山區(qū)公路急彎路段路面的防滑處治設(shè)計(jì)

呂清磚

（貴州省公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 引言

隨著我國(guó)山區(qū)公路建設(shè)的不斷加快，山區(qū)公路逐漸成為我國(guó)公路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。由于山區(qū)公路線形差，大量存在長(zhǎng)陡下坡、小半徑急彎、連續(xù)下坡、視距不良等危險(xiǎn)路段，如遇到路面積雪、結(jié)冰天氣或者駕駛員超速行為，極易發(fā)生交通事故，對(duì)公路使用者的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅。特別是在急彎路段的日常運(yùn)營(yíng)中交通事故多發(fā)，車輛失控概率遠(yuǎn)高于其他路段，容易發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻事故。因此，做好山區(qū)公路急彎路段的瀝青路面防滑安全保障工作尤為重要。為降低急彎路段的事故發(fā)生概率，可以通過(guò)科學(xué)合理設(shè)置安全設(shè)施和路面防滑設(shè)計(jì)，提高山區(qū)公路急彎路段的交通安全性。

1 山區(qū)公路急彎路段判斷標(biāo)準(zhǔn)及危險(xiǎn)程度劃分

1.1 山區(qū)公路急彎路段判斷標(biāo)準(zhǔn)

急彎路段多見(jiàn)于地形復(fù)雜的山區(qū)公路，在山區(qū)公路急彎路段上行車，駕駛員稍有不慎就會(huì)發(fā)生事故，是交通事故多發(fā)的路段，而且事故的后果相當(dāng)嚴(yán)重。急彎路段指車輛設(shè)計(jì)行駛速度小于60km/h 時(shí)，停車視距小于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，彎路平均半徑（R）小于規(guī)定數(shù)值的路段，具體數(shù)值見(jiàn)表1?！豆钒踩Ｕ瞎こ虒?shí)施技術(shù)指南》主要是針對(duì)一、二級(jí)公路，對(duì)山區(qū)公路安全保障的指導(dǎo)意義并不大，因此，要針對(duì)山區(qū)公路急彎路段的危險(xiǎn)程度和安全保障措施進(jìn)行分析[1]。

表1 單個(gè)急彎路段判斷標(biāo)準(zhǔn)

1.2 山區(qū)公路急彎路段危險(xiǎn)程度劃分

山區(qū)公路地形條件比較復(fù)雜，各地區(qū)地形差異大。在只有一個(gè)急彎的山區(qū)公路中，可以通過(guò)實(shí)地勘測(cè)準(zhǔn)確地測(cè)出不同車速下的彎道半徑大小及彎道視距情況，從而進(jìn)行急彎路段危險(xiǎn)程度的劃分，根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)可分為：一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 單個(gè)急彎路段危險(xiǎn)程度等級(jí)表

2 山區(qū)公路急彎路段交通事故分析

2.1 山區(qū)公路急彎路段事故形態(tài)特征

由于山區(qū)公路地理?xiàng)l件復(fù)雜多變，受到工程造價(jià)、技術(shù)水平等制約，一些局部路段不得不采用急彎路段。在山區(qū)公路交通事故中，急彎路段事故量占比最大，主要與行車所處的自然環(huán)境和公路條件密切相關(guān)。其一，自然地質(zhì)災(zāi)害。山區(qū)公路多為剝蝕、河流侵蝕地質(zhì)，公路沿線經(jīng)常有落石、山體滑坡、泥石流等自然地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。其二，線形技術(shù)指標(biāo)偏低。由于公路修建在崇山峻嶺之間，路線迂回曲折，局部路段存在彎道半徑過(guò)小、縱坡較大、視距不良等問(wèn)題。其三，安全設(shè)施設(shè)置不合理。在山區(qū)公路急彎路段的安全設(shè)施設(shè)置中，可能存在標(biāo)志標(biāo)線聯(lián)合使用不匹配、護(hù)欄防護(hù)等級(jí)較低、減速設(shè)施不足等問(wèn)題。其四，氣候條件影響。山區(qū)多濃霧、強(qiáng)風(fēng)、暴雨及積雪等不良?xì)夂驐l件，導(dǎo)致駕駛員在正常駕駛過(guò)程中，路面物理性能改變，路面摩擦系數(shù)和抗滑系數(shù)減小，車輛難以控制。

