邢小亮 王孝存 張 昱 高立曉 樊兆董

（1.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；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)北京民航設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 101318；3.民航機(jī)場(chǎng)安全與運(yùn)行工程技術(shù)研究中心 北京 101318；4.山東省交通科學(xué)研究院 濟(jì)南 250031；5.山東省路域安全與應(yīng)急保障交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 濟(jì)南 250102）

0 引 言

近幾年，瀝青混凝土機(jī)場(chǎng)道面和舊水泥混凝土道面加鋪瀝青層在國(guó)內(nèi)外各大型民用及軍用機(jī)場(chǎng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。瀝青道面抗滑性能受區(qū)域宏觀氣象環(huán)境的作用影響較大，不良?xì)庀蟓h(huán)境造成的道面積水、結(jié)冰、能見(jiàn)度低等狀況，嚴(yán)重影響機(jī)場(chǎng)區(qū)域交通安全運(yùn)營(yíng)[3-4]。惡劣天氣對(duì)機(jī)場(chǎng)道面與場(chǎng)道飛機(jī)、車輛所構(gòu)成微環(huán)境的“滲透”作用是導(dǎo)致道面抗滑性能降低的主要誘因。因此，對(duì)不良?xì)庀笪h(huán)境作用下的機(jī)場(chǎng)道面抗滑性能影響研究是必要的。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)機(jī)場(chǎng)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]認(rèn)為水泥混凝土道面摩擦力對(duì)環(huán)境溫度的敏感性較低，通過(guò)建立紋理類型、速度等與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，提出5種用于預(yù)測(cè)混凝土路面長(zhǎng)期抗滑性能的模型。葛東華等[5]認(rèn)為機(jī)場(chǎng)道面摩擦系數(shù)隨平均紋理深度的增加而非線性增大；摩擦系數(shù)不僅與平均紋理深度有關(guān)，還受表面紋理特征的影響。楊慧等[6]研究了民用和軍用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面紋理深度、特征及工藝對(duì)道面摩擦系數(shù)的影響，并提出了相應(yīng)的處置方法和控制指標(biāo)。Rado等[7-8]應(yīng)用頻率普函數(shù)與功率譜函數(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面宏觀紋理構(gòu)造特征與摩擦系數(shù)進(jìn)行了定性描述。Fernandes等[9]以交通事故數(shù)據(jù)和摩擦系數(shù)為基礎(chǔ)，提出1種基于安全性和抗滑性能的評(píng)價(jià)方法，并論證了該方法的適用性。趙方冉等[10-11]基于水泥混凝土道面構(gòu)造特征參數(shù)化分析，提出舊道面抗滑性能定量分析模型。由于瀝青混凝土加鋪改造的在民用和軍用機(jī)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用，部分學(xué)者針對(duì)瀝青混凝土道面上進(jìn)行了相關(guān)研究。EI-Desouky等[12]開(kāi)發(fā)了1種瀝青混凝土道面在溫度變化下的抗滑性能模型，首次將低于冰點(diǎn)的溫度納入到瀝青道面抗滑模型和校正模型。錢振東等[13]提出基于新型環(huán)氧瀝青混凝土的高性能瀝青混凝土道面，并驗(yàn)證了荷載作用下與傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面在抵抗結(jié)構(gòu)永久變形能力上的優(yōu)越性。冉武平等[14]基于加速加載試驗(yàn)論證了環(huán)氧瀝青道面在力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性和抗車轍變形能力方面的優(yōu)勢(shì)。馬翔等[15]綜合論證了瀝青混凝土與水泥混凝土復(fù)合式機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)荷載應(yīng)力影響，并提出了復(fù)合式機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)化改進(jìn)建議。許奕杰等[16]提出自編碼長(zhǎng)短時(shí)記憶（AE-LSTM）網(wǎng)絡(luò)模型，較好的降低了惡劣氣象條件下機(jī)場(chǎng)周界入侵報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)率。劉芳等[17]提出了基于性能等級(jí)（performance grade，PG）值的瀝青混凝土道面抗老化性能預(yù)測(cè)模型，認(rèn)為PG上限溫度值可作為評(píng)價(jià)瀝青道面抗老化性能指標(biāo)。凌建明等[18]建立了瀝青混凝土道面平整度指數(shù)（IRI）與累計(jì)交通量、IRI-PCI關(guān)系，并提出了能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)道面剩余使用壽命的PCI預(yù)測(cè)模型。

