基于行车安全的排水路面容许车辙深度研究

2020-10-13吴海林

北方交通 2020年10期

吴海林

(江苏泰州大桥有限公司泰州市 225321)

排水沥青路面由于其大孔隙特征，雨水在其体内可以快速消散，即使发生一定车辙时，雨水也能够渗入表面空隙并排出，避免了密级配轻微车辙也可能发生水漂的危险性。因此在排水沥青路面养护中，考虑可适当提高其对车辙深度的容许值。

通过分析降雨强度、车辙深度、空隙率等因素对车辙水膜状况的影响，对比研究排水路面与普通发生临界水漂的边界条件(车速、车辙深度)。对产生车辙的排水沥青路面的排水能力和容许水膜进行分析，进而提出满足排水沥青路面行驶安全要求的车辙容许值，为排水路面车辙养护指标提供技术依据。

1 数值计算模型分析

(1)横向排水计算模型

雨水降落到路表后，沿着竖向空隙渗透到排水沥青路面内部，并沿着路面横坡通过路面内部的连通空隙排出路面。当路面出现车辙变形，路表空隙被压密，空隙率减小，造成路面渗水性能下降。车辙造成有效渗水厚度减小，可能会产生渗水的“瓶颈”，阻碍或延缓雨水的横向渗流。尤其是右侧车道处于渗水路径的下游，长期受到重载、慢速车辆的荷载作用，最易产生车辙并形成横向渗水瓶颈。车辙对排水沥青路面排水性能的影响如图1所示。

在没有明显表面径流极限降雨强度计算如下式(1)。根据式(1)可计算在给定降雨强度下，是否产生明显地表径流。

(1)

式中：W—极限降雨强度，mm/s；

K—排水沥青面层的横向渗透系数，cm/s；

i—综合坡度，%；

l—排水路径长度，m；

h—排水层的厚度，m。

(2)容许水膜计算分析

对于不同空隙率和车辙深度的排水沥青路面，当降雨强度超过某一极限值时，则会产生路表径流，即在车辙槽内发生积水。路面积水时会降低轮胎与路面之间摩擦系数。由图2可知，水膜的出现造成轮胎与路面脱离接触，出现完全滑水现象。要保证车辆在一定的速度下不发生滑水，轮胎与路面之间的界面上的水必需在很短的时间内排出，而这个时间要小于汽车移动一个轮胎距离所需要的时间。与密级配相比，排水沥青路面的特殊之处即在于，在动水压力作用下，路面积水将沿着轮胎向下的方向运动。然后在沥青混合料中向四周渗流。还有一部分垂直向上的渗流渗出路面。

对于普通密集配路面，当水膜厚小于3mm，滑水现象难以发生。当水膜较厚时，水膜作用垂直方向受力可将轮胎托起，产生滑水现象。密级配沥青路面的临界水膜厚度由下式(2)计算。

(2)

式中：r—车轮半径(m)；

G—车重(N)；

ρ—水的密度，(1000kg/m3)；

w—轮胎宽度(m)；

v—车速(m/s)。

水膜一部分由轮胎压入排水层的空隙，另一部分被轮胎横向挤出，排水沥青路面的容许水膜由式(3)组成：

h临=h1+h2+MTD

(3)

式中：h1—由轮胎压入排水层的空隙的临界水膜厚度，mm；

h2—被轮胎横向挤出的临界水膜厚度，mm；

MTD—排水沥青路面平均构造深度，mm。

h1和h2的关系可通过下式表示：

h2=kh1

(4)

表面径流(或总流量厚度)的厚度为平均纹理深度再加上路表粗糙顶面以上的水膜厚度，平均纹理深度以下的水被限制于宏观纹理中，无法构成流动。排水沥青路面构造深度计入表面水膜计算。根据江苏排水沥青路面类似工程，平均构造深度MTD为2.5mm。

水膜作用合力的垂直分量等于车辆负载时，即出现滑水临界状态，在这种状态时，分别对两种水膜产生的竖向力进行计算，可得：

(5)

(6)

