■赖世桂

(福建龙岩市公路局，龙岩　364000)



龙岩山区公路避险车道制动距离实车试验研究

■赖世桂

(福建龙岩市公路局，龙岩364000)

摘要为能充分掌握山区公路长下坡路段避险车道的设计技术，本文依托福建龙岩山区公路避险车道实际工程，开展了避险车道制动距离实车试验研究，以期了解避险车道的制动规律，优化目前的理论设计方法。试验研究发现：制动床材料是影响避险车道制动性能和制动床长度的重要因素。沉陷深度与路床的阻尼系数有很好的相关性，车轮陷入程度越深、材料滚动阻尼系数越大。车速对制动距离的影响极为显著，低速冲入时，轴重会显著增大沉陷深度，高速冲入时，车辆会出现跳车现象，影响制动床集料的减速效果。普通公路和高速公路避险车道制动距离计算建议采用较为保守的理论公式。避险车道应注意日常的养护管理，使用后应及时清理各种污染物，定期及时翻松集料。

关键词山区公路避险车道实车试验阻尼系数理论计算公式

1　前言

避险车道是设置在路侧的，将刹车失灵车辆分离出主线，利用重力、滚动阻力，或者两者的综合作用，通过能量转化，减慢失控车辆速度并使车辆安全停车的辅助车道。

避险车道一般由引道、制动坡床、服务车道及其他附属设施组成，附属设施包括端部防撞消能设施、救援地锚、交通标志和照明设施等(如图1)。

避险车道最早出现在美国，据说当时人们发现失控车辆经常冲出道路停在路废料堆上，或者冲到山上用于滚木的旧路上，由此道路工程技术人员受到启发，1956年，第一条避险车道在美国加利福利亚便诞生了。据1990年统计美国有27个州使用避险车道，数量达170条。1998年，北京八达岭高速公路设置了国内第一条避险车道，在一定程度上取得了减少恶性交通事故频繁发生的效果。随后在国内发展速度迅猛，据不完全统计，目前全国在北京、甘肃、福建、云南、河南、山西、河北、新疆、广东、陕西、湖南、广西、青海、浙江等省(市、自治区)均设置了避险车道。近十几年来的工程实践表明，恰当的设置避险车道，对于长下坡交通安全的事故预防和损失减少方面效果卓著。

但在十几年发展应用的同时，我国避险车道的设置与设计也显现出一些问题。具体表现有：设置长度不够、坡度过陡、避险车道与主线交角过大，没有足够长的引道，连续设置多条避险车道，避险车道不避险、无车去避险等，直接影响了避险车道使用和避险效果，亟需研究改善。

福建省三面环山，一面临海，境内峰岭耸峙，丘陵连绵，普通公路和高速公路多为山区公路，受地形地势的影响，公路陡坡急弯、长大下坡等不利线型普遍，一直以来，福建省山区公路的交通安全形势并不乐观。特别是近十几年来，随着社会经济的快速发展，福建公路交通量、货车比例增长迅猛，直接导致以往一些道路线形受限路段的交通事故率陡增，严重威胁道路的正常运营安全，迫切需要有效的长下坡交通安全改善技术和设施建设。

鉴于以上，为能充分合理的应用避险车道技术，2007年开始龙岩市公路局依托本地区山区公路避险车道实际工程，开展了“山区公路长下坡避险车道设置与设计方法”课题研究。在研究过程中进行了多次实车实验，了解避险车道制动规律，并提出优化目前理论设计方法的建议，具体如下。

2　试验方案

足尺实车试验是一种最为接近实际工况的研究方法，在相关理论研究的基础上进行足尺实车试验，对于更进一步揭示车辆与制动床集料之间的真实行为特征、校验基于避险车道制动距离计算方法研究无疑均具有重要的研究价值。本研究分别在2008、2012年，以福建省龙岩山区公路长下坡典型路段，进行了避险车道制动距离足尺实车试验。

2.1试验要求

首先从试验安全角度，规定足尺实车试验的实测避险车道及试验车辆应满足以下要求：

(1)天气晴朗，视距良好，气温不宜过高，不能在雨天进行；

(2)避险车道试验路段附近应组织好交通，试验过程中避免受其他车辆干扰；

(3)试验车辆制动器技术状况保持良好，各总成、部件、附件必须按规定装配齐全。

2.2试验车辆与避险车道选择

(1)2008年第一次试验车辆选择与场地

试验车辆应依据研究对象，选择代表车型。本研究经过龙岩山区公路长下坡路段交通事故车辆调查，选取解放牌平头柴油牵引货车为本次试验的典型车，如图2，具体参数如表1所示。