綜上可知，在機(jī)場(chǎng)道面抗滑性能及安全性研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者較多集中在水泥混凝土道面紋理結(jié)構(gòu)、特征、構(gòu)造深度等對(duì)表面抗滑性能影響上，建立了較為完善的道面抗滑性能評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)模型。由于瀝青混凝土道面加鋪工藝的推廣和應(yīng)用，部分學(xué)者針對(duì)受溫度影響較大的瀝青混凝土道面材料溫變、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、抗老化，以及使用壽命等方面進(jìn)行了深入研究，而相關(guān)研究主要側(cè)重材料試驗(yàn)性能和結(jié)構(gòu)變形方面。外部的宏觀氣象環(huán)境直接影響機(jī)場(chǎng)道面所處微觀環(huán)境溫度，微環(huán)境的溫變效應(yīng)作為道面表面抗滑性能衰變的重要因素，間接導(dǎo)致飛機(jī)、場(chǎng)道車輛等發(fā)生側(cè)翻、滑移等安全事故。然而，既有綜合不良?xì)庀蟓h(huán)境與瀝青混凝土道面的研究較多關(guān)注的是宏觀惡劣氣象條件的預(yù)測(cè)預(yù)警上，對(duì)氣象環(huán)境與機(jī)場(chǎng)道面間的作用機(jī)理研究深度不夠。尤其是對(duì)直接影響機(jī)場(chǎng)區(qū)域交通安全的道面抗滑性能的耦合作用及預(yù)測(cè)研究較少。

鑒于此，筆者首先從微觀角度解析了氣象微環(huán)境對(duì)道面表面作用機(jī)理。然后根據(jù)道面水成分的形態(tài)變化過(guò)程，通過(guò)環(huán)境模擬艙室內(nèi)結(jié)冰試驗(yàn)，研究不同氣象微環(huán)境與道面摩擦系數(shù)間的耦合關(guān)系，并以此建立其對(duì)道面抗滑性能影響作用關(guān)系模型，為研究不良?xì)庀髼l件下的機(jī)場(chǎng)道面交通安全運(yùn)營(yíng)預(yù)警技術(shù)提供可靠依據(jù)。

1 氣象微環(huán)境作用機(jī)理分析

涉及機(jī)場(chǎng)道面區(qū)域不良?xì)庀蟓h(huán)境條件主要有雨、雪、霧等天氣。外部區(qū)域氣象環(huán)境變化對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的影響，并不是獨(dú)立影響人-車-路-環(huán)境系統(tǒng)的某個(gè)系統(tǒng)單元，而是對(duì)道面接觸局部區(qū)域氣象微環(huán)境與各系統(tǒng)單元產(chǎn)生綜合性的耦合影響作用。摩擦系數(shù)是表征道面表面抗滑性能變化的常用指標(biāo)，間接反映氣象微環(huán)境對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的使用質(zhì)量的作用影響。

受微環(huán)境溫度影響，水的形態(tài)是1個(gè)由氣態(tài)到液態(tài)，并由液態(tài)到結(jié)晶固態(tài)的過(guò)程。對(duì)應(yīng)機(jī)場(chǎng)道面可歸結(jié)為受微環(huán)境溫度影響道面表面水分子由游離氣態(tài)到流體液態(tài)，直至結(jié)晶，并通過(guò)荷載作用形成冰的物理變化過(guò)程，見(jiàn)圖1（a）。因此，機(jī)場(chǎng)道面氣象微環(huán)境影響分析可根據(jù)水的存在形式分為干燥、水膜、積雪、結(jié)冰4種狀態(tài)，見(jiàn)圖1（b）。

