安東朝1，劉敬2，3，徐澤人3

（1.河北高速張涿高速張家口管理處，河北張家口 075000；2.湖北交投科技發(fā)展有限公司，湖北武漢 430000；3.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙 410004）

基于路基溫度波動幅度控制的挖方路段路面施工最佳時期研究

安東朝1，劉敬2，3，徐澤人3

（1.河北高速張涿高速張家口管理處，河北張家口 075000；2.湖北交投科技發(fā)展有限公司，湖北武漢 430000；3.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙 410004）

在不同月份開始施工路面會影響路基內(nèi)部溫度場，而路基內(nèi)部溫度的波動幅度直接影響其內(nèi)部水分遷移，從而影響路基路面的耐久性。文中以河北省張涿（張家口—涿州）高速公路某挖方路段為試驗路，在路基施工期實(shí)際測試路基內(nèi)部溫度場，并將其與溫度場計算結(jié)果進(jìn)行對比，通過不斷調(diào)整修正溫度場計算的有關(guān)參數(shù)；采用該溫度場模型和參數(shù)預(yù)測了施工路面后路基內(nèi)部溫度場，并通過對比不同月份開始施工路面情況下路基內(nèi)部全年溫度波動幅度，為試驗路段推薦了路面施工最佳月份。

公路；挖方路段；溫度場；路面；施工最佳時期

在季節(jié)性冰凍地區(qū)，冬季氣溫降低時，土體結(jié)冰導(dǎo)致體積膨脹，容易導(dǎo)致路基產(chǎn)生凍脹變形；春季溫度升高時，上層土體慢慢融化，但由于溫度傳導(dǎo)的滯后性，上層冰晶融化后的水無法下滲，容易導(dǎo)致道路翻漿。凍脹和翻漿病害的嚴(yán)重程度受路基內(nèi)部溫度波動幅度的影響很大，而路面的覆蓋及其鋪筑季節(jié)將直接影響路基內(nèi)部溫度場。

對于路基溫度場，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較深入研究：ZeheE.等研究發(fā)現(xiàn)，土體溫度控制著水的滲入速度，是衡量水分遷移強(qiáng)度的重要影響因素之一；FingLing等建立了太陽輻射及地氣紊流熱交換等因素間的凍土表面能量平衡方程，對凍土季節(jié)活動層的溫度狀況進(jìn)行了一維非線性數(shù)值模擬；汪海年對不同凍土類型包括不同氣溫地區(qū)、不同路面結(jié)構(gòu)、不同路面高度等的路基溫度場進(jìn)行了有限元計算，計算中綜合考慮了各種氣象條件并將其作為邊界條件；程培峰等利用開發(fā)的路基溫度遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，對3種不同類型路基斷面進(jìn)行了一個凍融周期的數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)隨著路基深度的增加，溫度波動幅度越來越平緩，并且溫度場分布相對對稱，對稱中心為道路中心線；毛雪松等觀測分析了雞西—訥河試驗路段路基溫度場數(shù)據(jù)，并分別用三類邊界條件進(jìn)行了路基溫度場數(shù)值模擬，結(jié)果表明路基的溫度場變化規(guī)律與氣溫直接相關(guān)，但土體溫度變化明顯滯后于氣溫。

填方路基溫度場實(shí)測在鋪筑路面前較容易實(shí)施，但在路面鋪筑后挖方路基內(nèi)部的溫度場實(shí)測難度較大。該文通過有限元計算，以河北省張涿（張家口—涿州）高速公路某挖方路段路基在路面施工前的實(shí)測溫度場來校驗計算參數(shù)，預(yù)測施工路面后試驗段路基內(nèi)部溫度場，再通過對比路基內(nèi)部溫度波動幅度為路面鋪筑推薦最佳時期。

1　挖方路基溫度場預(yù)測模型和參數(shù)

河北省張涿高速公路某挖方路段挖方土體為黃土，路基寬度為28m。采用二維有限元方法開展路基溫度場計算和預(yù)測，取挖方深度3m處橫斷面為計算對象，路基頂面往下取10m深度，并考慮對稱性只取橫斷面的一半作為分析對象。計算工具為ANSYS軟件。

