聶 文，陳 搏,*，李偉雄,，張肖寧,，楊倪坤

(1.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣州 510641；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510641)

隨著交通量的增長(zhǎng)與行車速度的提高，以及隧道特殊環(huán)境的影響，隧道行車安全問(wèn)題越來(lái)越突出，倍受社會(huì)與業(yè)內(nèi)的關(guān)注。受施工環(huán)境的制約，長(zhǎng)大隧道路面仍然以水泥混凝土路面為主，而刻槽方式以其操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性高而成為水泥路面抗滑構(gòu)造的主要選擇形式。隨著路面抗滑性能的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)路面構(gòu)造粗糙度是決定了道路抗滑性能的重要因素，也為水泥混凝土路面紋理形式提供了新的思路。傳統(tǒng)的做法有拉毛、拋丸、銑刨、刻槽等，近年來(lái)又新增金剛石研磨、金剛砂水泥漿、露石水泥混凝土等處理方法，但這些因?yàn)樵靸r(jià)偏高、技術(shù)不成熟而難以大面積推廣應(yīng)用[1-3]?，F(xiàn)階段，一種致密弧形的紋理化工藝在中國(guó)的多項(xiàng)高速公路水泥混凝土路面應(yīng)用，該工藝采用連續(xù)致密的弧形溝槽取代了傳統(tǒng)的矩形刻槽，大幅度改善了路面粗糙度，取得良好的抗滑與降噪效果[4]。

現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中，主要采用鋪砂法測(cè)定的構(gòu)造深度指標(biāo)來(lái)表征路面宏觀尺度下的構(gòu)造分布，而擺式摩擦系數(shù)對(duì)路面微細(xì)觀構(gòu)造的敏感性較強(qiáng)，一定程度上可以表征路表的微細(xì)觀紋理情況。而橫向力系數(shù)則考慮了速度的影響，通過(guò)高速行車下的測(cè)試輪軸向摩擦阻力與垂直荷載的比值，評(píng)價(jià)路面的抗滑水平，也把路面“粗”的宏觀構(gòu)造和“糙”的微細(xì)觀構(gòu)造結(jié)合起來(lái)，間接表征路面的粗糙程度。鋪砂法和擺式儀法原理簡(jiǎn)單，但是受人為因素干擾較大；橫向力系數(shù)法受測(cè)試輪胎的磨損影響，不同時(shí)間的測(cè)試結(jié)果變異性較大，且對(duì)路段長(zhǎng)度要求高，存在一定的測(cè)試盲區(qū)[5]。很多學(xué)者使用激光掃描法、表面輪廓儀法，甚至斷層掃描技術(shù)(computed tomography，CT)和核磁成像法也有所嘗試，具有掃描精度高、三維重構(gòu)效果良好等優(yōu)點(diǎn)，但是費(fèi)用昂貴，且局限于室內(nèi)試驗(yàn)[7]。此外，隨著胎/路接觸作用機(jī)理的深入研究，發(fā)現(xiàn)路面的抗滑性能本質(zhì)上為輪胎與路面嚙合作用下的水平摩擦作用，因此輪胎接觸界面的構(gòu)造形態(tài)研究是關(guān)鍵。

鑒于胎/路接觸作用的復(fù)雜性，主要采用壓力膠片測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展輪胎與不同路面的接觸特性試驗(yàn)研究，從接觸力學(xué)的角度提出一種輪胎有效接觸界面的構(gòu)造粗糙度測(cè)試與評(píng)價(jià)方法，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，以期為路面構(gòu)造粗糙度評(píng)價(jià)技術(shù)提供參考。

1 壓力膠片測(cè)試技術(shù)

主要使用日本的Prescale壓力膠片測(cè)試技術(shù)。Prescale膠片主要通過(guò)受壓顯色的特性可以作為壓力傳感器使用[7]。膠片分為兩片，一片上面均勻的涂著微囊劑，另一片上面涂顯色物質(zhì)。根據(jù)微膠囊緩釋控制技術(shù)(PSC)，發(fā)色劑層中不同的微膠囊對(duì)應(yīng)不同壓力水平，小的微囊劑用以測(cè)量高壓，大的微囊劑用以測(cè)量低壓。不同微膠囊在相應(yīng)的壓力水平下釋放不同顯色劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而表現(xiàn)出不同濃度的紅色。壓力膠片測(cè)量結(jié)果精度高(達(dá)0.016 mm2)，受環(huán)境以及測(cè)量因素的影響較小，雙片薄膜(0.09 mm×2 mm)在輪胎與路面間放置，不會(huì)改變輪胎與路面的接觸特性。

