有限元在岩土工程中的应用 (8).pdf

1、沥青沥青路面路面抗滑需求分析与对策抗滑需求分析与对策20192019年年1010月月2424日日20192019年“中国长寿命路面关键科学问题及技术前沿”香山年“中国长寿命路面关键科学问题及技术前沿”香山会议会议School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University东南大学交通学院东南大学交通学院东南大学交通学院东南大学交通学院Tel:025-8379 5184安全安全环保环保智慧智慧畅通畅通20192019全国高速公路改扩建关键技术研讨会暨京台高速（山东段全国高速公路

2、改扩建关键技术研讨会暨京台高速（山东段）成果）成果对接会对接会目 录概述0101沥青路面纹理特性的采集与表征0202轮胎-路面相互作用仿真分析结果0303拓宽工程的路面结构与再生0404主要建议0505一、概述路面结构性能要求与抗滑性能 路面结构性能要求结构性能结构性能-抗疲劳、抗车辙、抗开裂抗疲劳、抗车辙、抗开裂服务服务性能性能-平整性、抗滑性平整性、抗滑性材料特性材料特性-耐久性、稳定性耐久性、稳定性 抗滑性能抗滑需求抗滑需求-与交通事故的关系与交通事故的关系抗滑检测抗滑检测-概念概念与与应用应用抗滑保持抗滑保持-耐久性耐久性人65%/57%车2%/2%路（环境）2%/3%1%/3%4%/

3、6%24%/27%1%/1%事故起因有人驾驶，有人驾驶，人为失误人为失误 5765%5765%车、路车、路 单独占比很小单独占比很小 2 2-3%3%良好路面良好路面抗滑与合理驾驶抗滑与合理驾驶 减少减少25%25%道路交通死亡人数持续攀升，道路交通死亡人数持续攀升，20182018年达年达135135万万人人抗滑性能与交通事故相关性的研究值得进一步引起重视一、概述道路交通特点 节假日流量大 集中在大城市 节点影响全局 气候影响极大20172017十一十大拥堵路段十一十大拥堵路段节假日集中出行且天气变化（降雨）事故是交通拥堵的主因一、概述高速公路抗滑研究及其意义仿真模拟飞速发展仿真模拟飞速发展

4、 研究方法特点分析现场试验现场试验：费用贵、危险大：费用贵、危险大车路协同车路协同：用于：用于智能驾驶智能驾驶仿真模拟仿真模拟：场景多，费用少：场景多，费用少 抗滑性能提升主要因素驾驶行为与交通管理驾驶行为与交通管理抗滑性能（尤其是雨天）抗滑性能（尤其是雨天）-纹理类型纹理类型实时数据采集并指导驾驶行为实时数据采集并指导驾驶行为驾驶行为驾驶行为抗抗滑性能滑性能+=安全行驶安全行驶 研究概况路表抗滑路表抗滑特性特性(PIARC(PIARC CatagoryCatagory)轮胎轮胎的接地的接地行为行为(ONG FWA)(ONG FWA)轮胎路面轮胎路面相互作用（相互作用（Magic Formul

5、aMagic Formula）抗滑性能实时数据及预警对提高车辆行驶安全性意义重大路面结构类型及选择半刚性基层半刚性基层沥青路面沥青路面 设计控制要素：沥青层底拉应变、无机结合料层底拉应力、路基顶面压应变、车辙量设计控制要素：沥青层底拉应变、无机结合料层底拉应力、路基顶面压应变、车辙量 等。等。全厚式沥青路面全厚式沥青路面 沥青层材料：沥青层材料：SMA、Superpave、ATB、AC 等。等。一、概述柔性基层沥青路面柔性基层沥青路面路面结构组合类型路面结构组合类型我国沥青路面半刚性基层破坏在拓宽工程中要考虑新的结构类型 拓宽工程材料再生：拓宽工程材料再生：SMA、Superpave、ATB、

