基于行車安全的排水路面容許車轍深度研究

吳海林

(江蘇泰州大橋有限公司 泰州市 225321)

排水瀝青路面由于其大孔隙特征，雨水在其體內(nèi)可以快速消散，即使發(fā)生一定車轍時，雨水也能夠滲入表面空隙并排出，避免了密級配輕微車轍也可能發(fā)生水漂的危險性。因此在排水瀝青路面養(yǎng)護(hù)中，考慮可適當(dāng)提高其對車轍深度的容許值。

通過分析降雨強(qiáng)度、車轍深度、空隙率等因素對車轍水膜狀況的影響，對比研究排水路面與普通發(fā)生臨界水漂的邊界條件(車速、車轍深度)。對產(chǎn)生車轍的排水瀝青路面的排水能力和容許水膜進(jìn)行分析，進(jìn)而提出滿足排水瀝青路面行駛安全要求的車轍容許值，為排水路面車轍養(yǎng)護(hù)指標(biāo)提供技術(shù)依據(jù)。

1 數(shù)值計算模型分析

(1)橫向排水計算模型

雨水降落到路表后，沿著豎向空隙滲透到排水瀝青路面內(nèi)部，并沿著路面橫坡通過路面內(nèi)部的連通空隙排出路面。當(dāng)路面出現(xiàn)車轍變形，路表空隙被壓密，空隙率減小，造成路面滲水性能下降。車轍造成有效滲水厚度減小，可能會產(chǎn)生滲水的“瓶頸”，阻礙或延緩雨水的橫向滲流。尤其是右側(cè)車道處于滲水路徑的下游，長期受到重載、慢速車輛的荷載作用，最易產(chǎn)生車轍并形成橫向滲水瓶頸。車轍對排水瀝青路面排水性能的影響如圖1所示。

在沒有明顯表面徑流極限降雨強(qiáng)度計算如下式(1)。根據(jù)式(1)可計算在給定降雨強(qiáng)度下，是否產(chǎn)生明顯地表徑流。

(1)

式中：W—極限降雨強(qiáng)度，mm/s；

K—排水瀝青面層的橫向滲透系數(shù)，cm/s；

i—綜合坡度，%；

l—排水路徑長度，m；

h—排水層的厚度，m。

(2)容許水膜計算分析

對于不同空隙率和車轍深度的排水瀝青路面，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過某一極限值時，則會產(chǎn)生路表徑流，即在車轍槽內(nèi)發(fā)生積水。路面積水時會降低輪胎與路面之間摩擦系數(shù)。由圖2可知，水膜的出現(xiàn)造成輪胎與路面脫離接觸，出現(xiàn)完全滑水現(xiàn)象。要保證車輛在一定的速度下不發(fā)生滑水，輪胎與路面之間的界面上的水必需在很短的時間內(nèi)排出，而這個時間要小于汽車移動一個輪胎距離所需要的時間。與密級配相比，排水瀝青路面的特殊之處即在于，在動水壓力作用下，路面積水將沿著輪胎向下的方向運動。然后在瀝青混合料中向四周滲流。還有一部分垂直向上的滲流滲出路面。

對于普通密集配路面，當(dāng)水膜厚小于3mm，滑水現(xiàn)象難以發(fā)生。當(dāng)水膜較厚時，水膜作用垂直方向受力可將輪胎托起，產(chǎn)生滑水現(xiàn)象。密級配瀝青路面的臨界水膜厚度由下式(2)計算。

(2)

式中：r—車輪半徑(m)；

G—車重(N)；

ρ—水的密度，(1000kg/m3)；

w—輪胎寬度(m)；

v—車速(m/s)。

水膜一部分由輪胎壓入排水層的空隙，另一部分被輪胎橫向擠出，排水瀝青路面的容許水膜由式(3)組成：

h臨=h1+h2+MTD

(3)

式中：h1—由輪胎壓入排水層的空隙的臨界水膜厚度，mm；

h2—被輪胎橫向擠出的臨界水膜厚度，mm；

MTD—排水瀝青路面平均構(gòu)造深度，mm。

h1和h2的關(guān)系可通過下式表示：

h2=kh1

(4)

表面徑流(或總流量厚度)的厚度為平均紋理深度再加上路表粗糙頂面以上的水膜厚度，平均紋理深度以下的水被限制于宏觀紋理中，無法構(gòu)成流動。排水瀝青路面構(gòu)造深度計入表面水膜計算。根據(jù)江蘇排水瀝青路面類似工程，平均構(gòu)造深度MTD為2.5mm。

水膜作用合力的垂直分量等于車輛負(fù)載時，即出現(xiàn)滑水臨界狀態(tài)，在這種狀態(tài)時，分別對兩種水膜產(chǎn)生的豎向力進(jìn)行計算，可得：

(5)

(6)

G=Fy1+Fy2

(7)

2 降雨強(qiáng)度計算分析

針對雙向四車道、六車道兩種情況計算車轍位置承受的極限降雨強(qiáng)度，設(shè)車轍最深處位于排水路徑長度7.5m、11.25m和15m的位置。降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。極限降雨強(qiáng)度的計算結(jié)果如表2所示。

表1 降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn) 單位：mm/(24h)

