典型路面結(jié)構(gòu)冰水混合物附著條件下濕滑性能研究

郭忠印， 彭　翔， 宋燦燦

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上?！?01804)

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典型路面結(jié)構(gòu)冰水混合物附著條件下濕滑性能研究

郭忠印， 彭翔， 宋燦燦

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海201804)

路面結(jié)冰、積水導(dǎo)致行車性能下降極易誘發(fā)交通安全問(wèn)題，而其造成交通事故的主要致因是路面濕滑性能的改變。利用陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室的維薩拉遙感道面狀態(tài)傳感器、溫濕度傳感器、擺式儀、紅外熱像儀采集兩種典型路面結(jié)構(gòu)AC — 16、OGFC — 16表面冰水混合物的冰層厚度、水膜厚度、摩擦系數(shù)、環(huán)境溫度、冰層表面溫度參數(shù)。利用SPSS軟件通過(guò)方差分析、多元線性回歸分析研究典型路面結(jié)構(gòu)冰水混合物附著條件下濕滑性能的影響因素與定量關(guān)系。研究表明， AC — 16路面冰水混合物附著條件下摩擦系數(shù)與冰層厚度呈線性正相關(guān)，與冰層表面溫度分別呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)(低于-3 ℃)和線性正相關(guān)(-3～0 ℃)；OGFC — 16路面冰水混合物附著條件下摩擦系數(shù)與水膜厚度呈線性負(fù)相關(guān)，與冰層厚度、冰層表面溫度的關(guān)系和AC — 16路面一致。

道路安全； 冰水混合物； 摩擦系數(shù)； 濕滑性能； 多元回歸模型

0　引言

路面附著冰水混合物狀態(tài)是指路面覆冰之后，由于運(yùn)行車輛輪胎的反復(fù)作用致使冰層融化形成的水膜、冰層、路面的三層式結(jié)構(gòu)狀態(tài)。路面結(jié)構(gòu)附著冰水混合物之后，道路的路用性能迅速下降，車輛所受的摩擦系數(shù)大幅減小，極易引發(fā)交通事故。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2012年由于冰雪等惡劣環(huán)境引起的交通事故死亡人數(shù)上升12.7%[1]；2013年，雨、雪、霧等惡劣天氣下發(fā)生事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)占總數(shù)的10.7%[2]。無(wú)論是事故數(shù)量還是事故嚴(yán)重程度，冰雪路面條件下所占的比重均非常大。因此，開(kāi)展冰水混合物路面濕滑性能的研究是非常必要的，且可以從源頭減少冰雪天氣條件下的事故率和事故傷害程度。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)冰水混合物條件下路面抗滑性能的研究集中于摩擦學(xué)理論與力學(xué)理論的定性分析。Evans等分析了冰水混合物路面摩擦系數(shù)下降的原因和摩擦機(jī)制[3-5]；彭旭東依據(jù)流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論與摩擦融化理論研究了接觸面全融化和接觸面部分融化冰面輪胎摩擦力[6，7]。此外，彭旭東考慮流體動(dòng)力潤(rùn)滑與熱傳導(dǎo)的耦合作用，分析了橡膠的滑動(dòng)摩擦特性[8]。

近年來(lái)學(xué)者開(kāi)始根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量研究冰層表面摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。B?urel等研究了冰水混合物條件下路面的動(dòng)摩擦系數(shù)與溫度、速度、負(fù)載、表觀面積的定量關(guān)系[9，10]。郭孔輝基于自主研發(fā)的輪胎胎面橡膠摩擦試驗(yàn)機(jī)，提出了一種輪胎胎面橡膠—冰面摩擦試驗(yàn)方法[11]。王丙元利用室外實(shí)驗(yàn)建立冰雪道面半融狀態(tài)的摩擦系數(shù)計(jì)算模型[12]。

綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀研究，理論分析的方法均基于特定的模型假設(shè)，且在分析過(guò)程中并未考慮環(huán)境溫度、冰層厚度對(duì)冰層表面摩擦系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)分析的方法研究成果非常少，并且在研究過(guò)程中未考慮冰層表面水膜對(duì)冰層摩擦系數(shù)的影響。同時(shí)，試驗(yàn)對(duì)象僅涉及厚冰層與橡膠，未考慮兩者之間諸如瀝青路面等介質(zhì)的影響作用。

本文從冰水混合物路面的組成要素出發(fā)，選擇典型路面結(jié)構(gòu)AC — 16、OGFC — 16，研究冰水混合物路面摩擦系數(shù)與冰層厚度、冰層表面溫度、水膜厚度以及空氣濕度之間的函數(shù)關(guān)系。

1　實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在云南省陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室的惡劣氣象交通條件模擬實(shí)驗(yàn)箱開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)箱可實(shí)現(xiàn)低溫、高溫、大跨度溫濕度控制、覆冰、淋雨、懸浮霧功能。

1.1實(shí)驗(yàn)控制因素

由于目前缺乏對(duì)冰水混合物路面濕滑性能影響因素的研究，因此，借鑒潮濕路面、結(jié)冰路面的已有研究成果確定實(shí)驗(yàn)控制因素。Hight研究表明潮濕路面摩擦系數(shù)受水膜厚度、滑水率的影響[13，14]，Klein-Paste認(rèn)為結(jié)冰路面的摩擦系數(shù)受冰層硬度的影響[15]。趙鴻鐸發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)與水膜厚度間存在定量函數(shù)關(guān)系[16]。熊竹基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)構(gòu)建路面結(jié)冰狀態(tài)預(yù)估模型并分析不同冰厚對(duì)抗滑能力的影響。[17]根據(jù)以上研究成果，選擇冰層厚度、水膜厚度、冰層表面溫度以及空氣濕度作為實(shí)驗(yàn)控制因素。

1.2實(shí)驗(yàn)因素控制范圍

冰層表面溫度控制范圍為0～-15 ℃，其中0～-10 ℃的溫度梯度為1 ℃，-10～-15 ℃之間在-13℃，-15 ℃兩個(gè)溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。路面的結(jié)冰厚度控制在1 mm±0.2 mm。通過(guò)改變空氣濕度以及噴灑霧狀水膜的方式，使結(jié)冰后的路面表層附著有不同厚度的水膜，模擬冰層表面的水膜情況；空氣濕度控制在50%～90%之間。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

利用維薩拉遙感道面狀態(tài)傳感器DSC111和維薩拉溫濕度探頭HMP155實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冰層表面溫度、冰層厚度、水膜厚度及空氣溫濕度，如圖1所示。DSC111能夠分別檢測(cè)水和冰的狀態(tài)，檢測(cè)的厚度均為0～99 mm，檢測(cè)精度為0.01 mm；HMP155相對(duì)濕度的探查范圍為0～100%，探測(cè)精度為1%，溫度測(cè)量范圍為-80～60 ℃，測(cè)量精度為0.1 ℃。摩擦系數(shù)通過(guò)擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀測(cè)量，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為AC — 16、OGFC — 16車轍板試件，尺寸均為30 cm×30 cm×4 cm。

圖1　DSC 111與HMP 155Figure 1　DSC 111 and HMP 155

圖2　擺式儀Figure 2　British pendulum tester

實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程如圖3所示。實(shí)驗(yàn)箱空間尺寸為4 m×4 m×2.5 m。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)控制用水量改變水膜的厚度、冰層的厚度，通過(guò)制冷機(jī)組以及超聲波加濕機(jī)分別控制環(huán)境溫度與濕度。結(jié)冰過(guò)程中，拍攝紅外圖像以獲取結(jié)冰狀態(tài)以及速率，如圖4所示。待完全結(jié)冰時(shí)，在冰層表面噴灑霧狀水膜，迅速通過(guò)事先已調(diào)整好的擺式儀測(cè)量擺值，測(cè)點(diǎn)位于DSC — 111監(jiān)測(cè)的直徑為10 cm區(qū)域內(nèi)，每次測(cè)量5個(gè)擺值，同時(shí)記錄冰層表面溫度、水膜厚度、冰層厚度、空氣濕度。每塊車轍板實(shí)驗(yàn)完成后，將其置于20 ℃烘箱中烘干，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3　室內(nèi)測(cè)試環(huán)境

