积沙路面抗滑特性研究*

周心奥 王 芳,2 段唯佳 黄思平 张 欢

(1.宁夏大学土木与水利工程学院 宁夏 750021; 2.宁夏公路勘察设计院有限责任公司 宁夏 750001)

抗滑性能是指沥青路面为车辆运动提供的摩擦力,是评价沥青路面安全性能的重要指标。而影响路面摩擦的因素有很多,包括路面材料、纹理特征、温度,及路面污染物(雨、沙、砾石)等[1-2]。学者从不同影响因素对路面抗滑性能展开研究。其中,通过纹理扫描仪获取路表三维纹理特征,计算路表构造的高度、角度等参数,从而表征路表抗滑性能[3]。陈洪兵等[4]采用CarSim/Simulink车辆动力学软件对基于车辆行驶稳定性的沥青路面动摩擦系数抗滑阈值进行仿真分析, 研究了车辆行驶参数对沥青路面动摩擦系数抗滑阈值的影响。黄绍龙等[5]根据车辆动力学原理计算车辆的安全制动距离,并利用泊松分布函数, 研究车辆间距的分布状况,建立分析模型。

值得注意的是,我国西北地区沙漠面积较大,沙尘等恶劣天气频发,随着沙漠公路里程不断增加,不可避免地出现路面积沙现象,严重降低了道路的抗滑能力,极大影响行车安全。潘境盛等[6]通过摆式摩擦系数测试仪测试不同温度和积沙量下的摆值BPN,建立抗滑性能随积沙量增加的衰减模型。王勇等[7]通过对积沙沥青路面风积沙与水分耦合、环境温度和加速循环磨耗次数的研究,获得不同因素对积沙沥青路面的影响。

然而前人的研究大多建立在室内制备试验试块之上,对实际沙漠公路路面的抗滑性能研究较少,且铺设的积沙厚度少于风积沙形成的厚度。在实际不同道路线形行车中,由于行驶速度、刹车制动,以及路面积沙量等都存在差异,其对路面的宏、微观构造存在不同程度的影响,故而不同道路线形对交通安全的影响存在差异。为此,本研究通过现场试验,研究平直、上坡、下坡,以及弯道等不同道路线形的不同积沙厚度对沥青路面抗滑性能的影响。

1 试验方案设计

1.1 试验设备

JTG 3450-2019 《公路路基路面现场测试规程》[8]中详细规定了铺砂法、摆式仪,以及横向力系数测试系统等设备的使用方法。结合实际情况,本试验选取沙漠公路两侧干燥积沙作为试验积沙,试验设备表见表1。

1.2 试验对象

以宁夏中卫乌玛沙漠公路段作为试验路段,面层为沥青路面,按照道路线形分为平直、上坡、下坡,以及弯道路段4大类。路段两侧以沙漠景观为主,积沙选取方便,路段车辆较少,安全性较高,符合实验要求。

1.3 试验方法

1.3.1铺砂法

在不同道路线形处选取测试点各5处,每处横向间隔1 m选择3个测试点,对测试结果取平均值,路面表面构造深度测定结果如式(1)所示,测试图见图1。以测出的路面构造深度表示缝隙填半和基本覆盖时的铺沙厚度。

(1)

图1 路面构造深度测试图

式中:TD为路面表面构造深度,mm;V为砂的体积,25 cm3;D为摊平砂的平均直径,mm。

1.3.2摆式仪法

在不同道路线形处各选择3个测点进行测量,将称量好的积沙倒入30 cm×30 cm×5 cm的框架中,并用刮子、毛刷等将其表面刮平,取出框架,按照规范要求使用摆式仪(见图2)进行试验。将每个测点的5次测试结果取平均值作为该测点的摆值BPNT,并将其换算成标准温度20 ℃的摆值BPN20。

图2 摆式仪仪器布设

积沙厚度分为无积沙、缝隙填半、基本覆盖、2,4,6,8,10,12,14 mm,不同积沙厚度铺设图见图3。

图3 沥青路面不同积沙厚度铺设图

2 试验结果与分析

2.1 铺砂法测得路面构造深度

由铺砂法测得试验结果表见表2,其中,上坡、下坡、平直,以及弯道处的构造深度平均取值分别为0.82,0.80,0.84,0.83 mm。不同道路线形下缝隙填半及基本覆盖积沙铺设厚度表见表3。其中,缝隙填半选取构造深度的一半作为积沙覆盖厚度,基本覆盖选取路面构造深度作为积沙覆盖厚度。

表2 不同道路线形下各测试点构造深度 mm

表3 不同道路线形下缝隙填半及基本覆盖积沙铺设厚度 mm

2.2 摆式仪法试验数据温度修正

将路面温度为t(℃)时测得的摆值BPNT按式(2)换算成标准温度20 ℃的摆值BPN20。

BPN20=BPNT+ΔBPN

(2)

