交通运输工程学报

多年冻土区公路路线选择分层目标法

汪双杰, 闫晓敏, 张驰, 孟良, 杨坤 — 2016-08-30

汪双杰, 闫晓敏, 张驰, 孟良, 杨坤为了进行多年冻土区公路路线设计,以多尺度效应理论为基础,提出了基于保护冻土由粗到细、由面到带、由带到线的分层目标选线方法,构建了理论模型。结合不同地形地貌、既有工程、构造物与建筑物在不同比例尺下的表现形态,给出了分层目标法的层次划分,确定了每个层次下公路路线选择的影响因素。考虑路线节点重要度和地形地貌的影响,给出了第1层次下多年冻土区选线模型。利用公度原理给出了第2层次下平均海拔、平均坡度、年平均地温、冻土分布、融区构造和既有工程等影响因素的标度分级,并构造了第2层次下多年冻土区公路选线困难度模型。综合考虑冻土地温、冻土含冰量、冻土病害和植被覆盖带来的冻土危害,同时兼顾多年冻土区既有工程的热干扰,构建了第3层次多年冻土区公路选线可靠度模型。以青藏高原多年冻土区秀水河至雅玛尔河段为例,运用分层目标法进行了公路选线。研究结果表明:运用分层目标法确定的路线方案可以准确避绕高病害率的冻土区域,避开既有工程的相互干扰,从而获得工程困难度低、可靠度高的路线方案。交通运输工程学报. 2016 16(4): 1-13.

青藏高原多年冻土区公路智能选线方法

张驰, 杨坤, 汪双杰, 杨宏志, 邵广军 — 2016-08-30

张驰, 杨坤, 汪双杰, 杨宏志, 邵广军为解决传统公路选线方法难以完全考虑青藏高原多年冻土区复杂地理环境的问题,将地理信息系统(GIS)的空间数据分析技术与智能进化算法引入到多年冻土区的公路选线过程中。利用GIS进行青藏高原多年冻土区的空间数据挖掘,从冻土病害影响因子的连续度和发育度方面考虑多年冻土区微地貌对公路选线的影响,建立了冻土病害危险度计算模型。利用面向对象技术开发组件式GIS,应用于青藏高原多年冻土区,完成了对多年冻土区复杂地理信息的分析和提取。构建了线位优化遗传算法,确立了自适应的迭代策略,借助粒子群算法,建立了基于遗传算法的路线优化模型。以青藏高原西大滩至昆仑山口路线走廊带某路段为例,进行了公路智能选线研究,经算法多次迭代后,得到了最优的线位方案。研究结果表明:在实际环境数据试验中,遗传算法在迭代至第60代左右时得到危险度最低的优选方案,其综合危险度稳定在3.75左右。可见,青藏高原多年冻土区公路智能选线方法能够结合各类冻土病害的危险程度,为公路线位布局指明冻土病害影响较小的区域,有效兼顾了“主动保护多年冻土,确保路基稳定,生态环境友好,布局经济合理”等要求,可作为多年冻土区公路路线设计的参考方法。交通运输工程学报. 2016 16(4): 14-25.

水泥混凝土路面错台自动检测方法

张娟, 叶莉, 李伟 — 2016-08-30

张娟, 叶莉, 李伟为实现水泥混凝土路面错台自动检测,分析了主动光学三维形状测量技术,利用面阵CCD相机作为图像接收装置,构建了主要包括电源子系统、图像采集子系统、触发子系统与GPS定位子系统的基于线激光扫描的水泥路面错台检测平台。根据水泥混凝土路面三维检测数据的噪声特点来确定噪声滤波阈值,先进行均方差滤波,再对处理后的三维数据进行开运算和腐蚀运算,消除数据中的孤立点。根据滤波之后的三维数据矩阵大小分成均匀的块,利用块的均值消除斜面,再依次取消除斜面之后的三维信息数据矩阵的每一行的拐点,得出拐点矩阵,从而计算出错台量。为了验证检测方法的可行性和有效性,在实验室模拟了平行错台、梯形错台和交叉错台,按错台量的大、中、小分别进行3次检测,并与水准仪检测结果进行对比。对同一错台,用水准仪和三维检测方法分别进行10次重复性检测,分析了检测方法的重现性。试验结果表明:检测方法测量结果与水准仪检测结果的绝对误差中有96%小于1 mm,水准仪检测结果的标准差约为三维检测方法的7.8倍,表明三维检测方法具有较好的准确性、稳定性和可重现性,可用于水泥混凝土路面错台自动检测。交通运输工程学报. 2016 16(4): 26-36.

