2022年, 第35卷, 第4期　刊出日期：2022-04-20

  

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  中国公路学报. 2022, 35(4): 0-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2022, 35(4): 2-0.

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特别策划
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  中国交通隧道工程学术研究综述·2022

  中国公路学报, 编辑部

  中国公路学报. 2022, 35(4): 1-40. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.001

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  近6年，中国隧道工程建设取得了巨大成就，这将有力推动中国从“隧道大国”向“隧道强国”华丽转身。为促进隧道工程可持续、高质量发展，系统梳理了中国交通隧道建设现状、设计技术、勘测与超前预报技术、开挖及支护技术、绿色环保施工及运营技术、施工机械化与智能化、衬砌结构抗减震技术、运营保障设施、养护与运维技术以及典型隧道工程案例，以期为隧道工程领域的研究人员与技术人员提供参考和借鉴。
道路工程
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  沥青及沥青混合料老化与抗老化研究综述

  郭猛, 任鑫, 焦峪波, 梁美琛

  中国公路学报. 2022, 35(4): 41-59. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.002

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  沥青路面在服役过程中，由于长期受到光照、温度、水分、氧气等自然因素的作用而引起沥青的老化、硬化，导致沥青路面路用性能发生衰减，发展沥青路面的抗老化技术对提高沥青路面的性能具有重要意义。为了进一步推进沥青路面老化与抗老化技术的发展，综述了国内外沥青路面老化与抗老化技术的研究现状。首先，介绍了沥青与沥青混合料老化试验方法，包括热氧老化、光氧老化和水老化；其次对沥青的老化规律进行了综述，在宏观性能方面主要包括软化点、针入度、黏度和流变性能等，在微观性能方面主要包括沥青组分、官能团、沥青分子量及表面形貌等；然后对沥青混合料的老化规律进行了阐述，包括其高温和低温性能、疲劳性能及水损害性能；最后对沥青与沥青混合料抗老化的研究进行了综述，从抗老化的材料、工艺、效果方面进行了介绍。研究认为，未来沥青路面老化与抗老化技术可从多种环境因素耦合综合老化试验、微观机理研究、抗老化工艺与评价方法等方向开展进一步研究。
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  基于3D打印的立体格栅网筋土界面剪切特性研究

  刘飞禹, 武文静, 符洪涛, 王军, 王朝亮, 李明枫

  中国公路学报. 2022, 35(4): 60-68. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.003

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  在传统平面土工格栅基础上增加横肋厚度构成立体格栅网，其增强型横肋产生的被动阻抗作用可有效限制土体变形。为了研究立体格栅网中增强型横肋对筋土界面剪切特性的影响，基于3D打印技术，制作了5种不同横肋厚度(t=3,6,9,12,15 mm)的土工格栅模型，通过室内大型直剪试验分析不同横肋厚度和竖向应力(σ=20,40,60 kPa)对立体格栅网界面直剪特性的影响；并在试验基础上，进一步探讨了剪切模式下增强型横肋厚度对被动侧阻力的影响，提出横肋侧阻力的理论计算公式。结果表明：不同竖向应力下立体格栅网界面(t=6,9,12,15 mm)的破坏剪应力平均值较平面土工格栅(t=3 mm)分别提高了4.2%、19.3%、29.7%和39.1%，界面最终剪胀量分别增加了0.093、0.192、0.282、0.337 mm；增强型横肋的存在提高了界面的似黏聚力和摩擦角，似黏聚力和摩擦角值随着横肋厚度的增加而呈现出递增趋势；建立了横肋对土颗粒提供的被动侧阻力计算公式，并通过直剪试验结果对侧阻力计算公式进行了修正，修正后的理论计算值与试验结果吻合度较好。
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  南海钙质砂不排水剪切特性三轴试验

  刘萌成, 胡帅峰, 戴鹏飞

  中国公路学报. 2022, 35(4): 69-76. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.004

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  为了给中国南海珊瑚礁吹填钙质砂地基上的基础设施设计与施工提供参考，通过扫描电镜(SEM)和一系列三轴试验分别研究了钙质砂的基本物理性质及固结不排水剪切特性。采用试验数据的非线性拟合方法，定量分析了剪切模量、抗剪强度和临界状态孔隙比的变化规律，并将分析结果与试验结果进行对比。研究结果表明：①南海钙质砂主要成分为CaCO₃，棱角丰富、表面多孔，形态极不规则，土粒相对体积质量和孔隙比均大于福建标准砂;②南海钙质砂的剪切模量随围压与相对密度增加而变大且为围压与相对密度的二元幂函数；③峰值强度(内摩擦角)大于临界状态强度(内摩擦角)，抗剪强度(内摩擦角)为归一化平均主应力的幂函数(对数函数)，而超量内摩擦角(峰值与临界状态内摩擦角之差)为围压与相对密度的二元幂函数；④临界状态孔隙比随归一化平均主应力增加而减小，在压缩平面内临界状态线可用负指数函数表达。
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  基于无人机倾斜摄影的公路边坡三维重建与灾害识别方法

  余加勇, 薛现凯, 陈昌富, 陈仁朋, 何旷宇, 李锋

  中国公路学报. 2022, 35(4): 77-86. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.005

