路表构造特征的沥青路面抗滑性能评价方法研究

刘仪培，皇甫皝

(1.广东茂湛高速公路有限公司，广东 茂名　525022；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京　210000)



道路工程

路表构造特征的沥青路面抗滑性能评价方法研究

刘仪培1，皇甫皝2

(1.广东茂湛高速公路有限公司，广东 茂名525022；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京210000)

摘要：在分析我国现行抗滑性能评价方法不足的基础上，提出采用基于路表构造特征的沥青路面抗滑性能方法，来优化我国沥青路面抗滑性能评价方法，应用实体工程检测数据，对比分析现行和优化评价方法的评价效果。

关键词：抗滑性能；路表构造；PIARC模型；评价

1现行抗滑性能评价方法

我国《公路沥青路设计规范》(JTG D50-2006)规定新建沥青路面抗滑性能必须同时满足横向力系数SFC和构造深度MTD技术要求；《公路养护技术规范》)(JTG D50-2006)未提及构造深度MTD技术标准，只要求满足横向力系数SFC技术要求，具体评价标准见表1。

表1　高速公路沥青路面抗滑性能评价标准

2抗滑性能评价方法分析

现行抗滑性能评价方法颁布实施已十余年，大量实体工程检测评价结果表明相关规范中的抗滑性能评价方法不尽合理，主要体现在以下几个方面。

(1)设计规范评价指标技术标准值不合理

沥青路面设计规范抗滑性能评价方法修订的初衷是横向力系数SFC能表征车辆侧滑的危险，而且可以连续测量；构造深度MTD反映路面表面纹理深度，构造深度越大，表示车辆高速行驶时，轮隙下路表水可迅速排出，防止水漂发生，双指标控制沥青路面抗滑性能。

我国新建沥青路面，尤其是在年平均降水量>1 000 m的区域，交竣工验收时，经常出现构造深度MTD远超规范技术要求达到0.8以上，而横向力系数SFC却不能满足规范技术要求仅在50左右，导致双控指标评价结果不一致存在明显差异，规范设定的评价指标技术标准值不尽合理。

(2)养护规范对构造深度MTD重视不足

我国养护规范抗滑性能评价方法取消了构造深度MTD技术要求，只提出了横向力系数SFC的养护技术标准，对构造深度MTD的重视程度严重不足。相比为路表水排出提供通道，防止水漂发生的功能，构造深度MTD更大的作用是雨天抑制溅水和喷雾现象，夜晚使路面形成漫反射，提高改善雨天、夜晚的行车视觉性能，大大降低了雨天、夜晚的交通事故率。英国、法国、澳大利亚的研究都表明路表宏观构造越低，发生交通事故的风险越大。

硬路肩部位基本上不承受车辆荷载作用，在一定程度上可以表征沥青路面交工验收时的构造深度MTD；在广东深汕西、开阳高速公路进行构造深度MTD测试，测试部位为硬路肩和横向平行行车道轮迹带，研究分析构造深度MTD在行车荷载作用下的衰变情况，见图1。

图1　硬路肩和行车道轮迹带构造深度分布

从图1可以得出，路表构造深度MTD在行车荷载作用下变大为11组，减小为13组，基本持平，说明沥青路面在行车荷载作用下同时发生压密变形和松散掉粒，使构造深度MTD的衰变无规律可循。因此，非常有必要定期进行构造深度MTD测试，掌握了解路表构造深度MTD的发展变化趋势。

(3)未体现宏观构造对路面摩擦力的贡献

由轮胎和路面的摩擦机理可知，轮胎与路面摩擦力主要是粘着分量FA和滞后分量FH之间相互复杂作用的结果，见图2。轮胎与路面界面的粘着分量FA取决于微观构造，微观构造提供基本摩擦力大致占总摩擦力的0.7～0.9；轮胎弹塑性变形引起的滞后分量FH取决于宏观构造。粘着分量FA和滞后分量FH的和被认为是轮胎与路面之间的摩擦力。