冻融循环作用下聚丙烯纤维混凝土的力学性能

严武建, 牛富俊, 吴志坚, 牛富航, 林战举, 宁作君 — 2016-08-30

严武建, 牛富俊, 吴志坚, 牛富航, 林战举, 宁作君通过4组不同配合比聚丙烯纤维混凝土的快速冻融循环试验,测得了不同冻融循环次数后混凝土的抗压强度、纵波波速与动弹性模量,研究了冻融循环作用下不同配合比聚丙烯纤维混凝土的力学性能与损伤量特征,分析了材料性质、材料配合比与冻融循环次数对力学性能的影响。分析结果表明:冻融循环200次后,未掺加引气剂的C30聚丙烯纤维混凝土、掺加引气剂的C30聚丙烯纤维混凝土、未掺加引气剂的C40聚丙烯纤维混凝土、掺加引气剂的C40聚丙烯纤维混凝土的抗压强度损失率分别为46.53%、49.05%、34.56%、37.64%; 冻融循环300次后,4组聚丙烯纤维混凝土纵波波速分别降低了8.42%、6.48%、16.72%、11.68%,动弹性模量分别降低了46.54%、35.72%、54.41%、53.72%; 冻融循环150次后,C30和C40聚丙烯纤维混凝土损伤量迅速增长,且C40聚丙烯纤维混凝土损伤量高于C30聚丙烯纤维混凝土; 在相同的冻融次数下,未掺加引气剂的C40聚丙烯纤维混凝土的损伤量最大; 抗冻性能的改善效果从大到小依次为掺加引气剂C30聚丙烯纤维混凝土、未掺加引气剂C30聚丙烯纤维混凝土、掺加引气剂C40聚丙烯纤维混凝土、未掺加引气剂C40聚丙烯纤维混凝土。交通运输工程学报. 2016 16(4): 37-44.

青藏公路热棒路基降温效能

金龙, 汪双杰, 穆柯, 彭惠 — 2016-08-30

金龙, 汪双杰, 穆柯, 彭惠为了分析多年冻土区热棒路基的工程效果,定量评价其降温效能,基于青藏公路热棒路基试验工程近11年的现场监测数据,分析了热棒路基的地温特征、温度场形态和冻融过程,估算了阴阳坡影响下热棒附近的水平热收支状况。建立了空气-热棒-冻土地基三维非稳态耦合计算模型,分析了不同结构形式(单侧直插式、单侧斜插式、双侧直插式与双侧斜插式)的热棒路基的降温效能。实测结果表明:在热棒作用下,阳坡侧路基地温可降到-1.5 ℃附近,较普通路基地温降低约3.0 ℃,阴坡侧路基地温最低达到-2.1 ℃; 热棒路基经过11年的营运,阳坡侧冻土上限抬升约0.95 m,基本达到天然地基水平; 阴阳坡两侧热棒的年平均实际功率分别约为69.80、54.07 W,且热棒路基在最初5年传递能量较大,第6年后逐渐减小,此后路基的热状况进入相对稳定的状态。计算结果表明:双侧直插式热棒路基与双侧斜插式热棒路基第20年冻土上限分别为2.88、1.88 m,而单侧直插式热棒路基与单侧斜插式热棒路基第20年冻土上限分别为3.84、3.46 m,因此,双侧热棒路基的长期降温效果明显强于单侧热棒路基,斜插式热棒路基强于直插式热棒路基; 单根热棒的年平均功率为47～56 W,与试验工程监测结果较为吻合。交通运输工程学报. 2016 16(4): 45-58.