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  边坡灾害调查是及时发现边坡灾害隐患、预警边坡突发事故、避免重大人员伤亡和财产损失的重要手段。为克服传统人工边坡调查方法效率低、风险高、难度大等缺陷，提出了基于无人机倾斜摄影的公路边坡三维重建和灾害识别方法。引入运动恢复结构(Structure from Motion,SfM)和多视图立体匹配算法(Multi View Stereo,MVS)，利用无人机多视角序列影像重构了公路边坡三维实景模型；利用基于多尺度模型与模型点云比较算法(Multiscale Model to Model Cloud Comparison,M3C2)的三维点云数据变化检测技术，实现了公路边坡滑坡、坍塌、落石等灾害场景的自动识别；通过边坡现场验证试验，证实采用无人机倾斜摄影方法构建的边坡三维实景模型的单方向精度均优于2.0 cm，并成功识别用于模拟边坡变化的最小尺寸为8.0 cm×9.0 cm×13.0 cm在内的纸箱位置、形状及尺寸；将该技术应用于某公路边坡工程地质灾害调查，成功识别出一处塌陷区域及隆起区域大约为65.0 m×15.0 m的边坡滑坡病害，构建的三维实景模型精度达到厘米级水平。研究结果表明：基于无人机倾斜摄影的公路边坡灾害调查方法适用于城市道路、公路等边坡自动化检测，尤其适用于陡峭、危险性高、难以抵达的边坡智能化检测，具有较强科学研究和工程实用价值。
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  水热耦合作用下季节冻土边坡降雨入渗规律及入渗机理

  秦晓同, 崔凯, 青于蓝

  中国公路学报. 2022, 35(4): 87-98. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.006

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  为研究春融期降雨工况下季节冻土边坡水热迁移规律及降雨入渗机理，选取季节冻土区高速公路路堤边坡为研究对象，基于非饱和冻土水热迁移耦合模型结合降雨入渗边界条件，提出了降雨入渗条件下冻土边坡水热耦合理论与数值计算方法，并通过COMSOL有限元仿真软件对冻土边坡降雨入渗过程进行计算，分析不同降雨强度、初始含水率对冻土边坡体积含水率、温度、入渗率、湿润锋变化影响规律，同时开展冻土边坡降雨入渗模型试验研究，并将试验结果与数值模拟结果对比分析，验证了数值方法合理性。研究结果表明：中雨、大雨强度降雨持续12 h后，降雨入渗深度可达50 cm，受非饱和状态及孔隙冰阻碍渗流通道影响，降雨初期冻土边坡入渗率极低，随着冻土逐渐融化，入渗率逐渐提高;水热迁移耦合模型可较好体现降雨强度、初始含水率对于冻土边坡水热状态变化的影响规律，降雨强度越大，冻土边坡含水率上升越快；初始含水率越高冻土边坡中体积冰含量越高，降雨前期边坡体积含水率变化较慢，后期变化速度加快，初始含水率越大，温度上升迟缓现象越明显;相较于常温边坡降雨入渗规律，冻土边坡湿润锋增长速度呈现明显的初期缓慢-加速-放缓三段式发展，湿润锋深度在10 cm以内变化缓慢，湿润锋深度增大至10 cm后增长迅速，超过20 cm时增长再次放缓。
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  炭质泥岩渐进破坏过程的变形特性及损伤演化研究

  李盛南, 刘新喜, 李玉, 王玮玮, 周炎明

  中国公路学报. 2022, 35(4): 99-107. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.007

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  为研究软岩渐进破坏过程的变形特性和损伤演化规律,通过对炭质泥岩开展不同围压的三轴压缩试验,分析了围压对炭质泥岩宏观力学特性的影响；并将损伤岩石细观模型概化为岩石颗粒、裂隙损伤和孔隙3个部分；根据岩石细观结构损伤机制,结合应力-应变曲线特征,分段建立了炭质泥岩损伤演化方程：压密阶段,以孔隙率为损伤变量,建立了考虑孔隙压缩变形的损伤方程；线弹性阶段,假定岩石颗粒与孔隙变形协调,建立损伤方程；裂隙扩展阶段,通过建立岩石颗粒微元体转化为裂隙损伤微元体的函数,以裂隙和孔隙率为损伤变量,提出考虑裂隙扩展的损伤方程。结果表明：炭质泥岩应力-应变曲线非线性特征明显,可分为压密阶段、线弹性阶段、裂隙扩展阶段和峰后阶段；随着围压增大,炭质泥岩闭合应力、起裂应力和峰值应力线性增大；应力-应变曲线的压密阶段缩短，裂隙扩展阶段延长,延性特征增强。建立的损伤演化方程能较好反映岩石渐进破坏过程的演化损伤规律,表现出：压密阶段损伤非线性减小,线弹性阶段损伤保持非零稳定,裂隙扩展阶段损伤加速增大,峰后阶段损伤减速增加；围压抑制炭质泥岩损伤发展,随围压增大,压密阶段损伤加速减小,裂隙扩展阶段损伤延缓增加，且损伤增长速率减小。
桥梁工程
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  用于公路车-桥系统振动分析的精细化轮胎模型

  邓露, 凌天洋, 何维, 孔烜

  中国公路学报. 2022, 35(4): 108-116. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.008

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  为了解决当前公路车桥耦合振动模型中轮胎模型过于简化、车轮-路面接触力与桥梁响应计算结果不够精确的问题,提出了一种精细化轮胎模型。首先基于车辆橡胶轮胎的几何、力学特征,建立了径向弹簧力学模型并进行了理论推导；然后考虑轮胎与路面接触面的刚度分布特征和高速状况下轮胎的惯性力,提出了轮胎接触面分布刚度的计算方法,保证了轮胎接触面的变形协调和力学平衡关系。通过与现有研究结果进行对比,验证了轮胎模型的准确性和可靠性。研究结果表明:车辆轮胎惯性力引起的不平衡离心力会随车轮荷载和轮胎刚度的降低及车速的增加而增大,当车速达到60 km·h^-1时,不平衡离心力可能超过车轮荷载的10%并对轮胎的变形产生影响,进而改变车辆、桥梁2个子系统的接触关系,因此在车桥耦合振动分析中有必要考虑轮胎的质量及其产生的不平衡离心力；基于不同轮胎模型获得的接触力计算结果不同,从而引起车辆、桥梁动态响应计算结果的显著差异,且这种差异可能会随车速和车轮荷载的增加及路况的恶化而显著增大,因此实际运用中应尽可能选择精度较高的轮胎数值模型；采用不考虑面接触的单点模型可能明显高估车辆、桥梁的动态响应,而应用未考虑刚度重分布的改进弹性滚子模型在车速较高时会低估车辆的动态响应,与这2种模型相比,基于所提的刚度重分布模型进行车-桥系统振动分析时，其计算响应与实测结果更为接近,且对于桥梁动力冲击系数的估计更加准确。
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  桥塔尾流风作用下吊索尾流致振动模型与参数分析