土體外部的熱能交換是土體表面與太陽施加的輻射和對流進(jìn)行的，太陽輻射以電磁波的形式先進(jìn)入大氣層，除部分被大氣層吸收外，其余發(fā)散到各個方向到達(dá)地面，這部分能量加上大氣層散射到土體表面的能量即為太陽總輻射?？傒椛渲性俪ケ宦繁矸瓷涞妮椛淞?，才是土體最終吸收的輻射量。輻射量與路面材料黑度有關(guān)，黑度越大，吸收的輻射量越大。土體內(nèi)部則通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱能傳遞。

溫度場計算需考慮太陽輻射和對流及土體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，由于這些參數(shù)的多變性，即使實(shí)際測試也很難獲得代表性的參數(shù)取值。為此，首先預(yù)設(shè)這些熱分析參數(shù)，然后將溫度場計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測所得路基溫度場進(jìn)行對比，不斷調(diào)整熱分析參數(shù)，將計算值與實(shí)測值很接近時的熱分析參數(shù)作為溫度場預(yù)測模型的計算參數(shù)。

1.1溫度場初始計算參數(shù)

收集該工程沿線地區(qū)全年月平均空氣濕度及太陽輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1　張家口地區(qū)每月空氣濕度及太陽輻射

根據(jù)表1擬定計算所需輻射黑度為0.68，土體對太陽輻射的吸收率為0.85，土體與空氣的熱交換系數(shù)為15.96W/（m·℃）。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］對黃土溫度場的數(shù)值計算結(jié)果，擬定計算所需導(dǎo)熱系數(shù)λ及比熱容C計算公式為：

式中：ρd為土體干密度（kg/m3）；w為土體天然含水率（%）。

根據(jù)現(xiàn)場開展的密度試驗結(jié)果，路基頂面以下0～0.8m深度的土體干密度取為1.76g/cm3，0.8 m以下深度的土體干密度取為1.62g/cm3，邊坡范圍土體的干密度取為1.39g/cm3。

在路基施工期間在路基內(nèi)部埋設(shè)傳感器，并連續(xù)21d實(shí)際測試挖方路基不同深度處的溫度和含水率。初始溫度和初始含水量測試結(jié)果見表2，連續(xù)測試結(jié)果見圖1。

表2　路基內(nèi)部不同深度處的實(shí)測溫度和含水率

圖1　計算參數(shù)調(diào)整前溫度場實(shí)測及計算結(jié)果對比

1.2溫度場計算參數(shù)修正

利用上述參數(shù)進(jìn)行ANSYS熱分析，并將計算結(jié)果與實(shí)際測試的溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見圖1。

由圖1可知：ANSYS模擬出的溫度結(jié)果比實(shí)測結(jié)果高，表明初始計算參數(shù)中土體對外界吸收的總輻射量偏大，通過不斷試算和對比，最終將太陽輻射吸收率從0.85下調(diào)至0.70。同時熱交換系數(shù)也反映著土體與空氣的熱傳遞能力，系數(shù)越大，溫度變化幅度越大，反之則越小。而圖1所示模擬結(jié)果的波動幅度明顯大于實(shí)測溫度變化，通過不斷試算和對比，最終將熱交換系數(shù)從15.96W/（m·℃）下調(diào)至14.54W/（m·℃）。采用調(diào)整后的計算參數(shù)所得溫度場與實(shí)際溫度場對比見圖2。由圖2可見計算值與實(shí)測溫度場數(shù)值已很接近，因而后續(xù)計算就采用這兩個參數(shù)值。

圖2　計算參數(shù)調(diào)整后溫度場實(shí)測及計算結(jié)果對比

2　鋪筑路面后路基內(nèi)部溫度場預(yù)測

為從控制路基內(nèi)部溫度波動幅度的角度推薦路面鋪筑的最佳時期（月份），需知道路面在不同月份鋪筑時路基內(nèi)部的溫度場。但工程施工是不允許在不同月份分別修筑試驗路來直接對比的，而且在路基施工期間在試驗路段路基內(nèi)部埋設(shè)的傳感器在路面施工時被挖機(jī)破壞掉了。為此，利用第一節(jié)建立的溫度場預(yù)測模型和參數(shù)取值進(jìn)行溫度場計算。