式中:BPN20为换算成标准温度20 ℃时的摆值;BPNT为路面温度t时测得的摆值;ΔBPN为温度修正值,按表4采用。

表4 温度修正值

对摆值BPNT进行温度修正,各线形摆值修正值见表5～表8。

表5 上坡路段积沙路面摆值修正值

表6 下坡路段积沙路面摆值修正值

表7 平直路段积沙路面摆值修正值

表8 弯道路段积沙路面摆值修正值

2.3 积沙厚度与BPN的关系

积沙厚度对摆值BPN的影响见图4。

图4 各类线形积沙厚度-摆值BPN关系

如图4所示,在不同道路线形下,随着积沙厚度的开始增加,二者均呈现负相关关系,当积沙厚度达到基本覆盖时摆值降至最低,此时路面空隙被沙粒填满,孔隙率降至最低,宏观构造变小,摆式仪摆锤所受阻力也随之降低;随着积沙厚度增加,二者呈现正相关关系,摆值逐渐增大,直至积沙厚度达到12 mm及以上时,摆式仪指针所指刻度将超过刻度盘最大值,此时终止试验。

在相同积沙厚度条件下,摆值BPN在上坡路段最大,下坡路段最小,平直与弯道路段相差居中。分析认为在坡度路段,摆锤重力在平行于滑动面产生一个分力,此分力在上坡阻碍摆锤滑动,下坡促使摆锤滑动,故摆值在上坡偏大,下坡偏小;在弯道处,由于测试区域较小,弯道线形不足以对摆式仪产生较大影响,故其摆值与平直路段相差不大。

当积沙厚度达到7 mm时,不同道路线形测得的摆值BPN逐渐接近。分析认为此时积沙对摆锤的影响将大于道路线形的影响。根据趋势分析,更大厚度积沙下,摆式仪在不同线形下测得的摆值将趋于一致,直至摆锤陷入积沙,无法摆动。

2.4 积沙厚度与BPN衰减率的关系

由图4可见,当积沙厚度由无积沙增加至缝隙填半时,上坡、下坡、平直及弯道路段的BPN值分别下降6.02%,5.97%,3.95%,3.95%,分析认为,虽然部分沙粒漏入路面空隙中,但由于积沙粒径小,对宏观构造影响小,因此对BPN值的影响也较小;随着积沙厚度达到基本覆盖时,路面空隙逐渐被沙粒填满,孔隙率降低,宏观构造变小,粗糙度也随之降低,因此这一阶段BPN值下降较快,不同线形的BPN值分别下降15.66%,13.43%,11.84%,10.53%;当积沙厚度达到2 mm时,积沙厚度超出路表以上,摆锤将不再与路面接触,摩擦方式由滑动摩擦转为滚动摩擦,不同线形的BPN值较无积沙状态下得到不同程度的增长,分别增长1.2%,2.99%,6.58%,0%;随着积沙厚度的再次增加,摆锤在释放后前进方向将受到积沙的阻力,摆锤侧面也将产生侧向摩阻力,且积沙厚度越大,其阻力越大,4种线形下摆值最大增长率分别达到68.67%,104.48%,82.89%,81.58%。积沙厚度与BPN衰减率的关系见图5。

图5 积沙厚度与BPN衰减率的关系

3 结语

本文采用现场摆式仪试验,测定沥青路面不同道路线形在不同积沙厚度作用下的BPN值,分析沥青路面抗滑性能的变化规律,得出以下结论。

1) 在4种不同道路线形下,摆值BPN随着积沙厚度的增加均先出现不同程度的下降,当路面缝隙被积沙基本覆盖时摆值降至最低,上坡、下坡、平直,以及弯道路段的BPN值分别下降15.66%,13.43%,11.84%,10.53%。当积沙厚度再次增加,摆值BPN均逐渐增大。

2) 在积沙厚度相同的情况下,上坡路段BPN值相对较大,下坡路段相对较小,平直和弯道受到的影响相差不大。下坡路段随着积沙厚度的增加其摆值BPN变化率最大。

3) 当积沙厚度超过7 mm时,4种线形下测得的摆值BPN将逐渐趋于一致,积沙对摆锤的影响将大于线形的影响。

本试验虽在前人的基础上做出了补充,并通过现场试验获得了更贴合实际的沙漠地区积沙沥青路面抗滑性能,为积沙道路安全行车提供一定的理论依据,然而对于高速行驶下的抗滑性能,以及摆值BPN与横向力系数SFC之间转换的研究尚有不足,后续研究中将进一步扩充,得到更加完善的积沙沥青路面抗滑性能衰变模型。