表1　货车基本参数

(2)2012年第二次试验车辆选择与场地

神鹰牌中型自卸货车(后单轴)和红岩牌自卸货车(后8轮)为本次试验典型车型，如图2、图3所示，具体参数如表2所示。

表2　货车基本参数

(3)避险车道设计参数

设龙岩G319线新罗小池岭路段的避险车道为1#避险车道，如图5所示；S308线上杭白砂岭路段的避险车道为2#避险车道，如图6所示。1#和2#避险车道的坡度和坡长参数如表3所示。

表3　1#和2#避险车道坡度和坡长参数表

2.3避险车道的具体情况

(1)1#避险车道

经过调查发现该避险车道路段集料松散厚度平均为18cm。避险车道制动床底层为密实砂、混凝土。制动床材料的厚度没有进行过渡处理，集料板结比较多。

(2)2#避险车道

而2#避险车道下层铺厚20cm7.5％水泥稳定碎石，上层铺厚10～100cm的砾石。现场的调查如图7可知，2#避险车道路床集料较1#避险车道松散。

依据公路工程集料试验规程JTG E42 -2005(T0302-2005)，在现场进行粗集料及集料混合料的筛分试验(干筛法)。集料级配曲线如图7所示。从集料级配曲线图可以看出，1#避险车道制动床集料砾石粒径主要集中在20～50mm之间，属单一粒级；而2#避险车道制动床集料砾石粒径则较分散，从4.75mm～53mm每档基本都有，属合成级配。

2.4试验仪器

试验监测的数据有车辆的最大驶入距离、车轮的陷入深度、车辆停止后的轮前堆高、车辆的总量和车辆的驶入速度等数据，依据试验目标选择以下试验仪器。

(1)雷达测速仪：主要用来测量车辆驶入避险车道过程中的实时速度，其工作原理是应用多谱勒效应(即移动物体对所接收的电磁波有频移的效应)，根据接收到的反射波频移量的计算而得出被测物体的运动速度。雷达固定测速误差为±1km/h，运动测速误差为±2km/h。

(2)卷尺：测量车辆的驶入距离；

(3)水平尺和钢卷尺：测量车轮的陷入深度(车辙)；

(4)摄像机及高速摄影装置：记录实车试验过程及相关结果。

2.5实验步骤

(1)按试验安排准备好实车并配备相应的载重，检验实车的刹车系统等部件，确保实车处于正常状态，同时配备有经验的司机驾驶车辆；

(2)计算好实车在进入避险车道时能达到指定车速的距离，并把车开到相应的位置；

(3)测速人员站在便于测量车辆驶入避险车道时速度的地方，开启摄像机，试验开始；

(4)试验过程中，组织好现场车辆来往确保试验安全，观测人员填写观测记录，并且及时处理发现的问题，依据安排分别进行实车试验；

(5)每次试验结束应及时测量车轮陷入深度及制动距离，然后平整制动床集料，同时检查实车的的刹车系统等部件，确保实车处于正常状态；

(6)所有试验结束后，平整好场地，并回收仪器，妥善保管，以备后用。

2.6试验工况

本次试验主要研究不同轴型、不同车重、不同驶入速度下失效车辆的制动距离，共设计了16次试验，具体试验工况见表4。

表4　试验工况

解放牌(两种配重)和神鹰牌普通货车研究共进行了11次足尺实车试验、红岩牌自卸货车进行了5次实车实验。制动效果如图8～图11。在2012年7月12日上午9:30试验的调研过程中，观察到失效车辆：新大威336(前8轮后12轮)，车重56.5t(空车16t)，冲到龙长高速公路避险车道上，成功救险，也对其进行了调查，如图12所示。

表5　新大威失效车辆制动情况表

3　避险车道足尺实车试验实测结果及分析

3.1阻尼系数的计算

避险车道制动距离计算最常见的理论公式如式(1)所示。

式中：表示车辆制动距离(m)；V为驶入制动路床的车辆速度(km/h)；G为路床坡度(％)；R为路床材料的滚动系数，见表6。

表6　美国避险车道路面材料与滚动阻力系数对应表

经转换公式，可得到平均阻尼系数计算表达式为：

3.2实验结果

共收集解放牌货车(两种配重)和神鹰牌普通货车11次足尺实车试验结果，编号1～11；红岩货车试验结果5次，编号12～16；失效挂车结果一次，将其编号为试验17，监测数据如表7～表9。