由于路面結(jié)構(gòu)層的存在，路基內(nèi)部溫度場必然與未鋪筑路面時路基溫度場存在差異，在進(jìn)行溫度場計算時必須考慮路面結(jié)構(gòu)層的影響。試驗路段的路面結(jié)構(gòu)組合為4cm改性瀝青AC-13+6cm改性瀝青AC-20+10cmATB-25+20cm水泥穩(wěn)定碎石+20cm水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石+20cm水泥粉煤灰穩(wěn)定天然砂礫。根據(jù)張仁義等對瀝青導(dǎo)熱特性的研究成果，通過下式確定瀝青砼的導(dǎo)熱系數(shù)：

式中：λ為介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；t為溫度（℃）。

路面結(jié)構(gòu)各層材料的比熱容和熱交換系數(shù)取值見表3，路基土體計算參數(shù)與第一節(jié)相同。

表3　面層熱分析計算參數(shù)

以5月開始路面施工的路基溫度場分析為例，通過ANSYS計算得到路基內(nèi)部各深度范圍土體的溫度全年變化（見圖3）。

圖3　5月開始鋪筑路面時路基內(nèi)部各深度范圍土體平均溫度全年變化

由圖3可知：1）路基0～0.8m范圍內(nèi)土體的溫度峰值出現(xiàn)在7月，約為17℃，1月份達(dá)到最低值，約為6.5℃；路基0.8～1.6m范圍內(nèi)土體的溫度峰值出現(xiàn)在8月，約為14℃，2月份達(dá)到最低值，約為7.5℃；路基1.6～3.0m范圍內(nèi)土體的溫度峰值出現(xiàn)在9月，約為11.5℃，3月份達(dá)到最低值，約為8℃。2）路面結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)使路基土的溫度變化幅度相對于未鋪筑路面時路基土的溫度變化幅度更小，這是因為路面結(jié)構(gòu)層的覆蓋，路基內(nèi)部溫度變化隨之滯后，弱化了氣溫對路基土的影響。3）對比3種深度范圍土體溫度，淺層土體的波動幅度高于深層土體，這是因為隨著深度的加深，土體所能從太陽輻射獲得的熱量減少。

3　路面施工最佳時期

在不同月份開始施工路面時，由于每月氣溫不同，直接導(dǎo)致路基土體的初始溫度各不相同，故在不同月份施工路面將直接影響路基內(nèi)部全年的溫度變化幅度。圖3示出了5月開始施工路面情況下路基內(nèi)部溫度場的全年變化狀況，在其他各月開始施工路面，其計算方法與第二節(jié)相同，所得變化趨勢也大致相同（見表4）?？紤]到冬末春初氣溫較低，表4中路面開始施工的月份不包括11月—次年3月。

表4　不同月份開始施工路面所造成的路基內(nèi)部各深度范圍土體的平均溫度波動幅度

由表4可知：對于路基上部0～0.8及0.8～1.6m深度范圍的土體，若在4月開始施工路面，則其溫度波動幅度最小；對于距離路基頂面1.6～3.0 m深度范圍的土體，若在5月開始施工路面，則其溫度波動幅度最小，從4月開始施工路面時溫度波動幅度次之，兩者相差不大。

經(jīng)過綜合分析，在4月開始施工路面最為合適，此時路基內(nèi)部溫度波動幅度最小，能減小溫度波動導(dǎo)致的路基內(nèi)部水分遷移，一定程度上提高路基的整體性能，延長高速公路的使用壽命。

4　結(jié)語

該文對張涿高速公路某挖方試驗段建立溫度場計算模型，通過對比實(shí)測溫度場與ANSYS溫度場計算結(jié)果，對太陽輻射吸收率及熱交換系數(shù)進(jìn)行修正；利用建立的計算模型和修正后的參數(shù)，對鋪設(shè)路面后路基內(nèi)部溫度場進(jìn)行計算，分析了路面的覆蓋作用對路基溫度場的影響；同時計算了在不同月份開始施工路面情況下路基溫度場，通過對比路基內(nèi)部全年溫度波動幅度，為挖方試驗路段推薦了路面施工最佳月份。

該文溫度場計算參數(shù)的確定基于張涿高速公路試驗段實(shí)測數(shù)據(jù)，對其他地區(qū)不一定適用，還需從理論層面建立更完善的分析模型。

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U416.1

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2016-04-07