长沙理工大学 - 《长沙理工大学报》
郑健龙院士及其科研团队的学术成果与贡献
■ 他们着眼行业重大难题
他们深刻把握了公路膨胀土研究领域的前沿问题
膨胀土遍布六大洲,我国26个省区有上万公里高速公路、数十万公里普通公路穿越膨胀土地区。膨胀土遇水迅速膨胀、失水急剧开裂,给公路、铁路、水利与建筑工程造成极大危害,年经济损失达数百亿元。上世纪90年代我国开始大规模修建高速公路,而公路膨胀土问题一直还没有开展过系统深入研究。
郑院士和他的科研团队着眼于这一行业重大难题,通过10多年的科技攻关,揭示了膨胀土路基含水率的演变与平衡规律,建立了膨胀土路基的变形与土压力预测模型,提出了基于平衡含水率理论的膨胀土治理新思路,确立了“保湿防渗、刚度补偿”的膨胀土路基设计理念,发明了以最大承载力为目标的膨胀土路基压实控制技术,解决了膨胀土不能直接用作路基填料的技术难题。该技术最早应用于云南楚雄至大理高速公路,至今已运营18年,性能良好。2004年,技术应用于南宁至友谊关高速公路,成功解决了数十个膨胀土边坡屡治屡滑导致工程进度严重滞后的技术难题,通车十年来无一坍塌。
该研究共获发明专利技术5项,技术纳入3部行业技术规范,在12省区30多条高速公路得到成功应用,主持完成的“膨胀土地区公路建设成套技术”获省部级特等奖1项、一等奖1项,2009年获国家科技进步一等奖,被交通运输部列为重点推广技术,并在南水北调中线与云桂铁路客运专线建设工程得到推广。该技术还被美国膨胀土专家、科罗拉多大学Nelson教授编入其新版的经典著作《Foundation6Engineering6for6Ex-pansive6Soils》。美国土木工程师协会(ASCE)主办的国际权威期刊《Journal6of6Civil6Engineering》的主编在约稿信中写道:“……该技术提供了一种全新的膨胀土工程处治范例…有助于美国土木工程师协会实现倡导和传播新理念与新科技的目标,使全球工程师从中受益……”
他们发展了沥青路面结构设计理论与方法
为突破我国高速公路发展初期缺乏适用的沥青路面设计方法这一技术瓶颈,郑院士和他的科研团队通过系统研究,提出了适用高速公路与半刚性基层沥青路面的破坏准则及结构设计新指标与新标准。该技术创新了沥青路面疲劳设计理论,为发展耐久性沥青路面提供了依据;首次建立了以设计弯沉为指标的沥青路面设计标准,自1997年纳入《公路沥青路面设计规范》以来,在全国7万多公里高速公路、40余万公里普通公路沥青路面的建设工程与改造工程中得到全面应用,解决了原设计指标与参数的工作状态相互矛盾的问题;发展了沥青路面改建设计方法,突破了原经验方法的局限性。技术成果曾获省部级科技进步一等奖,2012年获国家科技进步二等奖。
他们提出了高速公路养护管理智能化与路面维修技术
针对2008年初南方地区罕见的冰雪灾害造成的大范围交通瘫痪、高速公路及沿线基础设施的严重损毁,灾后高速公路病害发展迅速造成高速公路通行能力下降等亟待解决的技术性难题,郑院士和他的科研团队通过系统调研、现场检测、室内模拟试验和理论分析,揭示了冰灾引发的道路损毁机理,进行了灾后路况评估,开发了路面使用性能预测技术及养护管理辅助决策系统,自主创新技术在总体技术中占80%以上。通过连续六年路况数据的监测与积累,创建了高速公路养护管理信息数据库及路面性能预测模型参数库,填补了国内的一项空白,并开发了湖南省冰雪气候高速公路紧急救援管理系统和交通组织方法。成果在2008年冰雪灾害后道路病害的快速诊断与路网快速修复中得到全面应用;在2011年初道路冰雪灾害的预测、预警、冰灾防治与交通组织管理中发挥了重要作用。该技术已获5项计算机软件著作权,申报国家发明专利和实用新型专利各1项,分获湖南省科技进步一等奖和中国公路学会科技一等奖。
■ 他们引领学科高水平发展
郑院士是我校湖南省优势特色重点学科交通运输工程的带头人,一直以来,他把学科的发展和国家交通行业的重大需求紧密联系在一起,带领学科团队的老中青科研骨干开辟了一个又一个研究方向,争取了多个国家和省部级重点平台,加强人才引进和培养,使我校交通运输工程的实力不断增强。
在他的带领下,该学科2005年获一级学科博士学位授予权,2007年批准设立博士后科研流动站。其中“道路与铁道工程”学科为交通运输部和湖南省重点学科(2005年湖南省验收为“优秀”重点学科),2003年取得博士学位授予权。成功申报了1个国家级和4个省部级重点实验室和研发中心、2个协同创新中心、2个省部级创新团队。