圖1 不同氣象微環(huán)境下機(jī)場(chǎng)道面水的存在形式Fig.1 Existence forms of airport pavement water under different meteorological micro environments

機(jī)場(chǎng)道面結(jié)冰囊括了水由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，直至結(jié)晶固態(tài)的整個(gè)物理過(guò)程，其他形態(tài)包含在水成分結(jié)晶并形成冰層的過(guò)程中。因此，本文通過(guò)室內(nèi)環(huán)境艙模擬結(jié)冰試驗(yàn)，研究氣象微環(huán)境影響下道面表面摩擦系數(shù)變化，探究不良?xì)庀笪h(huán)境對(duì)機(jī)場(chǎng)道面抗滑性能影響規(guī)律。

2 室內(nèi)環(huán)境模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)利用山東省交通科學(xué)研究院路域環(huán)境氣象災(zāi)害模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），通過(guò)調(diào)整環(huán)境模擬艙狀態(tài)參數(shù)展開(kāi)結(jié)冰對(duì)機(jī)場(chǎng)道面抗滑性能室內(nèi)試驗(yàn)研究。該系統(tǒng)可通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整環(huán)境艙內(nèi)溫度對(duì)冰、雪、雨、霧等多種惡劣交通氣象環(huán)境進(jìn)行多參數(shù)耦合作用環(huán)境實(shí)驗(yàn)?zāi)M，溫度調(diào)節(jié)范圍為-30～60℃。

圖2 路域環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Road domain environment simulation experiment system

試驗(yàn)主要采用T2GO便攜式連續(xù)摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試路面的摩擦系數(shù)，見(jiàn)圖3（a）。該設(shè)備能有效地模擬車輪剎車的真實(shí)過(guò)程，可連續(xù)采集路面的摩擦系數(shù)、環(huán)境溫度和濕度等參數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)維薩拉遙感道面狀態(tài)傳感器DSC111監(jiān)測(cè)冰層、水膜厚度，見(jiàn)圖3（b）。設(shè)備可分別檢測(cè)水和冰的狀態(tài)，檢測(cè)厚度范圍為0～99 mm，檢測(cè)精度為0.01 mm。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Test equipment

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)研究需求及道面結(jié)冰過(guò)程中水分的存在形式，將道面分為雪泥道面、積雪道面、結(jié)冰道面3種。其中雪泥狀態(tài)道面又分為薄冰+水混合道面和厚冰+水混合道面。根據(jù)冰層有無(wú)完全掩蓋路表的宏觀紋理，又將結(jié)冰道面細(xì)分為薄冰道面和厚冰道面。

路表的特征會(huì)直接影響輪胎與路面之間摩擦力的產(chǎn)生機(jī)理，因此在環(huán)境艙內(nèi)模擬冬季惡劣天氣條件下真實(shí)的路表狀態(tài)，然后測(cè)定路面的摩擦系數(shù)并研究其衰變的規(guī)律。

1）試驗(yàn)方法。將環(huán)境艙內(nèi)的試驗(yàn)路段沿寬度方向分為3段，每段寬度為1 m，長(zhǎng)度為7 m。首先在每段路面上選取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)（間距2 m），在常溫下測(cè)定測(cè)試點(diǎn)的構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)，然后模擬降雪和結(jié)冰現(xiàn)象，依次開(kāi)展試驗(yàn)。

在摩擦系數(shù)測(cè)試過(guò)程中，先用擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試路面的摩擦系數(shù)，每個(gè)測(cè)試位置平行測(cè)定3點(diǎn)；然后用T2GO測(cè)試路面的摩擦系數(shù)，要保證擺式儀的測(cè)試位置位于T2GO的車輪軌跡上。