2.2 山區(qū)公路急轉(zhuǎn)彎路段交通事故原因分析

在山區(qū)公路急彎路段事故形態(tài)分布中，主要有翻車事故、正面相撞事故、墜車事故和側(cè)面相撞事故。翻車事故占總事故量的比例最高，其次是正面相撞事故，比例較低的是墜車事故和側(cè)面相撞事故。

2.2.1 翻車事故。翻車按照車身旋轉(zhuǎn)的度數(shù)分為360°翻車、180°翻車 及90°翻車[2]。其 中，90°翻車（側(cè)翻）最為常見(jiàn)。側(cè)翻的主要原因有以下幾點(diǎn)：第一，行駛速度快，車輛離心力太大，車輛傾覆力矩超過(guò)側(cè)向穩(wěn)定閾值，造成車輛側(cè)翻或側(cè)滑。第二，急彎路段平曲線半徑小并且存在公路超高設(shè)計(jì)，路面摩擦系數(shù)不足等問(wèn)題。第三，駕駛員主觀操作不當(dāng)，有急剎車和方向盤(pán)轉(zhuǎn)向不當(dāng)?shù)炔僮鳌?/p>

2.2.2 正面相撞事故。正面相撞事故是相向行駛的車輛之間發(fā)生車輛頭部相互碰撞事故。在相撞過(guò)程中，至少有一輛車偏離了正常的行駛軌跡，從而發(fā)生了相對(duì)運(yùn)行速度差較大的行駛軌跡交叉。在山區(qū)公路急彎路段發(fā)生正面相撞事故主要有以下幾點(diǎn)原因：第一，車輛高速行駛，為獲得更好的行車視距跨線行駛，在彎道處借用對(duì)向車道。第二，急彎公路段超車，直接駛?cè)雽?duì)向車道，發(fā)生正面軌跡交叉。第三，車輛行駛速度太高，為適應(yīng)離心力，迫不得已超越中心線，采取切彎行駛[3]。

2.2.3 墜車事故。墜車事故是車輛偏離正常軌跡，跌落到與路面有一定高差的路外。墜車事故的主要原因有：第一，車輛行駛速度太快造成側(cè)滑、側(cè)翻，或者突遇障礙物，駕駛員倉(cāng)促改變行駛方向，發(fā)生軌跡轉(zhuǎn)折延伸到公路邊緣。第二，駕駛員對(duì)彎公路線走向做出了正確判斷，但在減速入彎時(shí)操作失誤，發(fā)生軌跡連續(xù)順滑的延伸到公路邊緣。

2.2.4 側(cè)面相撞事故。側(cè)面相撞事故存在兩種情況：第一，與相向行駛車輛的非正面碰撞，與正面相撞事故的原因相同。第二，與同向行駛車輛的非正面碰撞。主要原因是肇事車輛在相向車道返回本向車道的過(guò)程中，與同向行駛車輛軌跡發(fā)生交叉[4]。

針對(duì)以上四種交通事故形態(tài)的原因得知，正面相撞事故、墜車事故和側(cè)面相撞事故與公路路面因素關(guān)系不大，翻車事故與公路路面因素密切相關(guān)。因此，對(duì)發(fā)生翻車事故的側(cè)滑車輛進(jìn)行側(cè)滑穩(wěn)定性分析。

3 山區(qū)公路急彎路段車輛側(cè)滑穩(wěn)定性分析

山區(qū)公路急彎路段轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，極易發(fā)生車輛側(cè)滑失穩(wěn)情況，因此，需要構(gòu)建急彎路段車輛側(cè)滑臨界狀態(tài)模型，明確急彎路段的安全機(jī)理，確保山區(qū)公路急彎路段的行車安全。

3.1 急彎路段車輛轉(zhuǎn)向與制動(dòng)過(guò)程分析

在急彎路段行車過(guò)程中，為了適應(yīng)路段的幾何線形條件，駕駛員要不停地轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，并且采取先制動(dòng)減速進(jìn)彎，然后再加速出彎的操作技巧，確保車輛保持安全的行駛速度和軌跡。

