路面抗滑能力檢測方法和評定標準研究

梁 斌

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

1 路面抗滑能力和原理

路面抗滑能力涉及行車安全，是指作用在輪胎和路面接觸面之間、阻止輪胎和路面發生相對運動的能力，用摩擦系數f 來衡量：

式中：f 為輪胎和路面之間的摩擦系數，無量綱；FH為輪胎和路面接觸面上的切向力；FV為輪胎和路面接觸面上的法向力。

摩擦系數可分解為縱向和橫向摩擦系數，前者沿行駛方向發生在輪胎處于自由轉動或完全制動狀態，后者和行駛方向垂直并發生彎道或高路堤上橫風作用時。有關研究表明，式（1）中的摩擦力FH由輪胎和路面之間黏附力（adhesion）和橡膠輪胎的彈性遲滯力（hysteresis）兩部分組成（圖1），前者取決于接觸面積大小和接觸面剪切強度，后者取決于輪胎的阻尼損耗即輪胎在壓縮- 松弛過程中的能量損失。因此，車輛行駛在路面上的摩擦力大小和車速、氣溫、潮濕狀態及其路表特征有關。

隨著速度增加，遲滯力慢慢增加，黏附力迅速增加到最大值后又迅速減小，這就導致車輛速度過大時摩擦力減小。隨著溫度增加，遲滯力減小，黏附力可能增加或減小。路表特征對摩擦力的影響，主要取決于路表宏觀紋理構造（波長0.5～50 mm）和微觀紋理（波長0.01～0.5 mm）。前者和礦料、混合料級配及其空隙率等有關，后者主要取決于礦料性能。礦料性能是指抗磨耗和磨損能力、表面粗糙度、形狀等，對路面長期抗滑性能作用重大。在平整干燥的路面上，輪胎和路表的黏附力占主導地位；在潮濕和粗糙的路面上，遲滯力占主導地位。另外，低速行駛時微觀紋理影響較大，高速行駛時宏觀紋理影響較大。

圖1 輪胎和路面接觸面上摩擦力組成示意圖

2 路面摩擦系數檢測方法

2.1 縱向摩擦系數

國外縱向摩擦系數的檢測方法較多，但主要有英國擺式儀法和ASTM E-274 鎖輪法。英國擺式儀法的原理是把擺滑過路面時動能的損失轉換成摩擦力，用 BPN（British pendulum number）表示。但由于檢測時擺滑過路面的速度較低（大約10 km/h），其反映的主要是路表微觀紋理構造的影響，目前主要用于室內檢測如評價石料的抗滑性能。鎖輪法主要用于確定在緊急剎車時，沒有防抱死制動系統的車輛的抗滑性能，檢測時車輪完全抱死，其滑行速度就是車輛行駛速度。另外，鎖輪法可以按車輛正常行駛速度進行檢測，被美國各州公路交通部門廣泛用于評價路面抗滑水平。鎖輪法的檢測結果是抗滑值SN（skid number），實際上是將摩擦系數乘以100 得到：

式中：f、FH和 FV的定義同式（1）。

如前所述，車輛行駛時摩擦力和速度、溫度及其路表特征有關，因此摩擦系數是一相對值。為此，ASTM E-274 規定的標準速度為 40 mph（64 km/h），并規定了兩種檢測標準輪胎即肋式輪胎和光滑輪胎，前者輪胎表面設有6 道寬約5 mm 的槽以便排水，但光滑輪胎的檢測結果和路表宏觀及其微觀紋理構造均有關。由于山西乃至全國在這方面的研究很少，以下摩擦系數的現場檢測方法和要求主要參考了美國的研究成果。對于網級路面摩擦系數檢測，本文建議采用以下規定：

