特殊地基高速公路变形控制与节约建设用地关键

【项目名称】特殊地基高速公路变形控制与节约建设用地关键技术【推荐奖种】2016年度国家技术发明奖一等奖【推荐单位意见】项目组历经20年的不断努力，通过系统的理论研究与探索、试验研究和工程实践，发明了高速公路地基变形控制的一系列专利技术，创建了特殊地基高速公路变形控制的“关键技术—核心装备—准确计算—功能设计”的技术体系，成功解决了高速公路变形控制和节约建设用地的世界难题。取得的主要发明成果：(1)发明了EPS颗粒混合轻质材料快速拌合装置、控制模量桩成桩设备、十字形振动翼与施工设备等关键装备，创建了高速公路“地基控沉-路堤减载-工后量化”的联合控制变形的一系列关键技术；(2)充分考虑软土的结构性、流变和粘塑性等复杂因素，发明了自主知识产权的广义宾海姆弹粘塑性流固耦合模型，为变形控制准确计算和设计奠定了坚实的理论基础；(3)建立了膨胀土吸力强度双曲模型，提出了膨胀土改良联合路堤荷载的方法减小膨胀土的膨胀势，创立了膨胀土地区的高速公路路基变形与稳定控制的设计新模式；(4)创建了特殊地基土变形控制与弃土利用的新技术，节约了大量的工程用土和建设用地，实现了高速公路地基变形控制和节约建设用地的同步提升。项目成果已在江苏、广东等地20余条高速公路建设中得到广泛应用，节约工程建设成本和建设用地，取得了显著的经济效益与社会效益。【项目简介】本项目属于基础工程与路基工程领域。针对软土、液化土和膨胀土等特殊地基高速公路变形控制设计与实践这一难题，及沿海地区土地资源匮乏与工程建设用地的矛盾，项目组历经20年的不断努力，通过系统的理论探索、试验研究和工程实践，发明了高速公路地基变形控制的一系列专利技术，创立了特殊地基高速公路变形控制的“关键技术—核心装备—准确计算—功能设计”技术体系，成功的解决了特殊地基高速公路变形控制与节约建设用地的难题，实现了地基变形控制与节约土地的同步提升。主要发明点如下：1.首创了废弃土EPS颗粒混合轻质路堤的绿色环保新技术。完成了EPS颗粒混合轻质土快速拌合与计量控制设备的发明改造，首次攻克了EPS颗粒混合轻质土大规模工程应用的技术瓶颈，将粉砂淤泥等废弃土用于路堤填筑，节约了建设用地，路堤减载1/2，成功控制住桥头跳车与差异沉降，价格仅为国外同类产品的1/5。2.发明了深厚软弱土地基高效加固关键新技术与装备。鉴于现有地基处理设备的技术缺陷，发明了素混凝土控制模量桩成桩设备，处理深度达35m，突破了深厚软土处理盲区，打造出刚性桩复合地基变形控制“量体裁衣式”设计新方法，成本降低40%；发明了系列减水增强剂，确保高含水量软土搅拌桩成桩质量；发明了液化地基加固的十字形振动翼与关键施工设备，建立了共振法设计方法。3.创建了自主知识产权的特殊地基变形的准确计算设计方法。基于软土的结构性、流变、粘塑性等复杂特点，发明了具有自主知识产权的软土广义宾海姆粘塑性流固耦合模型，变形计算精度较剑桥模型提高了30%；发明了深厚软土地基变形自动化监测设备和即时预报技术，建立了超载比定量超载预压设计方法，大大节省了预压土方；提出了膨胀土吸力强度双曲模型和考虑饱和度影响的本构模型准确计算膨胀土的胀缩变形；实现了特殊地基高速公路变形准确计算与设计的目标。4.发明了膨胀土地基减小膨胀势的变形控制设计新技术。依据提出的吸力强度和膨胀土本构模型，对膨胀土挖方路堤发明了劈力压浆封堵裂缝和无缝保护层新技术，填方路堤研发了膨胀土部分改良与路堤荷载联合减小膨胀势控制变形的全新设计方法，成功的控制膨胀土的胀缩变形，最大限度减小膨胀土的废弃。获得授权的发明专利26项、实用专利5项；出版专著2部，发表SCI论文28篇（他引170余次）、EI论文116篇（他引3000余次），编制了3部江苏省地方规程和一项国家级工法，有力推动了行业科技进步；培养了博士20名、硕士53名。成果已在江苏、广东等地20余条高速公路得到广泛应用，节约了工程建设成本和大量建设用地，取得了显著的经济效益与社会效益。