基于高段視角的路面抗滑性能研究

基于高段視角的路面抗滑性能研究

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路建設(shè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)。據(jù)規(guī)劃,到2010年我國(guó)將完成“五縱七橫”的高等級(jí)干線公路建設(shè),初步形成規(guī)模效益。但隨之出現(xiàn)的安全性問(wèn)題也日益突出,人們?cè)谙硎墁F(xiàn)代交通便捷的同時(shí)也常有著“車禍猛于虎”的感嘆。雖然產(chǎn)生交通事故的原因主要由人、車、路、環(huán)境、管理組成,但與路面的抗滑性能也有著十分密切的聯(lián)系。根據(jù)英、美、日等國(guó)的交通調(diào)查,雨天的交通事故約占總數(shù)的20%左右。調(diào)查結(jié)果分析表明,這些事故的發(fā)生是直接由于路滑所導(dǎo)致的?，F(xiàn)通過(guò)對(duì)高等級(jí)路面抗滑機(jī)理、影響因素的研究,分析路面抗滑性能與交通安全狀況的關(guān)聯(lián)性,為以后路面的抗滑方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。1基于抗滑性能的道路表面結(jié)構(gòu)1.1路面材料的微觀特性此特性指水平方向尺寸在0.005mm~0.5mm,垂直尺寸在0mm~0.2mm之間的構(gòu)造,它主要表征集料顆粒本身的表面凸凹特性。對(duì)于瀝青路面,石料顆粒的抗磨光性能(用石料的磨光值PSV表征)、瀝青的特性和膠漿的構(gòu)造對(duì)其也有一定的影響。對(duì)于水泥混凝土路面,由于正常情況下粗集料裸露出面板的比例不超過(guò)12%,所以水泥混凝土路面的微觀構(gòu)造主要取決于表層水泥砂漿的特性。路表面的微觀特性可以直接通過(guò)顯微照相技術(shù)測(cè)量獲得。在我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)程中用擺式儀法測(cè)定的擺值和橫向力系數(shù)SFC值來(lái)表征其微觀特性。1.2混凝土抗滑性能此特性指水平尺寸在0.5mm~50mm,垂直尺寸在0.2mm~10mm之間的構(gòu)造,它主要由粗集料的分布、棱角性、間距、排列決定。不規(guī)范的修筑和鋪裝過(guò)程會(huì)對(duì)宏觀特性產(chǎn)生負(fù)面影響,使抗滑性能降低。對(duì)于水泥混凝土路面,一般來(lái)說(shuō)其宏觀構(gòu)造由拉毛、刻槽等表面裝飾工藝形成。根據(jù)規(guī)范,在評(píng)價(jià)當(dāng)前路面抗滑性能的方法中,手工及電動(dòng)鋪砂法、激光構(gòu)造深度儀法測(cè)定的是路面的宏觀構(gòu)造。2抗剪阻力的分布由于充氣輪胎與路面的摩擦并不單純地屬于固體力學(xué)中的兩剛體間的滑動(dòng)摩擦狀態(tài),而在接觸過(guò)程中伴隨著輪胎的較大變形,所以這個(gè)接觸問(wèn)題較為復(fù)雜。根據(jù)摩擦學(xué)機(jī)理,Tabor理論認(rèn)為路面與輪胎間的摩擦力主要由三部分組成,分別為:附著分量Fa,即橡膠與路面各個(gè)粗糙凸起之間抗剪阻力分量之和,也有人認(rèn)為附著力起源于路面的粗糙凸起對(duì)輪胎形成局部高壓所形成的分子間的范德華連接力;滯阻分量Fb,即輪胎橡膠滑過(guò)路面時(shí)彈塑性變形遲滯后能量損耗所引起的摩擦力;凝聚分量Fc,即破壞橡膠的凝聚力而產(chǎn)生的摩擦力。據(jù)研究,在這3個(gè)分量中,附著分量Fa所占比例在90%以上,滯阻分量Fb略小于10%,而凝聚分量Fc只占極小的一部分,一般可以忽略不計(jì)。在水的作用下,輪胎與路面的接觸面分為3個(gè)區(qū)。第1區(qū)為輪胎前路表面的連續(xù)水膜區(qū),是由高速行駛的車輪作用在路表積水上所引起的水的慣性力和滯阻力所形成,是一種動(dòng)水壓力潤(rùn)滑作用;第2區(qū)由于車輪的擠壓作用水膜被擴(kuò)散,形成間斷性的薄水膜,此潤(rùn)滑膜通常只有幾個(gè)分子的厚度;第3區(qū)內(nèi)水被徹底擠走,輪胎與路面之間處于干燥接觸狀態(tài),可以提供行車所需要的抗滑力。3駕駛工況f與車輛的駕駛特性要減少雨天道路上交通事故的發(fā)生,即要保證駕駛者對(duì)車輛有足夠的“向量軌道控制”(vectorialtrajectorycontrol)能力,這意味著駕駛者對(duì)車輛的行駛速度和方向兩個(gè)方面的控制。在機(jī)動(dòng)駕駛的過(guò)程中存在一個(gè)完成駕駛動(dòng)作所需要的摩擦力(Fα)和一個(gè)通過(guò)輪胎和地面接觸可獲得的摩擦力(Fβ),當(dāng)前者大于后者(即Fα/Fβ>1)時(shí),駕駛者對(duì)車輛的控制能力喪失,交通事故也就發(fā)生了。