路面抗滑能力检测方法和评定标准研究

梁 斌

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

1 路面抗滑能力和原理

路面抗滑能力涉及行车安全，是指作用在轮胎和路面接触面之间、阻止轮胎和路面发生相对运动的能力，用摩擦系数f 来衡量：

式中：f 为轮胎和路面之间的摩擦系数，无量纲；FH为轮胎和路面接触面上的切向力；FV为轮胎和路面接触面上的法向力。

摩擦系数可分解为纵向和横向摩擦系数，前者沿行驶方向发生在轮胎处于自由转动或完全制动状态，后者和行驶方向垂直并发生弯道或高路堤上横风作用时。有关研究表明，式（1）中的摩擦力FH由轮胎和路面之间黏附力（adhesion）和橡胶轮胎的弹性迟滞力（hysteresis）两部分组成（图1），前者取决于接触面积大小和接触面剪切强度，后者取决于轮胎的阻尼损耗即轮胎在压缩- 松弛过程中的能量损失。因此，车辆行驶在路面上的摩擦力大小和车速、气温、潮湿状态及其路表特征有关。

随着速度增加，迟滞力慢慢增加，黏附力迅速增加到最大值后又迅速减小，这就导致车辆速度过大时摩擦力减小。随着温度增加，迟滞力减小，黏附力可能增加或减小。路表特征对摩擦力的影响，主要取决于路表宏观纹理构造（波长0.5～50 mm）和微观纹理（波长0.01～0.5 mm）。前者和矿料、混合料级配及其空隙率等有关，后者主要取决于矿料性能。矿料性能是指抗磨耗和磨损能力、表面粗糙度、形状等，对路面长期抗滑性能作用重大。在平整干燥的路面上，轮胎和路表的黏附力占主导地位；在潮湿和粗糙的路面上，迟滞力占主导地位。另外，低速行驶时微观纹理影响较大，高速行驶时宏观纹理影响较大。

图1 轮胎和路面接触面上摩擦力组成示意图

2 路面摩擦系数检测方法

2.1 纵向摩擦系数

国外纵向摩擦系数的检测方法较多，但主要有英国摆式仪法和ASTM E-274 锁轮法。英国摆式仪法的原理是把摆滑过路面时动能的损失转换成摩擦力，用 BPN（British pendulum number）表示。但由于检测时摆滑过路面的速度较低（大约10 km/h），其反映的主要是路表微观纹理构造的影响，目前主要用于室内检测如评价石料的抗滑性能。锁轮法主要用于确定在紧急刹车时，没有防抱死制动系统的车辆的抗滑性能，检测时车轮完全抱死，其滑行速度就是车辆行驶速度。另外，锁轮法可以按车辆正常行驶速度进行检测，被美国各州公路交通部门广泛用于评价路面抗滑水平。锁轮法的检测结果是抗滑值SN（skid number），实际上是将摩擦系数乘以100 得到：

式中：f、FH和 FV的定义同式（1）。

如前所述，车辆行驶时摩擦力和速度、温度及其路表特征有关，因此摩擦系数是一相对值。为此，ASTM E-274 规定的标准速度为 40 mph（64 km/h），并规定了两种检测标准轮胎即肋式轮胎和光滑轮胎，前者轮胎表面设有6 道宽约5 mm 的槽以便排水，但光滑轮胎的检测结果和路表宏观及其微观纹理构造均有关。由于山西乃至全国在这方面的研究很少，以下摩擦系数的现场检测方法和要求主要参考了美国的研究成果。对于网级路面摩擦系数检测，本文建议采用以下规定：

