周心奧 王 芳,2 段唯佳 黃思平 張 歡

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 寧夏 750021; 2.寧夏公路勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司 寧夏 750001)

抗滑性能是指瀝青路面為車輛運(yùn)動提供的摩擦力,是評價瀝青路面安全性能的重要指標(biāo)。而影響路面摩擦的因素有很多,包括路面材料、紋理特征、溫度,及路面污染物(雨、沙、礫石)等[1-2]。學(xué)者從不同影響因素對路面抗滑性能展開研究。其中,通過紋理掃描儀獲取路表三維紋理特征,計算路表構(gòu)造的高度、角度等參數(shù),從而表征路表抗滑性能[3]。陳洪兵等[4]采用CarSim/Simulink車輛動力學(xué)軟件對基于車輛行駛穩(wěn)定性的瀝青路面動摩擦系數(shù)抗滑閾值進(jìn)行仿真分析, 研究了車輛行駛參數(shù)對瀝青路面動摩擦系數(shù)抗滑閾值的影響。黃紹龍等[5]根據(jù)車輛動力學(xué)原理計算車輛的安全制動距離,并利用泊松分布函數(shù), 研究車輛間距的分布狀況,建立分析模型。

值得注意的是,我國西北地區(qū)沙漠面積較大,沙塵等惡劣天氣頻發(fā),隨著沙漠公路里程不斷增加,不可避免地出現(xiàn)路面積沙現(xiàn)象,嚴(yán)重降低了道路的抗滑能力,極大影響行車安全。潘境盛等[6]通過擺式摩擦系數(shù)測試儀測試不同溫度和積沙量下的擺值BPN,建立抗滑性能隨積沙量增加的衰減模型。王勇等[7]通過對積沙瀝青路面風(fēng)積沙與水分耦合、環(huán)境溫度和加速循環(huán)磨耗次數(shù)的研究,獲得不同因素對積沙瀝青路面的影響。

然而前人的研究大多建立在室內(nèi)制備試驗試塊之上,對實際沙漠公路路面的抗滑性能研究較少,且鋪設(shè)的積沙厚度少于風(fēng)積沙形成的厚度。在實際不同道路線形行車中,由于行駛速度、剎車制動,以及路面積沙量等都存在差異,其對路面的宏、微觀構(gòu)造存在不同程度的影響,故而不同道路線形對交通安全的影響存在差異。為此,本研究通過現(xiàn)場試驗,研究平直、上坡、下坡,以及彎道等不同道路線形的不同積沙厚度對瀝青路面抗滑性能的影響。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試驗設(shè)備

JTG 3450-2019 《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》[8]中詳細(xì)規(guī)定了鋪砂法、擺式儀,以及橫向力系數(shù)測試系統(tǒng)等設(shè)備的使用方法。結(jié)合實際情況,本試驗選取沙漠公路兩側(cè)干燥積沙作為試驗積沙,試驗設(shè)備表見表1。

1.2 試驗對象

以寧夏中衛(wèi)烏瑪沙漠公路段作為試驗路段,面層為瀝青路面,按照道路線形分為平直、上坡、下坡,以及彎道路段4大類。路段兩側(cè)以沙漠景觀為主,積沙選取方便,路段車輛較少,安全性較高,符合實驗要求。

1.3 試驗方法

1.3.1鋪砂法

在不同道路線形處選取測試點(diǎn)各5處,每處橫向間隔1 m選擇3個測試點(diǎn),對測試結(jié)果取平均值,路面表面構(gòu)造深度測定結(jié)果如式(1)所示,測試圖見圖1。以測出的路面構(gòu)造深度表示縫隙填半和基本覆蓋時的鋪沙厚度。

(1)

圖1 路面構(gòu)造深度測試圖

式中:TD為路面表面構(gòu)造深度,mm;V為砂的體積,25 cm3;D為攤平砂的平均直徑,mm。

1.3.2擺式儀法

在不同道路線形處各選擇3個測點(diǎn)進(jìn)行測量,將稱量好的積沙倒入30 cm×30 cm×5 cm的框架中,并用刮子、毛刷等將其表面刮平,取出框架,按照規(guī)范要求使用擺式儀(見圖2)進(jìn)行試驗。將每個測點(diǎn)的5次測試結(jié)果取平均值作為該測點(diǎn)的擺值BPNT,并將其換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃的擺值BPN20。

圖2 擺式儀儀器布設(shè)

積沙厚度分為無積沙、縫隙填半、基本覆蓋、2,4,6,8,10,12,14 mm,不同積沙厚度鋪設(shè)圖見圖3。

圖3 瀝青路面不同積沙厚度鋪設(shè)圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鋪砂法測得路面構(gòu)造深度

由鋪砂法測得試驗結(jié)果表見表2,其中,上坡、下坡、平直,以及彎道處的構(gòu)造深度平均取值分別為0.82,0.80,0.84,0.83 mm。不同道路線形下縫隙填半及基本覆蓋積沙鋪設(shè)厚度表見表3。其中,縫隙填半選取構(gòu)造深度的一半作為積沙覆蓋厚度,基本覆蓋選取路面構(gòu)造深度作為積沙覆蓋厚度。

表2 不同道路線形下各測試點(diǎn)構(gòu)造深度 mm

表3 不同道路線形下縫隙填半及基本覆蓋積沙鋪設(shè)厚度 mm

2.2 擺式儀法試驗數(shù)據(jù)溫度修正

將路面溫度為t(℃)時測得的擺值BPNT按式(2)換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃的擺值BPN20。