表7　解放牌货车、神鹰牌货车试验数据汇总表

表8　红岩货车试验数据表

表9　实验数据汇总表

4　实验结果分析

4.1驶入距离与驶入速度的散点统计与理论关系

从图13可以看到，驶入速度、车重对驶入距离有不同程度的影响。相近的驶入速度下，车重越大，驶入距离越小；车重较小的情况下，驶入速度增加，车辆驶入距离随之增大。

研究认为，在低速运动下，车重影响车辆的车轮陷入深度，车重越大，车轮陷入深度越深，制动床集料对车辆的动能消耗越大，阻尼性能较好。

车重较轻，或者车速较高的情况下，驶入距离将显著增大，这个时候车辆不容易陷入路床，甚至会出现跳车的情况，美国的实测数据分析发现，各类车辆的冲车减加速度不会超过0.5g。这说明高速情况下，路床材料的阻尼系数会处于稳定的中低值水平，驶入速度为驶入距离的关键因素。

从图14可以看到，基于动量法的计算驶入距离比经验法的计算驶入距离更小。那是因为，在相同的制动车床参数情况下，动量法考虑到了压实阻力、推土阻力、坡度阻力、以及滚动阻力、空气阻力等，并且对直径、车辆轴型等因素也加以考虑，而理论解析公式只反映了坡度、车速的关系，故理论法计算出来的驶入距离偏于保守。理论公式法与高速行车、阻尼较小的情况下的计算较为接近，而在低速驶入的情况下计算值偏低。

由图15可以看出，在调节驶入距离方面坡度调节能力较弱，而代表材料的阻尼系数调节能力较强。

4.2陷入深度与车重、驶入速度的关系

从图16～17可以看出，车轮陷入深度受车重影响明显，车重越大车轮陷入深度越大，说明车轮的陷入深入与车重的相关性较大。驶入速度、制动车床的集料特性、轮轴分布等可能对陷入深度有着一定程度的影响。总体来看，轴重更影响陷入深度。

4.3阻尼系数与驶入速度、沉陷深度的关系

从图18、19中可看出，阻尼系数并不是一个常数，而是受诸多因素的影响，随车辆轴型、总重、驶入速度的变化而变化。车重较大的情况下，阻尼系数较大。图中一些点的阻尼系数相对其他比较大，也是由于在试验车辆驶入避险车道过程中，由于驶入速度较大，车辆出现跳车现象，驾驶员出于本能反应踩下刹车，变滚动为滑动的缘故。

在车辆总重和驶入速度相近时，滚动阻尼系数随着车辆轴数的增加而增大，这主要是由于在相同条件下，随着轴数的增加，与制动床上集料接触的面积增多，提高了总体的阻尼效果，此时失效车辆的制动距离也会相比轴数较少的车辆相对短些。

对比实测值与推荐值，部分试验结果计算出来的阻尼系数较推荐值低。调查发现，这主要是由于制动床集料没有及时进行松散维护，导致集料板结造成的。失控车辆在制动床行驶时，若集料板结或铺设不均，易造成车轮不均匀沉陷，各车轮受力不均，车身侧倾、重心偏移而导致车辆侧翻。为此，应保证制动床集料干净、平整、松散，使之处于良好的使用状态。避险车道每次被使用、失控车辆被拖出后，应及时铺平制动床集料、清除固体污染物。

由图19可知，车轮的陷入深度越大，受到的阻力也就越大，阻尼系数也越大，并且相关性较强。这主要是因为，车辆在避险车道上运行时，如果车轮的陷入深度越深，车轮前部的集料隆起高度越大，滚动阻力就越大，这时车轮左右两侧、车辆底盘等部位与集料表面的接触面积越大，摩擦力也越大，车辆受到的总阻力就会增加。

随着驶入速度的增加，阻尼系数也呈增加的趋势。车辆的驶入距离也随驶入速度的增大而增大。对比试验2和试验8、9、10，可以认为在车辆总重和驶入速度相近时，滚动阻尼系数随着车辆轴型的增加而增大，分析认为是由于在相同条件下，随着轴型的增加，与制动床上集料接触的面积增多，提高了滚动阻尼系数，此时失效车辆的制动距离也会相对短些。