6、AC 等综合或单独再生等综合或单独再生。目 录概述0101沥青路面纹理特性的采集与表征0202轮胎-路面相互作用仿真分析结果0303拓宽工程的路面结构与再生0404主要建议0505二、沥青路面纹理特性的采集与表征抗滑的来源 轮胎与路面的粘附作用(黏附分量)路面对轮胎的刺入作用(迟滞分量)沥青路面抗滑作用的主要来源：宏观纹理与微观纹理二、沥青路面纹理特性的采集与表征测试规范 国内沥青路面抗滑特性的测定:单点纹理、多点纹理、静态和动态系数二、沥青路面纹理特性的采集与表征测试规范 国外沥青路面抗滑特性的测定:单点纹理、多点纹理、静态和动态系数二、沥青路面纹理特性的采集与表征路面表面纹理变化特点 表面

7、纹理变小趋势 密级配路面降低更快 不同测试结果差异性，联通空隙是关键 排水路面噪音特点淮江段20122017年SFC均值变化趋势图沂淮段20122017年SFC均值变化趋势图近场轮胎近场轮胎/路面噪音曲线路面噪音曲线排水路面与密级配排水路面与密级配路面摩擦系数衰减路面摩擦系数衰减抗滑特性的变化：与交通荷载、表层类型、评价指标等有关二、沥青路面纹理特性的采集与表征传统能量理论（随机点一维等值的表面纹理处理模式）滞后力粘滞力切削力分子引力有水情况下的变形变化沥青路面橡胶轮胎粘弹性材料应力领先应变一个相位角储能模量耗散模量摩擦力抗滑特性变化、分析方法的缺陷，导致抗滑指标与事故关联性差二、沥青路面纹理

8、特性的采集与表征Persson摩擦理论-分形理论分形原理示意图PerssonPersson迟滞迟滞摩擦理论摩擦理论基于基于分形特性分形特性及及路面功率谱路面功率谱密度密度(PSD)建立的接触模型建立的接触模型计入计入橡胶对表面粗糙度的有关尺度橡胶对表面粗糙度的有关尺度变形变形响应响应及及滑动摩擦对温度依存性滑动摩擦对温度依存性橡胶-粗糙面接触示意图自相似表面示意图 四个基本假设（来源、橡胶模型、表面维度、纹理特征）二、沥青路面纹理特性的采集与表征Persson摩擦理论-通过建立表面谱密度的分形理论自相似表面功率谱示意图 推导运用功率谱函数摩擦系数求解橡胶复模量表面功率谱橡胶块与分形粗糙表面之间

9、的摩擦系数求解包含功率谱密度的表面摩擦系数快速建立路面纹理检测与抗滑性能关系目 录研究背景0101沥青路面纹理特性的采集与表征0202轮胎-路面相互作用仿真分析结果03拓宽工程的路面结构与再生0404主要建议0505 (a)点云(b)网格 (c)路面 3D 模型(d)表征纹理的 3D 模型 三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果沥青路面纹理识别系统自动化近景摄影测量系统ACPR自动化沥青路面表面纹理图像实时采集及预处理Visual SFM开源框架编程逆向重构沥青路面3D模型GeoMagicMeshLab三维模型处理软件纹理模型预处理，求解均方根粗糙度、构造深度Persson摩擦理论模型Python

10、编程计算路面功率谱密度曲线，求轮胎-路面的动摩擦系数三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果功率谱及摩擦系数计算沥青路面功率谱密度沥青路面动摩擦系数曲线AC-13SMA-13OGFC-13干燥状态潮湿状态干燥状态潮湿状态干燥状态潮湿状态三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用的ABAQUS有限元模型建立20km/h30km/h40km/h60km/h70km/h80km/h轮胎水漂模型轮辋角速度轴载水膜模型线速度流体入口沥青混凝土路面模型轮胎-水膜-路面耦合模型轮胎滑水云图不同速度下部分滑水水膜流迹三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用时轮胎滑水速度影响因素02468108

11、59095100105110115120125130135140轮胎滑水速度(km/h)水膜厚度(mm)AC SMA OGFC轮胎充气内压=200kpa80100120140160180200220240260708090100110120130140150160轮胎滑水速度(km/h)轮胎充气内压(kpa)AC SMA OGFC水膜厚度=5mm0.40.50.60.70.80.91.01.11.260708090100110120130140 100kpa 165.5kpa 200kpa 250kpa水膜厚度0.5mm滑水速度(km/h)MPD(mm)0.40.50.60.70.80.91.

