高等級公路超高過渡段設(shè)計B值取值的探討

麻輝東，毛璐凱，張海忠，殷 甲

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310006)

近年來，我國高速公路因災害天氣誘發(fā)的交通突發(fā)事故頻發(fā)，這對車輛在高速公路上運行的安全和效率產(chǎn)生了重大影響。大量降雨導致雨水在路面滯留，路表形成一層水膜，由于水膜的存在，車輛行駛時輪胎與路面間的接觸面積減少，附著能力和抗滑能力降低，易產(chǎn)生車輛打滑現(xiàn)象，且車速越高，打滑現(xiàn)象越明顯。

目前，既有研究主要側(cè)重于降雨對交通量和交通安全的影響、路面積水、輪胎花紋深度等與車輛滑水現(xiàn)象間的關(guān)系，并通過設(shè)計線形組合及加大合成坡來提高路面排水。David A等[1]提出可從管理、路面、工程技術(shù)措施等方面改善路面排水，提高行車安全性。季天劍等[2]通過試驗不同路面水膜厚度，探究降雨量、路表構(gòu)造深度等對積水的影響，建立了水膜厚度預測模型。祁穎智[3]研究了道路線形組合對路面徑流行為影響。周萬虎等[4]通過考慮路面排水，研究了超高過渡段設(shè)計時超高漸變率、縱坡和合成坡度的影響。鄭少鵬等[5]研究了惡劣天氣條件下路表濕滑系數(shù)與摩擦系數(shù)、積水深度間的關(guān)系。黃正偉[6]研究了不同潮濕狀態(tài)下瀝青路面附著系數(shù)及行車安全影響，并提出災害條件下瀝青公路行車安全改善對策。黃曉明等[7]研究了路表積水厚度和車速對車輛輪胎受力的影響等。但結(jié)合水膜厚度考慮超高過渡段設(shè)計B值取值影響的研究還較少。

超高過渡段是高等級公路雨天易積水路段和事故多發(fā)路段，而浙江省因受地理位置和氣候條件影響，省內(nèi)高等級公路超高過渡段積水現(xiàn)象和事故多發(fā)現(xiàn)象更為突出。為此，本文結(jié)合水膜厚度研究超高過渡段設(shè)計時B值的取值，探討其對超高過渡段行車舒適性和路面排水的影響，以減少超高過渡段路面積水的可能性。

1 改善路面排水常規(guī)措施

公路設(shè)計中，路拱橫坡一般采用2%，縱坡按不小于0.3%控制，常規(guī)路段的合成坡度均大于2%。但當超高過渡路段位于零坡斷面時，即橫坡為0%的斷面處，合成坡度則為0.3%。該斷面前后路段(橫坡從-2%～2%的路段)的路面排水條件便很差，路表易產(chǎn)生積水，也是雨季最容易發(fā)生交通事故的路段之一。

為改善高等級公路超高過渡段的排水條件，設(shè)計措施主要如下：

1) 增大超高路段縱坡，最小縱坡按0.5%控制，保證最小合成坡度不小于0.5%。

2) 避免超高過渡段零坡斷面與凹(凸)形豎曲線底(頂)部重合。

3) 采用透水性路面材料，保證路表雨水可及時排出。

4) 改善超高過渡段中央分隔帶曲線內(nèi)側(cè)的排水設(shè)計[8]，如圖1所示。

5) 多車道公路可設(shè)置雙路拱，以縮短排水路徑[9-10]。

以上為設(shè)計多采用的改善措施。此外，還可通過以下措施促進路面排水：

1) 縮短橫坡由-2%至2%的超高過渡段長度[11]，特別是超高過渡段中路面橫坡接近零坡路段的長度，即通過減小超高過渡段設(shè)計時B值的取值，增大超高漸變率。

2) 調(diào)整超高過渡段設(shè)置位置[12]。

圖1 超高路段排水布置示意

2 超高過渡段設(shè)計中B值的影響分析

2.1 超高過渡段的B值

JTG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》[13]條文說明7.5.7解釋：公路超高過渡段宜采用線性過渡漸變的方式，過渡段長度與超高漸變率的關(guān)系如下：

(1)