目前,学科拥有了近2万平米的实验室,拥有包括大型足尺直道试验室、沥青材料试验室、路面实验室、特殊路基实验室、道路自动化检测试验室、安全工程仿真实验室、高速公路养护管理智能化数据中心等系列试验室。实验室大型仪器设备总值近8000余万元,其中,拥有国内唯一的大型直道足尺试验系统,拥有交通行业最大、湖南省唯一的大型土工离心试验系统,拥有国际上土木建筑领域最先进的X射线探伤与断层扫描试验系统(工业CT),为开展交通运输领域前沿试验研究提供了重要保障。
学科围绕国家交通基础设施发展的的重大需求,充分发挥平台和人才优势,承担了一系列国家重大科研攻关任务。先后承担了国家973、863、国家科技支撑计划、自然科学基金重点项目等国家级项目80余项,交通部重大科技专项等省部级科研课题100余项。
■ 他们秉承绿色科技理念
道路修建或多或少都会对环境有所影响。但郑院士和他的科研团队始终秉承绿色科技的理念,在科学研究和成果应用中贯彻“最小的破坏就是最大的保护”思想,并在课题组提出拓展进行路域水环境、交通车辆尾气和土壤环境方面的交叉研究,鼓励开展工业废渣的综合利用和深度开发方面的研究,为环境保护不遗余力。
膨胀土路基填筑技术与美国普遍采用的化学改良技术比较,物理处治技术减少了环境污染,工期缩短60%,造价降低70%,与弃土换填比较,膨胀土的利用率提高50%,减少了远距离运土的燃油消耗和废气排放。
在膨胀土边坡柔性支护技术方面,相对于国内外常采用的放缓边坡技术和刚性支护技术,该技术在工程可靠性、经济性、环保性等方面具有显著的优势。截止目前,该技术已在我国10省区22条高速公路中得到推广,并在水利与铁道工程中得到应用,经济效益和社会效益显著。
而高速公路养护管理智能化与路面维修技术研究成果已先后在湖南省临长高速、潭邵高速、衡枣高速、耒宜高速、长益高速、潭耒高速等多条高速公路的500多公里冰雪重灾区路段得到成功应用,已产生直接经济效益1.80亿元,技术应用大大提高了路面使用性能,节省了大量养护维修资金,有效控制了病害继续扩展,延长了路面使用寿命,有力保障了湖南省高速公路交通大动脉的畅通。
■ 他们致力于服务行业与地方经济社会发展
为了满足湖南省公路建设和养护中面临“解决重大工程需求”和“创新发展新型材料与技术”的双重需求,郑院士带领我校交通运输工程学院与土建学院、湖南省高速公路建设开发总公司、湖南省交通学科研究院、长沙金码高科技实业有限公司联合组建现代公路交通基础设施先进建养技术湖南省协同创新中心,围绕现代公路交通基础设施建养中的建造技术、养护技术、改扩建技术、灾变防治技术四大创新研究方向和9项关键技术问题开展协同创新,在科研创新、学科建设、创新队伍建设、人才培养、国内外合作交流、社会服务等方面开展了卓有成效的工作。2013年以来,中心研发的18项技术在湖南溆怀高速公路、长潭高速公路、汝郴高速赤石特大桥、张花高速澧水大桥以及海南、江西、广西等省区的36条高速公路、15座长大桥梁工程中得到应用,产生直接经济效益5亿多元,1项技术纳入行业技术规范,提升了我省交通基础设施建养技术水平,路面的使用寿命延长了20%,路网的优良率提高了15%,每公里养护费用下降了10%,基本实现了湖南省高速公路养护与管理的规范化、科学化、精细化与智能化。
尤其是南方高速公路冰雪灾害防治与备灾技术研究,创建了以“路元”为单位的路面病害定位系统,实现了GIS空间数据与属性数据的一一对应,病害定位精度提高了20倍。开发了高速公路养护维修智能化决策与管理技术,构建了能全面考虑路况历史与现状、路面性能衰变规律、交通流特性、线路重要性等多因素的公路养护管理辅助决策系统与养护维修资金配置的优化模型,提高了养护效益,路网养护维修费用降低15%。湖南省内多条高速公路正在应用该研究成果;以五年以上的检测数据为基础,首次创建了“湖南省高速公路养护管理系统”多级高速公路信息管理与快速决策平台,使路网的信息化率提高60%;建立的网级道路质量年检评估机制,为路面长期性能衰变预测及养护需求提供工程数据资料,为湖南省高速公路长期性能研究奠定了基础。开发了面向网级、项目级、路段级三个层次的多功能省级高速公路养护管理智能化系统,填补了国内该领域的空白,使路网优良率提高15%。建立了湖南省高速公路养护管理信息中心,能面向社会、面向政府管理部门、面向养护维修技术人员提供现状和历史的路网实际状态信息资料。提出了湖南省高速公路应急处置预案,为避免类似事件再次发生提供了技术保障。项目组还对湖南省高速公路公司下属12个管理处、50个养护所、300人次进行了技术培训,目前湖南省高速公路三级养护管理部门相关人员均已能熟练应用本技术在相应岗位上进行高速公路的养护管理,产生了显著的经济、社会效益。(本报记者整理 )