多年冻土区热棒路基应用效果

刘戈, 汪双杰, 金龙, 董元宏, 袁堃 — 2016-08-30

刘戈, 汪双杰, 金龙, 董元宏, 袁堃为了研究热棒在青藏公路多年冻土区的应用效果,基于楚玛尔河试验监测场地8年的地温观测数据,以水平温度梯度为指标,分析了不同时期热棒的有效半径。为了提高热棒的调控效果,拓展热棒的使用范围,满足宽幅路基强吸热的使用要求,依托北麓河与安多2个试验监测场地,分析了热棒-XPS板路基与热棒-片块石路基地温监测数据。分析结果表明:热棒工作1年后的有效半径约为2.3 m,此后,随着热棒工作时间的增加,热棒影响范围逐渐增大; 在热棒工作的前5年,地温降幅明显,周围土体地温降幅都基本维持在0.5 ℃以上,之后每年降温较小,这主要是由于外界环境温度升高,气温与地温的温差逐渐减小,热棒工作的动力逐渐衰减引起的; 在热棒工作的8年中,由于热棒的持续制冷作用,热棒路基的人为上限基本不变,而普通路基同时期人为上限最大降低约为80 cm; 热棒-XPS板路基从6月份开始,XPS板上下温差不断增大,最大温差约为17 ℃,有效阻隔了暖季大量热量向板下传递; 热棒-片块石路基通过2年的调控作用,地温最大降幅为0.51 ℃。交通运输工程学报. 2016 16(4): 59-67.

高寒高海拔多年冻土区拓宽路基差异沉降

穆柯, 袁堃, 金龙, 董元宏 — 2016-08-30

穆柯, 袁堃, 金龙, 董元宏为了研究高寒高海拔多年冻土区拓宽路基面层吸热对下伏多年冻土温度与沉降的影响,建立了基于热力耦合理论的差异沉降计算的有限元模型,并利用实体工程监测数据对模型进行了修正,分析了不同季节、不同填高与阴阳坡工况下拓宽侧路基差异沉降分布规律,确定了多年冻土区最优路基拓宽位置。研究结果表明:多年冻土区拓宽路基最大融深与沉降均出现在秋季,10月份的变形最不利,病害特征最突出,其中4 m填高路基第10年最大差异沉降为16.9 cm,分别为7、1、4月份沉降的1.1、1.4、1.7倍; 差异沉降与路基填高存在正相关性,当路基填高分别为2、4、6 m时,10年内路基的差异沉降分别为13.2、16.9、18.1 cm; 阴坡侧拓宽路基的温度与沉降变化小于阳坡侧,在10年内,阳坡侧拓宽路基底面最大升温为1.3 ℃,阴坡侧为0.6 ℃,阳坡侧拓宽路基最大差异沉降为16.9 cm,阴坡侧为12.3 cm; 即使阴坡侧拓宽,差异沉降仍使拓宽路基顶面形成一个斜率为2%～3%的斜坡,进而使路面产生较大附加应力,最终造成结构层病害。交通运输工程学报. 2016 16(4): 68-77.

