理念，实现乘客组合出行和货物多式联运，预测精度较高。研究成果可应用于宏观交通趋势判断，为实现综合交通网络规划中各方式有机融合提供借鉴，并成功应用于国家综合立体交通网规划研究中。
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  城市快速路中央分隔带线性空间布局形式的视觉刺激对驾驶行为的影响

  朱秋晨, 吴付威, 白骅, 李宇慧

  中国公路学报. 2022, 35(11): 239-251. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.022

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  为探究城市快速路中央分隔带线性空间布局形式的视觉刺激对驾驶行为的影响，通过图像语义分割技术量化景观构成要素，并用SILAB软件平台构建虚拟仿真场景，开展模拟驾驶试验。测试路段限速值分别为50 km·h^-1和70 km·h^-1。试验获取了41名被试对中央分隔带布局形式视觉刺激的眼动和车辆运行指标以及驾驶疲劳的主观评价，以分析不同中央分隔带布局形式视觉刺激下各特征参数的变化规律。采用注视点信息熵作为布局形式视觉刺激度的量化指标，并使用ROC曲线方法为表征不同中央分隔带布局形式视觉刺激的驾驶行为指标确立了舒适性阈值，根据不同中央分隔带布局形式下的驾驶行为指标及阈值，建立了舒适性综合判别模型。研究结果表明：单次扫视时长、注视次数、车道横向偏移距离受布局形式视觉刺激的影响较大；与车速50 km·h^-1相比，当车速为70 km·h^-1时，扫视频率低，单次扫视时长短，注视次数少，平均眨眼持续时间长；注视点信息熵与视觉刺激度相关；由车辆运行特征分析可知，排列式的中央分隔带布局形式由于景观单调、视觉刺激过低会导致驾驶人出现反应迟缓、疲劳，影响行车安全；规则式布局形式视觉刺激过高，环境的复杂性、新奇性、意外性等特征过于显著，会导致驾驶人难以集中注意力，从而威胁行车安全；而自然式的布局形式不仅能够改善城市快速路景观环境的单调性，还能够提供适宜的视觉刺激。研究成果能够改善中央分隔带布局形式及提高驾驶安全性提供一定的理论依据。
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  液化天然气库存路径问题建模与算法（双语出版）

  巫威眺, 王殿雷, 马昌喜

  中国公路学报. 2022, 35(11): 252-270. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.023

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  考虑液化天然气（LNG）的在途挥发、转移挥发与库存挥发对配送成本与风险的影响，根据LNG风险特性采用蒸汽爆炸模型量化库存和运输风险，并针对传统单因素风险评估方法的不足，结合多源数据（兴趣点密度、土地生产总值产出率和人口密度）构建多因素复合风险评估指标反映事故严重程度的空间异质性，建立库存路径问题双目标优化模型，实现多周期LNG库存和配送方案的联合优化。根据问题的特征，设计基于贪婪策略预优化并结合变邻域搜索（VNS）的多目标粒子群（MOPSO）混合优化算法，且通过标准测试函数对改进前后的MOPSO算法和非支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）进行比较；与NSGA-Ⅱ相比，MOPSO在结合VNS前后分别具有32%和42%的收敛性优势，结合VNS混合优化相比原始MOPSO有15%的收敛性优势。最后，以广州地区LNG加气站供应体系进行案例分析。研究结果表明：库存与运输成本存在利益背反关系，且在短暂缺货时总成本较低；忽略挥发的影响会导致小批量频繁补货，从而增加不必要的运输成本；LNG挥发成本占总成本的10%~20%，库存挥发率对成本影响较大，但对风险影响很小，当库存挥发率低于2%时投资降低挥发率带来的经济效益较大，当超过2%时，投入产出比迅速降低；风险限值约束对路径选择和成本影响较大，20%风险限值的降低带来了10%总成本的提高，但20%风险限值的提高仅降低5%的总成本，说明总成本在逐步接近不考虑风险时的最低值，存在优化上限。
汽车工程
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  电动汽车复合制动控制研究现状综述

  马建, 李学博, 赵轩, 王露, 张凯, 史培龙, 贺伊琳

  中国公路学报. 2022, 35(11): 271-294. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.024

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  电动汽车复合制动由电机再生制动与机械摩擦制动两部分构成，其控制性能直接影响车辆的能量利用效率、制动安全性以及舒适性。围绕静态制动转矩分配控制、动态复合制动协调控制、制动换挡控制、智能辅助驾驶中的复合制动控制4个方面的研究现状与关键技术展开综述，并对复合制动控制未来研究方向进行了展望。对文献的梳理分析表明：制动转矩分配决定着复合制动系统能量回收能力与车辆制动稳定性，基于规则的分配策略面对复杂多变工况自适应性欠佳，而基于优化的分配策略各方面性能表现良好，但需要兼顾控制实时性与优化效果；利用电机响应迅速与控制精确的优势完成复合制动协调控制，能够提升制动模式切换过渡工况与紧急制动工况的控制性能，改善驾驶舒适性；制动过程中实施合理换挡可以进一步提升能量回收效率，同时通过补偿控制解决换挡过程中动力中断和转矩冲击等问题，保证换挡平顺性；随着电动汽车智能化和网联化发展，复合制动控制与驾驶人辅助系统相结合有助于在保证系统功能的同时实现能量回收效益最大化。
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  制氢方法的评价及对氢燃料电池汽车推广的影响研究