对比试验1至试验6，可以发现在1#避险车道的试验阻尼系数都较相近；而对比试验7至试验11，发现在2#避险车道的试验阻尼系数变化则较大，这可能与两条避险车道中制动床集料的级配组成相关。1#避险车道制动床集料属单一粒级；而2#避险车道制动床集料属合成级配。

5　讨论与技术建议

5.1分析与讨论

综合以上实车实验和与国内外结果、理论计算的对比可以发现：

(1)制动床材料是影响避险车道制动性能和制动床长度的重要因素。沉陷深度与路床的阻尼系数有很好的相关性。车轮陷入程度越深、材料滚动阻尼系数越大，失控车辆获得的阻力越大，同样驶入速度下需要的制动距离越短。目前避险车道制动床采用的材料有砾石、碎石、砂子等。粒径较小、级配单一的圆形砾石是比较理想的制动床材料，与其他材料相比，它具有较高的滚动阻力系数，制动效果最好。

(2)低速冲入时，轴重会显著增大沉陷深度，高速冲入时，车辆会出现跳车现象。车重较轻，或者车速较高的情况下，驶入距离将显著增大，这个时候车辆不容易陷入路床，会出现跳车的情况，美国的实测数据分析发现，各类车辆的冲车减加速度不会超过0.5g。这说明高速情况下，路床材料的阻尼系数会处于稳定的中低值水平，驶入速度相比轴重成为决定驶入距离的更关键因素。

(3)在车辆总重和驶入速度相近时，滚动阻尼系数随着车辆轴数的增加而增大，这主要是由于在相同条件下，随着轴数的增加，与制动床上集料接触的面积增多，提高了总体的阻尼效果，此时失效车辆的制动距离也会相比轴数较少的车辆相对短些。但关键还是看轴重，如果车辆轮胎多，货载分布均匀，车辆也会“飘”在路床表面，不会产生很大的阻尼作用。

(4)实验显示，理论计算公式中的阻尼系数并不是一个常数，而是受多因素的影响，随车辆轴型、总重、驶入速度的变化而变化。建议高速公路在设计避险车道计算时，由于车速较高，建议采用理论计算公式，并取阻尼系数的中低值。

(5)基于离散元分析方法，对车速、坡度、粒径、铺设厚度四个因素综合影响分析。坡度影响因素的三个水平分别为5°、8°及10°；集料厚度影响因素的三个水平分别为40cm、60cm及80cm；集料粒径影响因素的三个水平分别为2cm、5cm及8cm；驶入速度影响因素的三个水平分别为40km/h、60km/h及80km/h。各因素影响水平如图20所示。

从敏感性趋势来看(轴重36t)，各影响因素的影响显著性较为接近，但在中值到高值区间驶入速度(> 80km/h)对结果的影响十分显著，其次是坡度，集料粒径和集料铺设厚度。

5.2技术建议

5.2.1坡度

为防止车辆发生滑溜，建议合理的坡度应当在14°以下；同时坡度设计还应考虑车辆在进入路床时由于坡度急剧变化而产生的瞬间加速度，对驾驶员造成直接伤害，或因车辆货物冲击驾驶室造成二次伤害。目前避险车道制动床的坡度一般取5°～10°，过陡或过缓的坡度都会对驾驶员产生不利影响。

5.2.2车速

通过模型模拟和相关理论计算表明，车速对制动距离的影响是极为显著的，因此设计车速的确定极为关键。大部分失控货车在驶入避险车道前由于无法实现制动，因此速度较大，特别对于道路线形较差的路段，货车速度将会大于80km/h。对于车速的确定，建议在充分调研相关路段交通运行状况的基础上，选取最大速度，并增加其富余度，以保证失控车辆正常制动。

5.2.3集料选择标准

制动路床集料的选择应综合考虑集料的材质、粒径、形状三个方面：

(1)材质方面，研究表明砾石是最为合理的路床材料，多数规范也要求集料为光圆且不易压碎的砾石，不建议使用人工碎石和砂砾。

(2)粒径选择方面，实车试验表明，路床材料的粒径越小，制动效果越明显。2～5cm粒径的砾石集料较8cm粒径的砾石集料沉陷效果和制动效果好。但集料的粒径也不宜过小，小粒径的集料一般不易于排水，路床底部容易因污染而固结。根据目前的分析结果，认为合理粒径应当在2～5cm左右，且不建议使用5cm以上的集料。同时，实验发现车辆在行驶过程中，小颗粒的石料其二次使用效果要比大石料的效果好。车辆压过后，平整小石料要比平整大石料容易。