12、01.11.28090100110120 0.5mm 2mm 5mm 10mm充气内压165.5kpa滑水速度(km/h)MPD(mm)不同表面特征条件下(AC SMA OGFC)、水膜厚度、轮胎压力路面滑水速度三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果路面摩擦系数特点分析：路表摩擦系数 侧向力与偏角关系 数据特点 干燥与潮湿干燥干燥OGFCOGFC干燥干燥SMASMA干燥干燥ACAC 潮湿潮湿OGFCOGFC潮湿潮湿SMASMA潮湿潮湿ACAC轮胎-路面相互作用时轮胎滑水速度影响因素路面抗滑特点：三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果潮湿路面抗滑特点 制动距离与降雨的关系 降雨强度10mm/h 降雨强度

13、25mm/h 降雨强度50mm/h一般情况下一般情况下ACSMAOGFC ACSMAOGFC 降雨强度增加降雨强度增加，ACAC与与SMASMA之间差异之间差异越来越小越来越小轮胎-路面相互作用时轮胎滑水速度影响因素三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果潮湿路面侧滑特点 偏向偏移与降雨的关系 降雨强度10mm/h 降雨强度25mm/h 降雨强度50mm/h一般情况一般情况下下离心力的离心力的作用作用ACSMAOGFC ACSMAOGFC 降雨强度增加降雨强度增加，ACAC与与SMASMA之间差异之间差异越来越越来越小小轮胎-路面相互作用时轮胎滑水速度影响因素MATLAB/Simulink-Cars

14、im联合仿真匀速行驶制动停止紧急制动有人有人驾驶车辆制动驾驶车辆制动控制算法控制算法-SimulinkSimulink实现实现路路表附着特性表附着特性-有限元理论计算获得有限元理论计算获得多多工况（干燥工况（干燥/潮湿路面、曲线潮湿路面、曲线/直线、斜坡）直线、斜坡）MATLAB/Simulink-Carsim耦合运算示意图三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用行车稳定性三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果 汽车制动特点（盘式抱住轮胎）干燥路面抗滑试验干燥路面抗滑试验MATLAB/Simulink-Carsim联合仿真轮胎-路面相互作用行车稳定性车辆ABS的设计及使用的原理三、轮胎

15、-路面相互作用仿真分析结果制动踏板制动总缸制动压力调节器制动盘加速器电子控制单元ABS 警示灯ABS系统压力调节管路0.00.51.01.52.02.53.00.00.20.40.60.81.01.2滑移率时间(s)无ABS ABS 03060901201500306090120制动距离(m)速度(km/h)无ABS ABS 实地试验结果ABS控制滑移率对比图ABS控制制动距离对比图考虑ABS的影响MATLAB/Simulink-Carsim联合仿真轮胎-路面相互作用行车稳定性行驶车辆抗滑供给与实时路表纹理有关轮胎-路面相互作用时车辆行驶侧向加速度 等分析三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果01

16、2340.00.10.2侧向加速度(m/s2)时间(s)干燥AC 干燥SMA 干燥OGFC012340.00.10.20.30.40.50.6车身侧倾角(deg)时间(s)干燥AC 干燥SMA 干燥OGFC5560657075802030405060 1mm 5mm 8mm曲线制动距离(m)速度(km/h)5560657075800.00.20.40.60.81.0 1mm 5mm 8mm曲线侧向偏移距离(m)速度(km/h)实时侧向加速度图实时车身侧倾角图不同水膜厚度沥青路面上曲线侧向偏移距离与速度关系图不同水膜厚度沥青路面上曲线制动距离与速度关系图 通过路面纹理检测实时监控车辆行驶状态，提