式中：Lc為超高過渡段長度，m；Lc=Δi為超高橫坡度與路拱坡度的代數(shù)差，%；B為超高旋轉(zhuǎn)軸至行車道(設(shè)路緣帶時為路緣帶)外側(cè)邊緣的寬度，m；P為超高漸變率，各參數(shù)關(guān)系如圖2所示。

但條文說明7.5.4認為：“設(shè)計中對有硬路肩的公路，應考慮硬路肩隨行車道超高過渡的需要，按實際情況的B值計算，則超高過渡段長度Lc將相應增長。”顯然7.5.4條文說明與7.5.7公式(1)關(guān)于B值的說明存在差異，其差值Δ為扣除路緣帶后的硬路肩寬度。B值取值如圖3所示。

圖2 超高過渡段超高漸變示意

本文認為B值取旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)路緣帶外邊緣寬度時，通過公式計算，能縮短橫坡由-2%至2%的超高過渡段長度，利于路面排水。下面通過對比2種B值取值情況下的路面旋轉(zhuǎn)角速度和水膜厚度，進一步論證該B值取值方式的合理性。

2.2 超高過渡段行車舒適性分析

超高漸變率的影響因素包括路面旋轉(zhuǎn)角速度和路面外側(cè)邊緣的加速度,其中路面旋轉(zhuǎn)角速度為主要因素，影響路面排水及司乘人員的舒適程度，路面外側(cè)邊緣的加速度為次要因素，影響道路的路容。因此，通過計算分析路面旋轉(zhuǎn)角速度，可得出B值不同取值情況下對行車安全性及舒適性影響程度，并通過路面水膜厚度的計算對比不同的排水性能。

圖3 B值不同取值示意

超高過渡段設(shè)置合理與否的核心在于路面旋轉(zhuǎn)角速度(具體應用指標為超高漸變率P)的取值范圍是否合理。在考慮超高過渡段長度時，應將路面旋轉(zhuǎn)角速度控制在一定的數(shù)值范圍內(nèi)。路面旋轉(zhuǎn)角速度太大，路容不美觀；反之，則會造成排水不暢。同時，路面旋轉(zhuǎn)角速度過大或過小，均會對司乘人員的舒適度產(chǎn)生影響。

1) 超高漸變率P的影響因素[14]

(1) 路面外側(cè)邊緣的加速度(或路面內(nèi)側(cè)邊緣的降低速度)；

(2) 以前進方向為旋轉(zhuǎn)軸的路面旋轉(zhuǎn)角速度。

2) 路面外側(cè)邊緣的加速度U

路面外側(cè)邊緣的加速度U計算公式如下：

(2)

式中：V為汽車行駛速度，km/h。

3) 路面旋轉(zhuǎn)角速度ω

路面旋轉(zhuǎn)角速度ω為每單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)過的角度，計算公式如下：

(3)

式(3)中各參數(shù)關(guān)系如圖4所示。

圖4 V、ω、B關(guān)系示意

由公式(2)、(3)可見，在超高漸變率P值相同的條件下，路面外側(cè)邊緣的加速度U保持不變，而路面旋轉(zhuǎn)角速度ω則因B值不同而不同。

由試驗結(jié)果可知，當繞中軸旋轉(zhuǎn)時的超高旋轉(zhuǎn)角速度ω的取值在0.032 rad/s～0.048 rad/s時，繞內(nèi)邊軸旋轉(zhuǎn)時的超高旋轉(zhuǎn)角速度ω的取值在0.016 rad/s～0.024 rad/s，司乘人員無不舒適感[15]。

設(shè)定按設(shè)計速度V=120 km/h、旋轉(zhuǎn)軸為內(nèi)邊軸(即中央分隔帶邊線)、P值取規(guī)范規(guī)定的最大值P=1/200進行計算，不同B值情況下，雙向4車道、6車道、8車道的路面外側(cè)邊緣的加速度及路面旋轉(zhuǎn)角速度結(jié)果見表1。

