基于高段视角的路面抗滑性能研究

基于高段视角的路面抗滑性能研究

随着我国经济的快速发展，道路建设呈现出快速发展的趋势。据规划,到2010年我国将完成“五纵七横”的高等级干线公路建设,初步形成规模效益。但随之出现的安全性问题也日益突出,人们在享受现代交通便捷的同时也常有着“车祸猛于虎”的感叹。虽然产生交通事故的原因主要由人、车、路、环境、管理组成,但与路面的抗滑性能也有着十分密切的联系。根据英、美、日等国的交通调查,雨天的交通事故约占总数的20%左右。调查结果分析表明,这些事故的发生是直接由于路滑所导致的。现通过对高等级路面抗滑机理、影响因素的研究,分析路面抗滑性能与交通安全状况的关联性,为以后路面的抗滑方案设计提供依据。1基于抗滑性能的道路表面结构1.1路面材料的微观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之间的构造,它主要表征集料颗粒本身的表面凸凹特性。对于沥青路面,石料颗粒的抗磨光性能(用石料的磨光值PSV表征)、沥青的特性和胶浆的构造对其也有一定的影响。对于水泥混凝土路面,由于正常情况下粗集料裸露出面板的比例不超过12%,所以水泥混凝土路面的微观构造主要取决于表层水泥砂浆的特性。路表面的微观特性可以直接通过显微照相技术测量获得。在我国现行的规程中用摆式仪法测定的摆值和横向力系数SFC值来表征其微观特性。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之间的构造,它主要由粗集料的分布、棱角性、间距、排列决定。不规范的修筑和铺装过程会对宏观特性产生负面影响,使抗滑性能降低。对于水泥混凝土路面,一般来说其宏观构造由拉毛、刻槽等表面装饰工艺形成。根据规范,在评价当前路面抗滑性能的方法中,手工及电动铺砂法、激光构造深度仪法测定的是路面的宏观构造。2抗剪阻力的分布由于充气轮胎与路面的摩擦并不单纯地属于固体力学中的两刚体间的滑动摩擦状态,而在接触过程中伴随着轮胎的较大变形,所以这个接触问题较为复杂。根据摩擦学机理,Tabor理论认为路面与轮胎间的摩擦力主要由三部分组成,分别为:附着分量Fa,即橡胶与路面各个粗糙凸起之间抗剪阻力分量之和,也有人认为附着力起源于路面的粗糙凸起对轮胎形成局部高压所形成的分子间的范德华连接力;滞阻分量Fb,即轮胎橡胶滑过路面时弹塑性变形迟滞后能量损耗所引起的摩擦力;凝聚分量Fc,即破坏橡胶的凝聚力而产生的摩擦力。据研究,在这3个分量中,附着分量Fa所占比例在90%以上,滞阻分量Fb略小于10%,而凝聚分量Fc只占极小的一部分,一般可以忽略不计。在水的作用下,轮胎与路面的接触面分为3个区。第1区为轮胎前路表面的连续水膜区,是由高速行驶的车轮作用在路表积水上所引起的水的惯性力和滞阻力所形成,是一种动水压力润滑作用;第2区由于车轮的挤压作用水膜被扩散,形成间断性的薄水膜,此润滑膜通常只有几个分子的厚度;第3区内水被彻底挤走,轮胎与路面之间处于干燥接触状态,可以提供行车所需要的抗滑力。3驾驶工况f与车辆的驾驶特性要减少雨天道路上交通事故的发生,即要保证驾驶者对车辆有足够的“向量轨道控制”(vectorialtrajectorycontrol)能力,这意味着驾驶者对车辆的行驶速度和方向两个方面的控制。在机动驾驶的过程中存在一个完成驾驶动作所需要的摩擦力(Fα)和一个通过轮胎和地面接触可获得的摩擦力(Fβ),当前者大于后者(即Fα/Fβ>1)时,驾驶者对车辆的控制能力丧失,交通事故也就发生了。