鄭 健，高二利，邵先勝，孫耀寧，王選倉(cāng)

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.內(nèi)蒙古公路交通投資發(fā)展有限公司興安分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 137400)

0 前 言

內(nèi)蒙古特別是內(nèi)蒙古東部地區(qū)典型結(jié)構(gòu)研究起步較晚，大量公路存在不同程度的病害，且其他地區(qū)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否適合內(nèi)蒙古東部地區(qū)還有待商榷，則有必要對(duì)影響內(nèi)蒙古東部地區(qū)路面結(jié)構(gòu)的主要因素開(kāi)展深入研究。

本文全面分析了內(nèi)蒙古東部地區(qū)瀝青路面的主要?dú)夂颦h(huán)境，利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，基于聚類(lèi)分析方法，深入分析內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣候詳細(xì)數(shù)據(jù)，確定道路氣候合理分區(qū)，充分考慮內(nèi)蒙古東部低溫特點(diǎn)，進(jìn)一步確定低溫設(shè)防指標(biāo)，最終基于實(shí)際情況進(jìn)行交通量等級(jí)劃分，為后期確定低溫地區(qū)瀝青典型結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究對(duì)象

內(nèi)蒙古所處地區(qū)位于緯度較高的內(nèi)陸，春季氣溫驟升且日溫差較大，夏季炎熱短暫，秋季常伴隨霜凍，冬季寒冷漫長(zhǎng)，降雨少且集中，季節(jié)更替顯著。對(duì)內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣候條件進(jìn)行調(diào)查，是后期提出內(nèi)蒙古東部地區(qū)瀝青路面典型結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)，故本文主要調(diào)查內(nèi)容為內(nèi)蒙古東部各地區(qū)道路環(huán)境的極端低溫、極端高溫及降雨量三個(gè)方面。

1.2 聚類(lèi)分析與低溫指標(biāo)計(jì)算模型

由于道路產(chǎn)生病害是多因素、持續(xù)作用且緩慢形成的結(jié)果，在進(jìn)行區(qū)劃時(shí)，除了考慮低溫、高溫、降雨的不良影響，還需考慮各因素的持續(xù)作用時(shí)間。根據(jù)內(nèi)蒙古東部地區(qū)各氣候因素相對(duì)重要程度，以低溫指標(biāo)作為主導(dǎo)因素，高溫指標(biāo)作為次要因素，降雨量指標(biāo)作為輔助因素對(duì)內(nèi)蒙古東部地區(qū)進(jìn)行分區(qū)研究。

在包含溫度、降雨量的研究中，引入低溫重現(xiàn)期，建立Gumbel極值溫度模型，提出基于重現(xiàn)期的瀝青路面低溫設(shè)防指標(biāo)及計(jì)算方法，對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)低溫抗裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3 低溫重現(xiàn)期

在道路行業(yè)，重現(xiàn)期通常是指要研究對(duì)象，如降雨、氣溫等的取值在某一周期內(nèi)出現(xiàn)的平均概率。假設(shè)研究對(duì)象的重現(xiàn)期為T(mén)，其計(jì)算公式如式(1)所示：

T(x≥xp)=1/P(x≥xi)

(1)

假設(shè)研究對(duì)象為某一橋梁洪水再現(xiàn)頻率，計(jì)算時(shí)間取20年，則以20年為重現(xiàn)周期，T20代表每20年內(nèi)出現(xiàn)可能性最大的洪水流量極值，該值并不是重現(xiàn)期內(nèi)一定會(huì)出現(xiàn)，實(shí)際降水量可能比重現(xiàn)值大，也可能比重現(xiàn)值小。

本研究認(rèn)為，在道路設(shè)計(jì)時(shí)，類(lèi)似于需要對(duì)道路使用年限內(nèi)交通量進(jìn)行預(yù)測(cè)，道路低溫設(shè)計(jì)溫度同樣需要預(yù)測(cè)其在一定重現(xiàn)期內(nèi)最可能出現(xiàn)的極值。