2 胎路接觸作用原理

當(dāng)胎面橡膠與凹凸不平的路面構(gòu)造接觸時(shí)，由于橡膠硬度遠(yuǎn)低于路面硬度，加上輪胎內(nèi)部非實(shí)體的充氣結(jié)構(gòu)，因此橡膠輪胎在路面構(gòu)造凸部發(fā)生大變形，與構(gòu)造頂部產(chǎn)生包絡(luò)接觸。影響輪胎與路面接觸特性的因素主要分為兩大類，輪胎因素和路面因素[8-9]。輪胎因素主要包括輪載、輪壓、輪胎的硬度和花紋等。路面因素主要涉及石料棱角、混合料級(jí)配組成以及施工后構(gòu)造控制等。輪胎與路面的接觸特性，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面:一是輪胎因?yàn)槠胶夂奢d自身而發(fā)生整體變形，即接地面積和壓力問(wèn)題；二是因?yàn)闃?gòu)成宏觀構(gòu)造的凸起集料顆粒而產(chǎn)生局部包裹、嵌入式輪胎變形。路面構(gòu)造越粗糙，則胎/路的嚙合程度加劇，可以通過(guò)輪胎接觸應(yīng)力分布的非均勻性體現(xiàn)。

3 實(shí)體工程的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 工程概況

近年來(lái)，一種新型高仿形弧型紋理技術(shù)用于改善隧道混凝土路面表面構(gòu)造，以增加水泥混凝土路面抗滑性能，同時(shí)有效降低隧道內(nèi)部的輪胎/路面噪聲(圖1)。江羅高速王北凹隧道(左幅3 751 m，右幅3 713 m)和三岔頂隧道(左幅3 191 m，右幅3 192 m)混凝土路面采用了新型的紋理化施工技術(shù)，使用的高仿形紋理化(HOG)專用處理機(jī)車進(jìn)行施工。處理后路面形成豐富的宏觀和微觀紋理，不同于普通鋸片刻槽，HOG處理的路面呈現(xiàn)具備良好鑲嵌性的縱向波浪形淺紋理。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)竣工驗(yàn)收檢測(cè)，紋理化處理的隧道水泥混凝土路面構(gòu)造深度平均值≥0.8 mm，橫向力摩擦系數(shù)(SFC)達(dá)到65以上，行駛車內(nèi)噪聲與過(guò)渡段以及瀝青混凝土路面無(wú)明顯增加，施工效果良好，如圖2所示。

圖1 紋理化與刻槽路面的對(duì)比Fig.1 Comparison of textured and grooved pavement

圖2 紋理化處理后的隧道路面Fig.2 Tunnel textured pavement

3.2 測(cè)試流程

對(duì)隧道的瀝青過(guò)渡段、水泥混凝土路面入口段、洞中水泥混凝土一般段等位置進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)點(diǎn)布置如表1所示。

表1 隧道測(cè)點(diǎn)布置Table 1 Arrangement of tunnel measure points

注：√表示測(cè)試；×表示不測(cè)試。

試驗(yàn)采用較具代表性的小客車走向花紋全鋼絲子午線輪胎，同時(shí)基于實(shí)際道路超載情況考慮，采用超載20%工況(即單輪負(fù)荷為15.8 kN)，輪胎氣壓采用標(biāo)準(zhǔn)胎壓770 kPa。選擇多種規(guī)格膠片進(jìn)行試驗(yàn)，主要型號(hào)為4LW(0.05～0.2 MPa)、LLLW(0.2～0.6 MPa)、LLW(0.5～2.5 MPa)、LW(2.5～10 MPa)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 壓力膠片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.3 Field test of pressure film

同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)成型光面水泥混凝土板和刻槽試件(槽寬4 mm，間距25 mm，槽深4 mm)，采用PMW400-500 電液式脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)輪胎施加靜載，獲取相同試驗(yàn)輪胎與光面路面、刻槽路面的接觸應(yīng)力，以作參考。

4 測(cè)試結(jié)果分析與討論

4.1 接觸應(yīng)力分布特性

圖4 隧道路面的輪胎接觸應(yīng)力分布Fig.4 The tire contact stress distribution on tunnel pavement

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的壓力膠片結(jié)果，分別獲取不同規(guī)格壓力膠片的有效值，即：4LW膠片的0.05～0.2 MPa、3LW膠片的0.2～0.6 MPa、2LW膠片的0.6～3.0 MPa、LW膠片的0.6～10 MPa，通過(guò)數(shù)值矩陣的組合，繪制應(yīng)力分布的隨機(jī)累計(jì)概率圖，如圖4所示。光面水泥板、刻槽路面、紋理化的水泥路面、GAC-16瀝青路面上的有效接觸應(yīng)力在0～10 MPa均有分布，尤其是瀝青路面，在2 MPa以上的比例可達(dá)40%，與傳統(tǒng)認(rèn)為的輪胎0.7 MPa均勻荷載完全不同，實(shí)際輪胎與路面的接觸應(yīng)力呈現(xiàn)出顯著的非均勻分布特性。