以龚晓南院士、赖远明院士等专家组成的鉴定委员会对项目成果进行了鉴定，“鉴定委员会认为该项目研究成果丰富，经济效益和社会效益显著，对我国特殊地基土高速公路工程建设具有重要的理论意义和应用价值。项目的研究成果达到国际领先水平。”相关成果分别获得江苏省和中国建筑学会科技进步一等奖。【客观评价】一、专家委员会鉴定意见2012年11月29日，江苏省教育厅组织有关专家（名单附后）在南京对“特殊地基土的力学特性与高速公路控制变形成套技术研究”项目进行了科技成果鉴定。鉴定委员会专家听取了项目组的工作报告、技术报告、查新报告、用户报告等，审查了提交的技术资料，经充分讨论，形成鉴定意见如下：1．项目组提交鉴定的资料齐全，符合鉴定要求。2．项目以江苏省和广东省的多条高速公路建设为背景，围绕特殊土地基高速公路控制变形设计中两大难题：一是控制变形设计的计算理论与方法，二是控制变形的关键技术问题；系统地开展了大量的室内外试验、相关理论与关键技术问题的协同攻关。在此基础上，研发了高速公路建设中地基变形控制的成套技术，并成功应用于工程实践，取得了丰硕成果。3．研究成果主要创新点如下：(1)充分考虑土的流变变形和结构屈服应力对变形的影响，建立了流固耦合的广义Bingham弹粘塑性模型和考虑土结构性的本构模型，为控制变形计算和设计奠定了理论基础；(2)开展了EPS颗粒混合轻质材料、控制模量刚性桩复合地基、有效超载比控制的超载预压理论等控制变形关键技术研究，成功应用于工程实践，实现了高速公路变形的有效控制；(3)建立了非饱和土吸力强度双曲线模型，通过膨胀土改良与路堤荷载控制相结合的方法减小膨胀土的膨胀势，提出了膨胀土地区的高速公路路基变形与稳定控制的设计新模式；(4)实现了高速公路特殊土地基变形控制设计整体思路的集成创新，节约了工程用地。4．项目研究期间，出版专著1部，发表SCI论文23篇，EI论文75篇，其他核心期刊论文50余篇，获授权发明专利25件，实用专利5件，培养研究生60多名(其中博士15名，硕士40余名)。项目成果在江苏省、广东省等地高速公路建设中得到广泛应用。综上所述，鉴定委员会认为该项目研究成果丰富，经济效益和社会效益显著，对我国特殊土地基高速公路工程建设具有重要的理论意义和应用价值。鉴定委员会一致同意通过科技成果鉴定。研究成果达到国际领先水平。二、科技查新结论委托江苏省科学技术情报研究所对项目“特殊地基土的力学特性与高速公路控制变形成套技术研究”进行了科技查新，科技查新结论如下：(1)已见对特殊地基高速公路进行控制变形设计及治理的报道，但本委托项目围绕特殊地基土的力学特性，对高速公路控制变形功能进行设计，在所检文献中未见报道；(2)分别已见在公路控制变形设计中关于的广义Bingham模型和土体本构模型的报道，但本委托项目建立流固耦合的广义Bingham弹粘塑性模型和考虑土结构性的本构模型，在所检文献中未见报道；(3)分别已见对公路控制变形中的填筑材料、刚性桩进行研究的报道，但除本委托单位发表的文章外，未见对EPS颗粒混合轻质材料、控制模量刚性桩复合地基等技术进行设计方法、施工工艺等综合研究的报道；(4)已见通过建立多因子复合本构模型等手段，研究膨胀土地基的控制变形的报道，但除本委托单位发表的文章外，未见其他对非饱和土吸力强度双曲模型与水力耦合的本构模型和联合膨胀土改良与路堤荷载减小膨胀土膨胀势的方法的报道；(5)已见通过不同超载比、不同作用时间的一维固结试验，采用软土地基控制法结合排水固结法和预压法，对公路沉降进行预测和控制的报道，但本委托项目建立超载预压作用与先期固结压力的指数关系式，并利用超载沉降速率控制值来确定超载卸荷时间，在所检文献中未见报道。三、科学引文检索结论委托江苏省科学技术情报研究所，对项目“特殊地基土的力学特性与高速公路控制变形成套技术研究”相关论文进行了EIVillage,WebofScience，CPCI收录及SCI，CNKI引文检索查证。结果如下：(1)收录情况:项目相关论文被SCI收录28篇被EIVillage收录116篇。