青藏高原多年凍土區(qū)不同路面寬度對溫度場的影響

青藏高原多年凍土區(qū)不同路面寬度對溫度場的影響

0路面溫度及熱穩(wěn)定性瀝青路面的良好耐行駛性在冬季寒冷地區(qū)的道路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，在道路兩側(cè)的特殊氣候和地質(zhì)條件下，瀝青路面的吸收熱效應(yīng)強，反應(yīng)率低，改變了地表輻射的平衡。在高原多年制冷土區(qū)的特殊氣候條件下，不僅影響道路結(jié)構(gòu)的溫度，而且也影響車輪底的多年制冷土。國內(nèi)外開展路面溫度計算的理論研究較早,1957年,Barber采用無限表明的介質(zhì)溫度周期性變化時熱傳導(dǎo)方程來確定路面溫度。1972年,Christison和Anderson利用有限差分法求解瀝青路面溫度狀況,得到路面溫度計算結(jié)果。2000年,Hermansson建立仿真模型,模擬路面溫度場的日變化。2006年,秦健等建立以氣溫、太陽輻射強度和路面深度為主要參數(shù)的路面溫度場預(yù)估模型。2011年馬骉等針對青藏公路二級公路不同路面結(jié)構(gòu)的時溫度場和旬溫度場進行了計算模擬分析,陳團結(jié)等利用有限元計算了硅藻土改性瀝青和普通瀝青混凝土路面下凍土地基表面溫度場隨路表溫度的變化,這些成果為青藏公路路面適應(yīng)性分析評估提供了技術(shù)支撐。雖然國內(nèi)外已對公路瀝青路面溫度場進行深入分析,也對多年凍土區(qū)低等級公路路面溫度場及瀝青路面下凍土的熱穩(wěn)定性進行了研究,但目前在多年凍土地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中并未考慮該部分影響,均按照一般地區(qū)規(guī)范方法對其進行設(shè)計,從而導(dǎo)致設(shè)計與實際的差異較大,路面實際使用壽命達不到設(shè)計壽命。對于高等級公路其使用年限與服務(wù)水平要遠高于其他等級公路,高等級公路建設(shè)標準與要求也高于其他等級公路,溫度對路面結(jié)構(gòu)與材料有較顯著的影響,也是誘發(fā)凍土路基不均勻融沉變形的重要原因,因此本研究在前期研究的基礎(chǔ)上對青藏高原多年凍土區(qū)高等級公路瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)開展研究,以期為多年凍土地區(qū)高等級公路建設(shè)提供參考。1現(xiàn)場試驗分析和結(jié)果分析1.1其所處的一種新的觀測斷面該試驗場地位于青藏公路楚瑪爾河地區(qū)K2981+290～K2981+510之間。2009年建成開始觀測,該區(qū)域日照時間長,太陽輻射照度大,屬高紫外輻射區(qū),年均氣溫在0℃以下,極端高溫為25～26℃,極端低溫為-36～-45℃。一天中的最大溫差達22℃,相對濕度小,風(fēng)速大。地貌上屬于高平原,地勢平坦開闊,地表植被稀疏,熱融湖塘發(fā)育,平均海拔約4470m,出露地層以砂礫土為主,下伏基巖為全風(fēng)化泥巖。此段屬于高溫高含冰量多年凍土區(qū),多年凍土天然上限2.7～3.0m,路基填土高度2.1～3.8m,人為上限5.7～7.7m。凍土類型為富冰凍土-含土冰層。楚瑪爾河寬幅路基綜合觀測試驗場地設(shè)置了不同幅寬的觀測斷面,其中K2981+485～K2981+510為主觀測斷面,路面寬度總共13.5m,其中瀝青路面寬度為10.5m,左右各1.5m的砂土路肩。K2981+290～K2981+485為對比觀測斷面,路基寬度為10m,其中瀝青路面寬度為7m,左右各1.5m的砂土路肩。觀測斷面采用無線傳輸功能的自動化采集系統(tǒng),系統(tǒng)采用低功耗定時器實現(xiàn)定時定點采集數(shù)據(jù)并存儲數(shù)據(jù),整個系統(tǒng)具備現(xiàn)場人工采集數(shù)據(jù)和無線數(shù)據(jù)遠傳采集功能。其整個方案包括:(1)路面熱敏(溫度)測量;(2)路基熱敏(溫度)測量。