圖4　結(jié)冰過(guò)程中的紅外圖像

2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)獲取的空氣濕度、水膜厚度、冰層厚度、冰層表面溫度在測(cè)量擺值的短暫過(guò)程中可以認(rèn)為是恒定的，因此，僅需對(duì)擺值數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。剔除每組測(cè)量的5個(gè)擺值數(shù)據(jù)中最大值與最小值差值大于3的測(cè)組，剩余的測(cè)試組取5次擺值的平均值除以100作為摩擦系數(shù)，即：

(1)

式中: BPN為擺值的平均值；f為摩擦系數(shù)。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)是否存在異常值，通過(guò)繪制AC — 16和OGFC — 16瀝青混凝土車轍板摩擦系數(shù)箱型圖進(jìn)行判斷，如圖5所示。該圖中摩擦系數(shù)異常值以觀測(cè)值至上、下四分位數(shù)距離大于1.5倍四分位距為標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥闯? 兩組數(shù)據(jù)均沒(méi)有異常值。

圖5　箱型圖Figure 5　Box-Plot

繪制AC — 16路面摩擦系數(shù)與冰層表面溫度、冰層厚度、水膜厚度關(guān)系圖，如圖6、圖7所示。

3.1AC — 16路面摩擦系數(shù)相關(guān)性分析

圖6表明: 在冰層厚度、水膜厚度相同時(shí)，AC — 16路面摩擦系數(shù)隨冰層表面溫度在一定范圍內(nèi)呈線性負(fù)相關(guān)，但是當(dāng)溫度超過(guò)一定閾值(約為-3℃)后，路面的摩擦系數(shù)與表面溫度呈線性正相關(guān)，正相關(guān)的變化速率的絕對(duì)值低于負(fù)相關(guān)。當(dāng)冰層表面溫度相同，水膜厚度、冰層厚度不同時(shí)，路面的摩擦系數(shù)不同，因此，水膜厚度、冰層厚度、二者的交互作用均可能對(duì)路面的摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。

圖6　AC — 16路面摩擦系數(shù)與冰層表面溫度關(guān)系Figure 6　The relationship between AC — 16 pavement friction coefficient and ice surface temperature

圖7可以直觀的看出: 摩擦系數(shù)會(huì)隨著冰層厚度的增加而下降。當(dāng)冰層厚度相同時(shí)，摩擦系數(shù)隨水膜厚度的變化趨勢(shì)沒(méi)有顯著規(guī)律。在冰層厚度為0～0.2 mm區(qū)間內(nèi)，摩擦系數(shù)的變化規(guī)律更為復(fù)雜。因而，較難直接得出摩擦系數(shù)與水膜厚度間的發(fā)展規(guī)律。

圖7　AC — 16路面摩擦系數(shù)與冰層厚度、水膜厚度關(guān)系圖Figure 7　The relationship among pavement friction coefficient, icethickness and water film thickness of AC — 16

3.2基于方差分析的數(shù)據(jù)處理

為了科學(xué)確定路面摩擦系數(shù)的影響因素，從統(tǒng)計(jì)的角度對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用SPSS進(jìn)行多因素方差分析，以確定影響不同路面結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)的因素。

