低成本模碾式路肩振动带施工及质量评判研究.doc

低成本模碾式路肩振动带施工及质量评判研究高世君 1，崔喆 2，宋路娟 1，周伟 3，王元庆 11 长安大学公路学院，西安 (710064)2 陕西省公路勘察设计院，西安 (710068)3 交通部科学研究院，北京 (100029)e-mail：摘要：针对国外普遍采用的切削式路肩振动带和国内铣刨式路肩振动带成本高的问题，提 出新型模碾式路肩振动带，通过设计模具并对施工工艺进行研究，得出模碾式路肩振动带制 作成本明显降低，同时从路面结构性能、振动、噪声影响效果验证了模碾式路肩振动带良好 的质量效果。关键词：模碾式路肩振动带，模具，施工工艺，质量效果1. 引言高速公路交通事故给人们的生命及财产安全带来了严重的损失。据调查约 1/3 以上事故 因驾驶员精力不足、昏昏欲睡、疲劳驾驶造成，西方国家在公路上设置了路肩振动带，给脱 离正确行驶轨迹的驾驶员以提醒，使其尽快返回行车道。应用表明，连续设置路肩振动带时 可明显降低交通事故率，但是国内外常用的路肩振动带成本较高，为此本文将开展模碾式新 型低成本路肩振动带的施工工艺及质量标准评价的研究。2. 国内外常用路肩振动带分析切削式路肩振动带可设在新建或已存在的沥青或硅酸盐水泥混凝土路肩上，它是靠机器 在路肩上切割出一个平滑的沟，当以合适的间距重复切割这种沟后就形成了路肩振动带，这 种形式的路肩振动带改变了路面表面的形式，使驶入的车辆轮胎陷入其中，由此产生一定的 振动和听觉效果1。由于采用特殊设计的专用切削机，使得施工费用较高。图1 切削式路肩振动带国内高速公路路肩振动带主要是铣刨式的，一般用在已经成型的道路上，这种路肩振动 带和国外的切削式基本相似，由于国内刀具质量十分不稳定，在实际使用中经常出现刀体早 期磨损、硬质合金刀头非正常脱落等不正常失效，主要使用国外进口的刀具，因而造成铣刨 成本的增加。- 11 -3. 模碾式路肩振动带研究3.1 模碾式路肩振动带模具设计图2 铣刨设备图本文研究先制作模型再进行碾压的方式来制作路肩振动带。经查阅国内外的资料并结合我国高速公路的实际情况，发现我国高速公路存在如下问题：(1)路上交通量从现有分道行驶的高等级公路来看，当交通量较小时，各种车型的 行驶状态在横向分布上其随机性较大；当交通量较大时，中型以上的车辆相对集中在紧靠硬 路肩的右侧行车道上行驶，左侧行车道则成为小车道和超车道；当交通量大于通行能力时， 各种车型在横向分布上则较为紊乱，往往会出现硬路肩范围亦作为行车道行驶的状态。通过 国内建成公路的调查，若公路管理完善，收费合理，则预测值比实际交通量要小。(2)车辆组成高速公路上大型货车数量增加较快，给公路交通运行带来了一些不利 的影响，主要表现在：c大型车占用的道路空间比小型车大，其比例的增加使得公路交通流 流率下降；d大型车运行性能比小型车差，很多情况下大型车辆跟不上小型车，在交通流中 形成的大间隙很难由超车来填补，这就造成无法完全避免的道路空间的低效作用；e大型车 加速、减速和保持上坡车速的能力低，并且不易控制，发生紧急事故时及时避让的灵活性差。从行车安全的角度考虑，路肩振动带模具尺寸应更加注重满足大型车的交通需求2。因 此，以大型货车后轮的宽度 400mm 作为模具的长度，以大型货车后轮接地宽度 180mm 作 为模具的宽度，当路肩振动带的深度为 10-15mm 时，大型货车后轮刚好接地，所以以大型 货车后轮接地的深度作为模具的深度。因此，模碾式路肩振动带模具应具备以下要求：径向宽度 180mm-200mm，横向宽度400mm 左右，模具厚度也就是槽深 13mm 左右。根据实验测算在施工过程中模具与模具的 摆放距离应该满足 130mm 的距离要求，如图所示。图3 模碾式路肩振动带模具3.2 模碾式路肩振动带的施工过程施工步骤安排如下：(1)为了减少振动带对通行交通可能造成的不利影响，路肩振动带一般不设置在紧邻行车道边缘处，而是保持一定的距离，一般为 100-300mm。另一侧也不能延伸至路肩边缘， 因为要为车辆得到提醒后重新返回行车道预留一定的转向空间，而且也为自行车等其它路肩 使用者提供了一定的空间。当需要在路肩上进行施工时，这种设置还可使施工车辆在路肩上 行驶时完全横跨于振动带之上，减少施工车辆给正常交通带来的干扰。因此，首先确定行车道边沿，在距行车道边沿外侧 10cm 的地方划白线，此处为模具摆 放地点。如图 4 所示：图4 确定模具摆放点(2)施工人员快速地摆放振动带模型，如图 5 所示：图5 摆放模碾式路肩振动带模具(3)摆放好模具以后，使用钢轮和胶轮配合碾压，如图 6 所示：图6 钢轮和胶轮碾压过程通过施工，现将几种路肩警示设施制作成本对比如下：表1每米路肩振动带的制作成本（单位：元/米）凸起振动标线2630铣刨式路肩振动带911模碾式路肩振动带5从表 1 可以看出，模碾式路肩振动带的制作成本明显降低，但是能否起到其他路肩警示 设施相同的效果，需进一步检验。