  陈文礼, 黄业伟, 孟昊, 陈冠斌

  中国公路学报. 2022, 35(4): 117-127. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.009

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  现场实测表明，大跨度悬索桥塔后吊索受桥塔尾流影响常发生大幅尾流致振。为研究该振动机理，同时为工程设计和应用实践提供理论指导，以某大跨悬索桥桥塔单根塔柱和塔后吊索为研究对象，首先进行了大比例尺节段模型的风洞试验。通过试验，再现吊索在桥塔尾流区内的尾流致振现象，研究吊索的振动特征与桥塔尾流风速特征。在此基础上，考虑尾流刚度作用，建立吊索的非定常气动力模型与吊索尾流致运动微分方程。利用四阶龙格库塔算法积分求解吊索尾流致运动微分方程。影响吊索运动的参数分为3种类别：结构参数、流场参数和位置参数。通过对各影响参数进行逐个分析，研究不同参数对桥塔尾流区中吊索振动特征的影响规律。结果表明：质量比这一参数对于吊索的振动模式的组成和占比起到关键性作用；而其他参数对于吊索振幅仅起到调节作用，对于吊索运动模式改变作用不显著；增大吊索阻尼比与减小尾流场风速脉动成分均可有效减小吊索振动幅值，这为吊索减振工程实际问题提供了解决思路。
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  预制浅承插式高强混凝土空心桥墩抗震性能试验

  晋智斌, 陈科, 陆军

  中国公路学报. 2022, 35(4): 128-139. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.010

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  为降低桥墩运输吊装质量、简化连接工艺、减小承台尺寸，提出了浅承插式(承插深度比为0.7)高强混凝土预制空心桥墩方案，并对其进行拟静力滞回试验研究。试验中共测试1个现浇墩、2个不同后灌注混凝土高度(350、850 mm)的预制空心墩，对比了3个桥墩的变形和破坏过程，比较了不同后灌注混凝土高度的预制桥墩与现浇桥墩的滞回曲线、承载能力、能量消散、延性及刚度、残余变形、曲率分布和纵向钢筋应变等。研究结果表明：后灌注混凝土高度为850 mm的预制桥墩,其承载力和耗能能力与现浇桥墩相当;灌注高度为350 mm的预制桥墩承载力略小，耗能能力明显小于现浇桥墩和灌注高度850 mm的预制桥墩。
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  节段预制纤维增强混凝土压杆键齿受力性能试验研究

  符俊冬, 袁爱民, 万水

  中国公路学报. 2022, 35(4): 140-152. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.011

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  节段预制桥梁靠近支座处箱梁腹板由于受力复杂，而在键齿处容易发生开裂。为此，以接缝处键齿配筋方式(素齿、构造筋以及体内穿筋)、键齿齿目(单键齿、双键齿)和干接缝角度(30°、45°以及60°)作为试验的设计参数，对8对使用2%配纤率的强度为100.1 MPa纤维增强混凝土干接缝匹配的压杆试件进行试验研究，记录试件的开裂荷载、极限荷载、残余荷载、键齿处的滑移，并观察试件的裂缝发展过程以及破坏模式，研究了试件竖向位移-荷载、键齿处滑移-荷载之间的关系，并采用ABAQUS有限元中的混凝土CDP模型对试件加载进行全过程分析，得到开裂时试件的应力分布以及破坏时试件的损伤分布。研究结果表明：体内穿筋能够提高压杆试件的开裂荷载以及极限荷载，改变破坏模式，增加试件的整体性；键齿内增强构造筋对于干接缝键齿的力学性能以及改变试件破坏模式的影响较小；双键齿齿目试件的开裂荷载、极限荷载以及试件的整体刚度与单键齿齿目压杆试件相比，均有较大提升；3种不同接缝角度试件中，45°试件的开裂荷载、极限荷载以及整体刚度均是最小；对于单键齿试件而言，开裂均是发生在上键齿顶角处，并最终沿着初始裂缝发生劈裂破坏，而对于双键齿试件而言，接缝角度不同，试件破坏方式也不同。DK-30阴齿试件与阳齿试件均发生劈裂破坏，DK-45与DK-60两组试件不仅产生了劈裂破坏而且发生了键齿的斜剪破坏；有限元模型计算结果与试验结果吻合度较高。
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  扩孔隔震桩-土相互作用受力性能拟静力试验

  薛俊青, 林毅标, BRISEGHELLA Bruno, 黄福云

  中国公路学报. 2022, 35(4): 153-165. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.012

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  整体桥上部结构在温度及地震作用下所产生的纵桥向变形极易导致混凝土桩的顶部区域发生破坏。扩孔并填充阻尼材料可形成扩孔隔震桩，提高整体桥中混凝土桩的抗震性能。以某整体桥的桥台下单桩为工程背景，考虑不同扩孔直径和阻尼填料(橡胶颗粒和泡沫)，开展扩孔隔震桩-土相互作用受力性能拟静力试验研究。研究发现:达到最大荷载时，无扩孔试件出现桩-砂土分离现象；当扩孔直径为2倍桩径时，试件出现桩-阻尼填料和阻尼填料-砂土分离现象,当扩孔直径为3倍桩径时，填充橡胶颗粒的试件的桩身水平位移完全被橡胶颗粒所吸收。故扩孔直径是影响桩身水平位移在阻尼填料中传递方式的关键参数；与无扩孔试件相比，扩孔隔震试件的滞回曲线更加饱满且等效黏滞阻尼比更大，可以发挥阻尼材料的耗能特性；填充橡胶颗粒的耗能效果优于填充泡沫，这是因为松散橡胶颗粒的变形能力和自动复位特性有利于能量耗散，而泡沫的整体性使其黏滞性和减震性不能完全发挥；在扩孔深度范围内，扩孔隔震试件的p-y曲线刚度明显低于无扩孔试件(最大降幅达到45.1%)；随着扩孔直径增大或阻尼材料刚度减小，地基土模量系数减小；与无扩孔试件相比，扩孔隔震试件最大荷载略大，初始刚度和桩身最大弯矩略小。
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  基于Timoshenko梁理论考虑阻尼的承台-桩-土耦合横向振动解

