山区公路急弯路段路面的防滑处治设计

吕清砖

（贵州省公路勘察设计院有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

随着我国山区公路建设的不断加快，山区公路逐渐成为我国公路网结构的重要组成部分。由于山区公路线形差，大量存在长陡下坡、小半径急弯、连续下坡、视距不良等危险路段，如遇到路面积雪、结冰天气或者驾驶员超速行为，极易发生交通事故，对公路使用者的生命财产构成威胁。特别是在急弯路段的日常运营中交通事故多发，车辆失控概率远高于其他路段，容易发生侧滑和侧翻事故。因此，做好山区公路急弯路段的沥青路面防滑安全保障工作尤为重要。为降低急弯路段的事故发生概率，可以通过科学合理设置安全设施和路面防滑设计，提高山区公路急弯路段的交通安全性。

1 山区公路急弯路段判断标准及危险程度划分

1.1 山区公路急弯路段判断标准

急弯路段多见于地形复杂的山区公路，在山区公路急弯路段上行车，驾驶员稍有不慎就会发生事故，是交通事故多发的路段，而且事故的后果相当严重。急弯路段指车辆设计行驶速度小于60km/h 时，停车视距小于相关标准规定，弯路平均半径（R）小于规定数值的路段，具体数值见表1。《公路安全保障工程实施技术指南》主要是针对一、二级公路，对山区公路安全保障的指导意义并不大，因此，要针对山区公路急弯路段的危险程度和安全保障措施进行分析[1]。

表1 单个急弯路段判断标准

1.2 山区公路急弯路段危险程度划分

山区公路地形条件比较复杂，各地区地形差异大。在只有一个急弯的山区公路中，可以通过实地勘测准确地测出不同车速下的弯道半径大小及弯道视距情况，从而进行急弯路段危险程度的划分，根据危险等级可分为：一级、二级和三级，具体数据见表2。

表2 单个急弯路段危险程度等级表

2 山区公路急弯路段交通事故分析

2.1 山区公路急弯路段事故形态特征

由于山区公路地理条件复杂多变，受到工程造价、技术水平等制约，一些局部路段不得不采用急弯路段。在山区公路交通事故中，急弯路段事故量占比最大，主要与行车所处的自然环境和公路条件密切相关。其一，自然地质灾害。山区公路多为剥蚀、河流侵蚀地质，公路沿线经常有落石、山体滑坡、泥石流等自然地质灾害发生。其二，线形技术指标偏低。由于公路修建在崇山峻岭之间，路线迂回曲折，局部路段存在弯道半径过小、纵坡较大、视距不良等问题。其三，安全设施设置不合理。在山区公路急弯路段的安全设施设置中，可能存在标志标线联合使用不匹配、护栏防护等级较低、减速设施不足等问题。其四，气候条件影响。山区多浓雾、强风、暴雨及积雪等不良气候条件，导致驾驶员在正常驾驶过程中，路面物理性能改变，路面摩擦系数和抗滑系数减小，车辆难以控制。

2.2 山区公路急转弯路段交通事故原因分析

在山区公路急弯路段事故形态分布中，主要有翻车事故、正面相撞事故、坠车事故和侧面相撞事故。翻车事故占总事故量的比例最高，其次是正面相撞事故，比例较低的是坠车事故和侧面相撞事故。

2.2.1 翻车事故。翻车按照车身旋转的度数分为360°翻车、180°翻车 及90°翻车[2]。其 中，90°翻车（侧翻）最为常见。侧翻的主要原因有以下几点：第一，行驶速度快，车辆离心力太大，车辆倾覆力矩超过侧向稳定阈值，造成车辆侧翻或侧滑。第二，急弯路段平曲线半径小并且存在公路超高设计，路面摩擦系数不足等问题。第三，驾驶员主观操作不当，有急刹车和方向盘转向不当等操作。