如表1、表2所示，對(duì)AC — 16路面的冰層厚度、冰層表面溫度、水膜厚度、與摩擦系數(shù)之間進(jìn)行多因素方差分析。取顯著性水平α為0.05。表1表明摩擦系數(shù)的方差齊性檢驗(yàn)值為0.501，且概率P值為0.134，P>α，則摩擦系數(shù)的總體方差無(wú)顯著差異，滿足方差分析的前提。表2分析結(jié)果表明：冰層厚度、冰層表面溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響概率P分別為0.005和0.003，均小于α，而水膜厚度以及三者之間交互作用的概率P值大于α，故可以認(rèn)為AC — 16路面的摩擦系數(shù)主要受冰層厚度以及冰層表面溫度的影響。多因素方差分析結(jié)果進(jìn)一步證明了冰層厚度、冰層表面溫度對(duì)摩擦系數(shù)均產(chǎn)生了顯著性的影響，且兩者之間未產(chǎn)生交互作用。

表1 方差齊性檢驗(yàn)Table1 ThetestofvarianceconsistencyLeveneStatisticdf1df2顯著性0.5017840.134

表2 AC—16路面多因素方差分析結(jié)果Table2 ResultsofGLMaboutAC—16來(lái)源第Ⅲ類平方和自由度均方和F值顯著性修正的模型0.460a770.006 116.6150.000截距3.586 13.58670035.5080.000冰層厚度0.010200.001 9.8350.005冰表層溫度0.036430.001 16.5650.003水膜厚度0.103120.009 1.6860.089冰層厚度*冰表層溫度2.626E-5 21.313E-5 0.2560.783冰層厚度*水膜厚度0.004 60.001 2.3670.217冰表層溫度*水膜厚度0.004110.000 2.7310.114冰層厚度*冰表層溫度*水膜厚度0.000 0錯(cuò)誤0.000 55.120E-5總計(jì)5.30683校正后總數(shù)0.46082 注:a.R2=0.999(調(diào)整的R2=0.991)。

3.3多元回歸模型建立與評(píng)價(jià)

利用SPSS軟件，以冰層表面溫度-3 ℃為臨界，采用逐步進(jìn)入的方式進(jìn)行回歸，回歸結(jié)果如表3、表4所示。

表3 AC—16模型回歸系數(shù)(Ti<-3℃)Table3 RegressioncofficientsofmodelaboutAC—16(Ti<-3℃)模型非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)B標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤BetaT顯著性共線性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)允差VIF1(常數(shù))0.1650.01511.0821.04E-16冰表層溫度-0.0100.001-0.663-7.1187.50E-101.0001.000(常數(shù))0.0390.0152.1040.0392冰表層溫度-0.0180.001-1.140-13.1515.55E-200.5581.791冰層厚度0.1230.0140.5858.2879.02E-120.5581.791

表4 AC—16模型回歸系數(shù)(-3℃

表3、表4中:T檢驗(yàn)的顯著性均小于0.05，且方差膨脹因子VIF值均較小，距離1較近，并小于10，故可以認(rèn)為解釋變量冰層表面溫度與冰層厚度之間基本不存在多重共線性問(wèn)題。故：可以得到回歸模型：

(2)

式中: f為摩擦系數(shù)；Ti為冰層表面溫度；Hi為冰層厚度。

該回歸模型的結(jié)果與方差分析一致，摩擦系數(shù)與冰層表面溫度呈負(fù)/正相關(guān)(Ti<-3 ℃/0 ℃>Ti>-3 ℃)，與冰層厚度呈正相關(guān)。

當(dāng)溫度較低時(shí)，輪胎橡膠—冰界面之間產(chǎn)生了一種Schallamach波，使得摩擦界面之間具有強(qiáng)烈的粘附作用，從而產(chǎn)生高的牽引力[18]。隨著冰層表面溫度的上升，冰層抗剪強(qiáng)度減弱，越易屈服，摩擦系數(shù)顯著下降。當(dāng)溫度接近冰融點(diǎn)時(shí)(-3 ℃)，冰層的硬度下降明顯。由于實(shí)驗(yàn)中的冰層厚度較薄，薄層冰在擺式儀橡膠塊的摩擦作用下，會(huì)更容易融化或破碎，從而使得路面表面的宏觀構(gòu)造會(huì)顯露出來(lái)，導(dǎo)致擺值的增大，使得摩擦系數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

