不良气象微环境对机场道面抗滑性能影响分析*

邢小亮 王孝存 张 昱 高立晓 樊兆董

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海201804；2.华设设计集团北京民航设计研究院有限公司 北京 101318；3.民航机场安全与运行工程技术研究中心 北京 101318；4.山东省交通科学研究院 济南 250031；5.山东省路域安全与应急保障交通运输行业重点实验室 济南 250102）

0 引 言

近几年，沥青混凝土机场道面和旧水泥混凝土道面加铺沥青层在国内外各大型民用及军用机场中得到了广泛应用[1-2]。沥青道面抗滑性能受区域宏观气象环境的作用影响较大，不良气象环境造成的道面积水、结冰、能见度低等状况，严重影响机场区域交通安全运营[3-4]。恶劣天气对机场道面与场道飞机、车辆所构成微环境的“渗透”作用是导致道面抗滑性能降低的主要诱因。因此，对不良气象微环境作用下的机场道面抗滑性能影响研究是必要的。

国内外学者针对机场道面抗滑性能及安全性能方面做了大量的研究。在水泥混凝土道面方面，Ahammed等[4]认为水泥混凝土道面摩擦力对环境温度的敏感性较低，通过建立纹理类型、速度等与抗压强度之间的关系，提出5种用于预测混凝土路面长期抗滑性能的模型。葛东华等[5]认为机场道面摩擦系数随平均纹理深度的增加而非线性增大；摩擦系数不仅与平均纹理深度有关，还受表面纹理特征的影响。杨慧等[6]研究了民用和军用机场水泥混凝土道面纹理深度、特征及工艺对道面摩擦系数的影响，并提出了相应的处置方法和控制指标。Rado等[7-8]应用频率普函数与功率谱函数对机场道面宏观纹理构造特征与摩擦系数进行了定性描述。Fernandes等[9]以交通事故数据和摩擦系数为基础，提出1种基于安全性和抗滑性能的评价方法，并论证了该方法的适用性。赵方冉等[10-11]基于水泥混凝土道面构造特征参数化分析，提出旧道面抗滑性能定量分析模型。由于沥青混凝土加铺改造的在民用和军用机场的广泛应用，部分学者针对沥青混凝土道面上进行了相关研究。EI-Desouky等[12]开发了1种沥青混凝土道面在温度变化下的抗滑性能模型，首次将低于冰点的温度纳入到沥青道面抗滑模型和校正模型。钱振东等[13]提出基于新型环氧沥青混凝土的高性能沥青混凝土道面，并验证了荷载作用下与传统机场沥青混凝土道面在抵抗结构永久变形能力上的优越性。冉武平等[14]基于加速加载试验论证了环氧沥青道面在力学性能、高温稳定性和抗车辙变形能力方面的优势。马翔等[15]综合论证了沥青混凝土与水泥混凝土复合式机场道面结构参数对荷载应力影响，并提出了复合式机场道面结构设计过程中优化改进建议。许奕杰等[16]提出自编码长短时记忆（AE-LSTM）网络模型，较好的降低了恶劣气象条件下机场周界入侵报警系统的误报率。刘芳等[17]提出了基于性能等级（performance grade，PG）值的沥青混凝土道面抗老化性能预测模型，认为PG上限温度值可作为评价沥青道面抗老化性能指标。凌建明等[18]建立了沥青混凝土道面平整度指数（IRI）与累计交通量、IRI-PCI关系，并提出了能够准确预测道面剩余使用寿命的PCI预测模型。

综上可知，在机场道面抗滑性能及安全性研究方面，国内外学者较多集中在水泥混凝土道面纹理结构、特征、构造深度等对表面抗滑性能影响上，建立了较为完善的道面抗滑性能评价及预测模型。由于沥青混凝土道面加铺工艺的推广和应用，部分学者针对受温度影响较大的沥青混凝土道面材料温变、结构应变、抗老化，以及使用寿命等方面进行了深入研究，而相关研究主要侧重材料试验性能和结构变形方面。外部的宏观气象环境直接影响机场道面所处微观环境温度，微环境的温变效应作为道面表面抗滑性能衰变的重要因素，间接导致飞机、场道车辆等发生侧翻、滑移等安全事故。然而，既有综合不良气象环境与沥青混凝土道面的研究较多关注的是宏观恶劣气象条件的预测预警上，对气象环境与机场道面间的作用机理研究深度不够。尤其是对直接影响机场区域交通安全的道面抗滑性能的耦合作用及预测研究较少。