2.2.2 正面相撞事故。正面相撞事故是相向行驶的车辆之间发生车辆头部相互碰撞事故。在相撞过程中，至少有一辆车偏离了正常的行驶轨迹，从而发生了相对运行速度差较大的行驶轨迹交叉。在山区公路急弯路段发生正面相撞事故主要有以下几点原因：第一，车辆高速行驶，为获得更好的行车视距跨线行驶，在弯道处借用对向车道。第二，急弯公路段超车，直接驶入对向车道，发生正面轨迹交叉。第三，车辆行驶速度太高，为适应离心力，迫不得已超越中心线，采取切弯行驶[3]。

2.2.3 坠车事故。坠车事故是车辆偏离正常轨迹，跌落到与路面有一定高差的路外。坠车事故的主要原因有：第一，车辆行驶速度太快造成侧滑、侧翻，或者突遇障碍物，驾驶员仓促改变行驶方向，发生轨迹转折延伸到公路边缘。第二，驾驶员对弯公路线走向做出了正确判断，但在减速入弯时操作失误，发生轨迹连续顺滑的延伸到公路边缘。

2.2.4 侧面相撞事故。侧面相撞事故存在两种情况：第一，与相向行驶车辆的非正面碰撞，与正面相撞事故的原因相同。第二，与同向行驶车辆的非正面碰撞。主要原因是肇事车辆在相向车道返回本向车道的过程中，与同向行驶车辆轨迹发生交叉[4]。

针对以上四种交通事故形态的原因得知，正面相撞事故、坠车事故和侧面相撞事故与公路路面因素关系不大，翻车事故与公路路面因素密切相关。因此，对发生翻车事故的侧滑车辆进行侧滑稳定性分析。

3 山区公路急弯路段车辆侧滑稳定性分析

山区公路急弯路段转弯过程中，极易发生车辆侧滑失稳情况，因此，需要构建急弯路段车辆侧滑临界状态模型，明确急弯路段的安全机理，确保山区公路急弯路段的行车安全。

3.1 急弯路段车辆转向与制动过程分析

在急弯路段行车过程中，为了适应路段的几何线形条件，驾驶员要不停地转动方向盘，并且采取先制动减速进弯，然后再加速出弯的操作技巧，确保车辆保持安全的行驶速度和轨迹。

3.1.1 车辆转向。在车辆进入急弯路段时，可将车辆视为围绕轨迹的曲率中心点O 做圆周运动，O 点到车辆后轴中心点B 的距离R 为车辆的转弯半径。由于车辆在弯道行驶过程中，驾驶员要不断调整方向盘，以保证前轮的偏转角度θ，θ 即车辆前轴中心点A与车辆行驶矢量Va的夹角。因此，轨迹的曲率中心O点的位置是随行驶方向不断发生变化的，具体位置如图1所示。

图1 急弯路段车辆行驶转向示意图

3.1.2 车辆制动。在一个完整的车辆制动过程中，车轮主要受到制动器的制动力矩作用，同时还受到路面摩擦力矩的制动作用。整个制动过程分为转动、滑转和滑移三种纵向运动形式。第一，当刚进入制动状态时，车轮处于转动运动形式，车轮路面摩擦制动力与制动器提供的制动力一致，大小相同，并且随着制动器制动力的变化而不断变化。第二，当路面摩擦制动力加大到车辆自重产生的最大附着力时，车轮处于滑转运动形式，虽然车轮不停转动，但是车轮与地面之间存在一个相对位移。第三，当制动器提供的制动力超过路面摩擦提供的最大附着力后，车轮处于滑移运动形式[5]。

3.2 急弯路段车辆侧滑稳定性分析

车辆在急弯路段行驶过程中，引起侧滑的原因分为制动滑移和非制动滑移。制动滑移是由于驾驶员踩下制动踏板后，制动扭矩作用于车轮上，同时，在路面与轮胎间的接触区域内产生制动力，车辆受到的离心力与摩擦力方向相反，路面与轮胎间的摩擦力小于离心力，侧向力方向为弯道外侧，从而导致车辆发生向外侧移。非制动滑移是由于特殊天气，如路面结冰、积水、大雾等，迫使路面与轮胎间的摩擦系数不足而发生侧滑。

