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SURFER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:U416󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1008󰀁5696(2010)01󰀁0063󰀁03

PreliminaryAnalysisofPavementTemperatureDivisionBased

onGroundTemperatureEigenvalue

SHIYang

(SchoolofTransportationEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Abstract:Throughanalyzingtheshortcomingsofcurrentdivisionmethod,thispaperproposedanewmeth󰀁

odofpavementtemperaturedivision,whichtookgroundtemperatureasindex.Basedontheinfluencesof

pavementtemperaturefieldtoserviceabilityofpavementstructures,thispaperchosethreeeigenvaluesof

high󰀁temperature,low󰀁temperatureanddailytemperaturerange,andanalyzedstatisticallythemeteoro󰀁

logicaldataof270weatherstationsfrom1971to2003.Contourmapsofthechosenthreeeigenvalueswere

drawnbyusingtheSurfersoftware.Andthen,thispaperanalyzedthegroundtemperaturedistribution

lawwhichshallofferreferenceforthelocationofpavementobservationstationandpavementtemperature

division.

Keywords:pavementengineering;pavementtemperaturedivision;groundtemperature;evaluationindices

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 (JTGF40-2004),其主要吸纳了美国战

略公路研究计划(SHRP)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SURFER8.0绘制完

成的,SURFER软件是美国GOLDENSoftware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∀64∀󰀁第1期施󰀁杨:基于地温特征值路面温度区划分析

此,车辙是我国沥青路面典型的破坏形式之一。

2)低温特征值等值线图如图3、图4所示。年

最低地温在我国具有明显的带状分布特征,温度由

南向北逐渐降低,低温的持续时间南方和北方有较

大差异,秦岭-淮河以南地区低温持续时间很短,而

北方地区-10!的低温则要持续3个月以上。对于

北方地区来说路面的冻缩裂缝、疲劳裂缝、收缩裂缝

破坏形式较为普遍,温缩裂缝是北方沥青路面横向裂缝的主要原因。󰀁󰀁3)日较差特征值等值线如图5所示。在我国,

夏季是一年中天气变化最剧烈、最复杂的时期,常常

是大雨和暴雨的集中期,各种灾害性天气也多发生

在此时。因此,年最大地温日较差多发生在夏季,且

沿海地区日较差较小,内陆地区较大。45!等值线

和全年250mm降水量等值线大致重合,沿海地区

由于夏季受到温度和雨水的综合作用,路面水损坏现象比较普遍。

图5󰀁年最大地温日较差值线

5󰀁结束语

本文以与路面温度相关性较高的裸地温度作为

路面温度区划指标,根据路面温度场对路面结构使

用性能的影响,选取地温的高温、低温和日较差三种

特征值,对相关历史气象数据进行统计分析,绘制了

最热月最高地温、日最高地温大于50!的年平均天

数、年最低地温、年最低地温小于-10!的年平均

天数和年最大地温日较差的全国等值线图,并分析

了不同地区裸地温度特征值的分布情况,从总体上

认识了全国地温的分布规律。为路面温度测站的选

址和实测提供指导,也为进一步对我国基于地温特

征值的路面温度区划研究提供依据。

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[责任编辑:王󰀁欣]∀65∀