1.4 基于Gumbel曲線(xiàn)極值法的重現(xiàn)期低溫設(shè)防指標(biāo)的計(jì)算方法

要想得到某一周期內(nèi)可能出現(xiàn)的極限最低氣溫，一般選用的數(shù)學(xué)分析方法有適線(xiàn)法和極值分布理論，通過(guò)統(tǒng)計(jì)研究對(duì)象在過(guò)去某一周期內(nèi)的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)將來(lái)可能出現(xiàn)的概率及具體數(shù)值。

目前，應(yīng)用較為廣泛的計(jì)算模型主要有兩類(lèi)，一種是皮爾遜Ⅲ型曲線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停环N是Gumbel曲線(xiàn)極值理論模型。在氣溫、降雨等研究中，Gumbel曲線(xiàn)極值計(jì)算方法應(yīng)用最為廣泛，且可以得到很好的模擬結(jié)果。根據(jù)調(diào)研分析，內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣溫變化符合正態(tài)分布，可用Gumbel曲線(xiàn)進(jìn)行極值計(jì)算。

2 內(nèi)蒙古東部道路氣候狀況分析

2.1 低溫狀況分析

內(nèi)蒙古東部地區(qū)全年氣溫均處于較低狀態(tài)，各地區(qū)的極端最低氣溫均分布在1月，并且不同地區(qū)的全年最低氣溫變化規(guī)律幾乎一致。其中呼和浩特極端低溫達(dá)到-29.4℃，通遼的極端低溫達(dá)到-33.9℃，滿(mǎn)洲里的極端低溫達(dá)到-43.8℃，而溫度最低的額爾古納在1月份最低溫度甚至達(dá)到-45.4℃。大部分城市到6月后，月最低溫度才上升到0℃以上。不同地區(qū)的最低溫度均值為-36.8℃，說(shuō)明內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣溫總體較低，且大部分城市一年中近8個(gè)月最低溫度處于0℃以下。確定了該地區(qū)溫度低且低溫時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，故對(duì)內(nèi)蒙古東部地區(qū)道路設(shè)計(jì)研究時(shí)首先需考慮低溫環(huán)境對(duì)道路性能的影響。

2.2 高溫狀況分析

6、7、8月內(nèi)蒙古東部溫度集中較高，各地區(qū)全年高溫變化規(guī)律幾乎相同，各地區(qū)極限最高溫度均值高達(dá)39.6℃，其中呼和浩特極端高溫達(dá)到38.4℃，額爾古納極端高溫達(dá)到39℃，而赤峰、扎魯特的極限高溫甚至高達(dá)40℃及以上。近年來(lái)這種極端高溫現(xiàn)象在內(nèi)蒙古地區(qū)頻發(fā)，對(duì)道路造成了一定影響。所以研究?jī)?nèi)蒙古東部地區(qū)道路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮高溫環(huán)境對(duì)道路的影響。

2.3 水分對(duì)路面的影響

道路水分主要來(lái)源于降雨，故針對(duì)內(nèi)蒙古東部各代表地區(qū)月降雨量進(jìn)行調(diào)查，各地區(qū)在全年中降雨量趨勢(shì)幾乎相同，其中降雨量高峰期僅為6、7、8三個(gè)月，占據(jù)全年降雨量的70%，而其余各月的月降水量不超過(guò)30 mm，不足全年降水量的20%。7月為內(nèi)蒙古東部地區(qū)降雨量頂峰時(shí)期，但仍未超過(guò)150 mm，說(shuō)明內(nèi)蒙古東部地區(qū)整體降雨量偏少，氣候干旱。但是需要注意的是，由于冬夏降雨量差異很大，7月份的降雨量可達(dá)到1月份降雨量的60～100倍，故在極端低溫作用下路面產(chǎn)生開(kāi)裂后，如未做及時(shí)處理，夏季降雨集中，雨水則通過(guò)滲透進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而引發(fā)道路整體性破壞。因此，在對(duì)內(nèi)蒙古東部地區(qū)道路進(jìn)行研究時(shí)，需重點(diǎn)考慮降水對(duì)道路性能的影響。