a）检测周期 高等级公路AADT＞30 000，每年一次；AADT≤30 000，每二年一次。

b）检测间距（适用于锁轮法） 1 个检测/km。

c）检测位置 行车道轮迹内。

d）检测速度 取决于检测设备，ASTM E-274为 65 km/h，SCRIM为 50 km/h。

e）检测轮胎 ASTM E-274 采用光滑轮胎，SCRIM也为光滑轮胎，以反映路表宏观及其微观纹理构造，并和潮湿路面车辆打滑事故相关性较好。

f）检测数据 QC/QA 校正 ASTM E-274 每月、SCRIM每天对传感器进行一次校正。

2.2 横向摩擦系数

横向摩擦系数的检测原理是横向力方法，检测结果是所谓的横向力系数 SFC（side-force coefficient）：

式中：FS为轮胎和路面接触切面上，垂直于检测轮胎的力即横向力；FV为轮胎和路面接触面上的法向力。

横向力系数式（3）和纵向抗滑值式（2）非常相似，但横向力检测轮胎和车辆行驶方向成一横摆角α，其值变化在7.5°～20°之间，横向力方向速度VS和车辆行驶速度V 的关系为VS=V×Sinα。由于Sinα 值很小，横向速度VS较低，使得横向力系数主要受路表微观纹理构造的影响，而宏观纹理构造的影响很小。但是，横向力系数检测设备如Mu-Meter[1]（α=7.5°）和 SCRIM（α=20°）多为连续检测设备，从而提供了无缝覆盖。另外，纵向抗滑值和横向力系数的相关性不是唯一的，因为摩擦系数是相对值，在不同速度或路表特征条件下，两者相关关系可能不同。

3 路面抗滑能力评定标准

根据牛顿第二定律，导致车辆减速的外力是：

式中：F 为导致车辆加、减速的外力；W 为车辆重量；g 为重力加速度；a 为减速度。

在制动过程中，导致车辆减速的摩擦力为：

式中：FH为摩擦力；W 为车辆重量；f 为摩擦系数。

由于在车辆制动过程中有F=FH，且重力加速度g=9.8 m/s2，从而得到：

式中：a 为减速度，m/s2；f 为摩擦系数，无量纲。

为了确保行车尤其是在潮湿的路面上的行车安全，美国AASHTO 要求在确定停车视距时，路面摩擦系数水平至少能保证车辆以3.4 m/s2的减速度安全减速停车，相当于90%的驾驶人在潮湿的路面上紧急制动时，能保证车辆处于受控制状态而不驶离车道。若将上述减速度3.4 m/s2标准代入式（6），就得到相应的摩擦系数约为0.35，相当于抗滑值SN=35。早在20 世纪六十年代末，Kummer 和Meyer等人提出了路面抗滑最小要求，即车辆行驶速度40 mph 时肋式轮胎的抗滑值SN=33，这和上述AASHTO 的摩擦系数标准非常接近。如表1 所示，是英国、澳大利亚、新西兰及其美国马里兰和密歇根的设计标准要求进行现场调查的抗滑水平阈值。其中，英国、澳大利亚和新西兰是采用SCRIM测定的车速50 km/h 的横向力系数SFC；美国马里兰和密歇根是采用ASTM E-274 锁轮车肋式轮胎测定的车速40 mph（64 km/h）的抗滑值 SN。

表1 路面抗滑水平调查的阈值和最小要求

英国、澳大利亚和新西兰的抗滑标准相似，交叉口入口段抗滑要求最高，主要是考虑紧急刹车要求。但是，汽车专用公路抗滑要求为0.35，比普通公路抗滑要求0.40 低，这值得进一步磋商。汽车专用公路设计车速高，不仅制动距离较大，轮胎和路面之间的摩擦力也小，这就要求具有更高的抗滑性能。密歇根的最小SN 为30，低于Kummer 和Meyer 提出的抗滑最小要求，其潜在的问题是无法及时发现路面抗滑缺陷。McCullough 和Rizenbergs 等人提出的最小摩擦系数或抗滑值相同，但前者的最小抗滑要求比后者实际上小一些，因为后者的速度较前者大。