4.2 Weibull分布模型

輪胎接觸應(yīng)力的均勻性可以有效描述路面的抗滑構(gòu)造粗糙程度，而應(yīng)力分布的數(shù)學(xué)描述模型是關(guān)鍵。Weibull分布是瑞典物理學(xué)家Weibull于1939年在研究材料壽命的可靠性時(shí)提出的，1951年發(fā)表后常被用于產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)。Weibull分布的分布函數(shù)形式為

(1)

式(1)中:a為位置參數(shù)；c為形狀參數(shù)；1/b為尺度參數(shù)，屬于疏散性指標(biāo)。

對(duì)式(1)進(jìn)行兩次對(duì)數(shù)變換：

ln{-ln[1-F(x)]}=c[ln(x-a)-lnb]

(2)

令Y=ln{-ln[1-F(x)]}、X=ln(x-a)、k=-clnb，則：

Y=cX+k

(3)

根據(jù)最小二乘法殘差平方和最小的原則，則有：

(4)

式(4)中：Y、X、k、Q為簡(jiǎn)化的表達(dá)式代號(hào)。

通過(guò)對(duì)a進(jìn)行一定步長(zhǎng)的迭代計(jì)算，再由線性回歸擬合，確定Weibull分布的三個(gè)參數(shù)和相關(guān)性系數(shù)。以江羅高速三岔頂隧道西行超車道的三個(gè)測(cè)點(diǎn)為例，計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，不同路面上的輪胎接觸應(yīng)力分布滿足Weibull分布模型，擬合優(yōu)度均可達(dá)到0.99以上。

表2 不同路面的Weibull參數(shù)Table 2 Weibull parameters of different pavements

4.3 接觸應(yīng)力的非均勻性評(píng)價(jià)

Weibull函數(shù)的形狀參數(shù)c又稱為Weibull模量，在材料強(qiáng)度的規(guī)律研究中，Weibull模量是表征材料強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果離散程度的指標(biāo)，與強(qiáng)度的均勻性(可靠度)成正相關(guān)[10]。因此，在胎/路接觸應(yīng)力的隨機(jī)分布中，可以使用c值表征路面粗糙程度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)隧道不同路段的壓力膠片測(cè)試結(jié)果，如圖5所示。由圖5可以看出,瀝青路面的Weibull模量值最小，紋理化路面接近，刻槽路面次之，光面水泥板最小，說(shuō)明瀝青路面的輪胎接觸應(yīng)力分布的離散性最大，而輪胎在光面無(wú)構(gòu)造水泥板上的接觸應(yīng)力最均勻，該規(guī)律與實(shí)際路面構(gòu)造粗糙度規(guī)律吻合。紋理化處理技術(shù)有助于提高路面粗糙程度，紋理化越致密，Weibull模量值越小，則輪胎接觸應(yīng)力分布的離散性越顯著，路面構(gòu)造豐富度隨之提高。

圖7 路面接觸應(yīng)力集中效應(yīng)Fig.7 Pavement contact stress concentration effect

圖5 不同路面的Weibull模量Fig.5 Weibull modulus of different pavements

對(duì)比隧道的慢車道路面與超車道路面測(cè)試結(jié)果，慢車道路面的Weibull模量值明顯大于超車道路面，而慢車道以重載貨車交通量為主，超車道以小轎車為主，慢車道的路面構(gòu)造衰減速度大于超車道的衰減速度，而隨著路面構(gòu)造的輪碾磨耗作用，路面粗糙度趨向光滑狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 不同車道路面構(gòu)造磨損Fig.6 Wear condition of different lane pavement

4.4 不同路面的接觸應(yīng)力集中效應(yīng)

輪胎在宏觀構(gòu)造的粗集料凸起顆粒上產(chǎn)生局部包裹、嵌入式變形，從而導(dǎo)致接觸界面的應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖7所示。然而，應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生的原因不僅僅因?yàn)槁访娴拇植诔潭龋词故窃谄秸墓饷嫠喟迳?，也存在?yīng)力集中效應(yīng)，主要出現(xiàn)在接地印痕的花紋塊邊緣位置。

由應(yīng)力峰值計(jì)算結(jié)果(圖8)分析可得，輪胎與光面水泥板的應(yīng)力峰值為1.76 MPa，輪胎與刻槽路面的接觸應(yīng)力峰值為3.37 MPa，說(shuō)明水泥路面通過(guò)刻槽工藝，可以改善路面粗糙度，使得輪胎與刻槽路面的接觸應(yīng)力出現(xiàn)明顯的峰值現(xiàn)象。而紋理化水泥路面與瀝青路面上的接觸應(yīng)力峰值均達(dá)到5 MPa以上，瀝青路面上的應(yīng)力峰值最大，達(dá)到7 MPa以上，紋理化路面次之，但也較為接近。表面接觸應(yīng)力峰值進(jìn)一步說(shuō)明了紋理化后水泥路面粗糙程度接近甚至可達(dá)到瀝青路面的粗糙度水平。而慢車道的重載交通下，路面構(gòu)造衰減速度較快，使得慢車道路面的輪胎接觸應(yīng)力峰值出現(xiàn)明顯的下降，該變化規(guī)律與Weibull模量一致。