3 氣候區(qū)劃及低溫開(kāi)裂預(yù)估

3.1 基于SPSS的內(nèi)蒙古東部氣候區(qū)劃

通過(guò)SPSS軟件對(duì)低溫、高溫、降雨數(shù)值進(jìn)行深入分析，運(yùn)行得到內(nèi)蒙古東部不同地區(qū)累年各月月均最低溫度分類(lèi)系統(tǒng)圖，并導(dǎo)出聚類(lèi)分析冰柱圖及分區(qū)結(jié)果。

綜合考慮低溫、降雨量、高溫對(duì)道路結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)內(nèi)蒙古東部地區(qū)進(jìn)行具體區(qū)劃，基于單因素區(qū)劃結(jié)果，得到內(nèi)蒙古東部道路結(jié)構(gòu)綜合氣候區(qū)劃。

3.2 基于重現(xiàn)期的低溫設(shè)防指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)研究，內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣溫變化符合正態(tài)分布，可用Gumbel曲線(xiàn)進(jìn)行極值計(jì)算，本文采用矩法預(yù)估。

當(dāng)要計(jì)算的極限最低氣溫重現(xiàn)期給定之后，再根據(jù)氣象站測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出均值和方差，就可計(jì)算出極限最低氣溫設(shè)防值。

根據(jù)上述計(jì)算模型，以?xún)?nèi)蒙古東部寒區(qū)為例，計(jì)算合理的路面低溫設(shè)計(jì)溫度。計(jì)算過(guò)程如下。

確定合理的重現(xiàn)期。瀝青路面低溫設(shè)防值重現(xiàn)期應(yīng)該與道路設(shè)計(jì)使用年限相匹配。高速、一級(jí)公路瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限為15年，基于設(shè)計(jì)壽命保守考慮，溫度極值重現(xiàn)期不應(yīng)小于15年。因此，以15年為高等級(jí)公路計(jì)算周期。

阿爾山位于內(nèi)蒙古東部地區(qū)中心，氣溫具有代表性，故以阿爾山為基準(zhǔn)對(duì)近60年氣溫進(jìn)行調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算基于重現(xiàn)期的瀝青路面低溫設(shè)計(jì)設(shè)防指標(biāo)。

表1 低溫重現(xiàn)期極值

按設(shè)計(jì)規(guī)范求得的高速公路低溫設(shè)計(jì)溫度為-39.48℃。與表1對(duì)比可得，基于重現(xiàn)期的低溫指標(biāo)設(shè)防值更加安全。選取溫度極值重現(xiàn)期為對(duì)應(yīng)等級(jí)公路的設(shè)計(jì)壽命，計(jì)算得基于重現(xiàn)期的低溫設(shè)防值見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)蒙古東部地區(qū)設(shè)計(jì)年限內(nèi)設(shè)防值

3.3 基于重現(xiàn)期的典型路面結(jié)構(gòu)低溫開(kāi)裂預(yù)估

以基于依托工程所在地進(jìn)行路面低溫抗裂預(yù)估，結(jié)果如表3所示。

表3 開(kāi)裂預(yù)估計(jì)算表

4 結(jié) 論

1)基于內(nèi)蒙古東部地區(qū)道路氣候區(qū)劃關(guān)鍵因素研究結(jié)論，提出了氣候分區(qū)關(guān)鍵指標(biāo)，建立了氣候分區(qū)指標(biāo)體系，并運(yùn)用基于SPSS的系統(tǒng)聚類(lèi)分析方法開(kāi)展內(nèi)蒙古東部道路氣候合理分區(qū)研究。

2)針對(duì)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)低溫設(shè)計(jì)溫度存在的不足，引入溫度重現(xiàn)期，建立了Gumbel極值溫度模型，提出了基于重現(xiàn)期的瀝青路面低溫設(shè)防計(jì)算公式，得到了內(nèi)蒙古東部地區(qū)公路設(shè)計(jì)年限內(nèi)低溫設(shè)防指標(biāo)及計(jì)算方法。

3)基于改進(jìn)的開(kāi)裂預(yù)估模型預(yù)估了不同典型瀝青路面結(jié)構(gòu)的裂縫指數(shù)。

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