表2 車轍位置承受的極限降雨強(qiáng)度計算

由表2計算結(jié)果可知，隨著路面車轍深度增長，排水瀝青路面車轍位置能夠承受的極限降雨強(qiáng)度逐漸降低。車道數(shù)的增多，也會降低最外側(cè)車道右輪跡帶位置的極限暴雨承受能力。空隙率的提高，會增加車轍位置承受的極限降雨強(qiáng)度。對于設(shè)計空隙率為25%的雙向四車道排水瀝青路面，即使產(chǎn)生了20mm的車轍，在暴雨的情況下(降雨強(qiáng)度<13.41mm/24h)，仍能夠保證路面無徑流產(chǎn)生。

3 車轍容許水膜厚度分析

(1)計算結(jié)果分析

與重車相比，小客車更容易發(fā)生因滑水產(chǎn)生的失穩(wěn)狀態(tài)，因此以桑塔納2000型小客車為例進(jìn)行計算。輪胎半徑0.295m，G=365×9.8N，輪胎寬度w=0.195m。

在這種情況下，繪制不同連通空隙率的排水瀝青路面臨界水膜厚度與密級配路面如圖4所示。排水瀝青路面的臨界水膜遠(yuǎn)大于密級配路面。對于連通空隙率為10%(空隙率為18%)的路面，行車速度在120km/h時，臨界水膜厚度約為18mm。但這是相對理想的狀態(tài)，車輛在路面行駛時，無法保證全部水膜都能夠壓入孔隙，因此，一部分水膜被輪胎橫向擠出情況更能夠代表排水瀝青路面實際的排水狀態(tài)。

利用式(4)～式(7)，可對不同速度下臨界水膜厚度進(jìn)行模擬，分別取k=0.5、1、2三種情況進(jìn)行模擬。臨界水膜計算結(jié)果如圖5～圖7所示。

根據(jù)圖5～圖7可知，路表容許水膜厚度隨速度的增加而降低，當(dāng)速度達(dá)到一定值后，水膜厚度的變化率逐漸減低，趨于穩(wěn)定。對密級配路面，行駛速度大于100km/h，容許水膜厚度基本穩(wěn)定。對于k=1的情況，即輪胎壓入排水層的空隙的水膜和被輪胎橫向擠出的水膜厚度相等時，行駛速度大于120km/h，容許水膜厚度趨于穩(wěn)定。

由于排水路面較大連通空隙和較深的構(gòu)造深度，在不同速度下，均具有高于密級配路面的容許水膜厚度。對于我國高速公路行車速度120km/h，對于分析的三種情況，排水瀝青路面容許水膜厚度比密級配路面厚約5.25～8.06mm，因此排水瀝青路面具有更好的雨天安全性能。

當(dāng)車輛行駛速度較低時，連通空隙率對容許水膜的厚度起主要影響，即連通空隙率越大，相應(yīng)的容許水膜越厚。當(dāng)速度大于100km/h時，連通空隙率的影響減小，路面水膜主要靠橫向擠壓排開，且構(gòu)造深度所影響的比重逐漸提高。因此，車轍所造成的空隙壓密對排水瀝青路面的容許水膜厚度也幾乎可以忽略。

(2)車轍標(biāo)準(zhǔn)值分析

排水瀝青路面產(chǎn)生車轍，雨天路表形成徑流后，排水瀝青路面發(fā)生滑水的容許水膜厚度明顯高于密級配路面，當(dāng)速度較低時，連通空隙對水膜厚度的影響較大，行車更為安全。當(dāng)車道達(dá)到100km/h時，主要靠橫向推擠和構(gòu)造深度提高了容許水膜厚度。取極不利情況行駛速度為120km/h，排水瀝青路面容許水膜厚度高于密級配路面5.25～8.06mm，取下限進(jìn)行計算，同時高速公路取1.25安全系數(shù)，建議排水瀝青路面車轍容許值可高于密級配路面4mm。

排水瀝青車轍變形達(dá)到一定程度后，排水層的變形相對穩(wěn)定變形主要發(fā)生在中、下面層。為防止中下面層變形加劇引起整體結(jié)構(gòu)層的破壞，對于排水瀝青路面車轍病害處治的判斷，除應(yīng)參考車轍容許值外，仍需根據(jù)整體結(jié)構(gòu)層的車轍貢獻(xiàn)量以及車轍病害發(fā)展趨勢進(jìn)行綜合判斷，從而有效地把握車轍病害處理時機(jī)。

4 結(jié)論

通過分析降雨強(qiáng)度、車轍深度、空隙率等因素對水膜厚度的影響，對產(chǎn)生車轍的排水瀝青路面的排水能力和容許水膜進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下：

(1)空隙率的提高，會增加車轍位置承受的極限降雨強(qiáng)度，對于設(shè)計空隙率為25%的雙向四車道排水瀝青路面，即使產(chǎn)生了20mm的車轍，在暴雨的情況下(降雨強(qiáng)度<13.41 mm/24h),仍能夠保證路面無徑流產(chǎn)生。

(2)路表容許水膜厚度隨速度的增加而降低。排水路面在不同速度下，均具有高于密級配路面的容許水膜厚度。對于行車速度120km/h，排水瀝青路面容許水膜厚度比密級配路面厚約5.25～8.06mm。

(3)基于理論計算的同時，考慮了各種極端不利條件以及安全系數(shù)，建議排水路面車轍容許值高于密級配路面4mm。