圖8 不同路面的應(yīng)力峰值Fig.8 Peak stress of different pavements

4.5 基于接觸力學(xué)的粗糙度評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

由于輪胎結(jié)構(gòu)和橡膠復(fù)合材料的非線性材料屬性，輪胎與路面接觸過(guò)程的綜合變形非常復(fù)雜。Blundell等[11]通過(guò)簡(jiǎn)化的Fiala圓環(huán)梁模型分析了輪胎在路面突起構(gòu)造物的包絡(luò)特性，研究發(fā)現(xiàn)：路面突起構(gòu)造引發(fā)的輪胎撓曲變形主要與輪胎類型、負(fù)荷與胎壓有關(guān)，而突起物受力與輪胎徑向變形呈現(xiàn)線性關(guān)系。輪胎與路面構(gòu)造的接觸為復(fù)雜的多點(diǎn)接觸狀態(tài)，而應(yīng)力峰值的物理意義體現(xiàn)在構(gòu)造峰頂?shù)淖畲髴?yīng)力值，從一定程度上可以表征胎/路接觸界面的構(gòu)造包絡(luò)特性，但是仍屬于單點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。路面粗糙度可以通過(guò)輪胎接觸界面的構(gòu)造分布狀態(tài)映射，而體現(xiàn)在整個(gè)界面的接觸應(yīng)力分布。4.2節(jié)Weibull模量主要表征了輪胎接觸應(yīng)力的整體分布特性，隨著不同路面粗糙度的增加(光面水泥板、刻槽路面約50 SFC、紋理化路面約65 SFC、瀝青路面約69 SFC)，Weibull模量出現(xiàn)線性下降趨勢(shì)。建立Weibull模量與應(yīng)力峰值的相關(guān)性模型，如圖9所示。Weibull模量與應(yīng)力峰值一定程度上呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)性系數(shù)R2為0.711 6)，隨著Weibull模量的增大，輪胎接觸應(yīng)力趨向均勻分布，當(dāng)Weibull模量趨向無(wú)窮大，接觸應(yīng)力為均布荷載。而對(duì)于路面的粗糙度評(píng)價(jià)，雖然接觸應(yīng)力峰值有直接的表征意義，但是存在單點(diǎn)評(píng)價(jià)的局限性；Weibull模量可以從接觸界面上進(jìn)行整體的應(yīng)力分布均勻性評(píng)價(jià)。因此，采用兩個(gè)指標(biāo)的結(jié)合進(jìn)行路面的構(gòu)造粗糙度評(píng)價(jià)將更加全面。

圖9 Weibull模量與應(yīng)力峰值的相關(guān)性Fig.9 The correlation between Weibull modulus and peak stress

5 結(jié)論

(1)結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)路面壓力膠片測(cè)試，不同路面上的輪胎接觸應(yīng)力分布為典型的非均勻分布狀態(tài)，且具有一定的隨機(jī)分布特性，可以從接觸力學(xué)的角度反映路面構(gòu)造分布形態(tài)。

(2)三參數(shù)Weibull模型可以很好地表征實(shí)際路面上的輪胎接觸應(yīng)力分布，其中采用Weibull模量能夠有效評(píng)價(jià)不同路面的輪胎接觸應(yīng)力離散程度，隨著路面粗糙度的增加，Weibull模量值變小。

(3)輪胎與路面粗糙構(gòu)造產(chǎn)生的嚙合作用，在峰頂位置產(chǎn)生顯著的應(yīng)力峰值，隨著路面粗糙度的增加，應(yīng)力峰值增大，進(jìn)一步說(shuō)明了紋理化后水泥路面粗糙程度接近甚至可達(dá)到瀝青路面的粗糙度水平。

(4)從適用范圍分析，應(yīng)力峰值可以表征單點(diǎn)構(gòu)造峰頂接觸應(yīng)力最大值，直接反映了路面構(gòu)造與輪胎的包絡(luò)變形程度，而Weibull模量可以從接觸界面上進(jìn)行整體的應(yīng)力分布均勻性評(píng)價(jià)，屬于間接性面域評(píng)價(jià)指標(biāo)，二者的結(jié)合能夠更加全面地進(jìn)行路面構(gòu)造的粗糙度評(píng)價(jià)。