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.doc

《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。
（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》（JTG D30-2015）、《城市道路路基设计规范》（CJJ 194-2013）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。

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
多从提高填料抗压强度或抗剪强度等静态指标角度考虑。
从实现路基目标刚度角度考虑填料的改良和加筋处治，降低了交通荷载下的路基动力响应，有效保障了路基长期服役性能。
路基压实质量评估方法
对路基压实薄弱区考虑不足
改善了区域压实程度、压实均匀性的评价方法，可更真实反映压实数据在碾压面上的分布情况及压实薄弱区域的空间位置，为路基补强压实提供了可靠依据，有效避免了空间离散的路基压实薄弱区域给路基长期服役性能带来的隐患。
路基湿度控制技术
多采用普通PVC排水管进行排水。
发展了集成毛细透排水管设计方案和施工工艺的路基湿度控制技术，利用毛细透式排水管“Ω”型毛细导管的吸力，增强了排水作用，对路基的湿度控制效果更好，并可有效防止土颗粒流失。
侧重于工程效果，缺乏生态友好性方面的考虑。

发展并完善了上接圬工排水沟渠的生态滤沟、生态浅碟形暗埋式边沟等绿色环保的路基防排水设施，改善了环境景观效果。
2. 第三方评价
（1）中交第二公路勘察设计研究院有限公司在应用证明中评价：《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》课题揭示了交通荷载及湿度作用下路基填料路用性能特点，建立了路基水稳定性能的评价指标及演变预测方法，形成了基于轮-路系统耦合和协调变形刚度匹配的路基设计方法，我公司主编的交通部行业规范《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）应用了该课题的研究成果，使修订后的《公路路基设计规范》更加科学完善。
（2）以浙江大学王秉纲教授为主任的鉴定委员会对“路基耐久性的实用工程技术研究”项目成果的评价为：“研究成果总体达到国际先进水平”。
（3）以陈国靖教授级高工为主任、郭忠印教授为副主任的鉴定委员会对“高温多雨地区高速公路水损害防治与沥青路面预防性养护技术研究”项目成果的评价为：“项目成果具有创新性，总体上达到国际先进水平。”
（4）以郑健龙院士为主任的鉴定委员会对“重载交通下路基长期性能变化规律及对沥青混凝土路面结构影响研究”项目成果的评价为：“研究成果总体达到国际先进水平。”
（5）以中交第二公路勘察设计研究院有限公司吴万平教授级高工为主任的鉴定委员会对“高速公路软岩路基处治技术与稳定性研究”项目成果的评价为：“研究成果总体达到国际先进水平
四、推广应用情况
1．推广应用情况
研究成果先后应用于以湖南省为代表的南方10 余条公路的设计、施工和咨询，节约了大量土地、减少了工程造价和后期维修费用，有效地降低或避免了路基病害的发生。部分研究成果已纳入中华人民共和国行业规范《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）、《城市道路路基设计规范》（CJJ 194-2013），为我国公路路基设计、施工提供了直接依据。主要应用情况如下：
主要应用单位情况表
应用单位名称
应用技术
应用的起止时间
应用单位联系人/电话
应用情况
湖南省郴宁高速公路建设开发有限公司
红粘土路基设计方法和处治技术
2010年1月至今

杨献章/13517489316
节省了工程经费和运营养护费用，取得了良好的社会经济和环保效益
湖南省衡桂高速公路建设开发有限公司
红砂岩和红粘土路基填筑优化施工工艺和土工合成材料处治技术
2010年1月至今
陶可/13973139008
提高了工程建设的科技含量和技术水平，节省了工程建设投资和运营养护费用
湖南省大岳高速公路建设开发有限公司
风化花岗岩路基填筑优化施工工艺和质量控制标准
2012年12月至今
陶可/13973139008
切实解决了长期性能保障技术难题，节省了工程投资
湖南省张桑高速公路建设开发有限公司
基于毛细透排水管的路基湿度控制技术
2012年12月至今
杨献章/13517489316
节省了工程建设成本，提高了工程建设技术水平