楚瑪爾河地區(qū)寬幅路基綜合觀測斷面路面結(jié)構(gòu)分為4層:上面層為4cmAC-13改性瀝青混凝土層;下面層為8cmAC-16改性瀝青混凝土層;第3層為20cm摻外加劑水泥穩(wěn)定砂礫層;第4層為20cm級配砂礫層,總路面厚度為52cm。其中主斷面觀測位置為K2981+495,對比斷面觀測位置為K2981+295。其具體溫度傳感器安裝布置見圖1。觀測試驗中采用測量精度較高的熱敏電阻溫度傳感器,由電腦遠程控制,間隔6h自動采集溫度并存貯。1.2不同幅寬瀝青路面溫度場特征圖2為不同幅寬試驗段瀝青路面路中與天然地表月平均溫度隨時間的變化。由圖2知:(1)在暖季,受強烈太陽輻射的影響,瀝青路面吸熱特性十分顯著,其最高溫度比天然地表溫度高10℃左右。但是在冷季,主要是1月和12月份,由于太陽輻射減弱,加上風(fēng)速的影響,瀝青路面溫度較天然地表溫度要低?？傮w上,公路瀝青路面改變了地表的輻射熱平衡,吸熱量要遠大于天然地表吸熱量,從而對下部凍土產(chǎn)生較大的影響。(2)2種幅寬的路面月平均溫度變化趨勢一致,夏季最大相差1.2℃。但隨著幅寬的增加,吸熱量增大,對活動層影響也增大,人為多年凍土上限下移較大。因此,在多年凍土區(qū)修筑瀝青公路路面,尤其是寬幅公路時,除考慮其他與凍土相關(guān)的因素外,還必須考慮路基寬度對多年凍土的影響。圖3、圖4為不同幅寬瀝青路面橫斷面溫度場分布特征,橫坐標0對應(yīng)道路中線,橫坐標正負分別對應(yīng)右幅和左幅道路。由圖3、圖4知:2種寬度的瀝青路面結(jié)構(gòu)在路中部位,下面層溫度基本一致;冷季,對于上面層溫度,11m寬路面比7m寬路面溫度高0.6℃左右;而暖季,高1.2℃。由此可知大斷面路面的吸熱量和吸熱能力較小斷面路面大。且在路面邊緣則表現(xiàn)出較為明顯的季節(jié)差異性,在暖季,11m寬的路面邊緣溫度明顯高于7m寬的路面結(jié)構(gòu);而在冷季,則沒有這種現(xiàn)象出現(xiàn),說明在寬幅面瀝青路面中應(yīng)加強邊坡的保溫措施。2路面溫度場預(yù)測上述現(xiàn)場試驗對7m的二級公路和11m的分幅高等級公路進行了溫度試驗觀測,觀測結(jié)果初步證明了不同的路面寬度吸熱量存在明顯的差異,但由于現(xiàn)場試驗條件的限制,未對全斷面高等級公路進行觀測,同時所采用的路面結(jié)構(gòu)為二級公路路面結(jié)構(gòu)。為了研究全斷面路面尺寸及高等級路面結(jié)構(gòu)的路面溫度場,下面根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)理論,通過數(shù)值手段來研究不同路面結(jié)構(gòu)和不同路面寬度的路面溫度場,分析各種路面結(jié)構(gòu)和路面寬度的適用性。五道梁氣象站作為青藏高原最早投入使用的氣象站之一,擁有大量的氣象數(shù)據(jù)資料,考慮到五道梁接近楚瑪爾河區(qū)域,并且該地區(qū)氣候條件極為復(fù)雜多變,具有典型的青藏高原氣候特征,為此選擇五道梁地區(qū)氣候條件進行數(shù)值分析。2.1溫度分布連續(xù)體假設(shè)利用有限元計算軟件分別建立整體式路基與分離式路基路面結(jié)構(gòu)的二維溫度場模型,滿足以下基本假設(shè):(1)路面各層為完全均勻和各向同性的連續(xù)體;(2)忽略溫度沿路面橫向及縱向(行車方向)的分布,僅考慮溫度沿深度方向的變化;(3)路面各結(jié)構(gòu)層層間完全連續(xù),接觸面各點溫度和熱流分布連續(xù),符合傳熱學(xué)中的第四類邊界條件;(4)路面各結(jié)構(gòu)層材料為完全彈性體。(1)tix,y,t滿足熱傳導(dǎo)方程路面結(jié)構(gòu)的第i層的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)分別為λi和αi(i=1,2,…,n),厚度為gi(i=1,2,…,n,其中,溫度函數(shù)為Ti=Ti(x,y,t),并令h0=g1,hj=j+1∑i=1gi?(1)h0=g1,hj=∑i=1j+1gi?(1)則Ti(x,y,t)滿足熱傳導(dǎo)方程為:{?Τ1?t=α1(?2Τ1?x2+?2Τ1?y2)0≤y≤h0?Τ2?t=α2(?2Τ2?x2+?2Τ2?y2)h0≤y≤h1??