胎/路多場耦合作用下瀝青路面摩擦磨損機理研究

路面摩擦學(xué)性能對道路安全和社會經(jīng)濟有著重要的影響，輪胎與路面摩擦的作用機制復(fù)雜，是一個廣泛的固液多相間的物理化學(xué)和力學(xué)過程，影響因素眾多，在不同尺度下表現(xiàn)出不同的行為特征，缺乏對其機理的研究。 本研究依據(jù)納米摩擦學(xué)、表面界面科學(xué)、巖石力學(xué)等理論基礎(chǔ)，結(jié)合微宏觀表面模擬分析技術(shù)，在不同尺度上開展瀝青路面摩擦磨損性能仿真及試驗研究，對路面摩擦學(xué)性能的行為特征、作用、機理和影響因素等進行分析，為瀝青路面摩擦磨損性能的性能評估和壽命預(yù)測提供了有效的研究手段。 首先采用分子動力學(xué)模擬方法，確定了輪胎與路面摩擦接觸模型的初始結(jié)構(gòu)——二氧化硅為固定基底和異戊二烯為勻速滑動單鏈結(jié)構(gòu)。對輪胎與路面間的微觀摩擦學(xué)性能進行模擬分析。本文主要對摩擦學(xué)性能主要參數(shù)摩擦系數(shù)進行研究，分析速度、溫度與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。模擬結(jié)果顯示，摩擦系數(shù)隨著速度的增大而減小，且與溫度之間存在峰值關(guān)系。輪胎與路面的微觀摩擦不僅與表面勢能相關(guān)還和異戊二烯分子形態(tài)有關(guān)。 然后使用非接觸式光學(xué)表面輪廓儀采集不同集料的表面微觀構(gòu)造形貌，計算多種反映表面形貌不同方面特征的參數(shù)，通過這些參數(shù)檢驗不同集料間的表面微觀構(gòu)造差異性，并測量不同集料表面的抗滑性能，對集料表面的微觀構(gòu)造特征與抗滑性能的演化進行關(guān)聯(lián)分析，建立集料微觀構(gòu)造特征與抗滑性能的評價模型。 最后使用三角激光掃描技術(shù)對瀝青路面表面宏觀構(gòu)造進行三維重構(gòu)，針對現(xiàn)有的路面表面宏觀構(gòu)造特征參數(shù)無法表征路面構(gòu)造的三維分布形態(tài)的問題，提出一種新的三維表征方法，能夠可視化的展示路面宏觀構(gòu)造的分布密度，并通過計算，準確反映宏觀構(gòu)造隨構(gòu)造深度的變化情況。在路面三維數(shù)值模型基礎(chǔ)上建立輪胎-路面接觸模型，結(jié)合數(shù)值模擬的方法分析路面集料宏觀尺度下的磨損退化規(guī)律。 2100433B

良好的路面摩擦學(xué)性能是保障行車安全的前提條件，對社會經(jīng)濟有著重要的影響。我國公路發(fā)展歷程不長，對于路面摩擦學(xué)性能演化規(guī)律認識不足，缺乏對多種因素不同演化模式的綜合分析，通車后路面摩擦學(xué)性能隨著車輛磨耗衰減很快。因此本研究首先在納米尺度上解析輪胎和瀝青路面的微觀構(gòu)造和表面特性，建立三維單體模型和整體接觸模型，從本質(zhì)上解析胎/路界面物理、化學(xué)和熱力學(xué)特性；然后基于納米摩擦學(xué)原理，考慮輪胎和瀝青路面表面構(gòu)造、荷載和環(huán)境的耦合作用，對胎/路界面摩擦磨損性能進行分子動力學(xué)模擬分析，從原子、分子尺度揭示界面摩擦、磨損和潤滑等摩擦學(xué)行為的力學(xué)響應(yīng)特征；最后進行多場耦合作用下瀝青路面摩擦磨損性能演化的分子動力學(xué)模擬，探索材料微觀性能變化與宏觀結(jié)構(gòu)損傷間的聯(lián)系，研究瀝青路面摩擦磨損性能演化規(guī)律及衰減機理，建立摩擦磨損壽命預(yù)測模型。從而為高速公路瀝青路面的摩擦磨損性能評估和壽命預(yù)測提供有效的研究手段。