隨著冰層厚度的增加，摩擦系數(shù)增大的主要原因在于，當(dāng)溫度一定時(shí)，若冰層厚度較薄，在外力作用下，易形成碎冰，將會(huì)出現(xiàn)滑移，導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低。當(dāng)冰層較厚時(shí)，其結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度以及硬度較高，能夠保持一定的完整性，使得冰層具有較好的抗剪切能力；同時(shí)冰層表面與輪胎橡膠之間具有粘附作用，橡膠片與冰層之間的接觸面積隨著冰層厚度的增大而增加，摩擦系數(shù)隨之變大。

該回歸模型并沒(méi)有反映水膜厚度對(duì)摩擦系數(shù)的影響效果，主要是由于試驗(yàn)時(shí)通過(guò)設(shè)置空氣濕度使冰層表面產(chǎn)生水膜，水膜厚度較薄，導(dǎo)致其影響效果不顯著；同時(shí)，由于試驗(yàn)采用的是擺式儀測(cè)摩擦系數(shù)，擺式儀的擺錘速度較低，對(duì)冰作用的摩擦熱較小，使得冰層表面的水膜改變不明顯。從方差分析的結(jié)果可以看出，水膜厚度的顯著性水平與α相差較小，說(shuō)明冰層表面的水膜厚度對(duì)摩擦系數(shù)的影響不能消除。由于試驗(yàn)的設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)儀器的限制，建立的模型具有一定的缺陷，但是從總體上可以看出，該模型在缺少冰層表面水膜厚度的因素下，回歸的可信度較高，對(duì)結(jié)果的判斷沒(méi)有產(chǎn)生較大的影響。

4.1OGFC — 16路面摩擦系數(shù)相關(guān)性分析

OGFC — 16路面結(jié)構(gòu)的構(gòu)造深度、孔隙率以及摩擦系數(shù)均大于AC — 16路面。為了研究OGFC — 16路面在冰水混合物狀態(tài)下摩擦系數(shù)的影響因素和關(guān)系，繪制如圖8、圖9所示關(guān)系圖。

圖8可以看出: OGFC — 16路面摩擦系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)整體與AC — 16路面相一致。當(dāng)冰層表面溫度大于-3 ℃時(shí)，OGFC — 16路面摩擦系數(shù)隨溫度的升高呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。當(dāng)溫度小于-3 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)在-3～-5 ℃范圍內(nèi)隨溫度上升，其下降速率較快。

圖9表明: OGFC — 16路面的摩擦系數(shù)隨著冰層厚度的增加而上升，隨著水膜厚度的增加而下降，三者之間呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性相關(guān)性。當(dāng)水膜厚度和冰層厚度分別為1 mm和0.2 mm時(shí)，摩擦系數(shù)下降至0.1～0.2范圍內(nèi)。此時(shí)，抗?jié)窕阅懿荒軡M足正常行車安全的需求。

圖8　OGFC — 16路面摩擦系數(shù)與冰層表面溫度關(guān)系Figure 8　The relationship between OGFC — 16 pavement friction coefficient and ice surface temperature

圖9　OGFC — 16路面摩擦系數(shù)與冰層厚度、水膜厚度關(guān)系圖Figure 9　The relationship among pavement friction coefficient,ice thickness and water film thickness of OGFC — 16