3.3 模碾式路肩振动带质量评价路肩振动带的施工效果主要从是否破坏路面结构层、是否满足振动以及噪声标准三个方 面进行评价。3.3.1 模碾式路肩振动带施工对面层结构影响评价1、沥青混合料马歇尔试验（表干法）(1)实验目的：通过沥青混凝土试件在规定的温度和速度条件下受压，来测定沥青混凝 土的稳定度和流值指标。(2)实验内容及数据统计表2 马歇尔实验工程名称路面上面层取样地点下行线 k14+250-k14+350结构层位上面层实验单位陕蒙高速公路 sm-7 标实验室试验规范jtj052-2000 t0705-2000t0709-2000试验日期2006.8.20混合料类型ac-bc 粗型密集配沥青混合料最大理论相对密度2.552 g/cm3击实次数（次）双面-75沥青种类sbs 改性沥青-90（sk）沥青相对密度1.030 g/cm3油石比%4.8为和更好地反应施工后试件发生的变化，我们采取将施工前与施工后的试件测得的实验数据对比的方法，统计结果如下：表3 施工前后试件数据对比统计表试件编号1234试件尺寸(mm)直径101.6101.6101.6101.6高度152.263.452.663.5252.163.452.263.2352.263.552.563.6452.363.452.363.4平均52.263.42552.463.425干燥试件空中质量（g)1219.41220.11221.51219.3试件水中质量（g)720.3719.5721.3718.2试件表干质量（g)1222.31221.4毛体积相对密度（%）2.4292.4312.4332.429空隙率（%）4.8沥青体积百分率（%）11.810.812.110.8矿料间隙率（%）13.814.713.714.8沥青饱和度（%）6867.66867.5稳定度（kn)14.1113.2915.1116.03流值（0.1mm)25.927.826.425.81223.41220.2注：试件 1，3 为轧制后；试件 2，4 为轧制前。(3)实验结果分析轧制前后试件的平均高度相差 10-13mm，在干燥试件空中质量，试件水中质量，试件 表干质量，毛体积相对密度，稳定度，流值等几个指标上我们可以看出轧制前后基本是一致 的，但是在空隙率，沥青体积百分率，矿料间隙率，沥青饱和度等几个指标上，轧制后的数 据一般比轧制前低。经过实验符合公路沥青路面施工技术规范及设计要求。2、沥青混合料压实度试验(1)试验目的与适用范围表干法适用于测定吸水率不大于 2%的各种沥青混合料试件，包括较密实的沥青混凝土， 抗滑表层混合料，沥青玛蹄脂碎石混合料（sma）试件的毛体积相对密度或毛体积度。本 方法测定的毛体积密度适用于计算沥青混合料试件的空隙率，矿料间隙率等各项体积指标。(2)试验过程试验模具作用在现铺沥青混凝土路面上，碾压过程采用 15t 光轮压路机，20t 胶轮压路 机对其进行压实。压实成型后按照规范要求采集试件进行指标检验3。图7 同结构同材料对比试验沥青混凝土试件表4 沥青混合料压实度试验内容记录表工程名称路面上面层取样地点下行线 k14+250-k14+350试验单位陕蒙高速公路 sm-7 标实验室结构层位上面层试验规程jtj052-2000（t0705-2000）jtj059-95（t0924-95）设计厚度4cm取样时间2006.8.21试验时间2006.8.21幅别下行线起讫桩号下行线 k14+250-k14+350沥青种类sbs 改性沥青-90混合料种类粗型密集配沥青混凝土级配类型ac-13c 沥青混凝土水密度1.0 g/cm3（3）试验结果及分析表5 沥青混合料压实度试验结果试验编号1234日期2006.8.212006.8.212006.8.212006.8.21桩号（部位）k14+270 右三米k14+270 左两米k14+350 右三米k14+350 左两米厚度（mm）30.142.431.243.2试件重量（g）766.4781.6759.5783.5试件水中质量（g）451461.6449.3463.9试件表干质量（g）762.3784.4763.4787.4试件密度（g/cm3）2.5262.4212.5222.418标准密度（g/cm3）2.4312.4312.4312.431压实度（%）99.899.699.899.5试验结果分析：试验中可以看到面层比正常小 10-13mm，轧制后密度增大，压实度提高，经过试验符合公路沥青路面施工技术规范及设计要求。