  邱欣晨, 吴君涛, 赵爽, 王奎华, 涂园

  中国公路学报. 2022, 35(4): 166-176. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.013

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  由于缺乏合适的激振和接收位置，传统竖向低应变反射波法在检测带承台或未凿桩头的桩基动力特性时存在明显不足。为进一步拓展低应变检测波法应用范围，基于Timoshenko梁理论，考虑桩身材料阻尼、附加轴力及桩顶等效质量作用，建立了一种横向激励条件下承台-桩-土耦合振动模型，并求解了该模型的频域内解析解及其时域半解析解。进一步地，考虑了Timoshenko梁在低应变测试条件下2种剪切波的激发与传播。基于频散效应分析得出，在低应变检测条件下主要以第1类剪切波的传播为主，而第2类剪切波在截止频率以下尚未被激发，此时可认为模型等效剪切波速略小于一维剪切波速。通过和室内模型试验结果的比较，进一步验证了所假设的有效性和理论解的合理性。基于解析结果，分别对桩底约束条件、桩-土模型参数、承台特征以及测试信号宽度等对桩顶水平激振响应的影响进行了时域分析。结果表明：对于横向激振下桩身质点时域速度曲线而言，桩底反射均呈现与激振信号“同向-反向-同向”的反复震荡区间，桩底约束条件主要影响震荡区间范围；承台特征、桩/土的材料参数主要影响桩底反射波的幅值；激振频率主要影响速度波的宽度，且高频条件下，第2类剪切波将会被激发。参数分析结果可以为带承台或未凿桩头桩基检测工程提供理论支持及指导作用。
隧道工程
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  软岩地层泥水盾构掘进刀盘堵塞现象研究

  袁大军, 毛家骅, 王将, 王小宇

  中国公路学报. 2022, 35(4): 177-185. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.014

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  软岩地层(黏性矿物含量高)泥水盾构掘进刀盘堵塞现象(刀盘结泥饼)时有发生，不仅影响施工进度和质量，而且开舱处理风险较大，可能会导致人身伤亡或工程事故。为了探明刀盘堵塞现象及其影响因素，实现对刀盘堵塞的有效预防和治理，研发了一套软岩地层泥水盾构掘进模型试验装置。在自行设计、制作的模型试验平台上，选用以膨润土、高岭土、石英砂、水泥和水为原材料制备的人工软岩模拟实际工程中的软岩地层，分别采用不同人工软岩类型、盾构掘进速度、刀具突起高度及形式和泥水(清水)冲刷流量等进行盾构掘进模拟，实现刀盘堵塞现象的室内再现。通过分析盾构扭矩、推力和掘进距离间的关系，提出以扭矩指数和扭矩指数在盾构掘进距离上的增长率为指标的盾构掘进期刀盘堵塞现象发生的判断依据。试验结果表明：当模型盾构扭矩指数为0.10 m，且增长率达到0.40时，刀盘即发生堵塞；盾构掘进速度的增大，容易导致刀盘堵塞现象的发生；而刀具突起高度的降低和在刀盘面板中心设置泥水冲刷装置，对防止盾构刀盘堵塞具有较好的效果，需要说明的是，当采用泥水冲刷刀盘面板时，冲刷流量需足够大，才能确保其可对黏附在刀盘面板上的渣土进行有效剥离和输运。
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  岩溶隧道衬砌施工缝疏水涂层长期工作性能研究

  蒋雅君, 陶磊, 刘世军, 刘世圭, 肖华荣

  中国公路学报. 2022, 35(4): 186-194. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.015

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  岩溶隧道排水系统中普遍存在岩溶水碳酸钙结晶堵塞反复出现的问题，从而引发隧道渗漏水加剧，危及隧道运营安全。在依托工程中，对岩溶地区运营公路隧道衬砌施工缝渗漏水进行了引排水处理，并在排水半管的混凝土基面上施作了疏水涂层以减少结晶的附着，针对该疏水涂层的长期工作性能进行了室内试验和现场监测。选取基面接触角作为表征指标，通过室内试验对表面涂有复合疏水涂层的砂浆试块在干燥、浸水、水流冲刷3种环境条件下的基面接触角变化情况进行了量测和分析。根据隧道现场的环境条件监测数据，分析了施工缝引排水设施内出现水流冲刷的条件，统计了依托工程施工缝引排水设施内出现水流冲刷的年度天数。结合室内试验和现场监测结果，对所采用疏水涂层的长期工作性能进行了分析和讨论。研究结果表明：复合疏水涂层所形成的疏水基面，能在一定程度上缓解混凝土基面碳酸钙结晶体的附着，延长隧道衬砌施工缝渗漏水引排设施的工作年限；复合疏水涂层的长期工作性能主要受水流冲刷影响，其主要作用机理可能源于面层涂料的水解和冲刷磨损；在依托工程所在地区的气候以及水文环境下，复合疏水涂层的有效工作时间约为2年。
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  土压平衡盾构渣土改良泡沫半衰期细观测定方法

  赵世森, 李树忱, 王鹏程, 袁超, 万泽恩, 王曼灵

  中国公路学报. 2022, 35(4): 195-202. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.016