4 山区公路急弯路段路面的防滑处治设计

目前，我国公路沥青路面防滑性能与宏观构造、微观构造都有关系。宏观构造指标为构造深度，由集料间隙构成，用于迅速排除路表水，避免路面形成水膜，在车辆高速行驶过程中，决定路面抗滑的能力。微观构造指标为表面摩擦系数，当车辆行驶速度保持在30～50km/h 之间时，表面摩擦系数对路面抗滑性能起到决定作用。急弯路段速度过快，车辆易发生失控，因此，要提高路面的摩擦系数，降低车辆失控的概率。山区冬季寒冷、温度较低，过分增大级配设计中的粗集料比例，会由于空隙率过大而降低路面低温抗裂性能，缩短路面的使用寿命。在山区公路急弯路段路面沥青混合料级配设计时，要保证沥青路面同时具有较好的防滑性能和低温抗裂性能。

4.1 防滑级配设计原则

AK 型抗滑级配可以提高路面抗滑性能，但空隙率过大，路面低温抗裂性能差，路面的使用寿命降低。因此，提出AC 型级配，通过降低级配粗集料的含量，从而提高路面的使用性能。因此，抗滑级配设计需要综合考虑粗集料的用量问题，既能满足路面的抗滑性能，又能防止路面发生低温开裂。由于山区路段冬季低温，路面开裂病害严重，单纯提高路面防滑性能是不可取的，选择合理的级配设计更为重要。

4.2 防滑级配设计

从级配稳定级分析，级配骨架结构由粗集料相互嵌挤、细集料充分填充构成，形成嵌挤密实型结构。山区公路急弯路段路面对路用性能的要求高，因此，选取AC-13 和AK-13 混合料级配类型进行分析。AC-13 和AK-13 级配上下限数据见表3。

表3 AC-13 和AK-13 级配上下限

通过两种类型级配数据可知，AC-13 与AK-13 级配数据重叠区域为AC-13 下限和AK-13 上限之间，重叠数据之间为平衡防滑性能和路用性能区间段。AC-13 级配类型所用细集料最多，2.36mm 筛孔以下的细集料占比24%～50%。为提高公路防滑性能，可在AK-13 级配上限以下进行调整。AC-13 在4.75mm 筛孔以上的粗集料占比32%～52%，AK-13 在4.75mm 筛孔以上的粗集料占比47%～70%。说明AK-13 可增大4.75mm 以上的粗集料来提高防滑性能。对 比AC-13 下限和AK-13 下限：AC-13 在4.75mm 筛孔的通过率为38%，AK-13 在4.75mm 筛孔的通过率为30%，AC-13 在9.5mm 筛孔的通过率为68%，AK-13 在9.5mm 筛孔的通过率为60%。

AC-13 粗集料和AK-13 粗集料在4.75mm 筛孔和9.5mm 筛孔的通过率分别降低8%，说明AC-13 粗集料的筛孔通过率至少应改变8%，否则级配都超出AK-13下限，难以得到保证路用性能。AC-13 下限与AK-13下限相比，主要在于4.75 筛孔和9.5 筛孔的通过率的降低，二者分别降低了8%，表明对于AC-13 粗集料的改变至少应在8%以内，否则级配都超出AK-13 下限，路面水稳性能难以保证。因此，AC-13 比AK-13 提高了2.36～4.75mm 粒径集料，降低了4.75～9.5mm、9.5～13.2mm 粒径集料。要通过调节AC-13 的筛孔2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm 的集料比重，优化抗滑性能与路用性能的协调关系，使骨架嵌挤密实，增大沥青混合料的防滑性能，满足山区公路急弯路段路面的抗滑性能和路用性能。

5 结语

山区公路急弯路段路面要求的防滑性能比普通路段要高，而沥青路面的防滑性能与构造深度、表面摩擦系数有关。通过级配设计分析，急弯路段沥青路面不能直接采用混合料AC-13 类型，需增加AC-13筛孔2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm 的集料比重，对其进行防滑性能优化。通过对山区公路急弯路段路面抗滑性能的研究，提出最佳级配设计方案，并应用于后期施工改进，降低山区公路急弯路段的运营风险。