高寒冻土区路基变形演化规律与破坏特征

李金平, 张娟, 陈建兵, 朱东鹏, 袁堃 — 2016-08-30

李金平, 张娟, 陈建兵, 朱东鹏, 袁堃为进一步研究高寒冻土区路基变形破坏演化过程,以漠北公路K6+200断面处的高温高含冰量冻土区路基和K8+200断面处的低温高含冰量冻土区路基为研究对象,在路基不同部位和路基下不同深度处土体埋设温度传感器和变形传感器,研究了高纬度、高寒冻土区不同冻土条件下路基实测温度和变形演化过程及其特征。研究结果表明:在高温高含冰量冻土区,在公路建成2年后,路基下出现了明显的融化盘偏移现象,新建宽幅路基呈现出明显的横向不均匀变形特性,路基下形成了2个融化盘,其中一个明显向路基坡脚处偏移,左坡脚和路中冻土上限明显下降了3～4 m,路基下原天然地表处沉降达4～9 cm,而路肩处冻土上限基本保持稳定; 在低温高含冰量冻土区,在保证一定路基高度的条件下,除了建成初期路基土体存在一定的变形(工后沉陷)外,由路基下多年冻土不均匀融化导致的变形很小,因此,在低温冻土区公路路基稳定性相对较好。可见,研究结论进一步阐释了高温冻土区路基、路面变形严重的成因,为高纬度、高寒冻土区路面结构抗融沉破坏设计和病害防治提供了参考,揭示了高温多年冻土区路基纵裂、沉陷等不均匀变形破坏的特征和成因,相比高温多年冻土区,在保证一定路基高度下低温多年冻土区路基具有相对良好的稳定性,这一结论对于高纬度、高寒冻土区不同冻土条件下冻土路基的设计及病害防治具有重要意义。交通运输工程学报. 2016 16(4): 78-87.

径流冲刷对高寒高海拔地区高等级公路边坡侵蚀的影响

单永体, 胡林, 王琦, 陈瑞华, 郭文 — 2016-08-30

单永体, 胡林, 王琦, 陈瑞华, 郭文为阐明高寒高海拔地区高等级公路边坡侵蚀规律,为防治公路边坡水土流失提供理论依据,以青海省共和至玉树公路路基裸露边坡为研究对象,采用野外径流冲刷试验分析了汇流对高寒高海拔地区公路边坡的侵蚀规律与防护策略。分析结果表明:6.0、10.0、14.5 L・min^-1流量下产流时间较3.5 L・min^-1流量下产流时间分别提前了23.83、107.63、108.13 s,冲刷流量越大,产流时间越短; 3.5、6.0、10.0、14.5 L・min^-1流量下总产沙量分别为14.65、20.42、43.61、32.20 kg,产沙量先增大后减小; 累积产流量与累积产沙量的关系满足幂函数形式; 冲刷流量与侵蚀产沙量呈显著正相关。可见有效减少路面径流是减少高速公路边坡侵蚀量的关键,配套排水措施应具有迅速将路面汇流汇集排出的功能; 高寒高海拔地区边坡防护应减少圬工防护措施,在边坡植被恢复时应采用合理的覆盖措施及固土措施。交通运输工程学报. 2016 16(4): 88-95.

青藏高原不同植被措施下公路边坡产流产沙特征

胡林, 王琦, 单永体, 陈瑞华, 郭文, 李占斌 — 2016-08-30

胡林, 王琦, 单永体, 陈瑞华, 郭文, 李占斌为探究青藏高原公路边坡在不同植被防护措施下的侵蚀规律,提高公路边坡植被防护技术,采用野外冲刷试验研究了青藏高原公路边坡在裸坡、三维网植草、人工铺草皮等不同植被防护措施下的产流产沙特征,分析了不同措施下的防护效率与拦沙机理。试验结果表明:3、8 L・min^-1冲刷流量下的平均初始产流时间分别为225.50、163.27 s,初始产流时间与流量和植被盖度之间具有显著相关性; 8 L・min^-1冲刷流量下的产流稳定时间较3 L・min^-1提前了约2 min; 植被措施的拦沙效应主要体现在对粗颗粒泥沙的拦蓄上,边坡产流量和产沙量随植被盖度的增加而减小; 植被措施拦截径流效率和拦截泥沙效率的平均值分别为55.7%、53.5%; 综合防护效果从大到小依次为74%盖度三维网植草、37%盖度三维网植草、中部铺草皮、上部铺草皮、裸坡,建议采用以草皮为骨架配以三维网植草的边坡植被综合恢复技术。交通运输工程学报. 2016 16(4): 96-103.