a）檢測周期 高等級公路AADT＞30 000，每年一次；AADT≤30 000，每二年一次。

b）檢測間距（適用于鎖輪法） 1 個檢測/km。

c）檢測位置 行車道輪跡內。

d）檢測速度 取決于檢測設備，ASTM E-274為 65 km/h，SCRIM為 50 km/h。

e）檢測輪胎 ASTM E-274 采用光滑輪胎，SCRIM也為光滑輪胎，以反映路表宏觀及其微觀紋理構造，并和潮濕路面車輛打滑事故相關性較好。

f）檢測數據 QC/QA 校正 ASTM E-274 每月、SCRIM每天對傳感器進行一次校正。

2.2 橫向摩擦系數

橫向摩擦系數的檢測原理是橫向力方法，檢測結果是所謂的橫向力系數 SFC（side-force coefficient）：

式中：FS為輪胎和路面接觸切面上，垂直于檢測輪胎的力即橫向力；FV為輪胎和路面接觸面上的法向力。

橫向力系數式（3）和縱向抗滑值式（2）非常相似，但橫向力檢測輪胎和車輛行駛方向成一橫擺角α，其值變化在7.5°～20°之間，橫向力方向速度VS和車輛行駛速度V 的關系為VS=V×Sinα。由于Sinα 值很小，橫向速度VS較低，使得橫向力系數主要受路表微觀紋理構造的影響，而宏觀紋理構造的影響很小。但是，橫向力系數檢測設備如Mu-Meter[1]（α=7.5°）和 SCRIM（α=20°）多為連續檢測設備，從而提供了無縫覆蓋。另外，縱向抗滑值和橫向力系數的相關性不是唯一的，因為摩擦系數是相對值，在不同速度或路表特征條件下，兩者相關關系可能不同。

3 路面抗滑能力評定標準

根據牛頓第二定律，導致車輛減速的外力是：

式中：F 為導致車輛加、減速的外力；W 為車輛重量；g 為重力加速度；a 為減速度。

在制動過程中，導致車輛減速的摩擦力為：

式中：FH為摩擦力；W 為車輛重量；f 為摩擦系數。

由于在車輛制動過程中有F=FH，且重力加速度g=9.8 m/s2，從而得到：

式中：a 為減速度，m/s2；f 為摩擦系數，無量綱。

為了確保行車尤其是在潮濕的路面上的行車安全，美國AASHTO 要求在確定停車視距時，路面摩擦系數水平至少能保證車輛以3.4 m/s2的減速度安全減速停車，相當于90%的駕駛人在潮濕的路面上緊急制動時，能保證車輛處于受控制狀態而不駛離車道。若將上述減速度3.4 m/s2標準代入式（6），就得到相應的摩擦系數約為0.35，相當于抗滑值SN=35。早在20 世紀六十年代末，Kummer 和Meyer等人提出了路面抗滑最小要求，即車輛行駛速度40 mph 時肋式輪胎的抗滑值SN=33，這和上述AASHTO 的摩擦系數標準非常接近。如表1 所示，是英國、澳大利亞、新西蘭及其美國馬里蘭和密歇根的設計標準要求進行現場調查的抗滑水平閾值。其中，英國、澳大利亞和新西蘭是采用SCRIM測定的車速50 km/h 的橫向力系數SFC；美國馬里蘭和密歇根是采用ASTM E-274 鎖輪車肋式輪胎測定的車速40 mph（64 km/h）的抗滑值 SN。

表1 路面抗滑水平調查的閾值和最小要求

英國、澳大利亞和新西蘭的抗滑標準相似，交叉口入口段抗滑要求最高，主要是考慮緊急剎車要求。但是，汽車專用公路抗滑要求為0.35，比普通公路抗滑要求0.40 低，這值得進一步磋商。汽車專用公路設計車速高，不僅制動距離較大，輪胎和路面之間的摩擦力也小，這就要求具有更高的抗滑性能。密歇根的最小SN 為30，低于Kummer 和Meyer 提出的抗滑最小要求，其潛在的問題是無法及時發現路面抗滑缺陷。McCullough 和Rizenbergs 等人提出的最小摩擦系數或抗滑值相同，但前者的最小抗滑要求比后者實際上小一些，因為后者的速度較前者大。