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  为克服泡沫半衰期测定过程中无法施加压力及读数误差等问题，自主研发了泡沫性能测试系统，该系统由泡沫生成模块、压力条件下泡沫衰变细观图像采集模块及泡沫半衰期测定模块等组成，可同时测定压力条件下泡沫衰变过程中的平均半径及溶液析出量半衰期。使用该系统测定了不同试验压力(0、50、100、150、200 kPa)及不同泡沫剂体积分数(2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%)下泡沫的平均半径演变规律与半衰期，并在两者之间建立了统一的联系，基于此提出了土压平衡盾构渣土改良泡沫半衰期细观测定方法。首先，使用观测窗与显微镜采集泡沫衰变过程中不同时刻的衰变图像，然后通过图像处理软件Image J获取衰变图像中泡沫的等效半径，进而得到其平均半径比演变规律，然后通过所提出的公式确定特定压力与不同泡沫剂体积分数下半衰期时刻泡沫的平均半径比，最后根据半衰期时刻的平均半径比计算泡沫的半衰期。该方法采用“显微镜采集图像+软件统计半径”的方式获取泡沫衰变过程中其等效半径的演变规律，从而确定泡沫半衰期，避免人为读数带来的误差，且泡沫衰变过程中环境压力可调节，能够再现渣土改良过程中泡沫所处的压力环境。最后使用试验数据对该方法的准确性进行了验证，结果表明：通过该方法确定的泡沫半衰期最大相对误差(相比于传统衰落筒半衰期)低于5%，最大绝对误差低于38 s，该方法具有较高的准确度。
交通工程
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  新一代智慧高速公路系统架构设计（双语出版）

  杜豫川, 刘成龙, 吴荻非, 赵聪

  中国公路学报. 2022, 35(4): 203-214. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.017

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  伴随中国高速公路的快速发展，智慧高速成为下一代公路系统技术形态演变的必然趋势。对其功能描述与架构解析能够有效指导未来高速公路的规划与建设，为智慧交通体系提供有力支撑。针对智慧高速的基本服务功能，结合车路耦合发展脉络，首先提出了以服务能力升级为导向的新一代智慧高速技术特征与系统内涵。面向不同服务对象与功能，明确了智慧高速系统的核心组分与技术板块：广域全息感知、数字孪生刻画、车路协同应用与实时通讯媒介。面向自动驾驶的发展需求，介绍了不同条件下各核心板块间的业务交互与数据交互。借鉴现有国内外典型智慧高速发展案例，重点阐述了新一代智慧高速公路的物理架构与应用架构，从精度、维度、鲜度3个层面探析了不同应用系统的数据模式与数字化要求。在此基础上，讨论了新一代智慧高速车路强耦合的推进路径，界定了从R0到R5的高速公路智慧化等级特征，揭示了不同车辆自动化等级与高速公路智慧化等级间的耦合作用，并总结了现阶段工程建设的关键问题与发展方向，从系统兼容性、设计场景、规范标准、通讯安全等4个角度研判了亟待解决的关键问题。研究成果可以指导设计可迁移、可持续的新一代智慧高速公路发展路径，对智慧高速的技术研究与建造应用具有重要参考意义。
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  复杂网络理论及其在公共交通韧性领域的应用综述

  杨琦, 张雅妮, 周雨晴, 白礼彪

  中国公路学报. 2022, 35(4): 215-229. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.018

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  公共交通系统韧性是交通安全研究的核心内容之一。复杂网络理论作为分析大型复杂系统的有力工具，为研究公共交通系统韧性提供了新的角度和方向。综述了复杂网络在公共交通韧性领域的研究现状，首先结合文献计量分析法对公共交通网络韧性相关文献的发展趋势、出版刊物分布、热点关键词等特征进行分析，以系统梳理公共交通网络韧性发展历程，并归纳总结公共交通网络韧性领域的研究热点。其次，从公共交通网络韧性定义出发，对复杂网络在公共交通韧性评估、韧性优化方面的应用与研究现状进行综述，一方面对公共交通韧性评估的核心内容，包括韧性评估指标、评估方法、中断建模及中断流重分配进行了系统分析，另一方面从灾前预防策略与灾后恢复策略2个方面梳理了公共交通韧性提升相关研究。最后，系统总结现有研究所面临的主要问题与挑战，并从韧性评估方法创新、中断建模改进、恢复模型探索等方面对未来公共交通韧性的发展方向与研究趋势进行分析。
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  自动驾驶专用车道影响下的CACC车流管理策略（双语出版）

  郝威, 俞海杰, 高志波, 张兆磊, 黄中祥

  中国公路学报. 2022, 35(4): 230-242. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.019

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  自动驾驶专用车道对混合交通流的作用与协同自适应巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control,CACC)车流大小相关。为分析已存在自动驾驶专用车道场景下CACC车流在各车道上的分布情况对交通流的影响，利用已有的人工驾驶车辆(Human-driving Vehicle,HV)和CACC跟驰模型建立平衡态条件下的异质交通流平均车头时距表达式，并考虑CACC车辆因跟随HV而退化为自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control,ACC)车辆的情况和由此导致的车距误差，进而解析混合流车道与自动驾驶专用车道的通行能力变化。在此基础上，考虑交通需求、CACC车辆渗透率与通行能力关系，提出双车道(1条混合流车道与1条自动驾驶专用车道)下优先为自动驾驶专用车道分配CACC车辆需求的固定车流管理策略和优先为混合流车道分配CACC车辆需求的可变车流管理策略。基于交通量最大的目标，对比论证不同交通需求和渗透率下的最优车流管理方法，并将所提出的研究方法扩展到多车道场景。案例结果表明：固定车流管理策略因在专用车道通行能力限制条件下引导了CACC车流优先行驶于专用车道，可以实现交通量的最大化；而可变车流管理策略中无专用车道通行能力限制条件且是优先为混合流车道分配CACC车辆，因此CACC车辆需求分配方案的变化导致了该策略下的交通量始终小于等于固定车流管理策略的结果；具有1条自动驾驶专用车道的三车道交通流仿真试验证明了理论分析结果的正确性；仿真中HV的扰动使车流无法到达理论上的平衡态，因此在专用车道和混合流车道通行能力方面，其仿真结果小于理论值；在此影响下，仿真得到的最优管理策略的最大交通量小于理论值，最优分配比例的仿真结果略大于理论值。参数敏感性分析结果表明：只有渗透率、车流平均速度的增大和车间时距的减小才有助于提高交通量，交通量对间距误差的变化不敏感。
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  车联网环境下自动驾驶车辆车道选择决策模型

