路表構造特征的瀝青路面抗滑性能評價方法研究

劉儀培，皇甫皝

(1.廣東茂湛高速公路有限公司，廣東 茂名　525022；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京　210000)

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道路工程

路表構造特征的瀝青路面抗滑性能評價方法研究

劉儀培1，皇甫皝2

(1.廣東茂湛高速公路有限公司，廣東 茂名525022；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京210000)

摘要：在分析我國現(xiàn)行抗滑性能評價方法不足的基礎上，提出采用基于路表構造特征的瀝青路面抗滑性能方法，來優(yōu)化我國瀝青路面抗滑性能評價方法，應用實體工程檢測數(shù)據，對比分析現(xiàn)行和優(yōu)化評價方法的評價效果。

關鍵詞：抗滑性能；路表構造；PIARC模型；評價

1現(xiàn)行抗滑性能評價方法

我國《公路瀝青路設計規(guī)范》(JTG D50-2006)規(guī)定新建瀝青路面抗滑性能必須同時滿足橫向力系數(shù)SFC和構造深度MTD技術要求；《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》)(JTG D50-2006)未提及構造深度MTD技術標準，只要求滿足橫向力系數(shù)SFC技術要求，具體評價標準見表1。

表1　高速公路瀝青路面抗滑性能評價標準

2抗滑性能評價方法分析

現(xiàn)行抗滑性能評價方法頒布實施已十余年，大量實體工程檢測評價結果表明相關規(guī)范中的抗滑性能評價方法不盡合理，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)設計規(guī)范評價指標技術標準值不合理

瀝青路面設計規(guī)范抗滑性能評價方法修訂的初衷是橫向力系數(shù)SFC能表征車輛側滑的危險，而且可以連續(xù)測量；構造深度MTD反映路面表面紋理深度，構造深度越大，表示車輛高速行駛時，輪隙下路表水可迅速排出，防止水漂發(fā)生，雙指標控制瀝青路面抗滑性能。

我國新建瀝青路面，尤其是在年平均降水量>1 000 m的區(qū)域，交竣工驗收時，經常出現(xiàn)構造深度MTD遠超規(guī)范技術要求達到0.8以上，而橫向力系數(shù)SFC卻不能滿足規(guī)范技術要求僅在50左右，導致雙控指標評價結果不一致存在明顯差異，規(guī)范設定的評價指標技術標準值不盡合理。

(2)養(yǎng)護規(guī)范對構造深度MTD重視不足

我國養(yǎng)護規(guī)范抗滑性能評價方法取消了構造深度MTD技術要求，只提出了橫向力系數(shù)SFC的養(yǎng)護技術標準，對構造深度MTD的重視程度嚴重不足。相比為路表水排出提供通道，防止水漂發(fā)生的功能，構造深度MTD更大的作用是雨天抑制濺水和噴霧現(xiàn)象，夜晚使路面形成漫反射，提高改善雨天、夜晚的行車視覺性能，大大降低了雨天、夜晚的交通事故率。英國、法國、澳大利亞的研究都表明路表宏觀構造越低，發(fā)生交通事故的風險越大。

硬路肩部位基本上不承受車輛荷載作用，在一定程度上可以表征瀝青路面交工驗收時的構造深度MTD；在廣東深汕西、開陽高速公路進行構造深度MTD測試，測試部位為硬路肩和橫向平行行車道輪跡帶，研究分析構造深度MTD在行車荷載作用下的衰變情況，見圖1。

圖1　硬路肩和行車道輪跡帶構造深度分布

從圖1可以得出，路表構造深度MTD在行車荷載作用下變大為11組，減小為13組，基本持平，說明瀝青路面在行車荷載作用下同時發(fā)生壓密變形和松散掉粒，使構造深度MTD的衰變無規(guī)律可循。因此，非常有必要定期進行構造深度MTD測試，掌握了解路表構造深度MTD的發(fā)展變化趨勢。

