南方多雨地区公路路基长期服役性能保障技术研究及应用

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1、《南方多雨地区公路路基长期服役性能保障技术研究及应用》2017年度湖南省科技进步奖项目公示材料一、项目名称：南方多雨地区公路路基长期服役性能保障技术研究及应用二、项目简介在交通运输部、湖南省科技厅、湖南省交通运输厅等科技项目的资助下，以南方多雨地区公路路基为依托，通过试验研究、理论分析、数值模拟、工程实践等手段，对交通荷载与湿度作用下路基长期服役性能进行了深入研究，形成了路基刚度匹配设计方法，提出了保障路基长期服役性能的成套工程处治技术：（1）建立了交通荷载与湿度综合作用下路基填料性能指标参数及量化模型。利用系统的动三轴试验构建了更适应于重载交通荷载的填料动态回

2、弹模量和累积塑性应变预估模型，首次提出采用“湿化率”作为路基水稳定性评价指标，建立了依据物性参数的水稳定性能预测模型，完善了路基填料湿度循环试验方法，并获取了动态回弹模量干湿循环折减系数。该部分成果为交通荷载与湿度的综合作用研究提供了必要、可靠的路基填料本构模型，为路基长期服役性能保障技术奠定了理论和试验基础。（2）形成了基于轮-路系统耦合和路基路面协调变形的路基刚度匹配设计方法。推导了动态回弹模量预估模型在复杂空间应力状态下的精确一致切线刚度矩阵，构建了考虑动态回弹模量和轮-路系统耦合的路基路面动力学分析方法，开发了交互式、参数化的建模分析软件，获取了动力作用

3、下路基路面破坏规律，形成了路基路面长期服役性能演变评价方法，研发了模型试验系统用于验证该方法的可靠性；创建了以地下水位、路基填筑高度为核心的路基当量回弹模量的预估方程，并从路基路面协调变形角度出发首次提出了路基刚度匹配系数的合理控制范围。该部分成果为路基路面一体化计算分析提供了全新的视角和途径，既实现了路基设计方法的改进，又便于将新设计方法与实际工程填料控制技术紧密衔接起来，对潮湿多雨地区路基设计具有重要的现实意义。12（3）提出了保障南方多雨地区路基长期服役性能的成套工程处治技术。针对重载交通荷载特征以及南方潮湿多雨环境，建立了以实现刚度匹配为目标的路基填料控

4、制技术，结合PFC颗粒流分析和现场混合水平正交试验优化了路基填筑施工工艺，形成了基于连续压实控制技术的路基压实质量评估方法及补强技术，发展并完善了以毛细透排水管排水方式为代表的的路基湿度控制技术。该部分成果从填料控制、填筑施工、湿度控制等角度出发，成功解决了路基建设实践中的一系列工程技术难题，有效保障了路基长期服役性能。本研究的科技创新成果先后在以湖南省为代表的南方多雨地区衡桂、大岳、张桑等10余个公路项目中推广应用，确保了工程质量，加快了工程进度，改善了环境景观效果。部分成果被行业规范《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）、《城市道路路基设计规范》（C

5、JJ194-2013）采纳，并在全国推广运用。研究成果经专家鉴定，整体达到国际先进水平。获国家专利6项（发明专利2项）、软件著作权1项，发表相关论文30余篇（SCI/EI收录15篇），培养了硕士、博士、博士后共计8人，研究成果促进了行业科技进步和学科发展，对公路基础设施建设具有重要的引领和示范作用。12三、客观评价1.与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较对比内容现有同类技术特点本课题创新点路基填料本构模型静力线弹性模型。创造性地提出了更适应重载交通荷载特点的四参数动态回弹模量模型，可精细调整剪应力对回弹模量的贡献，更加真实地反映了重载交通荷载下路

6、基的动力响应。基于等效切线刚度矩阵的动态回弹模量模型，根据三轴试验的轴对称应力状态得出，缺乏严格的数学推导，计算误差较大。首次基于广义胡克定律严格推导了动态回弹模量空间应力状态下的精确一致切线刚度矩阵，提高了复杂应力状态下的计算精度10%以上。水稳定性评价指标相应预测模型较少，缺乏定量描述。首次系统提出了依据物性参数的水稳性评价指标预测模型，解决了非饱和土的模量取值问题，为研究湿度变化条件下路基性能演变提供了有效途径，同时可作为不同湿度条件下填料选取的依据。数值仿真分析软件普遍采用普通商业软件，建模过程繁琐，车辆荷载简化为路面均布荷载，与实际情况偏差较大。在商业

7、软件基础上二次开发了便捷的参数化建模与分析软件，更真实反映了实际的轮-路系统耦合状态，可体现轮胎自由滚动、加速滚动、减速滚动状态下路面的接触应力及应变分布，为考虑协调变形的路基路面一体化分析和设计提供了全新的手段。路基设计方法基于静力学参数和理论，难以适应高速、重载交通要求，计算与实际响应有所偏差。基于路基-沥青路面结构弯沉指标等效和路基-水泥混凝土路面结构板底弯拉应力指标等效，给出了路基回弹模量的设计参考值，形成了考虑路基路面协调变形的路基刚度匹配设计方法，既实现了设计方法改进，又将新设计方法与实际工程填料控制技术紧密衔接起来，可操作性强。路基填料控制技术多从

8、提高填料抗压强度或抗剪强