图2　轮胎与路面摩擦机理

我国要求采用SCRIM系统测试横向力系数SFC，表征轮胎与路面之间摩擦力的大小。SCRIM系统的摩擦力测试轮胎为光纹轮胎；美国相关研究表明，光纹轮胎敏感于路表微观构造，横向力系数SFC测试表征的内容仅是取决于微观构造的基本摩擦力粘着分量FA，并不是轮胎与路面之间的全部摩擦力。

同时，在潮湿路面上由于水的润滑作用，阻碍了抗剪阻力的发挥，粘着分量FA会迅速衰减，路面摩擦力急剧下降，而宏观构造可以为轮胎—路面界面间的动力水提供排出通道，使轮胎下的水能迅速排除，增大轮胎与路面的附着程度，使微观构造提供的基本摩擦力粘着分量FA在车辆高速行驶中得以保持。

3抗滑性能评价方法优化

国际道路协会常设委员会采用谱的概念表述路表凹凸起伏。根据波长的不同，路表构造特征分为微观构造、宏观构造、大构造以及不平整度。不同的路表构造特征具有不同的路表使用性能，与抗滑性能有关是微观构造和宏观构造，见图3。

图3　路面构造特征功能

我国抗滑性能评价方法本质上是采用横向力系数SFC评价微观构造抗滑性能，构造深度MTD评价宏观构造抗滑性能，但横向力系数SFC和构造深度MTD相互隔离，缺乏有效的衔接和统一，不能科学、合理的综合体现微、宏观构造共同作用下的路表抗滑性能。

世界各国的抗滑性能评价方法都是基于现有测试设备的检测数据，只是在处理数据的方式上不尽相同。目前，基于路表构造特征的抗滑性能评价方法基本都是在现有抗滑评估物理模型的基础上，通过构造特征参数和摩擦系数的大量试验数据拟合出基于构造特征参数的抗滑性能评估模型，来评价不同构造特征共同作用下的路表抗滑性能，其中比较有代表性的模型是PIARC模型和FEHRL模型。

(1)PIARC模型

世界道路协会(PIARC)于1992年对16个国家的47种设备在不同国家54个路段上进行路面抗滑性能检测设备对比与协调试验，并根据试验结果提出的PIARC模型及国际摩阻指数IFI(F60，Sp)。

Sp=a+b·Tx

(1)

式中：Tx为路表面构造参数，其值由粗构造测试设备检测得到，如采用激光断面仪，Tx则为所测得的平均断面深度MPD；如采用铺砂法或玻璃珠体积法，则Tx为所测得的平均构造深度MTD。a和b为回归系数，亦可理解为路表面构造深度测定装置或方法的标定参数。

(2)将在滑移速度S下测得的摩擦系数FRS转换为在速度为60 km/h时的摩擦系数值FR60

FR60=FRSexp·[(S-60)/Sp]

(2)

式中：对于锁定轮型摩擦系数仪：S=V，其中：V为测试车行驶速度；对于固定滑移率型摩擦系数仪：S=V·k，其中：V为测试车行驶速度；k为滑移率；对于偏转轮型(侧向力型)摩擦系数仪：S=V·sinα，其中：V为测试车行驶速度；α为偏转轮的偏转角。

(3)根据速度为60 km/h时的摩擦系数值FR60计算标准速度的摩阻数F60

F60=A+B·FR60+C·Tx

(3)

式中：FR60由(式3)计算得到；Tx为路表面构造参数，其取值与(式1)相同；A、B、C是摩擦系数设备的系统标定参数，在PIARC的对比与协调试验中均已给出。当测试轮胎为光纹轮胎时，去掉C·Tx项。

(2) FEHRL模型

欧洲国家公路研究试验室论坛(Forum of European National Highway Research Laboratories)，从2001年开始对欧洲国家使用的15种摩擦系数测试设备和7种构造深度测试设备在欧洲5个国家的61条公路进行了9轮路面抗滑性能检测设备对比与协调试验(HERMES)。HERMES目的是建立欧洲标准的路面抗滑性能测试方法(CEN/TC227/WG5)。FEHRL根据对比与协调试验结果提出了欧洲摩阻指数EFI。