五、主要知识产权证明目录
知识产权类别
知识产权
具体名称
国家
（地区）
授权号
授权日期
证书编号
权利人
发明人
发明专利有效状态
发明
公路交通荷载下路基路面动力损伤模拟实验装置
中国
ZL201410017790.4
2017年01月04日
2329515
湖南省交通科学研究院
李志勇，陈晓斌，董城，等
有效专利
发明
一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法
中国
ZL201410192988.6
2016年04月06日
2011403
同济大学
钱劲松，凌建明，李冬雪
有效专利
实用新型
一种基于毛细透排水管的公路路基边坡排水系统
中国
ZL201621342691.4
2017年06月20日
6244779
湖南省交通科学研究院
岳志平，董城，郑祖恩，等
有效专利
实用新型
三维土工复合排水网增强路基排水系统
中国
ZL201220451283.8
2013年03月06日
2743531
湖南省交通科学研究院
李志勇，郑祖恩，董城，等
有效专利
实用新型
一种高含水率路基土试件制备装置
中国
ZL201220300543.1
2013年02月13日
2708064
同济大学
钱劲松，凌建明，王海林，等
有效专利
实用新型
土体吸水质量控制装置
中国
ZL201220023811.X
2012年10月10日
2454236
同济大学；上海同科交通科技有限公司
钱劲松，凌建明，李东雪，等
有效专利
计算机软件著作权
基于ABAQUS平台的加筋路基结构变形有限元分析软件V1.0
中国
2017SR064240
2017年03月02日
1649524
湖南省交通科学研究院
董城，周用安，刘文劼，等
有效专利

六、主要完成人情况

姓名
排名
行政职务
技术职称
工作单位
完成单位
对本项目技术创造性贡献
李志勇
1
副院长
研究员级高级工程师
湖南省交通科学研究院有限公司
湖南省交通科学研究院有限公司
主持项目总体实施与组织协调，负责试验研究、理论分析、成果总结和推广应用工作。对本项目技术创造性贡献如下：
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。
2）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，提出了考虑路基路面协调变形的路基刚度匹配设计新方法。
3）针对重载交通荷载特征以及南方潮湿多雨环境，提出了以实现刚度匹配为目标的路基填料控制技术。
4）研究成果在湖南省郴宁高速、衡桂高速、桂武高速、大岳高速和张桑高速等多条公路工程中推广应用。
杨献章
2
经理
高级工程师
湖南省高速公路建设开发总公司
湖南省高速公路建设开发总公司
参与项目组织协调、现场施工和推广应用等工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）负责依托工程建设与管理，参与工程调查和现场实施工作。
2）参与建立了以实现刚度匹配为目标的路基填料控制技术，形成了以毛细透排水管排水方式为代表的路基湿度控制技术。
3）参与研究成果在湖南省郴宁高速、张桑高速等多条公路工程的推广应用。
钱劲松
3

副教授
同济大学
同济大学
参与项目技术实施、试验研究和理论分析等工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）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。
2）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。
3）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，发展完善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。
董城
4
副主任
副研究员
湖南省交通科学研究院有限公司
湖南省交通科学研究院有限公司
参与项目试验研究、理论分析和现场实施等工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）构建了更适应于重载交通荷载特征的填料动态回弹模量和累积塑性应变预估模型。
2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，形成了路基路面长期服役性能演变评价方法。
3）针对重载交通荷载特征以及南方潮湿多雨环境，提出了以实现刚度匹配为目标的路基填料控制技术。
郑祖恩
5
副主任
高级工程师
湖南省交通科学研究院有限公司
湖南省交通科学研究院有限公司
参与项目试验研究、现场实施和推广应用工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）参与形成了路基路面长期服役性能演变评价方法，提出了考虑路基路面协调变形的路基刚度匹配设计新方法。
2）基于宏细观多尺度评价优化了路基压实填筑施工工艺，形成了花岗岩残积土等代表性填料的路基填筑施工工艺指南。
3研究成果在湖南省郴宁、衡桂、桂武和张桑等多条高速公路工程中推广应用。
高琼
6