3、路面厚度测试试验表6 路面厚度测试试验工程名称路面上面层试验单位陕蒙高速公路 sm-7 标实验室试验规程jtj059-95（t0924-95）试验时间2006.8.21起讫桩号下行线 k14+250-k14+350结构类型ac-13c 沥青混凝土幅别下行线允许偏差（mm）5.00试验结果：表7路面厚度测试试验结果测点桩号测点位置设计厚度（cm）实测厚度（cm）偏差（cm）k14+270左两米44.20.2k14+270右三米431k14+325左两米44.30.3k14+325右三米43.10.9试验结果分析：在现场摊铺的过程中，在轧制试验的两个测点 k14+270 右三米和k14+325 右三米实测上面层的厚度都比没有轧制的 k14+270 左三米和 k14+325 左三米正常路面上面层低 1.0-1.5cm，达到了试验预期。4、路面构造深度试验表8 路面构造深度试验工程名称路面上面层试验单位陕蒙高速公路 sm-7标实验室试验规程jtj059-95（t0924-95）试验时间2006.8.20起讫桩号下行线 k14+250-k14+350沙的体积25cm3表9 路面构造深度试验结果组号12测点桩号k14+270k14+325横距（m)3.002.003.004.002.001.00摊铺直径（mm)d1190.00205.00210.00220.00215.00210.00d2190.00200.00215.00215.00210.00215.00平均值（mm)190.00202.50212.50217.50212.50212.50构造深度（mm)单值0.880.780.700.670.700.70平均值0.800.70试验结果分析：沥青路面的抗滑性能是一项重要的路用性能，它取决于集料自身的表面纹理结构，以及混合料的集配所决定的表面构造深度。在轧制试验的两个测试点 k14+270 和 k14+325 平均构造深度 0.8mm，标准差 0.07mm，变异系数 0.09%，符合公路沥青路面 施工技术规范及设计要求，在轧制试验中并没有因为轧制造成路面的不平整及表面构造深 度超标。5、路面渗水系数试验表10路面渗水系数试验工程名称路面上面层设计渗水系数300ml/min试验规程jtj059-95（t0924-95）试验时间2006.8.20起讫桩号下行线 k14+250-k14+350试验单位陕蒙高速公路 sm-7 标实验室表11 路面渗水系数试验结果测点编 号测点桩号第一次读数第二次读数渗水系数（ml/min）水量（ml）时间（s）水量（ml）时间（s）单值平均值1k14+2700016560165150k14+2700015060150k14+27000135601352k15+3250016060160151.7k15+3250015560155k15+3250014060140图8 取样图试验结果分析：在实际当中路面由于渗水导致基层承载能力下降发生的破坏占有相当 大的比列，因而在试验当中渗水是一项非常重要的试验，从上表可以看出，试验数据满足公 路沥青路面施工技术规范及设计要求。从上面的各项试验数据得出，轧制试验是成功的，施工时并没有因为轧制而破坏路面的 结构4-6。3.3.2 模碾式路肩振动带振动效果评价 目前国内外在汽车振动乘坐舒适性评价问题上所持观点不同，评价方法特点也不同。而被广泛采用的 iso2631 和 gb4970-85 也不能令人完全满意。这些方法大都只对“不同路面等级”、“不同车速”、“不同测点”、“不同振动方向”分别进行评价，而没考虑几个方面的综 合因素。本文从乘坐者的角度考虑，采用“振动舒适性法” 将振动加速度均方根值与人的主 观感觉和汽车振动舒适性联系起来评价路肩振动带的振动效果，体现人性化思想。试验所采用的仪器为 dewe-2010 型振动信息采集仪，其通过几个高敏探头与车辆底 盘、驾驶员、方向盘等汽车振动敏感区连接来对行进中的车辆振动信息进行有效采集，并将 收集到的信息传输存储到电脑主机，在主机上根据需求进行形管数据处理和图形信息处理。 仪器见图 9。图9 dewe-2010型振动信息采集仪人体对不同频率振动的敏感程度不同。总的来说，人体对振动的忍受力以某种特定方式 随暴露时间的增加而减少。若 x、y 方向 a 的水平振动的加速度均方根值分别为 awx、awy， z 方向的垂直振动加速度均方根值为 awz，则总的加速度均方根值a =(1.4a)2 + (1.4a)2 + a 2（1）wwxwywz在实际试验测量的时候，需要测量汽车不同车速和不同位置的振动加速度或者是振动 舒适度 cv 。