  刘青山, 兰凤崇, 陈吉清, 王俊峰

  中国公路学报. 2022, 35(11): 295-309. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.025

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  氢燃料电池汽车（FCV）是未来交通运输的理想解决方案，由于其在使用过程中仅消耗氢气，寻找对资源、能源和环境影响最小的氢气来源，对交通运输行业的节能减排具有重要意义。分析和评估了4种不同的制氢方法，通过建立FCV燃料循环的全生命周期评估数学模型，并与GaBi软件的基础数据库相结合，实现对FCV的全生命周期评价。选择丰田MIRAI FCV作为实例对象，对所建立模型的有效性进行验证。基于建立的评价模型，对FCV生命周期的各个阶段进行评价，探讨不同制氢方法对资源、能源和环境的影响，研究中国电力结构和制氢效率改进对电解水制氢法的积极作用，分析了以不同清洁能源作为电力来源时对电解水制氢法的影响程度。在对中国的人口、能源分布情况和能源结构变化趋势进行分析后，结合建立的清洁能源电价预测数学模型，提出了短期内适合推广FCV的区域，明确了考虑环境成本时的各区域推荐的制氢方法或清洁能源发电类型，给出了考虑经济成本时的各区域在当前和未来30年内推荐的清洁能源发电类型。通过所建立的生命周期评价模型和清洁能源电价预测模型，确定当前阶段的最佳制氢方法，发现了中国当前电力结构存在的问题，明确未来中国各地区能源结构发展的方向。研究结果表明：只有以清洁能源发电作为电力来源时，电解水制氢法才是未来大规模制氢的理想方案，清洁能源使用优先级顺序为核能、水电、风能；人口密度小于150人·km^-2的地区（除中心城市外）未来一段时间内不应大面积推广FCV，推广的重点应该在中国的东南部地区。
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  面向自动驾驶的遥感影像路网检测方法

  胡宏宇, 左记祥, 吕颖, 赵睿

  中国公路学报. 2022, 35(11): 310-317. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.026

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  针对高分辨率遥感影像道路提取难度大、提取精度低的问题，提出了一种基于VGGU-Net++的遥感影像路网检测方法。首先基于VGGU-Net框架构建了编码器-解码器网络；其次，设计了一系列嵌套、密集的卷积块，用以缩小编码器与解码器特征映射之间的语义差距。节点之间利用跳跃连接填充了具有多个卷积层的密集卷积块，其层数取决于金字塔等级；并在2个卷积块之间设置1个串联层，该层将同一密集块前一个卷积层的输出和浅层的上采样输出进行特征图融合。同时，使用深监督策略保证网络模型的修剪程度和速度增益。在网络训练过程中，这种相似语义特征图的跳转连接可以简化优化操作，提高网络训练性能。最后，利用遥感影像开源数据集——马萨诸塞州数据集进行算法的测试与验证。结果表明，提出的VGGU-Net++网络与现有同类方法相比，获得了更好的性能表现，在精确率、召回率、F₁-score和I_oU方面分别达到了88.1%、87.1%、88.5%和77.9%，能够实现城市、山区、直线、弯曲道路场景高维、复杂、抽象特征的自动提取；此外，检测结果能够减少干扰，降低误检，保留更多道路细节信息，得到更加完整、清晰的路网检测效果。
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  降雨条件对车载激光雷达性能影响的试验研究（双语出版）

  孙朋朋, 赵祥模, 蒋渊德, 文舜智, 闵海根

  中国公路学报. 2022, 35(11): 318-328. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.11.027

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  激光雷达是自动驾驶车辆最为关键的传感器之一，被广泛用于车辆定位、目标检测与跟踪等任务。然而，激光雷达的点云数据会受到恶劣天气（如雨、雾、雪等）的严重影响，致使自动驾驶全天候行驶仍然面临着巨大挑战。为了量化评估恶劣天气对激光雷达性能的影响，分析了降雨环境下激光雷达的性能，基于构建的场地降雨模拟系统控制降雨量，通过多视角的静、动态试验定性与定量分析激光雷达测距精度、典型目标点密度、有效检测距离等性能参数与降雨量之间的关系。试验结果表明：车辆作为目标物时，目标物上的激光点云受降雨的影响最大，相较于无雨环境，中雨时打在汽车上的激光点数降低幅度超过了60%，检测距离下降了69%，并且随着降雨量的增大激光雷达对目标的有效检测距离持续下降；试验方法和结果对于测试评价自动驾驶性能及提升降雨环境下的激光感知能力具有重要意义。