高级工程师
湖南省交通科学研究院有限公司
湖南省交通科学研究院有限公司
参与项目试验研究、现场调查、成果总结工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）系统开展了重载交通荷载下路基填料的动三轴试验，获取了填料在不同压实度、含水率、围压条件下的动态回弹模量、临界动应力等参数。
2）获取了动力作用下路基路面破坏规律，形成了路基长期服役性能演变评价方法。
3）参与项目技术报告编制、成果提炼总结等工作。
刘文劼
7

工程师
湖南省交通科学研究院有限公司
湖南省交通科学研究院有限公司
参与项目理论分析、现场实施和推广应用工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）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。
2）形成了从化学改良处治和加筋土处治两方面实现目标刚度的路基填筑控制技术。
3）参与研究成果在湖南省大岳和张桑等高速公路工程中推广应用。
田军
8
副经理
高级工程师
湖南省高速公路建设开发总公司
湖南省高速公路建设开发总公司
参与项目部分理论分析、现场实施等工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）参与依托工程建设与管理，工程调查和现场实施工作。
2）参与提出了以实现刚度匹配为目标的路基填料控制技术。
3）参与研究成果在湖南省郴宁高速、张桑高速等多条公路工程的推广应用。
杨郴
9
合约部长
高级工程师
湖南省高速公路建设开发总公司
湖南省高速公路建设开发总公司
参与项目工程调研、现场实施工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）参与依托工程建设与管理，工程调查和现场实施工作。
2）参与形成了以毛细透排水管排水方式为代表的路基湿度控制技术。
3）参与研究成果在湖南省郴宁高速、张桑高速等多条公路工程的推广应用。
凌建明
10
常务副院长
教授
同济大学
同济大学
参与项目技术实施、试验研究和理论分析等工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）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。
2）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。
3）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，发展完善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。
岳志平
11
副总工
高级工程师
湖南省交通科学研究院有限公司
湖南省交通科学研究院有限公司
参与项目现场调查、现场实施、成果总结工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）参与提出了考虑路基路面协调变形的路基刚度匹配设计新方法。
2）基于宏细观多尺度评价优化了路基压实填筑施工工艺，形成了以毛细透排水管排水方式为代表的路基湿度控制技术。
3）参与项目技术报告编制、成果提炼总结等工作。
吴欣
12

工程师
湖南省交通科学研究院有限公司
湖南省交通科学研究院有限公司
参与项目试验研究、现场实施、推广应用工作。对本项目技术创造性贡献如下：
1）参与开展了重载交通荷载下路基填料的动三轴试验，获取了填料在不同压实度、含水率、围压条件下的动态回弹模量、临界动应力等参数。
2）针对重载交通荷载特征以及南方潮湿多雨环境，提出了以实现刚度匹配为目标的路基填料控制技术。
3）参与研究成果在湖南省郴宁、大岳和张桑等高速公路工程中推广应用。

七、主要完成单位及创新推广贡献
排名
完成单位
创新推广贡献
1
湖南省交通科学研究院有限公司
主持项目总体实施与组织协调，负责试验研究、理论分析、现场实施、成果总结和推广应用工作。对本项目科技创新和推广应用情况的贡献如下：
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，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。
2）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，形成了路基路面长期服役性能演变评价方法，提出了考虑路基路面协调变形的路基刚度匹配设计新方法。
3）针对重载交通荷载特征以及南方潮湿多雨环境，提出了以实现刚度匹配为目标的路基填料控制技术。
4）基于宏细观多尺度评价优化了路基压实填筑施工工艺，形成了以毛细透排水管排水方式为代表的路基湿度控制技术。
5）研究成果在湖南省郴宁高速、衡桂高速、桂武高速、大岳高速和张桑高速公路等多条公路工程中推广应用。
2
湖南省高速公路建设开发总公司
参与项目组织协调、工程调查、现场施工和推广应用等工作。对本项目科技创新和推广应用情况的贡献如下：
1）负责依托工程建设与管理，参与工程调查和现场实施工作等。
2）参与建立了以实现刚度匹配为目标的路基填料控制技术，形成了以毛细透排水管排水方式为代表的路基湿度控制技术。
3）参与研究成果在湖南省郴宁高速、衡桂高速、桂武高速、大岳高速和张桑高速等多条公路工程的推广应用。
3
同济大学
参与项目技术实施、试验研究、理论分析、成果总结等工作。对本项目科技创新和推广应用情况的贡献如下：
1）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。
2）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。
3）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。
4）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，发展完善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。