欧洲摩阻指数EFI，借鉴了国际摩阻指数IFI的基本概念，最开始被定义为

EFI=A+B×F30=A+B×F×e(S-SR)/S0

(4)

S0=a+b×MPD

(5)

其中：式中含义与PIARC模型一致，只是基准滑移测试速度30 km/h，IFI是60 km/h。

试验分析后，EFI的参数A被去除，S0和MPD之间的计算关系式也发生了改变，EFI修改为

EFI=B×F×e(S-SR)/S0

(6)

S0=a×MPDb

(7)

PIARC模型和FEHRL模型的基本理念一致，将构造特征融入到摩擦力中，这样就可以体现构造特征对摩擦力的贡献，也可达到对比不同构造深度水平下摩擦系数大小的目的。考虑到比对试验规模、参数准确性和应用范围，建议采用PIARC模型，计算摩阻数F60，评价沥青路面抗滑性能。

考虑到我国抗滑性能检测设备现状，结合相关计算规范的规定，建议PIARC模型的检测设备为SCRIM系统和车载式激光构造深度仪。上述两种设备的PIARC模型标定参数，见表2和表3。

表2　PIARC试验中铺砂法参数(a、b)标定值

表3　与铺砂法配合使用时一些设备的参数标定值

将表2，表3参数代入PIARC模型，可得我国F60和计算公式

F60=0.543+0.03·FRS·exp[(S-60)/Sp]

(8)

Sp=-11.598 1+113.632 46·Tx

(9)

其中：FRS为测试速度为S，kW/h下的横向力系数；S为测试速度(kW/h)；Tx为构造深度MTD。

把我国沥青路面设计、养护规范的相关技术标准，代入PIARC模型计算摩阻数F60，就可得到我国高速公路沥青路面基于路表构造特征的抗滑性能养护技术标准为1.529。

4结论

我国现行沥青路面抗滑性能评价方法将横向力系数SFC和构造深度MTD相互隔离，缺乏有效的衔接和统一，导致不能科学、合理的体现微、宏观构造共同作用下的路表抗滑性能。PIARC模型将构造特征融入到摩擦力中，体现了不同路表构造对抗滑性能的贡献，是基于路表构造特征的沥青路面抗滑性能评价方法。因此，建议采用PIARC模型评价沥青路面的抗滑性能，其评价指标摩阻数F60的高速公路沥青路面抗滑性能养护标准是1.529。

参考文献：

[1]FEHRL. Harmonisation of European Routine and Research Measuring Equipment for Skid Resistance，2008.

[2]PIARC.International PIARC Experiment To Compare And Harmonize Texture And Skid Resistance Measurements，2006.

[3]曹平. 表面形貌与污染物对沥青路面抗滑性能影响的研究[D].武汉:武汉理工大学博士论文，2009.

Study on asphalt pavement skid resistance evaluation method based on the road surface structural features

LIU Yi-pei1,HUANG Pu-Guang2

(1.Guangdong Maoming-zhanjiang Expressway Co., Ltd.,Maoming，Guangdong 525022，China; 2.Sue Alternating Group Co., Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210000,China)

Abstract:On the basis of the analysis on the shortcomings of China's current skid resistance evaluation method, this paper proposes asphalt pavement skid resistance method based on the road surface structural features, to optimize the evaluation method of asphalt pavement skid resistance, application entities engineering test data, comparison analysis and evaluation of effectiveness and optimization of existing evaluation methods.

Keywords:skid resistance；road surface structure；PIARC model；evaluation

中图分类号：U416.1

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)03-0001-03

作者简介：刘仪培(1986-)，男，广东梅州人，助理工程师，从事高速公路养护管理；皇甫皝(1982-)，男，江苏南京人，工程师，从事道路养护设计与规划。

收稿日期：2016-01-02