  杨达, 吕蒙, 戴力源, 王啸文, 郭茜

  中国公路学报. 2022, 35(4): 243-255. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.020

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  试验车道选择行为是自动驾驶车辆最基本的决策行为之一，利用车联网技术可以使车道选择结果更加全面、合理。首先，对高速公路自动驾驶车辆车道选择决策过程进行分析，并以车联网感知通信范围内的车辆的平均速度、重车比例及前往车道的理想换道时间为主要指标创建成本函数，根据计算结果输出最优车道序列；然后，以Gipps安全驾驶模型为基础，构建下层安全条件判断模型对最优车道序列进行筛选，获得安全可行的最优目标车道；最后，搭建高速公路基本路段的仿真环境，利用仿真试验对建立的模型进行验证，并分析重车比例、车道间的速度差等要素对模型结果的影响和模型的安全性特征。研究结果表明：该模型综合考虑主车感知范围内的多项指标，使其行驶优势得到增强，并且提高了换道成功概率；当车道上车流参数发生变动时，模型始终表现出良好的区分度；在当前间隙不满足换道条件时，通过考虑前、后方多个间隙，使车辆充分把握主动换道的机会，实现行车收益最大化；该模型具有安全性高、适应性强等特点，可为未来车联网环境下的自动驾驶车辆车道选择提供借鉴。
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  平直高速公路低交通量下L2自动驾驶对驾驶人心理负荷的影响

  刘卓凡, 丁涛, 吴付威, 张海伦

  中国公路学报. 2022, 35(4): 256-266. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.021

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  为研究驾驶人在L2自动驾驶模式下的心理负荷特性，设计了正常驾驶和次任务驾驶2种状态，进行实车高速道路试验，采集21名被试驾驶人在2种驾驶状态下分别选择手动驾驶和自动驾驶模式的眼动数据、次任务绩效和主观评价数据。采用重复测量一般线性模型，分析不同驾驶模式对上述参数的影响，从客观和主观两方面分析驾驶人的心理负荷变化。结果表明：驾驶人执行视觉次任务时，眨眼时长缩短，眨眼频率降低，注视次任务时长较长；而驾驶人在L2自动驾驶模式下执行视觉次任务时眨眼频率会增加，注视次任务时长缩短，对仪表盘的注意力增加，对道路前方和视觉次任务的观察减少，次任务操作的正确率降低，丢失率增加。驾驶人在正常驾驶状态下选择L2自动驾驶会增加眨眼时长、缩短注视道路前方时长，过多关注与驾驶无关区域。另外，驾驶人在L2自动驾驶模式下的体力需求、时间需求和努力程度均有所降低，总体主观感知的心理负荷为手动驾驶模式下的85.7%；但在视觉次任务驾驶状态下，两者之间无显著性差异。说明视觉次任务会增加心理负荷，L2自动驾驶可以降低视觉次任务引起的视觉负荷；但驾驶人需要在道路前方、视觉次任务和仪表盘三者之间转换注意力，可能会增加认知负荷，降低次任务绩效。正常驾驶状态下，L2自动驾驶可以降低驾驶人心理负荷和获取信息的难度，但也可能会让驾驶人产生无聊感。总体来讲，L2自动驾驶在正常驾驶状态下可降低心理负荷，而当有视觉次任务时则对心理负荷影响不大。
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  基于多源数据的公交专用道效能评价方法与影响模型

  翁剑成, 孙宇星, 孔宁, 潘晓芳, 祁昊

  中国公路学报. 2022, 35(4): 267-276. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.022

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  施画公交专用道是落实公交优先策略、改善公交服务质量，提升交通系统效率的重要策略。近年来，如何提高公交专用道设置的科学性、提升服务效能受到广泛关注。为科学定量评价公交专用道设置的正、负效能，建立基于多维运行影响的公交专用道效能评价指标体系，提出基于主观层次分析法和客观离差最大化法相结合的组合评价方法，实现对公交专用道效能的定量化评估；在此基础上，采用灰色关联分析法筛选确定专用道效能的影响因素集，建立基于随机森林回归的效能影响模型，以变量重要性来测度各因素对公交专用道效能的影响程度,并以北京市域京藏高速、京港澳高速、三环路等公交专用道的多源监测数据为基础进行模型验证。研究结果表明：所构建的效能评价模型能较为精确地刻画公交专用道效能在不同时空条件下的变化特征；效能影响模型结果表明公交专用道设置形式对其效能的影响程度最大，其次为路段的交通饱和度，公交车流量、专用道断点密度、路段速度、公交客流量也有较为明显的影响;提出的模型精度明显优于逻辑回归模型和BP神经网络等其他模型。研究成果可为公交专用道的精细化设计和科学设置提供重要的方法支撑。
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  基于轨迹数据的山区危险性弯道路段交通事故风险动态预测

  戢晓峰, 谢世坤, 覃文文, 杨文臣, 胡澄宇

  中国公路学报. 2022, 35(4): 277-285. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.023