(3)集料的形状方面，本文建议采用长径比作为集料形状的选择指标，使用长径比作为集料形状测试指标较其他方法更为简便，更易于在实际工程中应用，建议集料长径比应该在1.6以下。

5.2.4集料铺设厚度

美国科罗拉多州的调查研究表明，车轮在砾石路床中的沉陷至少在30cm，所以30cm以上集料铺设厚度是必须的。但是考虑到雨水渗透会使集料在一定厚度范围内产生冰冻或固结，美国道路设计绿皮书中建议集料最大铺设厚度不小于60cm，最好采用100cm的铺设厚度。同时还要求制动路床铺设厚度应该在30m的长度范围内采用40～100cm的渐变厚度过渡。本文基于试验建议路床设计厚度应大于70cm，为防止污染或冻结可加大铺设厚度，同时应对路床集料适时翻松和清理。

5.2.5路床长度

综合本文实例分析结果，对于行驶时速大于100km/h的货车，当采用10°的坡度时，建议要使用100m以上的路床设计长度，并进行相应计算确定。

5.2.6多参数组合设计

从敏感性趋势来看，驶入速度(>80km/h)对制动距离的影响十分显著，其次是坡度；这对于高速冲入的车辆，在不改变路床长度的情况下，最有效的措施提高路床坡度，以及采用粒径小、浑圆度好的集料，同时有足够的路床厚度。但坡度也要考虑人员心理和安全不能过大，由于跳车现象，集料的阻尼减速效果也存在极限(0.5g)，此时只有增长避险车道的长度。这也说明，在现实工程中存在过高冲入车速情况下，不延长避险车道长度，而试图通过改变坡度和粒径的方法不一定可行。在地形不允许设置过长避险车道时，控制驶入车辆的车速就成为了解决问题的关键。

6　结论

基于以上实验和分析，对避险车道制动距离计算方法与参数选择有以下结论。

(1)对于普通公路一般要在汽车失控车速还很低的位置就要设置避险车道，因为普通公路线形较差，如果失控车辆速度高马上就会冲出路外。因此，一般能够驶入普通公路避险车道的车速会较高速公路低，此时同等集料条件下路床阻尼系数受轴重影响较高速公路会更大，因此普通公路避险车道的货车制动距离一般会比高速公路短，但值得注意的是，集料的级配、颗粒的圆度和粒径、洁净程度显著影响着集料的滚动阻尼系数，因此建议在计算制动距离时要考虑此方面因素引起的折减。

(2)分析看到，普通公路避险车道的制动距离计算，关键是驶入车速的确定，驶入车速对制动距离长度的计算是呈二次方的影响规律。在计算方法方面，只有在集料条件好、车速较低的情况下，可以采用动量法，或者采用较高的路床阻尼系数。同时建议采用较为保守的理论计算公式，阻尼系数采用推荐值。在实践管理中，避险车道使用后应及时清理各种污染物，定期及时翻松集料。

(3)对于高速公路的避险车道制动距离计算来讲，一方面由于制动距离对车速的显著敏感性，另一方面从实车试验的观察表明，高速运动下车辆会出现砾料路床的“跳车”现象，而不会出现完全陷入的情况(减速度小于0.5g)，因此，也建议采用较为保守理论计算公式，阻尼系数采用推荐值。

参考文献

[1]A Policy on Geometric Design of Highway and Streets(GREEN BOOK)[S].American Association of State Highway and Transportation Officials(AASHTO).Washington, D.C.2001.

[2]Witheford,David K.NCHRP synthesis 178,truck escape ramps,a synthesis of highway practice[R].TRR,1992.5.

[3]中华人民共和国交通部.JTG/T B05－2004，公路项目安全性评价指南[S].北京:人民交通出版社，2004.

[4]吴京梅,何勇.公路连续长大下坡安全处置技术[M].北京:人民交通出版社,2008.

[5]吴京梅.山区公路避险车道的设置[J].公路2006,(7).

[6]郭克清,徐希娟,金宏忠等.公路安全保障工程实用手册[M].北京,人民交通出版社,2007.

[7]沈金荣.山区公路长下坡路段避险车道设计研究[D].福州大学硕士学位论文, 2005.