本項目通過三年的研究工作，已完成項目計劃內(nèi)容，并取得了一系列研究成果。 本項目從汶川地震收集的山嶺隧道震害資料出發(fā)，統(tǒng)計分析了汶川地震中山嶺隧道的震害資料，提出了山嶺隧道抗震風(fēng)險層次分析模型，深入調(diào)查了受損隧道的地質(zhì)構(gòu)造情況，研究了跨斷層隧道的震害特征，并系統(tǒng)描述了跨斷層隧道的震害形態(tài)。 通過斷層活動與地震耦合作用下隧道—斷層體系的災(zāi)變機理研究，提出了采用損傷指標和能量指標分析隧道—斷層體系的非線性反應(yīng)，建立起基于損傷指標和能量指標的隧道—斷層體系的安全性評價體系。并提出了在隧道斷層處設(shè)置結(jié)構(gòu)構(gòu)造的措施。 根據(jù)穿越活動斷層隧道的地震動力響應(yīng)特性，分析了不同影響因素下隧道縱向抗震設(shè)防長度，數(shù)值模擬結(jié)合振動臺試驗，提出了分級量化指標。根據(jù)震害調(diào)查分析及模擬結(jié)果，對斷層區(qū)隧道的抗震設(shè)防進行了分段，根據(jù)不同位置制定了不同的對策措施，并且通過現(xiàn)場測試驗證，修改完善了設(shè)防體系，最終提出了跨斷層隧道抗震設(shè)防應(yīng)用性設(shè)計參數(shù)。 發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄7篇，部分研究成果發(fā)表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收錄）、《Disaster Advances》（SCI收錄）、《中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》(EI收錄)、計算力學(xué)學(xué)報學(xué)報(EI收錄)、土木工程學(xué)報(EI收錄)及《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(EI收錄)等國內(nèi)外期刊上。另外，發(fā)表學(xué)術(shù)專著一部，并獲得大連市人民政府資助出版。 2100433B

一般認為洞口段是隧道抗震的薄弱部位，但是5.12汶川地震隧道震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)不少隧道洞身段也發(fā)生開裂破壞，甚至倒塌。究其原因，主要是這些隧道穿越地層條件多為斷層破碎帶。項目以西部高烈度地震區(qū)和活動斷裂區(qū)若干隧道工程為研究對象，從隧道動力學(xué)、地震工程學(xué)及地質(zhì)學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)理論出發(fā)，結(jié)合汶川地震跨斷層隧道震害調(diào)查資料，采用地震模擬振動臺試驗和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究地震與活動斷層耦合作用下隧道-圍巖-斷層系統(tǒng)的災(zāi)變機理與控制對策。包括引入損傷理論和能量原理建立隧道抗震安全性評價方法；提出隧道采用柔性接頭形式穿越活動斷層，綜合考慮柔性接頭的可蠕動性與抗震性耦合技術(shù)，實現(xiàn)隧道正常使用階段的安全性與地震發(fā)生時的大變形吸能能力的合理均衡。項目預(yù)期將建立隧道安全性評價理論、方法以及災(zāi)害控制對策。項目的研究對于深入揭示活動斷層區(qū)隧道地震破壞機理具有重要意義，為隧道抗震設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

我國潮濕山區(qū)公路路面冬季易形成凝冰，大氣水分在凝冰上凝結(jié)的水膜使得路表完全喪失摩擦力，路面原有抗滑措施幾乎失效，輪胎和路面間摩擦系數(shù)迅速降低，尤其在彎道、隧道出入口、長大縱坡等特殊高危路段，容易導(dǎo)致車輛行駛過程中產(chǎn)生滑移，危及行車安全。本項目擬通過室內(nèi)小型模型試驗實測輪胎與凝冰路面間摩擦力分布規(guī)律，考慮輪胎路面間非完全接觸狀態(tài)的瞬態(tài)耦合作用，求解車輛懸架和路面的不平度引起的車身對輪胎的真實動荷載作用，建立車輛與路面瞬態(tài)接觸摩擦動力學(xué)數(shù)值分析模型，研究凝冰路面上車輛滑移時輪胎路面間相互作用受力特性和影響路面抗滑性能的力學(xué)響應(yīng)指標，分析凝冰條件下高危路段瀝青路面抗滑力學(xué)機理，根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果和路面摩擦力實測結(jié)果建立路面抗滑性能衰減模型，為提高凝冰路面抗滑性能和我國抗滑瀝青路面設(shè)計方法修訂奠定基礎(chǔ)。