多年冻土区大直径钻孔灌注桩早期回冻规律

符进, 姜宇, 彭惠, 董元宏, 袁堃 — 2016-08-30

符进, 姜宇, 彭惠, 董元宏, 袁堃基于多年冻土区桩基混凝土的设计与施工,研究了多年冻土区大直径钻孔灌注桩的早期回冻规律,通过桩基现场试验并结合数值仿真模型分析了桩周混凝土水化热和桩周冻土回冻规律。分析结果表明:在灌注完成后25 d内桩侧温度在1 ℃以上,在灌注完成45 d后桩侧温度逐渐恢复到0 ℃; 数值模拟结果显示在灌注完成60 d后桩身温度下降至0 ℃,在灌注完成200 d后桩周土体回冻至天然状态; 入模温度每提高2 ℃,桩侧峰值温度提高1 ℃左右,而2倍桩径处峰值温度提高0.5 ℃左右。可见,在大直径桩基条件下桩基混凝土中可以不添加或少添加早强剂,也没有必要刻意降低拌合物入模温度; 桩基的施工时间最好安排在暖季,为混凝土的养生提供较好的外部条件。交通运输工程学报. 2016 16(4): 104-111.

多年冻土区公路病害模糊专家预测方法

汪双杰, 熊丽, 张驰, 穆柯, 金龙 — 2016-08-30

汪双杰, 熊丽, 张驰, 穆柯, 金龙为了预测多年冻土区新建公路病害路段,辅助设计者在设计阶段进行合理设计,以模糊专家系统为基础提出了多年冻土区公路病害预测方法。以病害度为分析指标,以青藏公路某一路段作为研究对象,定性分析了道路病害的影响因子。根据实际病害数据,将青藏公路调查路段的病害度分为3级。结合青藏公路多年年平均地温、含冰量、冻胀率等病害数据,建立了多年冻土区公路病害路段识别的模糊专家系统。运用MATLAB中的 Fuzzy Logic Toolbox工具,将各种影响因子作为输入变量,对10组多年冻土区等距路段进行了病害度计算,并运用SPSS软件对计算病害度与实际病害度进行对比分析。分析结果表明:随着年平均地温、含冰量、冻胀率的增大,道路病害率上升; 计算病害度与实际病害度相关性达到0.751。可见,运用模糊专家系统对多年冻土区公路病害路段预测具有良好效果。交通运输工程学报. 2016 16(4): 112-121.

基于多源遥感数据的青藏公路走廊积雪灾害评价

于晖, 张岭梅, 王佐, 路勋, 赵立廷 — 2016-08-30

于晖, 张岭梅, 王佐, 路勋, 赵立廷利用多源遥感数据信息,开展了青藏公路走廊所在区域的积雪空间分布特征调查,对重点路段进行了积雪灾害评估。充分考虑了地形和山地积雪特征,采用多种去云过程和步骤相结合,完成逐日积雪云量消除。利用无云MODIS逐日积雪面积数据统计年均积雪日数,在大尺度范围内提取公路积雪信息,判断整个线路中重点积雪路段。利用Landsat影像的高空间分辨率特性,采用归一化差值积雪指数阈值法识别重点积雪路段各里程处积雪和非积雪区域,有效提取了公路重点积雪路段积雪空间分布信息,更加精确地对公路积雪灾害进行监测和评估。基于影像时空信息对云覆盖像元下地表温度信息进行了重建,并对代表性问题进行分析验证,采用重建的MODIS逐日地表温度计算年均地表温度,对青藏公路走廊沿线重点积雪路段的积雪灾害信息进行判断提取。分析结果表明:评价方法可以有效地对青藏公路走廊沿线积雪分布进行监测与提取,重点积雪区域主要分布在昆仑山、五道梁、风火山、唐古拉山,其中部分路段积雪量较大且易发生道路结冰现象。交通运输工程学报. 2016 16(4): 122-132.