G=Fy1+Fy2

(7)

2 降雨强度计算分析

针对双向四车道、六车道两种情况计算车辙位置承受的极限降雨强度，设车辙最深处位于排水路径长度7.5m、11.25m和15m的位置。降雨强度标准如表1所示。极限降雨强度的计算结果如表2所示。

表1 降雨强度标准单位：mm/(24h)

表2 车辙位置承受的极限降雨强度计算

由表2计算结果可知，随着路面车辙深度增长，排水沥青路面车辙位置能够承受的极限降雨强度逐渐降低。车道数的增多，也会降低最外侧车道右轮迹带位置的极限暴雨承受能力。空隙率的提高，会增加车辙位置承受的极限降雨强度。对于设计空隙率为25%的双向四车道排水沥青路面，即使产生了20mm的车辙，在暴雨的情况下(降雨强度<13.41mm/24h)，仍能够保证路面无径流产生。

3 车辙容许水膜厚度分析

(1)计算结果分析

与重车相比，小客车更容易发生因滑水产生的失稳状态，因此以桑塔纳2000型小客车为例进行计算。轮胎半径0.295m，G=365×9.8N，轮胎宽度w=0.195m。

在这种情况下，绘制不同连通空隙率的排水沥青路面临界水膜厚度与密级配路面如图4所示。排水沥青路面的临界水膜远大于密级配路面。对于连通空隙率为10%(空隙率为18%)的路面，行车速度在120km/h时，临界水膜厚度约为18mm。但这是相对理想的状态，车辆在路面行驶时，无法保证全部水膜都能够压入孔隙，因此，一部分水膜被轮胎横向挤出情况更能够代表排水沥青路面实际的排水状态。

利用式(4)～式(7)，可对不同速度下临界水膜厚度进行模拟，分别取k=0.5、1、2三种情况进行模拟。临界水膜计算结果如图5～图7所示。

根据图5～图7可知，路表容许水膜厚度随速度的增加而降低，当速度达到一定值后，水膜厚度的变化率逐渐减低，趋于稳定。对密级配路面，行驶速度大于100km/h，容许水膜厚度基本稳定。对于k=1的情况，即轮胎压入排水层的空隙的水膜和被轮胎横向挤出的水膜厚度相等时，行驶速度大于120km/h，容许水膜厚度趋于稳定。

由于排水路面较大连通空隙和较深的构造深度，在不同速度下，均具有高于密级配路面的容许水膜厚度。对于我国高速公路行车速度120km/h，对于分析的三种情况，排水沥青路面容许水膜厚度比密级配路面厚约5.25～8.06mm，因此排水沥青路面具有更好的雨天安全性能。

当车辆行驶速度较低时，连通空隙率对容许水膜的厚度起主要影响，即连通空隙率越大，相应的容许水膜越厚。当速度大于100km/h时，连通空隙率的影响减小，路面水膜主要靠横向挤压排开，且构造深度所影响的比重逐渐提高。因此，车辙所造成的空隙压密对排水沥青路面的容许水膜厚度也几乎可以忽略。

(2)车辙标准值分析

排水沥青路面产生车辙，雨天路表形成径流后，排水沥青路面发生滑水的容许水膜厚度明显高于密级配路面，当速度较低时，连通空隙对水膜厚度的影响较大，行车更为安全。当车道达到100km/h时，主要靠横向推挤和构造深度提高了容许水膜厚度。取极不利情况行驶速度为120km/h，排水沥青路面容许水膜厚度高于密级配路面5.25～8.06mm，取下限进行计算，同时高速公路取1.25安全系数，建议排水沥青路面车辙容许值可高于密级配路面4mm。

排水沥青车辙变形达到一定程度后，排水层的变形相对稳定变形主要发生在中、下面层。为防止中下面层变形加剧引起整体结构层的破坏，对于排水沥青路面车辙病害处治的判断，除应参考车辙容许值外，仍需根据整体结构层的车辙贡献量以及车辙病害发展趋势进行综合判断，从而有效地把握车辙病害处理时机。