胎/路多場(chǎng)耦合作用下瀝青路面摩擦磨損機(jī)理研究項(xiàng)目摘要

良好的路面摩擦學(xué)性能是保障行車安全的前提條件，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)有著重要的影響。我國(guó)公路發(fā)展歷程不長(zhǎng)，對(duì)于路面摩擦學(xué)性能演化規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，缺乏對(duì)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(duì)胎/路界面摩擦磨損性能進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬分析，從原子、分子尺度揭示界面摩擦、磨損和潤(rùn)滑等摩擦學(xué)行為的力學(xué)響應(yīng)特征；最后進(jìn)行多場(chǎng)耦合作用下瀝青路面摩擦磨損性能演化的分子動(dòng)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(jī)理，建立摩擦磨損壽命預(yù)測(cè)模型。從而為高速公路瀝青路面的摩擦磨損性能評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)提供有效的研究手段。

路面摩擦學(xué)性能對(duì)道路安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)有著重要的影響，輪胎與路面摩擦的作用機(jī)制復(fù)雜，是一個(gè)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(duì)其機(jī)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(yàn)研究，對(duì)路面摩擦學(xué)性能的行為特征、作用、機(jī)理和影響因素等進(jìn)行分析，為瀝青路面摩擦磨損性能的性能評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)提供了有效的研究手段。 首先采用分子動(dòng)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(dòng)單鏈結(jié)構(gòu)。對(duì)輪胎與路面間的微觀摩擦學(xué)性能進(jìn)行模擬分析。本文主要對(duì)摩擦學(xué)性能主要參數(shù)摩擦系數(shù)進(jìn)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(shì)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(jì)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(yàn)不同集料間的表面微觀構(gòu)造差異性，并測(cè)量不同集料表面的抗滑性能，對(duì)集料表面的微觀構(gòu)造特征與抗滑性能的演化進(jìn)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(píng)價(jià)模型。 最后使用三角激光掃描技術(shù)對(duì)瀝青路面表面宏觀構(gòu)造進(jìn)行三維重構(gòu)，針對(duì)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(jì)算，準(zhǔn)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

本項(xiàng)目通過三年的研究工作，已完成項(xiàng)目計(jì)劃內(nèi)容，并取得了一系列研究成果。 本項(xiàng)目從汶川地震收集的山嶺隧道震害資料出發(fā)，統(tǒng)計(jì)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(xiǎn)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(dòng)與地震耦合作用下隧道—斷層體系的災(zāi)變機(jī)理研究，提出了采用損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)分析隧道—斷層體系的非線性反應(yīng)，建立起基于損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)的隧道—斷層體系的安全性評(píng)價(jià)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(dòng)斷層隧道的地震動(dòng)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(zhǎng)度，數(shù)值模擬結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，提出了分級(jí)量化指標(biāo)。根據(jù)震害調(diào)查分析及模擬結(jié)果，對(duì)斷層區(qū)隧道的抗震設(shè)防進(jìn)行了分段，根據(jù)不同位置制定了不同的對(duì)策措施，并且通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)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(jì)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(bào)（自然科學(xué)版）》(EI收錄)、計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)學(xué)報(bào)(EI收錄)、土木工程學(xué)報(bào)(EI收錄)及《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(EI收錄)等國(guó)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(rèn)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(xiàng)目以西部高烈度地震區(qū)和活動(dòng)斷裂區(qū)若干隧道工程為研究對(duì)象，從隧道動(dòng)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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(dòng)斷層耦合作用下隧道-圍巖-斷層系統(tǒng)的災(zāi)變機(jī)理與控制對(duì)策。包括引入損傷理論和能量原理建立隧道抗震安全性評(píng)價(jià)方法；提出隧道采用柔性接頭形式穿越活動(dòng)斷層，綜合考慮柔性接頭的可蠕動(dòng)性與抗震性耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道正常使用階段的安全性與地震發(fā)生時(shí)的大變形吸能能力的合理均衡。項(xiàng)目預(yù)期將建立隧道安全性評(píng)價(jià)理論、方法以及災(zāi)害控制對(duì)策。項(xiàng)目的研究對(duì)于深入揭示活動(dòng)斷層區(qū)隧道地震破壞機(jī)理具有重要意義，為隧道抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

我國(guó)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(zhǎng)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(xiàng)目擬通過室內(nèi)小型模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)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(duì)輪胎的真實(shí)動(dòng)荷載作用，建立車輛與路面瞬態(tài)接觸摩擦動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析模型，研究凝冰路面上車輛滑移時(shí)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(biāo)，分析凝冰條件下高危路段瀝青路面抗滑力學(xué)機(jī)理，根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果和路面摩擦力實(shí)測(cè)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(guó)抗滑瀝青路面設(shè)計(jì)方法修訂奠定基礎(chǔ)。