八、完成人合作关系说明
课题承担单位：湖南省交通科学研究院有限公司
课题合作单位：湖南省高速公路建设开发总公司、同济大学
合作完成人：湖南省交通科学研究院有限公司：李志勇、董城、郑祖恩、高琼、刘文劼、岳志平、吴欣（共7人）；湖南省高速公路建设开发总公司：杨献章、田军、杨郴（共3人）；同济大学：钱劲松、凌建明（共2人）。
1．合作经历：
2010年1月至2017年6月，课题合作单位和课题组完成人先后开展了相关领域“路基耐久性的实用工程技术研究”、“高温多雨地区高速公路水损害防治与沥青路面预防性养护技术研究”、“重载交通下路基长期性能变化规律及对沥青混凝土路面结构影响研究”、“高速公路软岩路基处治技术与稳定性研究”四个子课题的研究，共同开展了相关试验研究、理论分析、数值模拟、工程实践等工作，进行了10余次学术交流和技术研讨，并对项目创新成果进行汇总与提炼，对所涉及的实体工程进行跟踪研究，促进了本课题的圆满完成。
2．合作方式：
根据各合作单位和研发团队特点统筹安排科研工作，通过共同立项、合作研发、合著论文、共同开发知识产权等方式，在技术上进行相互支持和学习交流，形成了创新性技术成果并实施了推广应用。
3. 合作成果：
通过合作研究取得的相关创新成果相继通过了专家鉴定评审，多项技术达到了国际先进水平。项目部分研究成果被行业规范《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）、《城市道路路基设计规范》（CJJ 194-2013）采纳，获国家专利6项（发明专利2项）、软件著作权1项，发表论文30余篇（SCI/EI收录15篇），培养了硕士、博士、博士后共计8人。

完成人合作关系情况汇总表
序号
合作方式
合作者/
项目排名
合作时间
合作成果
证明材料
备注
1
共同立项
完成人
1、2、4、5、6、10、11
2010-2012
鉴定证书“路基耐久性的实用工程技术研究”
附件8

2
共同立项
完成人
1、4、5、6、11、12
2011-2014
鉴定证书“高温多雨地区高速公路水损害防治与沥青路面预防性养护技术研究”
附件9

3
共同立项
完成人
1、4、5、6、11、12
2010-2015
鉴定证书“重载交通下路基长期性能变化规律及对沥青混凝土路面结构影响研究”
附件10

4
共同立项
完成人
1、4、5、6、11、12
2010-2015
鉴定证书“高速公路软岩路基处治技术与稳定性研究”
附件11

5
共同知识产权
完成人
1、4、5、6、11、12
2014-2017
发明专利“公路交通荷载下路基路面动力损伤模拟实验装置”
附件1

6
共同知识产权
完成人
3、10
2014-2016
发明专利一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法”
附件2

7
共同知识产权
完成人
3、10
2012
实用新型专利“土体吸水质量控制装置”
附件3

8
共同知识产权
完成人
3、10
2012
实用新型专利“一种高含水率路基土试验制备装置”
附件4

9
共同知识产权
完成人
1、4、5、6、11
2012
实用新型专利“三维土工复合排水网增强路基排水系统”
附件5

10
共同知识产权
完成人
1、4、5、11、12
2016
实用新型专利“一种基于毛细透水管的公路路基边坡排水系统”
附件6

11
共同知识产权
完成人
4、5、7、11
2016
软件著作权“基于ABAQUS平台的加筋路基结构变形有限元分析软件v1.0”
附件7

12
论文合著
完成人
1~12
2010-2016
论文“湿度循环下黏质路基土回弹模量演化规律”、“水泥改良高液限黏土动态回弹模量试验研究”、“基于路基路面协调变形的路基回弹模量设计”等
附件21