2）試驗(yàn)設(shè)置。選擇冰層厚度、積雪厚度、水膜厚度和路表溫度作為試驗(yàn)的控制因素。結(jié)合機(jī)場(chǎng)區(qū)域氣候變化及實(shí)際情況，確定結(jié)冰路面的溫度控制范圍為0～-15℃，其中，0～-10℃的溫度梯度為1℃，-10～-15℃之間在-13℃和-15℃這2個(gè)溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；冰水混合物路面的溫度控制在-6℃，以保證在測(cè)試過(guò)程中冰面盡可能少的融化；積雪路面的溫度控制范圍為-5，-10，-15℃；雪泥路面的測(cè)試溫度控制在-6℃；冰面積雪路面的測(cè)試溫度為-5，-10，-15℃。試驗(yàn)控制因素匯總見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)控制因素Tab.1 Control factors of the test

3 結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 干燥道面

通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)環(huán)境艙內(nèi)溫度變化，得到干燥路面狀態(tài)下道面溫度與摩擦系數(shù)變化信息，見(jiàn)圖4和表2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Test data statistics

圖4 干燥狀態(tài)道面摩擦系數(shù)隨環(huán)境溫度變化Fig.4 Variation of friction coefficient of dry pavement with ambient temperature

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)?shù)烂姹砻鏌o(wú)冰層或水膜覆蓋時(shí)，道面摩擦系數(shù)隨所處微環(huán)境溫度變化不大；摩擦系數(shù)維持在0.58～0.72范圍。此時(shí)，機(jī)場(chǎng)道面抗滑性能和行駛狀況較好，飛機(jī)及各種場(chǎng)道作業(yè)車輛在道面能夠正常運(yùn)行，不易發(fā)生滑移、側(cè)翻等極易引發(fā)機(jī)場(chǎng)區(qū)域交通安全事故的隱患。同時(shí)，此道面狀態(tài)可作為后續(xù)各種不利氣象微環(huán)境道面技術(shù)狀況的比對(duì)工況。

3.2 雪泥道面

機(jī)場(chǎng)道面的雪泥狀態(tài)表示表面水成分不僅包含冰層和水膜2種形態(tài)，同時(shí)存在少量厚度的未融化的浮雪。因此，根據(jù)道面水成分的存在形態(tài)及厚度分為薄冰+水混合和厚冰+水混合道面，該狀態(tài)下不僅具有道面結(jié)冰特征，且在冰層上方覆蓋雪層和部分融化的水分形成的水膜，見(jiàn)圖5。

圖5 雪泥道面Fig.5 Snow-mud pavement

試驗(yàn)過(guò)程中，將環(huán)境溫度依次設(shè)為-15，-10，-5，0℃，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水膜、冰層、積雪厚度，并進(jìn)行摩擦系數(shù)的測(cè)定。同時(shí)檢測(cè)路表溫度，當(dāng)路表溫度每上升1℃，測(cè)試1次摩擦系數(shù)。導(dǎo)出維薩拉中對(duì)水膜、積雪和冰層的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在剔除異常數(shù)據(jù)后，分析得到三者與摩擦系數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖6（a）；由于試驗(yàn)溫度的降低，表面的浮雪基本融化，此時(shí)表面僅存在冰層和水膜2種狀態(tài)。在剔除試驗(yàn)異常數(shù)據(jù)后，得到厚冰+水混合道面水膜和冰層厚度與摩擦系數(shù)變化，見(jiàn)圖6（b）。

圖6 雪泥道面厚度與摩擦系數(shù)變化Fig.6 Variation of thickness and friction coefficient of snow-mud pavement