3.1.1 車輛轉(zhuǎn)向。在車輛進(jìn)入急彎路段時(shí)，可將車輛視為圍繞軌跡的曲率中心點(diǎn)O 做圓周運(yùn)動(dòng)，O 點(diǎn)到車輛后軸中心點(diǎn)B 的距離R 為車輛的轉(zhuǎn)彎半徑。由于車輛在彎道行駛過(guò)程中，駕駛員要不斷調(diào)整方向盤(pán)，以保證前輪的偏轉(zhuǎn)角度θ，θ 即車輛前軸中心點(diǎn)A與車輛行駛矢量Va的夾角。因此，軌跡的曲率中心O點(diǎn)的位置是隨行駛方向不斷發(fā)生變化的，具體位置如圖1所示。

圖1 急彎路段車輛行駛轉(zhuǎn)向示意圖

3.1.2 車輛制動(dòng)。在一個(gè)完整的車輛制動(dòng)過(guò)程中，車輪主要受到制動(dòng)器的制動(dòng)力矩作用，同時(shí)還受到路面摩擦力矩的制動(dòng)作用。整個(gè)制動(dòng)過(guò)程分為轉(zhuǎn)動(dòng)、滑轉(zhuǎn)和滑移三種縱向運(yùn)動(dòng)形式。第一，當(dāng)剛進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，車輪處于轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)形式，車輪路面摩擦制動(dòng)力與制動(dòng)器提供的制動(dòng)力一致，大小相同，并且隨著制動(dòng)器制動(dòng)力的變化而不斷變化。第二，當(dāng)路面摩擦制動(dòng)力加大到車輛自重產(chǎn)生的最大附著力時(shí)，車輪處于滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式，雖然車輪不停轉(zhuǎn)動(dòng)，但是車輪與地面之間存在一個(gè)相對(duì)位移。第三，當(dāng)制動(dòng)器提供的制動(dòng)力超過(guò)路面摩擦提供的最大附著力后，車輪處于滑移運(yùn)動(dòng)形式[5]。

3.2 急彎路段車輛側(cè)滑穩(wěn)定性分析

車輛在急彎路段行駛過(guò)程中，引起側(cè)滑的原因分為制動(dòng)滑移和非制動(dòng)滑移。制動(dòng)滑移是由于駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，制動(dòng)扭矩作用于車輪上，同時(shí)，在路面與輪胎間的接觸區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生制動(dòng)力，車輛受到的離心力與摩擦力方向相反，路面與輪胎間的摩擦力小于離心力，側(cè)向力方向?yàn)閺澋劳鈧?cè)，從而導(dǎo)致車輛發(fā)生向外側(cè)移。非制動(dòng)滑移是由于特殊天氣，如路面結(jié)冰、積水、大霧等，迫使路面與輪胎間的摩擦系數(shù)不足而發(fā)生側(cè)滑。

4 山區(qū)公路急彎路段路面的防滑處治設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)公路瀝青路面防滑性能與宏觀構(gòu)造、微觀構(gòu)造都有關(guān)系。宏觀構(gòu)造指標(biāo)為構(gòu)造深度，由集料間隙構(gòu)成，用于迅速排除路表水，避免路面形成水膜，在車輛高速行駛過(guò)程中，決定路面抗滑的能力。微觀構(gòu)造指標(biāo)為表面摩擦系數(shù)，當(dāng)車輛行駛速度保持在30～50km/h 之間時(shí)，表面摩擦系數(shù)對(duì)路面抗滑性能起到?jīng)Q定作用。急彎路段速度過(guò)快，車輛易發(fā)生失控，因此，要提高路面的摩擦系數(shù)，降低車輛失控的概率。山區(qū)冬季寒冷、溫度較低，過(guò)分增大級(jí)配設(shè)計(jì)中的粗集料比例，會(huì)由于空隙率過(guò)大而降低路面低溫抗裂性能，縮短路面的使用壽命。在山區(qū)公路急彎路段路面瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，要保證瀝青路面同時(shí)具有較好的防滑性能和低溫抗裂性能。