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  针对山区双车道公路危险性弯道路段交通事故多发的现实问题，提出主动评估短时交通流状态下的交通事故风险，以降低交通事故发生率。采用无人机高空拍摄弯道路段交通流运行状态，利用计算机识别技术提取高精度的车辆轨迹和交通流数据，结合山区双车道公路弯道路段危险驾驶行为特征表征交通冲突，以距离碰撞时间为交通冲突量化指标，提出山区车道公路弯道路段交通冲突严重程度类型的阈值划分标准。在此基础上，选取统计分析(LR模型)和非参数数据挖掘技术(RF和SVM模型)构建山区双车道公路弯道路段交通事故风险动态预测模型，以混淆矩阵和AUC为评价指标，对比分析各模型的整体预测能力；最后，选择预测精度最好的模型定量分析特征变量与交通事故风险之间的关系。研究结果表明：在车辆轨迹和交通流实测数据的环境下，采用RF算法构建的山区双车道公路弯道路段交通事故动态风险预测模型准确度最高，准确率达到78.9%，AUC为0.846 2，较LR模型和SVM模型精度分别提高了21.8%和15.93%，可以较为准确的评估山区双车道公路弯道路段交通事故风险的高低；车头时距(A_HD)和货车混入率(R_T)是风险动态预测模型中相对重要度最高的2个特征变量，且在A_HD小于20 s、R_T达到0.6时事故风险发生概率会大幅增大。研究成果可应用于山区双车道公路的短临动态预警系统的设计，指导安全管理对策制定。
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  不同规模城市居民出行方式影响因素分析

  刘宇峰, 安韬, 钱一之, 郭季

  中国公路学报. 2022, 35(4): 286-297. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.024

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  明确影响不同规模城市中居民出行方式选择的关键因素及其影响路径，有助于采取针对性策略调节城市居民出行结构，进而提高城市交通系统效率，缓解交通拥堵、空气污染等“城市病”。现有研究较少关注中、小城市的居民出行方式选择，较缺少同省份居民出行方式选择的跨城市规模对比分析，不利于策略制定者运用出行方式关键影响因素调节居民出行行为。考虑到与出行行为和与出行需求相关的社会经济因素在不同规模城市间的潜在差异，有必要研究、对比不同规模城市的居民出行方式选择。以交通可达性、出行者个体属性、出行特征、出行偏好为因素构建影响居民出行方式选择的理论路径模型，并在山西省选取大、中、小城市样本，收集居民个体出行数据，利用基于未加权最小二乘法的结构方程模型，验证并探究上述因素对3类城市居民出行方式具体作用差异。通过研究发现：①4个建模因素对3种规模城市居民的出行方式选择的影响存在明显的差异，表明策略上的“因地制宜”是有效改善居民出行结构的基础。②在大城市与中等城市，交通可达性通过偏好对出行方式选择的间接影响较强于其对出行方式选择的直接影响；在小城市，出行者个体属性通过偏好对出行方式选择的间接作用比其直接作用更强。③3个城市中，与个体属性和出行偏好有关的间接路径均成立；然而，与交通可达性有关的间接路径并不全部成立。在大城市与中等城市，交通可达性可通过影响出行偏好与出行特征，进而间接影响出行方式选择；在小城市，交通可达性对出行方式选择的间接影响仅通过出行偏好传递。
汽车工程
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  队列车辆碰撞严重性及车队排布策略

  陈文韬, 孙志伟, 周青, 林昌威

  中国公路学报. 2022, 35(4): 298-312. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.025

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  针对自动驾驶车辆队列发生不可避免碰撞的事故场景，研究以整体碰撞严重性达到最低为目标的车队排布策略。首先根据引发事故的障碍物是否会明显影响领航车运动，将碰撞划分为队内碰撞和队外碰撞。队列几何构型一定时，针对均质化队列发生一维碰撞过程建立理论模型，计入碰撞前车辆对前车紧急制动的感应及自车进行紧急制动的过程，计算并定义时间截断现象，据此将队列速度划分为低速、中速和高速，分析不同速度下，均质化队列中车辆长度、质量以及队列规模对车辆碰撞严重性影响。进一步，假定均质化队列中仅存在1辆异质车，即1辆大质量车或1辆紧急转向出队列的车辆，分析在不同速度下将异质车置于队列不同位置时对队列碰撞严重性的影响，最后通过PC-Crash仿真对结果进行验证。研究结果表明：在发生队内碰撞情况下，车辆质量与长度对车辆碰撞严重性无影响，队列速度越高碰撞严重性越大，但速度高于一定值后，碰撞严重性达到饱和状态，不随速度增加而增加；低速且所有车辆均参与碰撞时，将大质量车置于队列的前中部可使整体碰撞严重性最低，选择队列正中间位置车辆转向出队列可使整体碰撞严重性最低；高速时将大质量车置于队列中间位置能够最小化队列碰撞损伤，选择首、尾车辆转向出队列可使整体碰撞严重性最低；发生队外碰撞时，障碍车辆的速度、质量、长度均对碰撞严重性有影响，且队列速度越高碰撞严重性越大；低速时，将大质量车作为队列领航车能够最小化整体碰撞严重性，选择队列前中部的车辆转向出队列能够降低队列碰撞严重性；高速时,相比低速情况大质量车应适当后移，置于队列前中部能最小化队列碰撞严重性，选择首、尾车辆转向出队列可使碰撞严重性最低。研究结果对未来自动驾驶车辆队列行驶时队列车辆的排布策略具有一定指导作用。
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  MPDB工况下碰撞兼容性的基本问题与车体设计原则

  郑捷, 彭炫权, 杨军, 曾文铭, 曾繁林

  中国公路学报. 2022, 35(4): 313-324. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.026