由數(shù)據(jù)分析可知，薄冰+水混合機(jī)場(chǎng)道面隨水膜、冰層、積雪厚度的增加摩擦系數(shù)均呈下降趨勢(shì)，摩擦系數(shù)集中在0.31左右，這說(shuō)明薄冰+水混合道面狀態(tài)對(duì)行駛穩(wěn)定性影響較大。其中，冰層厚度由0.18 cm降到0.02 cm時(shí)，道面摩擦系數(shù)由0.2上升至0.64，此時(shí)道面抗滑性能狀況明顯改善，車輛行駛穩(wěn)定性提升；厚冰+冰水混合道面摩擦系數(shù)均值在0.16以下，并隨冰層厚度的增加逐漸降低。冰層厚度的增加對(duì)摩擦系數(shù)的衰變影響比較明顯，此狀態(tài)下厚冰+水混合道面上行駛穩(wěn)定性和安全性較薄冰+水道面更差，極易出現(xiàn)打滑或側(cè)翻的危險(xiǎn)，跑道、停機(jī)坪等道面上車輛或飛機(jī)輪轂與接觸面附著力較小，不宜機(jī)場(chǎng)區(qū)域機(jī)動(dòng)設(shè)施正常營(yíng)運(yùn)。

3.3 積雪道面

將環(huán)境艙內(nèi)的溫度設(shè)為-25℃進(jìn)行溫度控制，當(dāng)艙內(nèi)溫度低于-22℃時(shí)開(kāi)始降雪。將環(huán)境艙內(nèi)的溫度依次設(shè)為-15，-10，-5℃進(jìn)行摩擦系數(shù)測(cè)定。當(dāng)?shù)烂娉霈F(xiàn)積雪，見(jiàn)圖7，且在無(wú)荷載作用下道面積雪融化完成，積雪層厚度穩(wěn)定時(shí)，調(diào)整環(huán)境艙內(nèi)溫度參數(shù)梯度，分別測(cè)定不同積雪厚度對(duì)摩擦系數(shù)的影響。

圖7 積雪道面Fig.7 Snow pavement

通過(guò)分析測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到道面積雪厚度與摩擦系數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖8。

圖8 積雪厚度與摩擦系數(shù)變化Fig.8 Variation of snow thickness and friction coefficient

從二者變化規(guī)律可知，積雪狀態(tài)道面的摩擦系數(shù)均值在0.43左右，厚度增加造成摩擦系數(shù)出現(xiàn)整體下降趨勢(shì)，且在積雪厚度達(dá)到0.6 cm左右時(shí)，道面摩擦系數(shù)由0.46驟降至0.37。分析其原因可能是由于試驗(yàn)過(guò)程荷載作用，部分積雪逐漸被壓實(shí)，表面形成較為光滑的結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致道面的摩擦系數(shù)驟降。結(jié)合前述試驗(yàn)分析結(jié)果可知，積雪道面雖然仍不滿足基本使用表面抗滑性能要求，但其道面的摩擦系數(shù)要優(yōu)于雪泥狀態(tài)道面。

3.4 結(jié)冰道面

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程冰層厚度變化規(guī)律，為分析冰層厚度對(duì)道面摩擦系數(shù)的影響作用，將結(jié)冰道面分為薄冰和厚冰道面分別進(jìn)行研究。薄冰是指冰層沒(méi)有完全掩蓋路表的宏觀紋理，輪胎橡膠依然可以嵌入路表；厚冰是指整個(gè)路面的原有紋理完全被冰層掩蓋，路面紋理不再發(fā)揮作用，薄冰和厚冰并無(wú)具體的數(shù)值分界線。

1）薄冰道面。在環(huán)境艙內(nèi)溫度達(dá)到-10℃進(jìn)行覆冰操作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水膜和冰層厚度，并進(jìn)行摩擦系數(shù)的測(cè)定，當(dāng)路表摩擦系數(shù)明顯下降或者冰層厚度增加到道面構(gòu)造深度的1/2時(shí)停止覆冰（厚度在0.01 cm左右）。然后，將環(huán)境溫度設(shè)為-15℃，當(dāng)路表溫度下降到-15℃后停止控溫，測(cè)定路表摩擦系數(shù)；將環(huán)境溫度依次設(shè)為-10，-5，0℃，同時(shí)檢測(cè)路表溫度和摩擦系數(shù)變化，得到薄冰道面路表溫度與摩擦系數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖9。