(3)未體現(xiàn)宏觀構造對路面摩擦力的貢獻

由輪胎和路面的摩擦機理可知，輪胎與路面摩擦力主要是粘著分量FA和滯后分量FH之間相互復雜作用的結果，見圖2。輪胎與路面界面的粘著分量FA取決于微觀構造，微觀構造提供基本摩擦力大致占總摩擦力的0.7～0.9；輪胎彈塑性變形引起的滯后分量FH取決于宏觀構造。粘著分量FA和滯后分量FH的和被認為是輪胎與路面之間的摩擦力。

圖2　輪胎與路面摩擦機理

我國要求采用SCRIM系統(tǒng)測試橫向力系數(shù)SFC，表征輪胎與路面之間摩擦力的大小。SCRIM系統(tǒng)的摩擦力測試輪胎為光紋輪胎；美國相關研究表明，光紋輪胎敏感于路表微觀構造，橫向力系數(shù)SFC測試表征的內容僅是取決于微觀構造的基本摩擦力粘著分量FA，并不是輪胎與路面之間的全部摩擦力。

同時，在潮濕路面上由于水的潤滑作用，阻礙了抗剪阻力的發(fā)揮，粘著分量FA會迅速衰減，路面摩擦力急劇下降，而宏觀構造可以為輪胎—路面界面間的動力水提供排出通道，使輪胎下的水能迅速排除，增大輪胎與路面的附著程度，使微觀構造提供的基本摩擦力粘著分量FA在車輛高速行駛中得以保持。

3抗滑性能評價方法優(yōu)化

國際道路協(xié)會常設委員會采用譜的概念表述路表凹凸起伏。根據波長的不同，路表構造特征分為微觀構造、宏觀構造、大構造以及不平整度。不同的路表構造特征具有不同的路表使用性能，與抗滑性能有關是微觀構造和宏觀構造，見圖3。

圖3　路面構造特征功能

我國抗滑性能評價方法本質上是采用橫向力系數(shù)SFC評價微觀構造抗滑性能，構造深度MTD評價宏觀構造抗滑性能，但橫向力系數(shù)SFC和構造深度MTD相互隔離，缺乏有效的銜接和統(tǒng)一，不能科學、合理的綜合體現(xiàn)微、宏觀構造共同作用下的路表抗滑性能。

世界各國的抗滑性能評價方法都是基于現(xiàn)有測試設備的檢測數(shù)據，只是在處理數(shù)據的方式上不盡相同。目前，基于路表構造特征的抗滑性能評價方法基本都是在現(xiàn)有抗滑評估物理模型的基礎上，通過構造特征參數(shù)和摩擦系數(shù)的大量試驗數(shù)據擬合出基于構造特征參數(shù)的抗滑性能評估模型，來評價不同構造特征共同作用下的路表抗滑性能，其中比較有代表性的模型是PIARC模型和FEHRL模型。

(1)PIARC模型

世界道路協(xié)會(PIARC)于1992年對16個國家的47種設備在不同國家54個路段上進行路面抗滑性能檢測設備對比與協(xié)調試驗，并根據試驗結果提出的PIARC模型及國際摩阻指數(shù)IFI(F60，Sp)。

Sp=a+b·Tx

(1)

式中：Tx為路表面構造參數(shù)，其值由粗構造測試設備檢測得到，如采用激光斷面儀，Tx則為所測得的平均斷面深度MPD；如采用鋪砂法或玻璃珠體積法，則Tx為所測得的平均構造深度MTD。a和b為回歸系數(shù)，亦可理解為路表面構造深度測定裝置或方法的標定參數(shù)。

(2)將在滑移速度S下測得的摩擦系數(shù)FRS轉換為在速度為60 km/h時的摩擦系數(shù)值FR60

FR60=FRSexp·[(S-60)/Sp]

(2)

式中：對于鎖定輪型摩擦系數(shù)儀：S=V，其中：V為測試車行駛速度；對于固定滑移率型摩擦系數(shù)儀：S=V·k，其中：V為測試車行駛速度；k為滑移率；對于偏轉輪型(側向力型)摩擦系數(shù)儀：S=V·sinα，其中：V為測試車行駛速度；α為偏轉輪的偏轉角。

(3)根據速度為60 km/h時的摩擦系數(shù)值FR60計算標準速度的摩阻數(shù)F60

F60=A+B·FR60+C·Tx

(3)