4.2基于方差分析的數(shù)據(jù)處理

如表5、表6所示，對(duì)可能影響OGFC — 16路面摩擦系數(shù)的各因素進(jìn)行多因素方差分析。取顯著性水平α為0.05。表5表明: 摩擦系數(shù)的方差齊性檢驗(yàn)值為0.702，且概率P值為0.796，P>α，則摩擦系數(shù)的總體方差無(wú)顯著差異，滿足方差分析的前提。表6可以發(fā)現(xiàn)冰層厚度、水膜厚度以及冰層表面溫度的概率P分別為1.06E — 16、0.01、3.51E — 13，均小于α，故三者對(duì)OGFC — 16路面的摩擦系數(shù)均有顯著的影響且三者之間沒(méi)有交互作用，同時(shí)也反應(yīng)OGFC — 16路面摩擦系數(shù)與冰層厚度與水膜厚度的相關(guān)性較強(qiáng)。

4.3多元線性回歸模型建立與評(píng)價(jià)

利用SPSS軟件，對(duì)冰層表面溫度Ti<-3 ℃、-3 ℃

表5 方差齊性檢驗(yàn)Table5 ThetestofvarianceconsistencyLeveneStatisticdf1df2顯著性0.7026580.796

表6 OGFC—16多因素方差分析結(jié)果Table6 ResultsofGLMaboutOGFC—16來(lái)源第Ⅲ類平方和自由度均方和F值顯著性修正的模型0.568a530.01126.5984.48E-11截距2.92412.9247258.5304.33E-23冰層厚度0.129340.0049.4491.06E-16水膜厚度0.029140.0025.080 0.001冰層表面溫度0.566490.01228.7193.51E-13冰層厚度*水膜厚度0.00330.0012.362 0.102冰層厚度*冰層表面溫度0.00120.0002.561-0.128水膜厚度*冰層表面溫度0.00120.0002.297 0.147冰層厚度*水膜厚度*冰層表面溫度0.0000錯(cuò)誤0.008200.000總計(jì)5.28474校正后總數(shù)0.57673 a.R2=0.986(調(diào)整的R2=0.949)

表7 OGFC—16模型回歸系數(shù)系數(shù)(Ti<-3℃)Table7 RegressioncofficientsofmodelaboutOGFC—16(Ti<-3℃)模型非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)B標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤BetaT顯著性共線性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)允差VIF1(常數(shù))0.1960.00825.2855.81E-32冰層厚度0.2150.0150.88814.3273.28E-201.0001.000(常數(shù))0.2020.00826.9175.75E-332冰層厚度0.2120.0140.87715.1644.13E-210.9961.004水膜厚度-0.0800.026-0.177-3.0600.0030.9961.004(常數(shù))0.2930.0338.7527.18E-12冰層厚度0.1490.0260.6185.7125.17E-70.2543.9423水膜厚度-0.1350.032-0.299-4.2748.0E-50.6071.648冰層表面溫度-0.0080.0030.3182.7840.0070.4272.415

表8 OGFC—16模型回歸系數(shù)系數(shù)(-3℃

表7、表8中T檢驗(yàn)的顯著性均小于0.05，且方差膨脹因子VIF值均位于1至10區(qū)間內(nèi)，故可以認(rèn)為解釋變量冰層表面溫度與冰層厚度之間基本不存在多重共線性問(wèn)題。故：可以得到回歸模型為：

(3)

式中:f為摩擦系數(shù)；Hw為水膜厚度；Hi為冰層厚度；Ti為冰層表面溫度。

該回歸結(jié)果與方差分析相一致。摩擦系數(shù)與冰層表面水膜厚度、冰層表面溫度(Ti<-3 ℃)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與冰層厚度、冰層表面溫度(-3 ℃

5　結(jié)論

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于冰水混合物條件下的路面摩擦系數(shù)研究處于定性層面問(wèn)題，從分析影響冰水混合物路面摩擦系數(shù)的因素出發(fā)，對(duì)AC — 16、OGFC — 16路面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)冰層表面溫度、冰層厚度對(duì)AC — 16路面摩擦系數(shù)影響明顯，冰層厚度、水膜厚度、冰層表面溫度對(duì)OGFC — 16路面摩擦系數(shù)影響顯著，以此建立典型路面結(jié)構(gòu)與影響因素之間的多元線性回歸模型。通過(guò)對(duì)路面的狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)反應(yīng)路表的摩擦系數(shù)，從而指導(dǎo)駕駛?cè)藛T安全行駛。