鉴于此，笔者首先从微观角度解析了气象微环境对道面表面作用机理。然后根据道面水成分的形态变化过程，通过环境模拟舱室内结冰试验，研究不同气象微环境与道面摩擦系数间的耦合关系，并以此建立其对道面抗滑性能影响作用关系模型，为研究不良气象条件下的机场道面交通安全运营预警技术提供可靠依据。

1 气象微环境作用机理分析

涉及机场道面区域不良气象环境条件主要有雨、雪、雾等天气。外部区域气象环境变化对机场道面的影响，并不是独立影响人-车-路-环境系统的某个系统单元，而是对道面接触局部区域气象微环境与各系统单元产生综合性的耦合影响作用。摩擦系数是表征道面表面抗滑性能变化的常用指标，间接反映气象微环境对机场道面的使用质量的作用影响。

受微环境温度影响，水的形态是1个由气态到液态，并由液态到结晶固态的过程。对应机场道面可归结为受微环境温度影响道面表面水分子由游离气态到流体液态，直至结晶，并通过荷载作用形成冰的物理变化过程，见图1（a）。因此，机场道面气象微环境影响分析可根据水的存在形式分为干燥、水膜、积雪、结冰4种状态，见图1（b）。

图1 不同气象微环境下机场道面水的存在形式Fig.1 Existence forms of airport pavement water under different meteorological micro environments

机场道面结冰囊括了水由气态转化为液态，直至结晶固态的整个物理过程，其他形态包含在水成分结晶并形成冰层的过程中。因此，本文通过室内环境舱模拟结冰试验，研究气象微环境影响下道面表面摩擦系数变化，探究不良气象微环境对机场道面抗滑性能影响规律。

2 室内环境模拟试验

2.1 试验设备

本试验利用山东省交通科学研究院路域环境气象灾害模拟实验系统（见图2），通过调整环境模拟舱状态参数展开结冰对机场道面抗滑性能室内试验研究。该系统可通过控制系统调整环境舱内温度对冰、雪、雨、雾等多种恶劣交通气象环境进行多参数耦合作用环境实验模拟，温度调节范围为-30～60℃。

图2 路域环境模拟实验系统Fig.2 Road domain environment simulation experiment system

试验主要采用T2GO便携式连续摩擦系数测定仪测试路面的摩擦系数，见图3（a）。该设备能有效地模拟车轮刹车的真实过程，可连续采集路面的摩擦系数、环境温度和湿度等参数。试验过程中通过维萨拉遥感道面状态传感器DSC111监测冰层、水膜厚度，见图3（b）。设备可分别检测水和冰的状态，检测厚度范围为0～99 mm，检测精度为0.01 mm。

图3 试验设备Fig.3 Test equipment

2.2 试验设计

根据研究需求及道面结冰过程中水分的存在形式，将道面分为雪泥道面、积雪道面、结冰道面3种。其中雪泥状态道面又分为薄冰+水混合道面和厚冰+水混合道面。根据冰层有无完全掩盖路表的宏观纹理，又将结冰道面细分为薄冰道面和厚冰道面。

路表的特征会直接影响轮胎与路面之间摩擦力的产生机理，因此在环境舱内模拟冬季恶劣天气条件下真实的路表状态，然后测定路面的摩擦系数并研究其衰变的规律。

1）试验方法。将环境舱内的试验路段沿宽度方向分为3段，每段宽度为1 m，长度为7 m。首先在每段路面上选取3个测试点（间距2 m），在常温下测定测试点的构造深度和摩擦系数，然后模拟降雪和结冰现象，依次开展试验。

在摩擦系数测试过程中，先用摆式摩擦系数测定仪测试路面的摩擦系数，每个测试位置平行测定3点；然后用T2GO测试路面的摩擦系数，要保证摆式仪的测试位置位于T2GO的车轮轨迹上。

2）试验设置。选择冰层厚度、积雪厚度、水膜厚度和路表温度作为试验的控制因素。结合机场区域气候变化及实际情况，确定结冰路面的温度控制范围为0～-15℃，其中，0～-10℃的温度梯度为1℃，-10～-15℃之间在-13℃和-15℃这2个温度下进行实验；冰水混合物路面的温度控制在-6℃，以保证在测试过程中冰面尽可能少的融化；积雪路面的温度控制范围为-5，-10，-15℃；雪泥路面的测试温度控制在-6℃；冰面积雪路面的测试温度为-5，-10，-15℃。试验控制因素汇总见表1。

