[01224493]寒区路基路面结构性能动态演化机理与控制关键技术

(1)课题来源与背景 我国寒冷地区面积覆盖十分广泛,主要分布在华北、西北和东北大部分地方。公路作为最古老的交通形式,历来是人们生活中最主要的出行方式。然而,在东北严寒地区,极端温差、持续低温和丰富雨水催生了严重且频繁的冻融循环现象;而且,随着公路交通运输量的增大,集装的运输、多轮交通荷载轴重,使得寒区路基路面材料和结构需要抵抗负温、水和动荷载的三重耦合作用。由此诱发的抗冻耐久性问题十分突出——路基冻胀与强度衰减、路面冻融损伤与开裂等病害普遍出现,导致路基路面抗冻设计和冻害养护维修比例偏大、养护维修资金高居不下。因此,寒冷地区路基路面结构性能动态演化机理与控制关键技术问题,始终是制约寒区路基路面耐久长寿的理论与技术瓶颈。 （2）研究目的与意义 随着沈大、沈山、京哈、北黑高速公路等扩建工程的陆续立项实施,项目组以此为契机,结合国家和省部级科研课题,重点关注温度、湿度和荷载的耦合作用及效应,从材料、结构和技术三个层面,切实“揭示寒区路基路面材料与结构性能的时空演化规律和机理”、“创建寒区路基路面结构行为分析理论与方法”、“提出寒区路基路面抗冻耐久性能保障与提升技术”,以期构建了寒区路基路面性能动态演化分析理论、方法及提升技术,从根本上解决寒区高速公路路基抗冻融耐久和路面抗冻控裂技术等寒区高速公路路基路面设计理论、方法和技术难题,支撑和保障我国寒区道路工程的建设与安全运营。 （3）主要创新性成果 ①基于研制的路基土三维冻胀仪和一维冻融水分迁移模型试验装置,揭示了冻融与荷载耦合作用下土体水分迁移与分层积聚规律,并建立了冻融路基土动态模量与变形预估模型;基于界面裂纹扩展原理,揭示了半刚性基层材料冻融损伤机理,开发了半刚性基层材料冻融-冲刷装置,并提出了抗冻和冲刷试验方法和评价指标;揭示了基于界面黏附失效的沥青混合料冻融损伤机理,提出了沥青及沥青混合料低温抗裂性能评价指标。 ②提出了重载汽车-面层-基层-路基耦合动力学分析方法,建立了寒区重载公路水-热-动力耦合数值分析模型,揭示了冻融和荷载作用下路基结构温度、湿度及力学响应动态演化规律;构建了非轴对称荷载下非线性黏弹层状体系力学分析方法,提出了基于半刚性基层材料服役期损伤特性的沥青路面四阶段结构设计原理,揭示了冻融和荷载作用下路基路面结构的动态演化规律,提出了基于冻融和荷载共同作用的沥青路面低温允许开裂率预估模型; ③提出了改良细粒土填料的隔/排水-抗冻路基结构;研制了导电抗冻土工格栅,提出了兼顾排水和抵抗不均匀变形的导电-抗冻格栅路基结构;针对施工期冻融路基,提出了冲击补压工艺和质量检测流程,提升了路基工后抗冻融变形能力;提出了抗冻控裂型沥青路面典型结构、材料控制标准及其性能调控技术;基于材料功能化设计与界面黏附原理,提出了路面结构功能层设计原则与工艺要求。 （4）社会与经济效益 项目组共申请知识产权 20 项,其中授权国家发明专利 6 项、软件著作权 3 项; 国内外公开发表学术论文 93 篇（SCI 24 篇、EI 28 篇、核心 31 篇）,出版专著 3 部;纳入 3 部行业规范和 2 部地方标准。成果在沈阳至大连高速公路、北京-哈尔滨高速公路、辽宁滨海公路等多个工程中得到应用,取得了显著的经济效益。项目成功建立了寒区高速公路路基路面设计理论、方法及提升技术,有力支撑了寒区交通基础设施建设和养护,促进了道路工程学科和行业的科技进步,对于提高寒区交通基础建设水平和质量、提升“陆路丝绸之路北线”和“中-蒙-俄经济走廊”的基础设施建设质量和水平,具有重要的社会和经济效益。