高寒冻融环境下隧道结构服役性能预测模型

王柱, 董长松, 韩常领, 黎岩 — 2016-08-30

王柱, 董长松, 韩常领, 黎岩为分析高寒大温差冻融环境对公路隧道衬砌结构长期服役性能的影响,采用现场测试方法得到了姜路岭隧道洞口温度变化规律,基于室内冻融循环试验拟合了冻融环境下衬砌混凝土力学性能劣化计算公式,应用荷载结构法建立了高寒冻融环境下衬砌结构服役性能的时空预测模型。研究结果表明:铺设厚度为5 cm、导热系数为0.03 W・(m・℃)^-1的保温层后,姜路岭隧道1年内经历的等效室内冻融循环次数从8下降为0.32; 无保温层且混凝土饱水条件下,5、10、15、20年后拱脚处截面安全系数相对于刚服役时分别降低了0.6%、23.7%、41.1%、69.8%,二次衬砌服役20年后安全系数已不能满足结构承载的要求; 铺设厚度为5 cm、导热系数为0.03 W・(m・℃)^-1的保温层后,二次衬砌服役100年后安全系数仍能够满足承载要求。可见冻融循环的剧烈程度对衬砌结构长期服役性能影响显著,保温层能有效改善混凝土的冻融环境。交通运输工程学报. 2016 16(4): 133-140.

多年冻土区公路隧道融化圈计算方法

姚红志, 张晓旭, 董长松 — 2016-08-30

姚红志, 张晓旭, 董长松为得到多年冻土区公路隧道围岩温度场和融化圈的发展规律,建立了围岩融化圈的计算方法,对融化圈深度和围岩温度的计算值与实测值进行了对比,采用有限元法分析了支护对融化圈的影响。分析结果表明:围岩温度平均误差不超过0.6 ℃,融化圈深度误差不超过10%,计算值与实测值吻合较好; 每延迟1 d施作喷射混凝土,融化圈深度增大10 cm,喷射混凝土厚度每增加5 cm,融化圈深度增加约10 cm; 一次模筑混凝土入模温度为15 ℃时的融化圈深度比入模温度为5 ℃时大了约10 cm; 当保温板厚度从5 cm增加到20 cm时,融化圈深度减小2/3,保温板及二次模筑混凝土水化热对融化圈深度有较大影响; 洞内风速为3.0 m・s^-1时的融化圈深度比洞内风速为1.0 m・s^-1时减小了10～20 cm; 施作喷射混凝土30、60、90、120 d后,洞内气温为8 ℃时的融化圈深度为洞内气温为2 ℃时的1.25、1.31、1.35、1.40倍。可见,洞内气温宜控制在3 ℃～5 ℃,围岩开挖后应尽早施作支护,宜选用低热或中热水泥以降低混凝土释放的水化热。交通运输工程学报. 2016 16(4): 141-150.

基于心电分析的青藏高原驾驶人疲劳特性

刘建蓓, 马小龙, 张志伟, 郭忠印, 柳本民 — 2016-08-30

刘建蓓, 马小龙, 张志伟, 郭忠印, 柳本民为了得出驾驶人在高原环境下的疲劳特性,选取3个不同海拔的试验点与20名驾驶人进行模拟试验,对试验过程中驾驶人的心率变化与驾驶行为进行记录,以心跳间隔变化率为评价指标进行疲劳研究并验证其合理性,采用受试者工作特征曲线确定疲劳时间点,建立了驾驶人疲劳的二元Logit模型。分析结果表明:海拔为3 500、4 200、4 600 m时,驾驶人平均心跳间隔分别为0.759、0.746、0.615 s; 大型车与小型车驾驶人在海拔4 600 m比在海拔3 500 m的疲劳时间点分别提前20.8、8.4 min,海拔越高疲劳时间点出现越早; 时间、心跳间隔变化率每增加一个单位,发生疲劳的比率分别是原来的1.215、1.139倍; 大型车驾驶人发生疲劳的比率是小型车驾驶人的14.6%,表明大型车驾驶人表现出更强的抗疲劳能力。交通运输工程学报. 2016 16(4): 151-158.