沙漠地區(qū)路基路面溫度場暨路面工作環(huán)境溫度指標(biāo)研究.pdf

1、沙漠地區(qū)地處祖國北方，自然環(huán)境十分惡劣，夏季炎熱，地表最高溫度高達(dá)70℃左右，冬季嚴(yán)寒，地表溫度降至-30℃以下。道路處在這樣的環(huán)境中，路面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生諸多破壞；寒冷潮濕地區(qū)，路基凍脹造成的路面變形破壞更加嚴(yán)重，這些病害發(fā)生與路基路面熱狀況直接相關(guān)。為了盡量避免道路運(yùn)營過程中病害發(fā)生，在設(shè)計和修建沙漠高等級公路時就應(yīng)充分地考慮路基路面熱狀況分布。本文結(jié)合西部交通建設(shè)科技項目，全面系統(tǒng)地研究了持續(xù)變化的自然環(huán)境因素與路基路面溫度場之間的關(guān)系

2、，并得到以下主要結(jié)論： 基于Harlan熱質(zhì)遷移模型和Darcy定理推導(dǎo)出凍結(jié)條件下風(fēng)積沙土路基二維水熱耦合遷移數(shù)學(xué)模型。根據(jù)地表能量平衡原理建立了水熱耦合遷移問題邊界條件，利用現(xiàn)有資料回歸分析出路基水熱參數(shù)隨土質(zhì)含水量和干密度的關(guān)系式。應(yīng)用系數(shù)效應(yīng)滯后的全隱式有限差分格式并在每段時間采用線性迭代法來處理非線性水熱耦合遷移方程。本論文建立的自然條件下水熱耦合數(shù)學(xué)模型，相對Harlan模型而言，考慮了溫度梯度對水分遷移的影響；綜合

3、各種氣候環(huán)境因素的影響，采用了第三類邊界條件；針對道路層狀體系特點(diǎn)，計算模型區(qū)分了路面材料凍結(jié)和未凍結(jié)時的熱物參數(shù)，建立的數(shù)學(xué)模型比較接近實(shí)際情況。通過對試驗(yàn)路溫度和最大凍深計算，驗(yàn)證了水熱耦合模型的正確性。利用該模型最終能夠根據(jù)氣象資料和路基水熱參數(shù)準(zhǔn)確預(yù)估出路基水熱狀況和最大凍深以及凍脹情況。為季節(jié)性凍土地區(qū)在路基設(shè)計中減少病害，制定相應(yīng)的防治措施提供參考依據(jù)。 利用本文建立的水熱耦合數(shù)學(xué)模型研究了內(nèi)蒙古錫林浩特地區(qū)沙漠公路

4、207國道K135+000處凍融期間道路水熱狀況分布規(guī)律。比較了水熱耦合效應(yīng)和未考慮水分影響單場兩種計算方法分別計算的道路溫度值，結(jié)果顯示了水分對路基溫度的影響。該地區(qū)道路凍結(jié)深度隨時間線性變化，平均凍結(jié)速度達(dá)到2～3cm/d，最大凍結(jié)深度為3m左右，整個凍融期大約為180天。風(fēng)積沙土路基在凍結(jié)過程中水分遷移主要發(fā)生在凍結(jié)鋒面處，凍結(jié)前后在路面基層底部和最大凍深位置下含水量變化較大。 為了探索沙漠地區(qū)路面結(jié)構(gòu)溫度場的分布規(guī)律，提

5、供路面工作環(huán)境溫度指標(biāo)。本文從氣候?qū)W和傳熱學(xué)基本理論出發(fā)，研究沙漠地區(qū)路表和大氣之間傳熱機(jī)理，將對流換熱和輻射換熱結(jié)合在一起提出路表復(fù)合換熱系數(shù)概念，采用級數(shù)形式確定出任意氣候條件下氣溫和太陽輻射量的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。在分析實(shí)測數(shù)據(jù)和氣象資料基礎(chǔ)上，建立了完全依賴環(huán)境氣候因素和路面材料熱物參數(shù)的沙漠地區(qū)層狀路面結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度場數(shù)學(xué)模型，考慮到路表復(fù)合換熱系數(shù)隨外界環(huán)境變化，采用解析理論和Newton-Naphson迭代法推導(dǎo)出非線性邊界條件路

6、面溫度場的計算方法。這一方法和目前研究最大區(qū)別在于邊界條件是非線性的，和過去相比，該模型簡潔方便、符合實(shí)際，計算方法準(zhǔn)確可靠、易于編程處理，利于工程實(shí)際應(yīng)用。計算和實(shí)測結(jié)果表明，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)最大溫度誤差不超過2℃，證明該方法有效、可行。利用該方法根據(jù)氣象資料和路面材料熱物參數(shù)能夠方便準(zhǔn)確地預(yù)估出路面結(jié)構(gòu)熱狀況，預(yù)測路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計年限內(nèi)溫度極端情況，為路面設(shè)計人員在不利溫度條件下設(shè)計具有足夠的高溫穩(wěn)定性和較好的低溫抗裂性的沙漠高等級公路提

7、供了理論指導(dǎo)依據(jù)。給出了路面最高、最低溫度、路面最大變溫速率以及最大溫度梯度的理論預(yù)估公式。分析了環(huán)境因素和路面材料熱物參數(shù)對路面溫度場的影響。影響溫度場主要因素除了氣溫和太陽輻射量外，還有材料熱物參數(shù)和風(fēng)速。面層材料影響較大，而基層材料除隔溫材料之外影響甚微。 給出如何利用本文建立的路面結(jié)構(gòu)溫度場計算方法確定沙漠地區(qū)瀝青路面溫度設(shè)計值、抗疲勞試驗(yàn)有效溫度、抗車轍試驗(yàn)有效溫度和水泥混凝土路面最大溫度梯度。論文中推薦的沙漠地區(qū)路面

8、最高溫度設(shè)計值為60℃～70℃，比SHRP標(biāo)準(zhǔn)估計的設(shè)計值高9℃～10℃；最低溫度設(shè)計值為-25℃～-40℃，基本和SHRP標(biāo)準(zhǔn)估計的設(shè)計值相近，誤差為1～2℃。沙漠地區(qū)抗疲勞試驗(yàn)溫度為13.3℃～18.8℃；抗車轍試驗(yàn)有效溫度為50.3℃～56.7℃。給出的試驗(yàn)溫度考慮了與瀝青路面路用性能有直接關(guān)系的路面溫度，克服了現(xiàn)行規(guī)范中路面材料實(shí)驗(yàn)溫度僅在幾個特定溫度下進(jìn)行的缺陷。沙漠地區(qū)水泥混凝土路面最大溫度梯度設(shè)計值為1.01～1.09℃/