表1 路面外側(cè)邊緣的加速度及路面旋轉(zhuǎn)角速度計算

由表1可知，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求(即P值不突破規(guī)范規(guī)定最大值)，只有雙向4車道高速公路且B值取旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)路緣帶外側(cè)邊緣的寬度時，超高旋轉(zhuǎn)角速度在0.016 rad/s～0.024 rad/s范圍內(nèi)，滿足司乘人員無不舒適感要求，其余情況下司乘人員的舒適性均將不同程度受離心力影響，且B值取旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)路緣帶外側(cè)邊緣對行車舒適性的影響優(yōu)于取旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)硬路肩外側(cè)邊緣。

2.3 超高過渡段水膜厚度計算分析

1) 確定降雨強度

依托緯地道路設(shè)計軟件的路面水膜厚度計算模塊，基于不同路線設(shè)計指標下公路設(shè)計方案的三維模型，結(jié)合路面構(gòu)造深度值及不同降雨強度狀態(tài)條件，對設(shè)計方案進行水膜厚度計算，將不同指標下的水膜厚度值進行對比，分析B值不同時對水膜厚度的影響程度。

緯地道路設(shè)計軟件的路面水膜厚度計算模塊的默認最大降雨強度為50 mm/h，基于浙江省雨季氣象特點，以下分析設(shè)定按50 mm/h及70 mm/h降雨強度分別進行計算。

2) 工程建模

為確保數(shù)據(jù)的可靠性，只設(shè)定2種取值方式的B值作為變量進行建模。

選擇路段對象及相關(guān)指標：路段范圍，設(shè)定樁號K0+400～K7+000，其中包括凹形、凸形豎曲線各一處，曲線超高路段、雙向4車道、道路橫坡2%、縱坡0.5%，路面構(gòu)造深度取1 mm，降雨強度50 mm/h(70 mm/h)，超高變化段-2%～2%，豎曲線變化區(qū)間見表2。

表2 豎曲線變化區(qū)間 %

根據(jù)計算分析數(shù)據(jù)得出：

(1) 正常橫坡路段，水膜厚度最大值為0.798 1 mm(0.918 5 mm)。

(2) 設(shè)置超高路段，水膜厚度最大值均出現(xiàn)在超高漸變段。

① 超高計算時，B值取旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)路緣帶外邊緣，B=0.75+2×3.75+0.5=8.75 m，超高漸變率取P=1/200計算，水膜厚度變化見表3。

表3 水膜厚度變化

② 超高計算時，B值取旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)硬路肩外邊緣，B=0.75+2×3.75+3=11.25 m，漸變率按最大漸變率P=1/200計算，水膜厚度變化見表4。

③ 根據(jù)表3、表4的計算數(shù)據(jù)，超高過渡段設(shè)計時，B值取旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)路緣帶外邊緣較取至硬路肩外邊緣寬度時水膜厚度變化段長度縮短10 m。對不同B值時各斷面最大水膜厚度進行對比統(tǒng)計，結(jié)果見表5。

表4 水膜厚度變化

由表5統(tǒng)計結(jié)果可知，B值(B=8.75 m)取旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)路緣帶外邊緣時，水膜厚度除個別斷面(凹形豎曲線的硬路肩外側(cè))較B值(B=11.25 m)取旋轉(zhuǎn)軸至硬路肩邊緣時增大外，其余路段水膜影響路段長度及厚度均有明顯改善。

綜上所述，B值取旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)路緣帶外邊緣寬度時能有效減小水膜厚度，更有利于改善超高過渡段的路面排水。

表5 雙向4車道水膜厚度最大值比較

3 結(jié)論

本文通過研究超高過渡段設(shè)計時取用不同B值對路面旋轉(zhuǎn)角速度及對路面排水的影響程度，得出如下結(jié)論：

1) 超高過渡段設(shè)計時，B值取旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)路緣帶外邊緣，可縮短水膜厚度變化段長度(水流路徑長度)10 m。同時，大部分路段水膜厚度較B值取旋轉(zhuǎn)軸至硬路肩邊緣時小，說明路面排水現(xiàn)象有所改善。因此，計算超高過渡段長度時，B值取超高旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)路緣帶邊緣寬度較取超高旋轉(zhuǎn)軸至右側(cè)硬路肩邊緣寬度更為合理。

2) 超高過渡段設(shè)計時，6車道及以上高速公路宜設(shè)置雙路拱，或采用更大的超高漸變率，使路面超高旋轉(zhuǎn)角速度保持在合理區(qū)間。