经调查,Fα与行车速度、车辆的操作性能、道路几何线型、驾驶者的警惕性与技巧、交通密度有关;Fβ与路面的宏观特性和微观特性、积水深度、轮胎特性有关。关于人、车以及道路几何线型的影响在这不作详细分析,下面仅对路面结构相关的因素进行分析。3.1胶浆抗剪强度由于路面摩擦力主要来源于附着分量Fa和滞阻分量Fb,而且以附着分量为主要成因。构成附着分量Fa中的抗剪强度S的大小与路表“微凸体”的数量和大小有密切关系。由库仑理论:τ=c+σtgφ,沥青胶浆的粘结性好,集料表面棱角多、抗磨光性好,内摩擦角就大,所提供的抗剪强度就大。因此,路表的微观构造决定着附着分量的大小,并提供路表的基本抗滑力。路表宏观构造的主要作用是为轮胎与路面接触面上的积水提供宣泄通道。如果没有足够的宏观构造,轮胎与路面界面上的积水就不能及时排除,在动水压力的作用下,轮胎与路面的实际接触面积减少,这种减少达到一定的程度时,水漂现象就会发生,车辆的制动和方向控制均丧失,极易发生交通事故。由此可知宏观构造的重要作用。3.2高速时小的水膜润滑作用车辆低速行驶时,在其作用下水的惯性力较小,则动水压力的润滑作用较小,所以此时1区厚水膜降低抗滑力的作用并不明显。由于车速较低,轮胎与路表面接触充分,则3区的接触面积较大,所提供的附着分量Fa较大,并且此时轮胎的弹性变形量也比高速行驶时更大,所以滞阻分量Fb也较大。车辆高速行驶时,轮胎与路表接触面积小,由3区提供的有效附着力Fa较小,再加上橡胶轮胎的弹性变形不充分,其所提供的滞阻力Fb也较小。并且此时1区的水膜由于惯性力增大而出现面积扩大和厚度增加的趋势,所以高速时水的润滑作用加强,如果路面不能有很好的排水特性,其抗滑性能就会大幅度降低。由上述可知,随着行车速度的不同,影响抗滑性能因素的权重也有所不同。车速较低时(<40km/h),水膜的润滑作用所占的权重较低,抗滑力主要是由轮胎与路表充分接触所产生的摩擦力提供,即与轮胎的特性、路表面粗糙凸起的抗剪强度有密切关系。所以低速时,路面的微观特性对其抗滑性能有较大影响。车速较高时(>80km/h),动水压力的润滑作用使路面抗滑性能迅速下降,此时路面排水是重中之重,即良好的路面宏观特性将很好地保证潮湿情况下高速行驶车辆具有足够的抗滑力。3.3年际下降雨天水分在路表面积聚,形成水膜,使路面的抗滑性能大幅度下降,事故率上升。车轮在有水膜的路面上行驶时,车速越高,路面越光,如果路面排水条件差,轮胎与水膜接触区的动水压力的润滑作用增强,导致摩擦系数降低,安全性下降。4高速列车sfc与高速行驶情况的关联英国对不同交通等级的路段进行观测,得出了以交通事故率为依据的路面抗滑性能特性。在有信号灯控制的路段,随着路面SFC值的增大,事故率迅速下降。而对于高速公路,当路面SFC>32时,随SFC值的增大,事故率基本都保持很低的水平没有变化。所以英国的抗滑指标中SFC值是随道路等级的提高而降低的。这与前面由摩擦机理分析得出的低速行驶情况下路表微观构造对抗滑力影响大,而对于高速行驶情况微观构造对抗滑力影响减小的结论是一致的。但是在我国的《公路沥青路面设计规范》和《城市道路设计规范》对抗滑标准的规定中SFC值是随道路等级的提高而增加,这明显与前面的分析和数据调查的结果不符。5宏观构造、消除抗滑力的影响通过以上分析可以得到以下结论:1)在低等级公路或城市道路交叉口处等车辆行驶速度较低的路段,路表的微观构造对抗滑力的影响较