圖9 薄冰道面摩擦系數(shù)變化規(guī)律Fig.9 Variation of friction coefficient of thin ice pavement

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，薄冰道面在0～-4℃區(qū)間內(nèi)摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì)。當(dāng)溫度繼續(xù)下降，在-4～-10℃內(nèi)摩擦系數(shù)呈逐漸增加的規(guī)律變化。摩擦系數(shù)均值在0.214左右，這表明車輛在薄冰道面上整體的行駛穩(wěn)定性能較差，道面摩擦系數(shù)隨溫度的不斷降低呈先下降后上升的規(guī)律變化。

2）厚冰道面。通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境艙內(nèi)溫度，路表水膜逐漸凝結(jié)成冰使路表冰層厚度繼續(xù)增加，由于艙內(nèi)溫度的降低是緩慢有序變化，厚冰道面表面出現(xiàn)少量冰面融化現(xiàn)象，產(chǎn)生少量水膜。因此，分析時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮水膜厚度的影響。為檢驗(yàn)測(cè)得的冰層和水膜厚度是否有異常值存在，通過(guò)厚冰道面水膜和冰層厚度箱型圖進(jìn)行判斷，見(jiàn)圖10。

圖10 冰層、水膜厚度箱型圖Fig.10 Box diagram of ice sheet and water film thickness

由箱型圖可以看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)均值與中位數(shù)的關(guān)系，且厚冰道面水膜厚度觀測(cè)值中均無(wú)大于1.5倍四分位距的異常值存在，可利用其對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。由數(shù)據(jù)分析得到厚冰層道面冰層厚度、水膜厚度與路表摩擦系數(shù)之間變化規(guī)律，見(jiàn)圖11。

圖11 厚冰道面摩擦系數(shù)變化Fig.11 Variation of friction coefficient of thick ice pavement

由試驗(yàn)結(jié)果可知，厚冰道面摩擦系數(shù)范圍在0.09～0.15，道面飛機(jī)及場(chǎng)道車輛行駛穩(wěn)定性和安全性較差。厚冰道面的摩擦系數(shù)受冰層和水膜厚度的共同影響分別呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，其中摩擦系數(shù)與冰層厚度呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，與水膜厚度呈正相關(guān)關(guān)系。這與厚冰道面表面水分的存在狀態(tài)變化規(guī)律相同。當(dāng)冰層厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，表面冰層受微環(huán)境影響部分融化，水膜厚度逐漸升高；冰層受溫度影響，相應(yīng)的厚度也逐漸增加。此狀態(tài)下，道面使用狀況較差，道面的抗滑性能極低。

綜合室內(nèi)環(huán)境模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到機(jī)場(chǎng)道面結(jié)冰關(guān)鍵控制因子，匯總見(jiàn)表3。

表3 機(jī)場(chǎng)道面結(jié)冰關(guān)鍵控制因子Tab.3 Key control factors of airport pavement icing

基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，機(jī)場(chǎng)道面表面水形態(tài)決定道面表面抗滑性能。道面的摩擦系數(shù)受氣象微環(huán)境的影響較大，其中，厚冰狀態(tài)道面抗滑性能最差；厚冰+水、薄冰+水、薄冰道面雖較厚冰道面抗滑性能有所提升，但仍不能滿足機(jī)場(chǎng)區(qū)域各種設(shè)施的安全正常運(yùn)營(yíng)；積雪道面摩擦系數(shù)在0.37～0.46間，從數(shù)據(jù)上體現(xiàn)出該道面使用狀態(tài)接近正常使用要求，但存在摩擦系數(shù)在某時(shí)間點(diǎn)呈現(xiàn)驟降的狀態(tài)，這與道面積雪受荷載作用壓實(shí)形成光滑道面有關(guān)，因此積雪道面在雪層積累過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)道面表面使用狀態(tài)擇機(jī)選擇分析機(jī)場(chǎng)區(qū)域正常交通。