在我國現行的《公路技術狀況評定標準》[2]中，路面抗滑能力是將橫向力系數換算成路面抗滑性能指數來衡量：

式中：SRI 為路面抗滑性能指數；SRImin為標定參數，0.35；SFC 為橫向力系數；a0、a1為模型參數，分別為28.6 和 -0.105。

上述路面抗滑評價有三方面不足：首先，從式（7）可以看出，影響SRI 的參數只有一個即SFC。人為地把一個客觀、可測定的參數SFC 換算成一個虛擬的參數SRI，且放在公式中經換算折合擴大了評價誤差；其次，采用橫向力系數或采用縱向摩擦系數作為評價標準，和具體的適用場合有關。山西的研究結果表明[3-4]，高等級公路交通傷亡事故的主要類型是追尾，約占事故總數的63%，涉及的車輛數超過80%，受傷人數和死亡人數均超過55%。追尾事故往往涉及緊急制動距離，這就要求路面具備足夠的縱向摩擦系數。最后，普通公路可能由于平曲線半徑較小，采用路面橫向摩擦系數可能更合理。

我國在路面抗滑方面的研究少，對路面抗滑原理及其對交通安全的影響認識有限。一般，路面抗滑能力評定和標準要考慮3 個因素：一是行車安全所需的最小抗滑能力即最小摩擦系數0.20 要求（按ASTM E-274 檢測方法、采用ASTM E-524 標準光滑輪胎，檢測速度60 km/h）；二是經濟因素即滿足抗滑標準所需的成本，抗滑標準越高，達到和維護路面抗滑能力的費用越大；三是路面實際抗滑性能，如普通熱拌瀝青混合料路面、開級配瀝青磨耗層、橫向刻槽水泥混凝土路面、縱向刻槽水泥混凝土路面和超抗滑路表處治等。

圖2 是本文根據有關文獻的數據，繪制出具有不同縱向摩擦系數的路面累計百分比曲線。可以看出，該曲線前半段下凹，后半段上凸，凹凸兩段的臨界點大約在摩擦系數0.50 左右，相應的累計百分率略大于50%，而最小摩擦系數對應的累計百分率略小于5%。在前半段，摩擦系數為0.30 時曲線變化最大，相應的累計百分率為10%左右；在后半段，摩擦系數為0.80（相當于HFST 抗滑能力）時曲線變化最大，相應的累計百分率約為95%。表2 給出的是英國公路路面抗滑能力調查的最小摩擦系數標準，由此可知，交通量較大的路段摩擦系數標準高；反之，摩擦系數標準低。要提出的是，英國高速公路摩擦系數調查水平比其他干道的要求低，這一點值得進一步斟酌。

圖2 具有不同縱向摩擦系數的路面累計百分比

表2 英國摩擦系數干道路段分類及其調查水平

圖3 是山西4 條高速公路橫向力系數檢測結果的累計分布，可以看出，大部分橫向力系數處于0.40～0.60 之間。

圖3 具有不同縱向摩擦系數的路面累計百分比

綜合以上各種因素，本課題建議路面抗滑能力評價的量化標準見表3，其中橫向摩擦系數SC 是根據縱向摩擦系數和SCRIM 檢測結果的比值推算得到的。要提醒的是，在計算SCRIM系數SC 時所采用的SFC 指數為0.78，是根據英國的路面條件得到的，用于山西會有一定誤差。另外，摩擦系數的速度修正和路表紋理結構有關，不是唯一和不變的。在光滑的路面上，橫向摩擦系數SC 要大于縱向摩擦系數f；而在非常粗糙的路面上，SC 一般小于f .高速公路車輛速度大，安全停車所需摩擦系數大；普通公路平曲線半徑小，安全轉彎所需摩擦系數也大。因此，表3 提出的抗滑能力標準適用于所有公路。

表3 路面抗滑能力評價量化標準（檢測速度：50km/h）

4 結論

本文通過對比分析國內外路面抗滑能力檢測及評價標準，并經過試驗驗證，得出以下兩個主要結論：

a）提出了縱向摩擦系數和橫向摩擦系數的適用范圍。高等級公路線形指標良好，追尾事故頻發涉及安全停車距離，應采用縱向摩擦系數；普通公路線形指標不良，彎道潮濕路面側滑事故頻發涉及車輛側向移動，應采用橫向摩擦系數。

b）針對縱向摩擦系數和橫向摩擦系數，提出了路面抗滑能力的合理量化評定標準。