基于地温特征值路面温度区划分析

基于地温特征值路面温度区划分析

施 杨

(同济大学交通运输工程学院,上海201804)

摘 要:通过分析现行区划方法的不足,提出以裸地温度作为路面温度区划主要指标的分区方法。基于路面温度场对路面结构使用性能的影响,选取裸地温度高温、地温和日较差3种特征值,统计分析270个气象站1971~2003年的气象数据,并利用SU R FER 软件分别绘制3种特征值的等值线图,从总体上分析全国地温的分布规律,为路面观测站的选址和路面温度区划提供参考。

关键词:路面工程;路面温度区划;裸地温度;评价指标

中图分类号:U 416 文献标识码:A 文章编号:1008 5696(2010)01 0063 03

Preliminary Analysis of Pavement Temperature Division Based

on Ground Temperature Eigenvalue

SH I Yang

(Scho ol of T ranspor tatio n Eng ineer ing,T ong ji U niv ersity ,Shanghai 201804,China)

Abstract:Thro ug h analyzing the sho rtcom ing s of current division metho d,this paper pro posed a new meth o d of pavement tem perature division,w hich too k gro und tem perature as index.Based on the influences of pavement tem perature field to serv iceability of pavement structures,this paper chose three eig envalues of hig h tem perature,low temper ature and daily temperature range,and analy zed statistically the m eteoro logical data of 270w eather statio ns fr om 1971to 2003.Co ntour m aps o f the chosen thr ee eigenv alues w ere draw n by using the Sur fer softw are.And then,this paper analyzed the g round tem perature distribution law w hich shall offer r efer ence for the location of pavement o bserv ation station and pavement temper ature divisio n.

Key words:pavement engineering;pav em ent temperatur e divisio n;gr ound tem perature;ev aluation indices

收稿日期:2009 07 16

基金项目:交通部西部交通建设科技项目(200431800004)

作者简介:施 杨(1985-),男,硕士研究生,研究方向:道路与铁道

工程.

1 目前的区划方法及不足

我国现行的 公路自然区划标准 中,根据地理、地貌、气候等因素,一级区划以均温等值线和三阶梯的两条等高线为区划标志,将全国划分为多年冻土、季节冻土和全年不冻3大地带,根据水热平衡和地理位置,划分为冻土、湿润、干湿过度、湿热、潮暖、干旱和高寒7个大区;二级区域以潮湿系数为主要标志,在一级区划基础上进行进一步区划。在此区划中不仅考虑了气温、降水对路基路面的影响,还考虑了地形地貌、土质、地质条件对公路工程的影响。因此,我国公路自然区划考虑的是整个结构层,且主要

是土基及承载能力,而从路面温度对路面结构的影响程度来看,现行的我国公路自然区划过于宏观和综合,不能满足各地沥青路面材料设计的实际需要,有必要建立路面温度的专业区划。

1997年,沈金安制定了一个道路沥青及混合料的气候分区,这一分区被纳入了 公路沥青路面施工技术规范 (JT GF40-2004),其主要吸纳了美国战略公路研究计划(SH RP)沥青及沥青混合料分级的研究成果,并结合我国气候特点进行了沥青及沥青路用性能的气候区划,选取的区划指标为气温和降水量,采用最近30年内最热月的平均日最高气温的平均值作为气候区划的一级指标,划分为3个区;采用最近30年内的极端最低气温作为气候区划的二级指标,划分为4个区;采用最近30年内的年降水量的平均值作为气候区划的三级指标,划分为4个

交通科技与经济 第12卷

区。

沥青路面气候分区以各地的气温特征值为依据,在路面结构设计中具有一定的指导意义,但由于沥青路面的温度与气温差距较大,该分区方法的最主要问题是分区与路面实际温度状况不相联系,从而无法对沥青结合料及混合料提出更具体实用的技术指标和标准,也不能有效地选择沥青结合料品种及标号,而结合料的性能是影响混合料性能优劣的首要因素。因此,本文提出了以裸地温度为指标的路面温度区划方法。