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  2021版中国新车评价规程(C-NCAP)首次引入了正面50%重叠可渐近变形移动壁障碰撞工况(MPDB)用于评价车辆的碰撞兼容性。为了提高试验车在MPDB工况中的碰撞兼容性表现，得到影响碰撞兼容性的关键车体结构和基本的结构设计原则，应用对碰理论分析MPDB工况的2个基本物理问题——壁障与车体的吸能关系和运动变形关系。基于吸能关系分配壁障和车体的吸能量给出车体的吸能设计空间。基于运动变形关系提出利用“蝶形图”改善碰撞兼容性的设计策略，并围绕控制两车的加速度和变形量给出结构改善建议。通过“蝶形图”还提出可以将MPDB工况和其他前碰工况统一起来的等效碰撞速度以评估碰撞严苛程度。针对壁障乘员载荷准则(OLC)，分析车体质量、弹性回复、结构强度、吸能路径数量的影响。针对壁障变形标准差(SD)和击穿，将车体典型前部结构分成4个区域，给出每个区域中和区域间的关键结构因素。通过一个量产车的优化实例验证理论分析的有效性和兼容性设计策略的可行性。研究结果表明：壁障与车体前部结构的匹配设计是改善碰撞兼容性的关键，也是MPDB工况的基本设计原则。
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  基于时空融合LSTM网络的驾驶视角轨迹预测

  金立生, 高铭, 郭柏苍, 谢宪毅, 张舜然

  中国公路学报. 2022, 35(4): 325-332. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.027

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  自动驾驶环境感知系统的重要任务之一是对周围交通目标进行轨迹预测，其输出轨迹可为决策控制和路径规划提供所需目标信息。考虑传统轨迹预测方法一般基于俯视视角而难以满足自动驾驶车载感知的实际需求，提出一种基于长短时记忆(LSTM)网络模块、空间交互模块和时间行为注意力模块相融合的驾驶视角轨迹预测算法。为更好体现交通目标与周围环境的交互作用与不确定性，将交通目标建模为道路智能体。在LSTM网络模块，利用状态增强LSTM算法对于单智能体信息结合周围邻居隐藏状态信息对轨迹历史数据进行挖掘，输出基准轨迹预测结果。在空间交互模块，对智能体进行图建模并采用图空间交互方法对当前智能体与周围智能体空间交互分析。在时间注意力模块，对智能体驾驶行为进行细粒度分类并采用时间注意力估计智能体驾驶行为影响。最后，利用以上时空模块对原始轨迹结果进行增强，获取最终增强后驾驶视角交通智能体轨迹。为验证所提出算法的有效性，在符合中国复杂交通特点的D²-City行车记录数据集上训练、测试和验证算法，并与标准LSTM、Social LSTM、Social GAN等多种国际领先的轨迹预测算法进行定量和定性对比分析。研究结果表明:所提出算法能够在不同输入和预测时长下都取得有竞争力的结果，全局位移误差指标平均比其余3种算法降低超过20%，能够显著提高轨迹预测精度，更符合自动驾驶环境感知需求。
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  基于Q强化学习的AVB数据转发时延模型研究

  黄晨, 曹兆亮, 张宇, 高雅洁, 孙晓强, 洪俊

  中国公路学报. 2022, 35(4): 333-342. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.028

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  为了提高音视频桥接技术(Audio/Video Bridge，AVB)数据时延分析结果的正确性，以AVB交换机处转发的数据为研究对象，在经典的AVB协议模型中融入Q强化学习理论，构造时延数学模型。在完成AVB协议模型和Q强化学习理论研究基础上，提出更加符合实际的AVB交换机数据转发策略，结合车载以太网数据转发时延影响因素，重点分析和研究每帧时延以及各类流量的平均时延。为了验证所建数学模型的正确性，结合英特佩斯RAD_Galaxy和环视系统样件搭建车载以太网仿真试验台，利用Wireshark进行解析，对比分析试验结果。环视系统仿真和仿真试验台验证结果表明：在给定条件下，A类流量平均时延为41.36 μs，最大偏差为3.17%，B类流量平均时延为103.53 μs，最大偏差为2.01%，BE类流量平均时延为141.99 μs，最大偏差为3.14%；同时，在不同的BE流量负载下，各类数据的时延表现也不同；当链路负载增大时，A、B两类数据帧的平均传输时延随之增大，BE类数据帧的平均传输时延变化不大。在网络负载超过带宽的情况下，BE类数据帧的平均传输时延变的非常大,即协议保证A、B两类数据帧的传输质量；提出的数学模型对所搭仿真试验台的时延分析最大偏差为3.11%，验证了此数学模型的可靠性。该模型可以有效地评估和指导改善网络性能。
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  基于增益功率燃油系数的HEV能量管理策略

  程云江, 梁颖华, 徐向阳, 董鹏, 王书翰, 刘艳芳, 刘献栋

  中国公路学报. 2022, 35(4): 343-352. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.04.029

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  为了优化等效燃油最小能量管理策略的节油效果，以适用于工程批量应用为导向，制定基于增益功率燃油系数的混合动力汽车(HEV)能量管理策略。基于瞬时优化原理，提出基于增益功率燃油系数的工作模式决策机制，根据电机发电或电动引起的发动机功率与燃油消耗率的变化关系，分别给出电机充电和放电模式下增益功率燃油系数的计算方法。考虑发动机扭矩瞬态快速变化对油耗的影响和电机及电池包充放电效率特性，提出发动机高效区域扭矩滞回控制方法，建立基于增益功率燃油系数的能量管理策略算法架构。基于MATLAB/Simulink搭建控制策略软件模型，通过转鼓试验台进行实车试验验证。研究结果表明：相对于等效燃油最小能量管理策略，基于增益功率燃油系数的能量管理策略提升了节油率和舒适性，在全球轻型汽车测试循环(WLTC)工况下的百公里油耗降低了约4.8%，发动机的启停次数降低了约53%；相对于有效燃油消耗率(BSFC)最优工作点控制方法，发动机高效区域滞回控制方法降低百公里油耗约1.8%；与采用基于动态规划的全局优化能量管理策略的仿真结果对比，在不能提前预知工况的条件下，制定的能量管理策略在WLTC工况与新标欧洲测试循环(NEDC)工况下的油耗与理论最优值差距均较小。