在我国现行的《公路技术状况评定标准》[2]中，路面抗滑能力是将横向力系数换算成路面抗滑性能指数来衡量：

式中：SRI 为路面抗滑性能指数；SRImin为标定参数，0.35；SFC 为横向力系数；a0、a1为模型参数，分别为28.6 和 -0.105。

上述路面抗滑评价有三方面不足：首先，从式（7）可以看出，影响SRI 的参数只有一个即SFC。人为地把一个客观、可测定的参数SFC 换算成一个虚拟的参数SRI，且放在公式中经换算折合扩大了评价误差；其次，采用横向力系数或采用纵向摩擦系数作为评价标准，和具体的适用场合有关。山西的研究结果表明[3-4]，高等级公路交通伤亡事故的主要类型是追尾，约占事故总数的63%，涉及的车辆数超过80%，受伤人数和死亡人数均超过55%。追尾事故往往涉及紧急制动距离，这就要求路面具备足够的纵向摩擦系数。最后，普通公路可能由于平曲线半径较小，采用路面横向摩擦系数可能更合理。

我国在路面抗滑方面的研究少，对路面抗滑原理及其对交通安全的影响认识有限。一般，路面抗滑能力评定和标准要考虑3 个因素：一是行车安全所需的最小抗滑能力即最小摩擦系数0.20 要求（按ASTM E-274 检测方法、采用ASTM E-524 标准光滑轮胎，检测速度60 km/h）；二是经济因素即满足抗滑标准所需的成本，抗滑标准越高，达到和维护路面抗滑能力的费用越大；三是路面实际抗滑性能，如普通热拌沥青混合料路面、开级配沥青磨耗层、横向刻槽水泥混凝土路面、纵向刻槽水泥混凝土路面和超抗滑路表处治等。

图2 是本文根据有关文献的数据，绘制出具有不同纵向摩擦系数的路面累计百分比曲线。可以看出，该曲线前半段下凹，后半段上凸，凹凸两段的临界点大约在摩擦系数0.50 左右，相应的累计百分率略大于50%，而最小摩擦系数对应的累计百分率略小于5%。在前半段，摩擦系数为0.30 时曲线变化最大，相应的累计百分率为10%左右；在后半段，摩擦系数为0.80（相当于HFST 抗滑能力）时曲线变化最大，相应的累计百分率约为95%。表2 给出的是英国公路路面抗滑能力调查的最小摩擦系数标准，由此可知，交通量较大的路段摩擦系数标准高；反之，摩擦系数标准低。要提出的是，英国高速公路摩擦系数调查水平比其他干道的要求低，这一点值得进一步斟酌。

图2 具有不同纵向摩擦系数的路面累计百分比

表2 英国摩擦系数干道路段分类及其调查水平

图3 是山西4 条高速公路横向力系数检测结果的累计分布，可以看出，大部分横向力系数处于0.40～0.60 之间。

图3 具有不同纵向摩擦系数的路面累计百分比

综合以上各种因素，本课题建议路面抗滑能力评价的量化标准见表3，其中横向摩擦系数SC 是根据纵向摩擦系数和SCRIM 检测结果的比值推算得到的。要提醒的是，在计算SCRIM系数SC 时所采用的SFC 指数为0.78，是根据英国的路面条件得到的，用于山西会有一定误差。另外，摩擦系数的速度修正和路表纹理结构有关，不是唯一和不变的。在光滑的路面上，横向摩擦系数SC 要大于纵向摩擦系数f；而在非常粗糙的路面上，SC 一般小于f .高速公路车辆速度大，安全停车所需摩擦系数大；普通公路平曲线半径小，安全转弯所需摩擦系数也大。因此，表3 提出的抗滑能力标准适用于所有公路。

表3 路面抗滑能力评价量化标准（检测速度：50km/h）

4 结论

本文通过对比分析国内外路面抗滑能力检测及评价标准，并经过试验验证，得出以下两个主要结论：

a）提出了纵向摩擦系数和横向摩擦系数的适用范围。高等级公路线形指标良好，追尾事故频发涉及安全停车距离，应采用纵向摩擦系数；普通公路线形指标不良，弯道潮湿路面侧滑事故频发涉及车辆侧向移动，应采用横向摩擦系数。

b）针对纵向摩擦系数和横向摩擦系数，提出了路面抗滑能力的合理量化评定标准。