2 分区指标的选取

道路使用的长期实践表明,路面结构温度场随周围自然因素的变换而变化,这些变化使路基路面体系的材料性质和使用性能发生了相应的改变,因此,确定路面温度场是分析路面破坏成因的重要途径。确定路面结构的温度场,最直接的手段是在各地广泛地进行路面温度实地观测,这种实测工作必须对全国范围内有代表性的地区进行,然而,这样需要耗费大量的人力、物力和财力,而且即使全年进行这种实测,遇到极端温度的可能性也很小。因此,根据路面结构所处的地区和位置,借助已有的标准气象资料来掌握路面温度场,就具有重要的理论和实用意义。

由于路面的热环境与大地的热环境相同,它们接收太阳辐射、与空气热对流并与大气相互辐射。路面温度场与大地温度场的差异,源于路面材料与大地的导温系数、导热系数及对太阳辐射的吸收率和反射率等热力学性质的不同。因此,可推断路面温度与裸地温度之间的相关性,要比与气温等的相关性更为密切。且对于地温数据,我国基准气候站和基本气象站都有观测,易于获得,因此,本文选取裸地温度(以下均简称地温)作为路面温度区划的主要指标。

3 分析方法与步骤

3.1 路面温度场特征值选择

路面温度区划应根据路面温度场特征值对路面结构使用性能的影响进行分区。路面温度场特征值可细分为路面温度的高温、低温和日较差的特征值3个部分。

1)高温特征值。在通常的汽车荷载条件下,永久变形主要是发生在夏季气温较高时,即沥青路面的表面温度已经达到或超过道路沥青的软化点温度的情况下,且随着温度的升高和荷载的加重,变形愈大。其中车辙是我国沥青路面典型的破坏形式之一,其形成的主要机理之一是沥青混凝土的侧面流动变形,在高温条件下车轮碾压的反复作用使流动变形不断累积形成车辙,因此高温车辙问题与最热月平均最高地温关系最为密切、最直观,本文选取最热月平均最高地温作为分区的第一个要素,选取日最高地温大于50度的年平均天数作为辅助要素。

2)低温特征值。沥青混凝土面层的温度开裂是我国北方地区路面破坏的最主要形式,它表现为寒冷季节沥青混合料的集料之间的沥青膜拉伸破坏,由于气温骤降造成面层温度收缩,在有约束沥青层内产生的温度应力超过沥青混凝土抗拉强度时会造成开裂。因此,选取年极端最低地温为分区的第二个要素,选取年最低地温小于-10!的年平均天数作为辅助要素。

3)日较差特征值。路面低温开裂的另一个主要原因是:降温速率。开裂多发生在初冬寒流或寒潮忽然来到时,当气温骤降时,由于沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长,超过混合料的极限拉伸应变,路面就会产生开裂。因此,选择年最大地温日较差作为分区的第3个要素。

3.2 等值线绘制

地温等值线的绘制是利用SU RFER8.0绘制完成的,SU RFER软件是美国GOLDEN Softw are公司生产的制作等高线图和三维地形立体图的软件。其主要功能是将数字化的三维空间数据(DAT)转换成规则的网格数据(GRD),并根据网格数据生成等高线数据,然后由等高线数据和边界数据(BLN)图层叠置,最后形成等值线图(SRF)。本文使用的气象资料由 中国建筑热环境分析专用气象数据集提供,包括中国气象局气象中心气象资料室制作的中国地面气候资料数据及1971~2003年270个地面气象观测站的相关气候要素值。

4 分析结果

1)高温特征值等值线如图1、图2所示。夏季我国裸地温度最热月多发生在7、8月,因受副热带高压控制,晴天多,日照时间长,内陆干燥酷热,沿海潮湿闷热。除东北、西藏、青海等地区最热月地温平均值在40!以下外,全国大部分地区普遍高温,平均值在40~50!之间,长江以南大部和新疆地区高温更是达到了50!以上。从高温持续的天数来看,我国大部分地区高温持续时间长,大于50!的高温多持续1~2个月,这对沥青路面来说是极其不利的,沥青路面在持续高温和荷载的作用下会出现永久变形,因

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