積沙路面抗滑特性研究*

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(jì)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(dòng)提供的摩擦力,是評(píng)價(jià)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(duì)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(jì)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(dòng)力學(xué)軟件對(duì)基于車輛行駛穩(wěn)定性的瀝青路面動(dòng)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(duì)瀝青路面動(dòng)摩擦系數(shù)抗滑閾值的影響。黃紹龍等[5]根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算車輛的安全制動(dòng)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(guó)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(cè)試儀測(cè)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(duì)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(duì)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(yàn)試塊之上,對(duì)實(shí)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(shí)際不同道路線形行車中,由于行駛速度、剎車制動(dòng),以及路面積沙量等都存在差異,其對(duì)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(duì)交通安全的影響存在差異。為此,本研究通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),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(duì)瀝青路面抗滑性能的影響。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

JTG 3450-2019 《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)等設(shè)備的使用方法。結(jié)合實(shí)際情況,本試驗(yàn)選取沙漠公路兩側(cè)干燥積沙作為試驗(yàn)積沙,試驗(yàn)設(shè)備表見表1。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象

以寧夏中衛(wèi)烏瑪沙漠公路段作為試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)要求。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1鋪砂法

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

(1)

圖1 路面構(gòu)造深度測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)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(yàn)。將每個(gè)測(cè)點(diǎn)的5次測(cè)試結(jié)果取平均值作為該測(cè)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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋪砂法測(cè)得路面構(gòu)造深度

由鋪砂法測(cè)得試驗(yàn)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(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)溫度修正

將路面溫度為t(℃)時(shí)測(cè)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(shí)的擺值;BPNT為路面溫度t時(shí)測(cè)得的擺值;ΔBPN為溫度修正值,按表4采用。

表4 溫度修正值

對(duì)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(duì)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(shí)擺值降至最低,此時(shí)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(shí),擺式儀指針?biāo)缚潭葘⒊^刻度盤最大值,此時(shí)終止試驗(yàn)。

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(dòng)面產(chǎn)生一個(gè)分力,此分力在上坡阻礙擺錘滑動(dòng),下坡促使擺錘滑動(dòng),故擺值在上坡偏大,下坡偏小;在彎道處,由于測(cè)試區(qū)域較小,彎道線形不足以對(duì)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(shí),不同道路線形測(cè)得的擺值BPN逐漸接近。分析認(rèn)為此時(shí)積沙對(duì)擺錘的影響將大于道路線形的影響。根據(jù)趨勢(shì)分析,更大厚度積沙下,擺式儀在不同線形下測(cè)得的擺值將趨于一致,直至擺錘陷入積沙,無法擺動(dòng)。

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(shí),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(duì)宏觀構(gòu)造影響小,因此對(duì)BPN值的影響也較小;隨著積沙厚度達(dá)到基本覆蓋時(shí),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(shí),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(dòng)摩擦轉(zhuǎn)為滾動(dòng)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(zhǎng),分別增長(zhǎng)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(zhǎng)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(yǔ)

本文采用現(xiàn)場(chǎng)擺式儀試驗(yàn),測(cè)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(shí)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(duì)較大,下坡路段相對(duì)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(shí),4種線形下測(cè)得的擺值BPN將逐漸趨于一致,積沙對(duì)擺錘的影響將大于線形的影響。

本試驗(yàn)雖在前人的基礎(chǔ)上做出了補(bǔ)充,并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得了更貼合實(shí)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(duì)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。