表1 试验控制因素Tab.1 Control factors of the test

3 结果及数据分析

3.1 干燥道面

通过调整试验环境舱内温度变化，得到干燥路面状态下道面温度与摩擦系数变化信息，见图4和表2。

表2 试验数据统计Tab.2 Test data statistics

图4 干燥状态道面摩擦系数随环境温度变化Fig.4 Variation of friction coefficient of dry pavement with ambient temperature

由试验结果分析可知，当道面表面无冰层或水膜覆盖时，道面摩擦系数随所处微环境温度变化不大；摩擦系数维持在0.58～0.72范围。此时，机场道面抗滑性能和行驶状况较好，飞机及各种场道作业车辆在道面能够正常运行，不易发生滑移、侧翻等极易引发机场区域交通安全事故的隐患。同时，此道面状态可作为后续各种不利气象微环境道面技术状况的比对工况。

3.2 雪泥道面

机场道面的雪泥状态表示表面水成分不仅包含冰层和水膜2种形态，同时存在少量厚度的未融化的浮雪。因此，根据道面水成分的存在形态及厚度分为薄冰+水混合和厚冰+水混合道面，该状态下不仅具有道面结冰特征，且在冰层上方覆盖雪层和部分融化的水分形成的水膜，见图5。

图5 雪泥道面Fig.5 Snow-mud pavement

试验过程中，将环境温度依次设为-15，-10，-5，0℃，实时监测水膜、冰层、积雪厚度，并进行摩擦系数的测定。同时检测路表温度，当路表温度每上升1℃，测试1次摩擦系数。导出维萨拉中对水膜、积雪和冰层的监测数据。在剔除异常数据后，分析得到三者与摩擦系数关系，见图6（a）；由于试验温度的降低，表面的浮雪基本融化，此时表面仅存在冰层和水膜2种状态。在剔除试验异常数据后，得到厚冰+水混合道面水膜和冰层厚度与摩擦系数变化，见图6（b）。

图6 雪泥道面厚度与摩擦系数变化Fig.6 Variation of thickness and friction coefficient of snow-mud pavement

由数据分析可知，薄冰+水混合机场道面随水膜、冰层、积雪厚度的增加摩擦系数均呈下降趋势，摩擦系数集中在0.31左右，这说明薄冰+水混合道面状态对行驶稳定性影响较大。其中，冰层厚度由0.18 cm降到0.02 cm时，道面摩擦系数由0.2上升至0.64，此时道面抗滑性能状况明显改善，车辆行驶稳定性提升；厚冰+冰水混合道面摩擦系数均值在0.16以下，并随冰层厚度的增加逐渐降低。冰层厚度的增加对摩擦系数的衰变影响比较明显，此状态下厚冰+水混合道面上行驶稳定性和安全性较薄冰+水道面更差，极易出现打滑或侧翻的危险，跑道、停机坪等道面上车辆或飞机轮毂与接触面附着力较小，不宜机场区域机动设施正常营运。

3.3 积雪道面

将环境舱内的温度设为-25℃进行温度控制，当舱内温度低于-22℃时开始降雪。将环境舱内的温度依次设为-15，-10，-5℃进行摩擦系数测定。当道面出现积雪，见图7，且在无荷载作用下道面积雪融化完成，积雪层厚度稳定时，调整环境舱内温度参数梯度，分别测定不同积雪厚度对摩擦系数的影响。

图7 积雪道面Fig.7 Snow pavement

通过分析测得实验数据，可以得到道面积雪厚度与摩擦系数关系，见图8。

图8 积雪厚度与摩擦系数变化Fig.8 Variation of snow thickness and friction coefficient

从二者变化规律可知，积雪状态道面的摩擦系数均值在0.43左右，厚度增加造成摩擦系数出现整体下降趋势，且在积雪厚度达到0.6 cm左右时，道面摩擦系数由0.46骤降至0.37。分析其原因可能是由于试验过程荷载作用，部分积雪逐渐被压实，表面形成较为光滑的结构面，导致道面的摩擦系数骤降。结合前述试验分析结果可知，积雪道面虽然仍不满足基本使用表面抗滑性能要求，但其道面的摩擦系数要优于雪泥状态道面。

3.4 结冰道面

根据实验过程冰层厚度变化规律，为分析冰层厚度对道面摩擦系数的影响作用，将结冰道面分为薄冰和厚冰道面分别进行研究。薄冰是指冰层没有完全掩盖路表的宏观纹理，轮胎橡胶依然可以嵌入路表；厚冰是指整个路面的原有纹理完全被冰层掩盖，路面纹理不再发挥作用，薄冰和厚冰并无具体的数值分界线。