4 不良微環(huán)境下機(jī)場(chǎng)道面抗滑性能分析

綜合室內(nèi)環(huán)境艙模擬試驗(yàn)結(jié)果中不同氣象微環(huán)境與機(jī)場(chǎng)道面摩擦系數(shù)間的變化規(guī)律，通過(guò)多元非線性回歸分析，建立不良?xì)庀蟓h(huán)境條件下機(jī)場(chǎng)道面抗滑性能與各特征因子之間的函數(shù)關(guān)系，提出水膜、積雪、結(jié)冰厚度與機(jī)場(chǎng)道面表面抗滑性能預(yù)測(cè)關(guān)系模型。為不良?xì)庀蟓h(huán)境下的機(jī)場(chǎng)道面預(yù)警技術(shù)研究提供理論支撐。

4.1 結(jié)冰與道面抗滑性能

根據(jù)薄冰道面表面抗滑性能與微環(huán)境溫度相關(guān)的變化規(guī)律，采用不同的函數(shù)進(jìn)行擬合。由擬合結(jié)果分析，最終選擇采用GaussAmp函數(shù)關(guān)系對(duì)二者間關(guān)系進(jìn)行非線形曲線擬合，擬合后的溫度與抗滑性能變化見(jiàn)圖12（a）。同理，根據(jù)厚冰道面摩擦系數(shù)與水膜、冰層厚度變化規(guī)律，采用Poly多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)三者間關(guān)系進(jìn)行非線性曲面擬合，擬合后的水膜、冰層厚度與抗滑性能變化見(jiàn)圖12（b）。

圖12 結(jié)冰道面參數(shù)與抗滑性能擬合Fig.12 Fitting of icing pavement parameters and skid resistance

擬合后結(jié)冰道面控制因子與道面抗滑性能間的關(guān)系模型見(jiàn)式（1）。

得到x溫度與薄冰道面摩擦系數(shù)f薄冰的擬合優(yōu)度R2為0.95。厚冰道面摩擦系數(shù)f厚冰與水膜厚度x水膜、冰層厚度y冰層的擬合優(yōu)度R2為0.98。二者擬合過(guò)程均滿足收斂要求，擬合優(yōu)度較好。取顯著性水平為0.05情況下，經(jīng)參數(shù)T檢驗(yàn)和擬合方程F檢驗(yàn)輸出結(jié)果P值均小于0.05，這表明該函數(shù)關(guān)系模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義且擬合程度較好，可作為結(jié)冰道面抗滑性能預(yù)測(cè)分析。

4.2 水膜與道面抗滑性能

由前述分析，不良?xì)庀笪h(huán)境條件導(dǎo)致的機(jī)場(chǎng)道面表面水膜有2種存在形式：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+水混合道面控制自變量大于2，結(jié)合雪泥道面試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)變化規(guī)律，確定利用多項(xiàng)式函數(shù)擬合雪泥道面與抗滑性能關(guān)系模型。利用麥夸特法（Levenberg-Marquardt）和通用全局優(yōu)化法分別對(duì)3個(gè)控制因子與摩擦系數(shù)進(jìn)行polyfit函數(shù)擬合，擬合曲線見(jiàn)圖13。

圖13 薄冰+水混合道面抗滑性能擬合曲線Fig.13 Fitting curve of skid resistance of thin ice&water mixed pavement

得到的三者結(jié)構(gòu)層厚度與摩擦系數(shù)非線性曲線擬合函數(shù)方程為

擬合結(jié)果顯示擬合函數(shù)自變量與因變量相關(guān)系數(shù)達(dá)0.94，擬合優(yōu)度R2為0.88，擬合過(guò)程均滿足收斂要求，擬合優(yōu)度較好，且模型參數(shù)和整體顯著性水平為0.05條件下，輸出結(jié)果p＜0.05，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)要求。