17、高安全性三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求 公路沥青路面设计规范(JTJ 014-1997)三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2017)三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求 城镇道路路面设计规范（CJJ 169-2011）三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求 澳大利亚标准 Site Description Investigatory level of SFC 0.30 0.35 0.40

18、 0.45 0.50 0.55 1 Traffic lights pedestrian xings,etc.2 Tight curves,freeway ramps 3 intersections 4 Manoeuvre-free undivided roads 5 Manoeuvre-free divided roads 2,500 veh/lane.day 2,500 veh/lane.day Australia 三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求 路面抗滑与路面类型关系密切，必须合理选择路面抗滑层沥青路面表面抗滑：轮胎-路面积水、具有奇异纹理的路面 等拓宽工程内侧高速车

19、道排水目 录研究背景0101沥青路面表面特性理论0202轮胎-路面相互作用模拟仿真0303拓宽工程的路面结构与再生0404主要建议0505我国典型结构的现状与问题四、拓宽工程的路面结构与再生由于半刚性基层开裂而形成的沥青面层反射裂缝由于半刚性基层开裂而形成的沥青面层反射裂缝强度太高-路面结构刚度太大引起开裂，承载力影响吗弯沉控制误导路面设计，强调刚度，忽视协调，结构疲劳更弱弯沉控制误导路面设计，强调刚度，忽视协调，结构疲劳更弱G30（连（连-霍霍 高速公路）甘肃酒泉高速公路）甘肃酒泉-嘉峪关段嘉峪关段四、拓宽工程的路面结构与再生传统的基于压应力的结构组合?应力分布应力分布?应力分布应力分布四、

20、拓宽工程的路面结构与再生?拉应力拉应力分布分布四、拓宽工程的路面结构与再生拉应力拉应力分布分布结构组合建议（路基整体强度均匀等）稳定类路基层稳定类路基层（强路基）（强路基）沥青抗车辙层沥青抗车辙层路堤结构层路堤结构层抗疲劳结构层抗疲劳结构层结构结构沥青联接层沥青联接层沥青抗滑层沥青抗滑层四、拓宽工程的路面结构与再生合理的结构组合设计（重载 不均匀沉降等）无机结合料稳定类（底）基层沥青面层沥青面层路基路基级配碎石级配碎石复合式结构复合式结构沥青抗滑表层沥青抗滑表层沥青疲劳层沥青疲劳层无机结合料处治路基土沥青面层沥青面层级配碎石级配碎石全柔性全柔性结构结构沥青抗滑表层沥青抗滑表层沥青疲劳层沥青疲劳

21、层再生材料层位要求四、拓宽工程的路面结构与再生常见沥青路面再生技术:就地热再生技术-再利用、再生厂拌热再生技术-再生就地冷再生技术-再利用厂拌冷再生技术-再利用全厚式再生-半刚性基层沥青路面，尤其是薄面层。沥青路面热再生是其老化的“逆过程”；沥青路面再生关键是合适方式与合适层位。再生技术结构要求四、拓宽工程的路面结构与再生沥青路面通过再生设计，可以满足抗车辙、抗疲劳等性能要求目 录研究背景0101沥青路面表面特性理论0202轮胎-路面相互作用模拟仿真0303无人驾驶的车-路协同仿真0404主要建议0505五、主要建议新建道路、改扩建工程等 抗滑评价、设计十分重要；目前主要是点式评价，与车辆安全稳定性关系差；雨天驾驶行为不当导致车辆水漂是影响安全的主要因素；通过车路协同、实时监控是提升安全性重要环节；路面结构需要综合考虑各种受力，结构设计需要更新；路面再生需要结合层位需求合理设计，延长结构寿命。