(2)引文情况：项目相关的SCI论文28篇，被引用182篇次，他人引用176篇次。项目相关的EI论文116篇，在CNKI中检索到被引用3121次，其中他人引用3008篇次。四、国内外专家的评价（1）国际著名岩土工程专家加拿大皇家科学院院士Fredlund教授、新加坡南洋理工大学Ranhardjo教授、意大利特伦托大学Tarantino教授、以色列理工学院Baker教授、印度理工学院著名岩土工程专家Singh教授、圣保罗大学著名教授Vilar等多次引用Miaoetal.,(2002)提出的吸力强度方程和试验数据，是预测非饱和土抗剪强度新方法的基础，可准确预测膨胀土强度和变形。（2）韩国首尔大学李昌洪教授评价WangandMiao(2009)(缪林昌等)提出的EPS轻质混合填料在减载和保护环境方面均具有十分良好的效果。（3）日本佐贺大学柴锦春教授评价Miaoetal.(2008)(缪林昌)考虑了控制模量桩桩高刚度的影响能更好地体现其承载特性。（4）美国犹他大学Guerrero教授认为WangandMiaoetal.(2009)(缪林昌等)等提出的桩与土工格栅联合加固的方法在公路路堤控沉效果良好。（5）上海交通大学王建华教授认为Miaoetal.(2008)(缪林昌等)提出的广义Bingham弹粘塑性流固耦合模型能够推广应用到软土地区隧道施工中，准确预测软土地区隧道施工引起的软土流变变形。【推广应用情况】项目成果已在江苏、广东等地20余条高速公路得到广泛应用，节约了工程建设成本和大量建设用地，累计节约和创造的经济效益超过了6亿元。【主要知识产权证明目录】知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号发明专利吹填砂膨胀聚苯乙烯颗粒混合轻质路堤填料的填筑方法中国ZL200710191068.2发明专利控制模量桩成桩设备与成桩方法中国ZL200810243851.3发明专利广义宾海姆软土流变变形模拟体的建立方法中国ZL200410065582.8发明专利滑动式智能测斜仪中国ZL200610039483.1发明专利滑动式智能测斜仪电缆导向探头定位装置中国ZL201010217221.6发明专利十字形振动翼中国ZL200710020591.9发明专利无裂缝防渗稳定膨胀土挖方堤坡施工方法中国ZL200710020590.4发明专利淤泥固化方法中国ZL200810019339.0发明专利滑动式智能测斜仪承重导电传信无伸长电缆组件中国ZL201010217211.2发明专利非饱和土固结和水分特征曲线联合测定装置及测定方法中国ZL200510038210.0【主要完成人情况】完成人1.姓名：缪林昌职务：无技术职称：教授工作单位：东南大学完成单位：东南大学个人排名：1对本项目技术创造性贡献：（1）担任项目负责人与主要完成人，是发明点一、二、三、四的主要贡献者和原创提出者；（2）创立和提出了特殊地基高速公路地基变形控制“关键技术—核心装备—准确计算—功能设计”的技术体系，并节约工程建设用地；（3）发明专利7件；发表SCI论文19篇，主持编制了江苏省地方规范“公路工程控制模量桩复合地基技术规程”和“公路工程EPS颗粒混合轻质材料路堤技术规程”。在该项目中的工作量占本人工作量的80%。完成人2.姓名：李国维技术职称：教授职务：无工作单位：河海大学完成单位：河海大学个人排名：2对本项目技术创造性贡献：（1）是发明点二、三技术实施的相关技术负责人和主要完成人；（2）提出了有效超载比控制的超载预压理论，并建立了相关的设计计算方法，节约了工程建设用地；提出了高速公路变形的即时预测方法，发明了分层位移（测斜仪）自动监测的系列设备与装置；积极推动了相关理论和关键技术在多条高速公路工程中的推广应用；（3）获得授权的发明专利10件，发表SCI论文1篇、EI论文30篇。在项目中投入的工作量占本人工作量的75%。完成人3.姓名：王非技术职称：副教授工作单位：东南大学完成单位：东南大学个人排名：3对本项目技