BPN20=BPNT+ΔBPN

(2)

式中:BPN20為換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃時的擺值;BPNT為路面溫度t時測得的擺值;ΔBPN為溫度修正值,按表4采用。

表4 溫度修正值

對擺值BPNT進(jìn)行溫度修正,各線形擺值修正值見表5～表8。

表5 上坡路段積沙路面擺值修正值

表6 下坡路段積沙路面擺值修正值

表7 平直路段積沙路面擺值修正值

表8 彎道路段積沙路面擺值修正值

2.3 積沙厚度與BPN的關(guān)系

積沙厚度對擺值BPN的影響見圖4。

圖4 各類線形積沙厚度-擺值BPN關(guān)系

如圖4所示,在不同道路線形下,隨著積沙厚度的開始增加,二者均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)積沙厚度達(dá)到基本覆蓋時擺值降至最低,此時路面空隙被沙粒填滿,孔隙率降至最低,宏觀構(gòu)造變小,擺式儀擺錘所受阻力也隨之降低;隨著積沙厚度增加,二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,擺值逐漸增大,直至積沙厚度達(dá)到12 mm及以上時,擺式儀指針?biāo)缚潭葘⒊^刻度盤最大值,此時終止試驗。

在相同積沙厚度條件下,擺值BPN在上坡路段最大,下坡路段最小,平直與彎道路段相差居中。分析認(rèn)為在坡度路段,擺錘重力在平行于滑動面產(chǎn)生一個分力,此分力在上坡阻礙擺錘滑動,下坡促使擺錘滑動,故擺值在上坡偏大,下坡偏小;在彎道處,由于測試區(qū)域較小,彎道線形不足以對擺式儀產(chǎn)生較大影響,故其擺值與平直路段相差不大。

當(dāng)積沙厚度達(dá)到7 mm時,不同道路線形測得的擺值BPN逐漸接近。分析認(rèn)為此時積沙對擺錘的影響將大于道路線形的影響。根據(jù)趨勢分析,更大厚度積沙下,擺式儀在不同線形下測得的擺值將趨于一致,直至擺錘陷入積沙,無法擺動。

2.4 積沙厚度與BPN衰減率的關(guān)系

由圖4可見,當(dāng)積沙厚度由無積沙增加至縫隙填半時,上坡、下坡、平直及彎道路段的BPN值分別下降6.02%,5.97%,3.95%,3.95%,分析認(rèn)為,雖然部分沙粒漏入路面空隙中,但由于積沙粒徑小,對宏觀構(gòu)造影響小,因此對BPN值的影響也較小;隨著積沙厚度達(dá)到基本覆蓋時,路面空隙逐漸被沙粒填滿,孔隙率降低,宏觀構(gòu)造變小,粗糙度也隨之降低,因此這一階段BPN值下降較快,不同線形的BPN值分別下降15.66%,13.43%,11.84%,10.53%;當(dāng)積沙厚度達(dá)到2 mm時,積沙厚度超出路表以上,擺錘將不再與路面接觸,摩擦方式由滑動摩擦轉(zhuǎn)為滾動摩擦,不同線形的BPN值較無積沙狀態(tài)下得到不同程度的增長,分別增長1.2%,2.99%,6.58%,0%;隨著積沙厚度的再次增加,擺錘在釋放后前進(jìn)方向?qū)⑹艿椒e沙的阻力,擺錘側(cè)面也將產(chǎn)生側(cè)向摩阻力,且積沙厚度越大,其阻力越大,4種線形下擺值最大增長率分別達(dá)到68.67%,104.48%,82.89%,81.58%。積沙厚度與BPN衰減率的關(guān)系見圖5。

圖5 積沙厚度與BPN衰減率的關(guān)系

3 結(jié)語

本文采用現(xiàn)場擺式儀試驗,測定瀝青路面不同道路線形在不同積沙厚度作用下的BPN值,分析瀝青路面抗滑性能的變化規(guī)律,得出以下結(jié)論。

1) 在4種不同道路線形下,擺值BPN隨著積沙厚度的增加均先出現(xiàn)不同程度的下降,當(dāng)路面縫隙被積沙基本覆蓋時擺值降至最低,上坡、下坡、平直,以及彎道路段的BPN值分別下降15.66%,13.43%,11.84%,10.53%。當(dāng)積沙厚度再次增加,擺值BPN均逐漸增大。

2) 在積沙厚度相同的情況下,上坡路段BPN值相對較大,下坡路段相對較小,平直和彎道受到的影響相差不大。下坡路段隨著積沙厚度的增加其擺值BPN變化率最大。

3) 當(dāng)積沙厚度超過7 mm時,4種線形下測得的擺值BPN將逐漸趨于一致,積沙對擺錘的影響將大于線形的影響。

本試驗雖在前人的基礎(chǔ)上做出了補(bǔ)充,并通過現(xiàn)場試驗獲得了更貼合實際的沙漠地區(qū)積沙瀝青路面抗滑性能,為積沙道路安全行車提供一定的理論依據(jù),然而對于高速行駛下的抗滑性能,以及擺值BPN與橫向力系數(shù)SFC之間轉(zhuǎn)換的研究尚有不足,后續(xù)研究中將進(jìn)一步擴(kuò)充,得到更加完善的積沙瀝青路面抗滑性能衰變模型。