1）薄冰道面。在环境舱内温度达到-10℃进行覆冰操作，实时监测水膜和冰层厚度，并进行摩擦系数的测定，当路表摩擦系数明显下降或者冰层厚度增加到道面构造深度的1/2时停止覆冰（厚度在0.01 cm左右）。然后，将环境温度设为-15℃，当路表温度下降到-15℃后停止控温，测定路表摩擦系数；将环境温度依次设为-10，-5，0℃，同时检测路表温度和摩擦系数变化，得到薄冰道面路表温度与摩擦系数关系，见图9。

图9 薄冰道面摩擦系数变化规律Fig.9 Variation of friction coefficient of thin ice pavement

由试验数据分析可知，薄冰道面在0～-4℃区间内摩擦系数呈下降趋势。当温度继续下降，在-4～-10℃内摩擦系数呈逐渐增加的规律变化。摩擦系数均值在0.214左右，这表明车辆在薄冰道面上整体的行驶稳定性能较差，道面摩擦系数随温度的不断降低呈先下降后上升的规律变化。

2）厚冰道面。通过调节环境舱内温度，路表水膜逐渐凝结成冰使路表冰层厚度继续增加，由于舱内温度的降低是缓慢有序变化，厚冰道面表面出现少量冰面融化现象，产生少量水膜。因此，分析时应同时考虑水膜厚度的影响。为检验测得的冰层和水膜厚度是否有异常值存在，通过厚冰道面水膜和冰层厚度箱型图进行判断，见图10。

图10 冰层、水膜厚度箱型图Fig.10 Box diagram of ice sheet and water film thickness

由箱型图可以看出试验数据均值与中位数的关系，且厚冰道面水膜厚度观测值中均无大于1.5倍四分位距的异常值存在，可利用其对试验数据进一步分析。由数据分析得到厚冰层道面冰层厚度、水膜厚度与路表摩擦系数之间变化规律，见图11。

图11 厚冰道面摩擦系数变化Fig.11 Variation of friction coefficient of thick ice pavement

由试验结果可知，厚冰道面摩擦系数范围在0.09～0.15，道面飞机及场道车辆行驶稳定性和安全性较差。厚冰道面的摩擦系数受冰层和水膜厚度的共同影响分别呈现不同的变化规律，其中摩擦系数与冰层厚度呈负相关趋势，与水膜厚度呈正相关关系。这与厚冰道面表面水分的存在状态变化规律相同。当冰层厚度达到一定数值时，表面冰层受微环境影响部分融化，水膜厚度逐渐升高；冰层受温度影响，相应的厚度也逐渐增加。此状态下，道面使用状况较差，道面的抗滑性能极低。

综合室内环境模拟试验数据，得到机场道面结冰关键控制因子，汇总见表3。

表3 机场道面结冰关键控制因子Tab.3 Key control factors of airport pavement icing

基于室内试验结果分析可知，机场道面表面水形态决定道面表面抗滑性能。道面的摩擦系数受气象微环境的影响较大，其中，厚冰状态道面抗滑性能最差；厚冰+水、薄冰+水、薄冰道面虽较厚冰道面抗滑性能有所提升，但仍不能满足机场区域各种设施的安全正常运营；积雪道面摩擦系数在0.37～0.46间，从数据上体现出该道面使用状态接近正常使用要求，但存在摩擦系数在某时间点呈现骤降的状态，这与道面积雪受荷载作用压实形成光滑道面有关，因此积雪道面在雪层积累过程中，应根据实时道面表面使用状态择机选择分析机场区域正常交通。

4 不良微环境下机场道面抗滑性能分析

综合室内环境舱模拟试验结果中不同气象微环境与机场道面摩擦系数间的变化规律，通过多元非线性回归分析，建立不良气象环境条件下机场道面抗滑性能与各特征因子之间的函数关系，提出水膜、积雪、结冰厚度与机场道面表面抗滑性能预测关系模型。为不良气象环境下的机场道面预警技术研究提供理论支撑。

4.1 结冰与道面抗滑性能

根据薄冰道面表面抗滑性能与微环境温度相关的变化规律，采用不同的函数进行拟合。由拟合结果分析，最终选择采用GaussAmp函数关系对二者间关系进行非线形曲线拟合，拟合后的温度与抗滑性能变化见图12（a）。同理，根据厚冰道面摩擦系数与水膜、冰层厚度变化规律，采用Poly多项式函数对三者间关系进行非线性曲面拟合，拟合后的水膜、冰层厚度与抗滑性能变化见图12（b）。