2）厚冰+水混合道面。為探究厚冰+水混合道面摩擦系數(shù)與水膜厚度和冰層厚度之間耦合關(guān)系，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，經(jīng)論證分析后最終選取Logistic函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖14。

圖14 厚冰+水混合道面控制因子與抗滑性能擬合曲面Fig.14 Fitting surface between control factor and skid resistance of thick ice&water mixed pavement

得到擬合關(guān)系方程為

模型擬合優(yōu)度R2為0.85，顯示擬合效果良好，且顯著性檢驗(yàn)結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，2個(gè)擬合關(guān)系模型可作為不良?xì)庀笪h(huán)境與道面抗滑性能預(yù)測(cè)依據(jù)。

4.3 積雪與道面抗滑性能

同理，在剔除異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，利用Logistic回歸分析擬合可得到積雪厚度與摩擦系數(shù)間的擬合曲線，見(jiàn)圖15。

圖15 積雪道面與抗滑性能擬合曲線Fig.15 Fitting curve of snow pavement and skid resistance

得到的擬合關(guān)系模型為

經(jīng)檢驗(yàn)，該模型在顯著性水平為0.05，模型參數(shù)和整體顯著性檢驗(yàn)結(jié)果p＜0.05，參數(shù)影響顯著，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。同時(shí)，擬合分析結(jié)果顯示擬合優(yōu)度為R2=0.83，擬合結(jié)果良好，可用于分析機(jī)場(chǎng)積雪厚度與道面抗滑性能指標(biāo)耦合作用分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）從機(jī)場(chǎng)道面表面水的存在形式入手，分析了不良?xì)庀笪h(huán)境對(duì)道面的作用機(jī)理。道面的結(jié)冰狀態(tài)囊括了水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的整個(gè)物理變化過(guò)程，其他形態(tài)水的存在形式均已包含在道面水成分結(jié)晶并形成冰層的過(guò)程中，為后續(xù)展開(kāi)室內(nèi)結(jié)冰試驗(yàn)提供理論依據(jù)。

2）道面表面摩擦系數(shù)受氣象微環(huán)境的影響較大。與普通干燥道面相比，厚冰狀態(tài)下道面抗滑性能最差；厚冰+水、薄冰+水、薄冰道面亦不滿足機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道飛機(jī)、車輛等的安全運(yùn)營(yíng)；積雪道面應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)道面表面使用狀態(tài)擇機(jī)選擇分析機(jī)場(chǎng)區(qū)域正常交通。

3）通過(guò)多元非線性回歸分析建立不同氣象微環(huán)境條件下機(jī)場(chǎng)道面抗滑性能與相應(yīng)特征因子之間的函數(shù)關(guān)系，提出水膜、積雪、結(jié)冰厚度與機(jī)場(chǎng)道面表面抗滑性能預(yù)測(cè)關(guān)系模型，為不良?xì)庀髼l件下的機(jī)場(chǎng)道面表面特性抗滑性能預(yù)測(cè)及短臨預(yù)警技術(shù)等研究奠定重要的理論分析基礎(chǔ)。

本文進(jìn)行室內(nèi)不良?xì)庀笪h(huán)境模擬試驗(yàn)時(shí)，主要考慮溫度變化因素引起的水成分液態(tài)和固態(tài)形式對(duì)道面抗滑性能衰變影響機(jī)理進(jìn)行研究，而水的氣體存在形式（霧、霾等）對(duì)能見(jiàn)度的影響也是造成機(jī)場(chǎng)區(qū)域安全運(yùn)營(yíng)的重要因素，后續(xù)研究中將通過(guò)室內(nèi)能見(jiàn)度模擬試驗(yàn)展開(kāi)霧霾天氣對(duì)機(jī)場(chǎng)區(qū)域交通安全運(yùn)行影響機(jī)理展開(kāi)進(jìn)一步分析。