式中：FR60由(式3)計算得到；Tx為路表面構造參數(shù)，其取值與(式1)相同；A、B、C是摩擦系數(shù)設備的系統(tǒng)標定參數(shù)，在PIARC的對比與協(xié)調試驗中均已給出。當測試輪胎為光紋輪胎時，去掉C·Tx項。

(2) FEHRL模型

歐洲國家公路研究試驗室論壇(Forum of European National Highway Research Laboratories)，從2001年開始對歐洲國家使用的15種摩擦系數(shù)測試設備和7種構造深度測試設備在歐洲5個國家的61條公路進行了9輪路面抗滑性能檢測設備對比與協(xié)調試驗(HERMES)。HERMES目的是建立歐洲標準的路面抗滑性能測試方法(CEN/TC227/WG5)。FEHRL根據對比與協(xié)調試驗結果提出了歐洲摩阻指數(shù)EFI。

歐洲摩阻指數(shù)EFI，借鑒了國際摩阻指數(shù)IFI的基本概念，最開始被定義為

EFI=A+B×F30=A+B×F×e(S-SR)/S0

(4)

S0=a+b×MPD

(5)

其中：式中含義與PIARC模型一致，只是基準滑移測試速度30 km/h，IFI是60 km/h。

試驗分析后，EFI的參數(shù)A被去除，S0和MPD之間的計算關系式也發(fā)生了改變，EFI修改為

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，將構造特征融入到摩擦力中，這樣就可以體現(xiàn)構造特征對摩擦力的貢獻，也可達到對比不同構造深度水平下摩擦系數(shù)大小的目的。考慮到比對試驗規(guī)模、參數(shù)準確性和應用范圍，建議采用PIARC模型，計算摩阻數(shù)F60，評價瀝青路面抗滑性能。

考慮到我國抗滑性能檢測設備現(xiàn)狀，結合相關計算規(guī)范的規(guī)定，建議PIARC模型的檢測設備為SCRIM系統(tǒng)和車載式激光構造深度儀。上述兩種設備的PIARC模型標定參數(shù)，見表2和表3。

表2　PIARC試驗中鋪砂法參數(shù)(a、b)標定值

表3　與鋪砂法配合使用時一些設備的參數(shù)標定值

將表2，表3參數(shù)代入PIARC模型，可得我國F60和計算公式

F60=0.543+0.03·FRS·exp[(S-60)/Sp]

(8)

Sp=-11.598 1+113.632 46·Tx

(9)

其中：FRS為測試速度為S，kW/h下的橫向力系數(shù)；S為測試速度(kW/h)；Tx為構造深度MTD。

把我國瀝青路面設計、養(yǎng)護規(guī)范的相關技術標準，代入PIARC模型計算摩阻數(shù)F60，就可得到我國高速公路瀝青路面基于路表構造特征的抗滑性能養(yǎng)護技術標準為1.529。

4結論

我國現(xiàn)行瀝青路面抗滑性能評價方法將橫向力系數(shù)SFC和構造深度MTD相互隔離，缺乏有效的銜接和統(tǒng)一，導致不能科學、合理的體現(xiàn)微、宏觀構造共同作用下的路表抗滑性能。PIARC模型將構造特征融入到摩擦力中，體現(xiàn)了不同路表構造對抗滑性能的貢獻，是基于路表構造特征的瀝青路面抗滑性能評價方法。因此，建議采用PIARC模型評價瀝青路面的抗滑性能，其評價指標摩阻數(shù)F60的高速公路瀝青路面抗滑性能養(yǎng)護標準是1.529。

參考文獻：

[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. 表面形貌與污染物對瀝青路面抗滑性能影響的研究[D].武漢:武漢理工大學博士論文，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

中圖分類號：U416.1

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)03-0001-03

作者簡介：劉儀培(1986-)，男，廣東梅州人，助理工程師，從事高速公路養(yǎng)護管理；皇甫皝(1982-)，男，江蘇南京人，工程師，從事道路養(yǎng)護設計與規(guī)劃。

收稿日期：2016-01-02