当测量汽车 n 个不同车速下 m 个不同测点处的加速度后，通过计算得出 nm个振动舒适度值，它们可以构成一个 nm 维的关系矩阵r ccv 11cv 12 cv 1m cv 21cv 22v 2 m r （2） cvn1cvn 2cvnm对于某类汽车不同车速下的振动舒适度加权系数矩阵为:a1=a1 a 2 a n t对于某类汽车不同位置处的振动舒适度加权系数阵为:a2 =p1 p2 pn 由此可以得出汽车总的振动舒适度为：（3）（4）试验振动图 10（ad）cv = a1 r a2 （5）图10 振动图（a）图10振动图（b）组数车速 h/kmawcv1601.089340.441370912700.6802950.619194553800.531960.741983541000.5677650.7084609751200.24641图10振动图（c）图10振动图（d） 表12 试验结论试验车辆为桑塔纳 2000，车况良好，天气晴朗。试验分析：对照舒适规范车速 v=60h/km 时，cv=0.44 人体感觉在不舒适和很不舒适之 间，v=70h/km 时，cv=0.619 人体感觉在不舒适和有些不舒适，v=80h/km 时，cv=0.7419 人体感觉在不舒适和有些不舒适，v=100h/km 时，cv=0.7085 人体感觉在不舒适和有些不舒 适，v=120h/km 时，cv=1.00 人体感觉没有不舒适。在目前中国的高速公路当中基本是以 v=120h/km 为车速的上限的，所以就以上试验我 们可以得出在车速不超速的情况下，路肩振动带是可以对驾驶人员起到提醒的目的并且不会 对驾驶员起到副作用危害到驾驶安全7-10。3.3.3 模碾式路肩振动带噪声效果评价 本次噪音测试采用手拿持式测噪器，研究表明车内噪声主要来自发动机噪声、气流噪声、车体振动噪声、悬挂系统噪声及其它零部件噪声 5 个方面。在试验过程中主要是测试车内噪声的分贝是否能够达到一个提醒驾驶员的目的。试验车辆为桑塔纳 2000，车况良好，天气晴朗，试验地点为陕蒙高速公路。表13 测试试验（1）试验次数车速（km/h）分贝（db）16089.8290.138091.6491510090.4690.6试验车辆为桑塔纳 2000，车况良好，天气晴朗试验地点为 210 国道。表13 测试试验（2）试验次数车速（km/h）分贝（db）16076.3276.138077477.6通过上述两组数据对比我们不难看出在设置了路肩振动带的路段车内噪声均比没有设置的要大；但是各组数据均在国家标准范围内。因而路肩振动带在噪声方面完全可以达到实 际交通工程的需要。4. 陕蒙高速公路实验工程及实施效果陕蒙高速公路在 k14+240-k14+360 处开展了模碾式路肩振动带实验工程。一年多的使 用表明，在模碾式路肩振动带设置处很少发生车辆驶出路侧的事故。图11 陕蒙高速公路模碾式路肩振动带统计 2007 年陕蒙高速共发生交通事故 97 次，事故死亡 7 人，路政事故损失 432192.5 元。与该路改建前的 2005 年相比，分别为以前的 75.2%、50.6%和 79.1%。与现有国内高速 公路事故率相当，但其平均事故损失、亿车公里死亡率仅为其他高速公路的 54.5%、76.3%。 表明陕蒙高速实施模碾式路肩振动带保障行车安全发挥较好的效果。5. 结语通过模碾式路肩振动带的模具设计、施工工艺、质量评价的研究及陕蒙高速公路实验 工程，验证模碾式路肩振动带不仅成本低，而且具有较好的使用效果。如何实现模具摆放的 机械化，从而进行模碾式路肩振动带的大规模作业有待进一步研究。参考文献1 inventory of special facilities highway research .transportation research circular number 394. trb2 chen.a study effectiveness of various shoulder rumble strips on highway safety r virginia department oftransportation, 1994.3王晓磊，肖维，李春雷等 沥青混合料最佳油石比确定方法试验研究n，中国公路工程，第23卷 第一期4 赵可生，戴光明.公路沥青路面施工技术n，华东公路，总第159期5姚利杰，蔡鑫，李宁利.高性能冷铺沥青混合料配合比设计及应用n，总第156期6jtj 0522000公路工程沥青及沥青混合料试验规程s，北京：人民交通出版社，2000. 7郑郧. 汽车振动舒适性的测量与评价n，客车技术与研究，2000年第4期8iso2631关于人体承受全身振动的评价指南s，北京：中国标准出版社，1995 9gb4970-85汽车平顺性随机输入行驶试验方法s，北京：中国标准出版社，199910 gb/t12447客车平顺性评价指标及极值s，北京：中国标准出版社，1996research on construction and quality judgment of low cost mold grinds shoulder rumble stripesgao