經(jīng)調(diào)查,Fα與行車速度、車輛的操作性能、道路幾何線型、駕駛者的警惕性與技巧、交通密度有關(guān);Fβ與路面的宏觀特性和微觀特性、積水深度、輪胎特性有關(guān)。關(guān)于人、車以及道路幾何線型的影響在這不作詳細(xì)分析,下面僅對(duì)路面結(jié)構(gòu)相關(guān)的因素進(jìn)行分析。3.1膠漿抗剪強(qiáng)度由于路面摩擦力主要來(lái)源于附著分量Fa和滯阻分量Fb,而且以附著分量為主要成因。構(gòu)成附著分量Fa中的抗剪強(qiáng)度S的大小與路表“微凸體”的數(shù)量和大小有密切關(guān)系。由庫(kù)侖理論:τ=c+σtgφ,瀝青膠漿的粘結(jié)性好,集料表面棱角多、抗磨光性好,內(nèi)摩擦角就大,所提供的抗剪強(qiáng)度就大。因此,路表的微觀構(gòu)造決定著附著分量的大小,并提供路表的基本抗滑力。路表宏觀構(gòu)造的主要作用是為輪胎與路面接觸面上的積水提供宣泄通道。如果沒(méi)有足夠的宏觀構(gòu)造,輪胎與路面界面上的積水就不能及時(shí)排除,在動(dòng)水壓力的作用下,輪胎與路面的實(shí)際接觸面積減少,這種減少達(dá)到一定的程度時(shí),水漂現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生,車輛的制動(dòng)和方向控制均喪失,極易發(fā)生交通事故。由此可知宏觀構(gòu)造的重要作用。3.2高速時(shí)小的水膜潤(rùn)滑作用車輛低速行駛時(shí),在其作用下水的慣性力較小,則動(dòng)水壓力的潤(rùn)滑作用較小,所以此時(shí)1區(qū)厚水膜降低抗滑力的作用并不明顯。由于車速較低,輪胎與路表面接觸充分,則3區(qū)的接觸面積較大,所提供的附著分量Fa較大,并且此時(shí)輪胎的彈性變形量也比高速行駛時(shí)更大,所以滯阻分量Fb也較大。車輛高速行駛時(shí),輪胎與路表接觸面積小,由3區(qū)提供的有效附著力Fa較小,再加上橡膠輪胎的彈性變形不充分,其所提供的滯阻力Fb也較小。并且此時(shí)1區(qū)的水膜由于慣性力增大而出現(xiàn)面積擴(kuò)大和厚度增加的趨勢(shì),所以高速時(shí)水的潤(rùn)滑作用加強(qiáng),如果路面不能有很好的排水特性,其抗滑性能就會(huì)大幅度降低。由上述可知,隨著行車速度的不同,影響抗滑性能因素的權(quán)重也有所不同。車速較低時(shí)(<40km/h),水膜的潤(rùn)滑作用所占的權(quán)重較低,抗滑力主要是由輪胎與路表充分接觸所產(chǎn)生的摩擦力提供,即與輪胎的特性、路表面粗糙凸起的抗剪強(qiáng)度有密切關(guān)系。所以低速時(shí),路面的微觀特性對(duì)其抗滑性能有較大影響。車速較高時(shí)(>80km/h),動(dòng)水壓力的潤(rùn)滑作用使路面抗滑性能迅速下降,此時(shí)路面排水是重中之重,即良好的路面宏觀特性將很好地保證潮濕情況下高速行駛車輛具有足夠的抗滑力。3.3年際下降雨天水分在路表面積聚,形成水膜,使路面的抗滑性能大幅度下降,事故率上升。車輪在有水膜的路面上行駛時(shí),車速越高,路面越光,如果路面排水條件差,輪胎與水膜接觸區(qū)的動(dòng)水壓力的潤(rùn)滑作用增強(qiáng),導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低,安全性下降。4高速列車sfc與高速行駛情況的關(guān)聯(lián)英國(guó)對(duì)不同交通等級(jí)的路段進(jìn)行觀測(cè),得出了以交通事故率為依據(jù)的路面抗滑性能特性。在有信號(hào)燈控制的路段,隨著路面SFC值的增大,事故率迅速下降。而對(duì)于高速公路,當(dāng)路面SFC>32時(shí),隨SFC值的增大,事故率基本都保持很低的水平?jīng)]有變化。所以英國(guó)的抗滑指標(biāo)中SFC值是隨道路等級(jí)的提高而降低的。這與前面由摩擦機(jī)理分析得出的低速行駛情況下路表微觀構(gòu)造對(duì)抗滑力影響大,而對(duì)于高速行駛情況微觀構(gòu)造對(duì)抗滑力影響減小的結(jié)論是一致的。但是在我國(guó)的《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》和《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)抗滑標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定中SFC值是隨道路等級(jí)的提高而增加,這明顯與前面的分析和數(shù)據(jù)調(diào)查的結(jié)果不符。5宏觀構(gòu)造、消除抗滑力的影響通過(guò)以上分析可以得到以下結(jié)論:1)在低等級(jí)公路或城市道路交叉口處等車輛行駛速度較低的路段,路表的微觀構(gòu)造對(duì)抗滑力的影響較