4.1 防滑級(jí)配設(shè)計(jì)原則

AK 型抗滑級(jí)配可以提高路面抗滑性能，但空隙率過(guò)大，路面低溫抗裂性能差，路面的使用壽命降低。因此，提出AC 型級(jí)配，通過(guò)降低級(jí)配粗集料的含量，從而提高路面的使用性能。因此，抗滑級(jí)配設(shè)計(jì)需要綜合考慮粗集料的用量問(wèn)題，既能滿足路面的抗滑性能，又能防止路面發(fā)生低溫開(kāi)裂。由于山區(qū)路段冬季低溫，路面開(kāi)裂病害嚴(yán)重，單純提高路面防滑性能是不可取的，選擇合理的級(jí)配設(shè)計(jì)更為重要。

4.2 防滑級(jí)配設(shè)計(jì)

從級(jí)配穩(wěn)定級(jí)分析，級(jí)配骨架結(jié)構(gòu)由粗集料相互嵌擠、細(xì)集料充分填充構(gòu)成，形成嵌擠密實(shí)型結(jié)構(gòu)。山區(qū)公路急彎路段路面對(duì)路用性能的要求高，因此，選取AC-13 和AK-13 混合料級(jí)配類型進(jìn)行分析。AC-13 和AK-13 級(jí)配上下限數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 AC-13 和AK-13 級(jí)配上下限

通過(guò)兩種類型級(jí)配數(shù)據(jù)可知，AC-13 與AK-13 級(jí)配數(shù)據(jù)重疊區(qū)域?yàn)锳C-13 下限和AK-13 上限之間，重疊數(shù)據(jù)之間為平衡防滑性能和路用性能區(qū)間段。AC-13 級(jí)配類型所用細(xì)集料最多，2.36mm 篩孔以下的細(xì)集料占比24%～50%。為提高公路防滑性能，可在AK-13 級(jí)配上限以下進(jìn)行調(diào)整。AC-13 在4.75mm 篩孔以上的粗集料占比32%～52%，AK-13 在4.75mm 篩孔以上的粗集料占比47%～70%。說(shuō)明AK-13 可增大4.75mm 以上的粗集料來(lái)提高防滑性能。對(duì) 比AC-13 下限和AK-13 下限：AC-13 在4.75mm 篩孔的通過(guò)率為38%，AK-13 在4.75mm 篩孔的通過(guò)率為30%，AC-13 在9.5mm 篩孔的通過(guò)率為68%，AK-13 在9.5mm 篩孔的通過(guò)率為60%。

AC-13 粗集料和AK-13 粗集料在4.75mm 篩孔和9.5mm 篩孔的通過(guò)率分別降低8%，說(shuō)明AC-13 粗集料的篩孔通過(guò)率至少應(yīng)改變8%，否則級(jí)配都超出AK-13下限，難以得到保證路用性能。AC-13 下限與AK-13下限相比，主要在于4.75 篩孔和9.5 篩孔的通過(guò)率的降低，二者分別降低了8%，表明對(duì)于AC-13 粗集料的改變至少應(yīng)在8%以內(nèi)，否則級(jí)配都超出AK-13 下限，路面水穩(wěn)性能難以保證。因此，AC-13 比AK-13 提高了2.36～4.75mm 粒徑集料，降低了4.75～9.5mm、9.5～13.2mm 粒徑集料。要通過(guò)調(diào)節(jié)AC-13 的篩孔2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm 的集料比重，優(yōu)化抗滑性能與路用性能的協(xié)調(diào)關(guān)系，使骨架嵌擠密實(shí)，增大瀝青混合料的防滑性能，滿足山區(qū)公路急彎路段路面的抗滑性能和路用性能。

5 結(jié)語(yǔ)

山區(qū)公路急彎路段路面要求的防滑性能比普通路段要高，而瀝青路面的防滑性能與構(gòu)造深度、表面摩擦系數(shù)有關(guān)。通過(guò)級(jí)配設(shè)計(jì)分析，急彎路段瀝青路面不能直接采用混合料AC-13 類型，需增加AC-13篩孔2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm 的集料比重，對(duì)其進(jìn)行防滑性能優(yōu)化。通過(guò)對(duì)山區(qū)公路急彎路段路面抗滑性能的研究，提出最佳級(jí)配設(shè)計(jì)方案，并應(yīng)用于后期施工改進(jìn)，降低山區(qū)公路急彎路段的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。