图12 结冰道面参数与抗滑性能拟合Fig.12 Fitting of icing pavement parameters and skid resistance

拟合后结冰道面控制因子与道面抗滑性能间的关系模型见式（1）。

得到x温度与薄冰道面摩擦系数f薄冰的拟合优度R2为0.95。厚冰道面摩擦系数f厚冰与水膜厚度x水膜、冰层厚度y冰层的拟合优度R2为0.98。二者拟合过程均满足收敛要求，拟合优度较好。取显著性水平为0.05情况下，经参数T检验和拟合方程F检验输出结果P值均小于0.05，这表明该函数关系模型具有统计学意义且拟合程度较好，可作为结冰道面抗滑性能预测分析。

4.2 水膜与道面抗滑性能

由前述分析，不良气象微环境条件导致的机场道面表面水膜有2种存在形式：薄冰+水混合道面和厚冰+水混合道面

1）薄冰+水混合道面。由于薄冰+水混合道面控制自变量大于2，结合雪泥道面试验所得数据变化规律，确定利用多项式函数拟合雪泥道面与抗滑性能关系模型。利用麦夸特法（Levenberg-Marquardt）和通用全局优化法分别对3个控制因子与摩擦系数进行polyfit函数拟合，拟合曲线见图13。

图13 薄冰+水混合道面抗滑性能拟合曲线Fig.13 Fitting curve of skid resistance of thin ice&water mixed pavement

得到的三者结构层厚度与摩擦系数非线性曲线拟合函数方程为

拟合结果显示拟合函数自变量与因变量相关系数达0.94，拟合优度R2为0.88，拟合过程均满足收敛要求，拟合优度较好，且模型参数和整体显著性水平为0.05条件下，输出结果p＜0.05，符合统计学要求。

2）厚冰+水混合道面。为探究厚冰+水混合道面摩擦系数与水膜厚度和冰层厚度之间耦合关系，结合试验数据变化规律，经论证分析后最终选取Logistic函数对其进行拟合，拟合结果见图14。

图14 厚冰+水混合道面控制因子与抗滑性能拟合曲面Fig.14 Fitting surface between control factor and skid resistance of thick ice&water mixed pavement

得到拟合关系方程为

模型拟合优度R2为0.85，显示拟合效果良好，且显著性检验结果具有统计学意义。因此，2个拟合关系模型可作为不良气象微环境与道面抗滑性能预测依据。

4.3 积雪与道面抗滑性能

同理，在剔除异常试验数据后，利用Logistic回归分析拟合可得到积雪厚度与摩擦系数间的拟合曲线，见图15。

图15 积雪道面与抗滑性能拟合曲线Fig.15 Fitting curve of snow pavement and skid resistance

得到的拟合关系模型为

经检验，该模型在显著性水平为0.05，模型参数和整体显著性检验结果p＜0.05，参数影响显著，具有统计学意义。同时，拟合分析结果显示拟合优度为R2=0.83，拟合结果良好，可用于分析机场积雪厚度与道面抗滑性能指标耦合作用分析。

5 结束语

1）从机场道面表面水的存在形式入手，分析了不良气象微环境对道面的作用机理。道面的结冰状态囊括了水由液态变为固态的整个物理变化过程，其他形态水的存在形式均已包含在道面水成分结晶并形成冰层的过程中，为后续展开室内结冰试验提供理论依据。

2）道面表面摩擦系数受气象微环境的影响较大。与普通干燥道面相比，厚冰状态下道面抗滑性能最差；厚冰+水、薄冰+水、薄冰道面亦不满足机场场道飞机、车辆等的安全运营；积雪道面应根据实时道面表面使用状态择机选择分析机场区域正常交通。

3）通过多元非线性回归分析建立不同气象微环境条件下机场道面抗滑性能与相应特征因子之间的函数关系，提出水膜、积雪、结冰厚度与机场道面表面抗滑性能预测关系模型，为不良气象条件下的机场道面表面特性抗滑性能预测及短临预警技术等研究奠定重要的理论分析基础。

本文进行室内不良气象微环境模拟试验时，主要考虑温度变化因素引起的水成分液态和固态形式对道面抗滑性能衰变影响机理进行研究，而水的气体存在形式（雾、霾等）对能见度的影响也是造成机场区域安全运营的重要因素，后续研究中将通过室内能见度模拟试验展开雾霾天气对机场区域交通安全运行影响机理展开进一步分析。