本文模型在已有冰層表面溫度對(duì)抗滑性能影響的基礎(chǔ)上，考慮冰層厚度、水膜厚度對(duì)摩擦系數(shù)的影響變化趨勢(shì)，建立定量關(guān)系模型。冰層表面溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響與已有的研究成果相一致，均隨著冰層表面溫度的升高而出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，但是本文模型對(duì)溫度的臨界值進(jìn)行標(biāo)定確認(rèn)。現(xiàn)有的研究成果并未對(duì)冰層厚度、水膜厚度與摩擦系數(shù)的影響進(jìn)行研究，僅對(duì)實(shí)際路面條件下的冰雪密度、摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，得出不同路面狀態(tài)的抗滑性能，發(fā)現(xiàn)抗滑性能出現(xiàn)急劇下降，但是未考慮冰雪組成以及形成狀態(tài)等因素，而本文模型則充分考慮結(jié)冰路面的實(shí)際情況建立關(guān)系。

該研究結(jié)果對(duì)工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。實(shí)際道路環(huán)境下，通過(guò)合理布置氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備、路面狀態(tài)傳感器等，道路管理部門即可獲得不同路面狀態(tài)下道路抗滑性能，從而實(shí)時(shí)對(duì)路面安全性進(jìn)行預(yù)警，如利用可變情報(bào)板對(duì)路面狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)并給定安全車速。當(dāng)路面摩擦系數(shù)不能滿足安全行車需求時(shí)，可立即進(jìn)行相關(guān)的處理措施，如噴灑融冰劑，從而降低冰雪災(zāi)害對(duì)道路交通安全的影響，避免重大交通事故的發(fā)生，同時(shí)減少因結(jié)冰災(zāi)害引起的高速公路封閉而造成的經(jīng)濟(jì)損失。

由于試驗(yàn)條件的限制，未能考慮速度、載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響。同時(shí)，冰層厚度、水膜厚度的范圍選擇過(guò)于粗糙，需要進(jìn)一步考慮與路面構(gòu)造深度的關(guān)系。所以模型建立的適用范圍存在一定局限性，需要更深入研究。

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Study on the Skid Resistance Performance of the Typical Pavement Structure Under the Adhesion Condition of Ice Water Mixture

GUO Zhongyin, PENG Xiang, SONG Cancan

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China)

It’s easily to cause traffic safety when the road surface becomes freeze and wet which deteriorates the driving performance. The main reason is the change of the skid resistance performance. The thickness of ice and water film, the temperature of ice surface and environmental factors on the track palte of AC — 16 and OGFC — 16 are obtained with the use of the remote surface state with temperature and humidity sensor of Vaisala, the British pendulum tester and the infrared thermal imager in the NELSTWIP in real time. In order to get the influential factors and establish quantitative relationship under the adhesion condition of ice water mixture, the SPSS is used to analyze the variance and multiple linear regression. The analysis found out that there exists a positive linear correlation to ice thickness, a negative/positive linear to ice temperature(below -3 ℃/ -3～0 ℃) with the friction coefficient of AC — 16. In respect to OGFC — 16, there exists a negative linear correlation to water film thickness with friction coefficient and the consistent relationship in terms of the thickness of ice and ice temperature.

road safety; ice water mixture; friction coefficient; skid resistance; multivariate regression models

2016 — 03 — 14

郭忠印(1962 — )，男，山東鄄城人，工學(xué)博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事道路安全和路面材料研究。

U 418.6+5

A

1674 — 0610(2016)04 — 0012 — 07