Τn?t=αn(?2Τn?x2+?2Τn?y2)hn-2≤y≤+∞。(2)????????????????????T1?t=α1(?2T1?x2+?2T1?y2)?T2?t=α2(?2T2?x2+?2T2?y2)??Tn?t=αn(?2Tn?x2+?2Tn?y2)0≤y≤h0h0≤y≤h1hn?2≤y≤+∞。(2)(2)足傳熱學(xué)中第四類邊界條件設(shè)路面各層層間接觸良好,則相互接觸的上、下2層的溫度Ti、Ti+1,以及熱流qi、qi+1是連續(xù)的,即在層間邊界條件上,溫度函數(shù)Ti滿足傳熱學(xué)中的第四類邊界條件:{λ1?Τ1?y|=λ2?Τ2?y|y=h0Τ1|=Τ2|y=h0?λn-1?Τn-1?y|y=hn-1=λn?Τn?y|Τn-1|y=hn-2=Τn|y=hn-2。?????????????????????λ1?T1?y∣∣=λ2?T2?y∣∣y=h0T1|=T2|y=h0?λn?1?Tn?1?y∣∣y=hn?1=λn?Tn?y∣∣Tn?1|y=hn?2=Tn|y=hn?2。(3)熱流密度q的邊界在瀝青面層表面y=0處,溫度函數(shù)T1還應(yīng)滿足路表邊界條件。在傳熱學(xué)理論中常見的邊界條件可綜合劃分為3類。第Ⅰ類邊界條件直接給出邊界面上的溫度分布及其隨時間變化的規(guī)律,可表示為:Τ邊界=f(r,t)?(4)T邊界=f(r,t)?(4)如果邊界面上的熱流密度q為已知函數(shù),則稱之為第Ⅱ類邊界條件,可表示為:q邊界=-λ??Τ邊界?n=q(r,t)。(5)q邊界=?λ??T邊界?n=q(r,t)。(5)已知物體周圍流體溫度T*及其隨時間的變化規(guī)律,以及二者之間的對流換熱系數(shù)B,稱之為第Ⅲ類邊界條件,可表示為:-λ??Τ邊界?n=B?(Τ*-Τ邊界)。(6)?λ??T邊界?n=B?(T??T邊界)。(6)(4)路基、路面寬度對比計算的路面結(jié)構(gòu)如表1所示,路面結(jié)構(gòu)I為綜合目前國內(nèi)凍土地區(qū)高等級公路路面結(jié)構(gòu)后擬推薦的路面結(jié)構(gòu),路面結(jié)構(gòu)II為青藏公路改建完善中試驗段的路面結(jié)構(gòu)。計算中采用的路基寬度尺寸如表2所示。為了便于分析,將路面結(jié)構(gòu)與路基橫斷面的組合以編號形式表示,如IA為高等級公路整體式路基上鋪筑I型路面結(jié)構(gòu)。結(jié)合現(xiàn)有青藏公路實際與以后規(guī)劃,在數(shù)值計算中路基深度定取3m,天然土體深度取10m,路基、路面寬度按照公路路線設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的橫斷面寬度取值。建立的分離式路基高等級公路二維溫度場計算模型如圖5所示。(5)材料熱物性分析由于青藏高原自然環(huán)境的特殊性,路基下凍土的相變問題及路用材料的感溫性不容忽視,在溫度場數(shù)值模擬分析中,應(yīng)考慮各結(jié)構(gòu)層材料的熱物性。綜合已有資料,材料的熱物理參數(shù)如表3和表4所示。(6)熱流密度加載將影響路面溫度場的外界自然因素分為熱流密度和對流換熱兩類邊界條件。其中路面結(jié)構(gòu)的熱流密度可由其邊界處的凈輻射推算而得。將對流換熱邊界條件中得到的空氣溫度和對流換熱系數(shù)直接加載至路面實體單元上,熱流密度邊界條件加載至覆蓋于路面實體單元上表面效應(yīng)單元。在實際計算中,以10d為荷載步、以1a為一個周期對路面瞬態(tài)周期性溫度場進行分析。2.2結(jié)論分析(1)路面結(jié)構(gòu)的年溫變化2種結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于:IB路面結(jié)構(gòu)的瀝青面層厚度為17cm,IIC為12cm;IB相比IIC多設(shè)置了1cm的碎石下封層和20cm5%水泥穩(wěn)碎石底基層;由于IB為高等級公路分離式路基,路基寬度大于IIC。以兩者的溫差作為評價指標。IB和IIC結(jié)構(gòu)不同層位的溫度差如圖6所示,各結(jié)構(gòu)層溫度均選取橫斷面中心位置處的溫度。圖6表明,2種結(jié)構(gòu)溫度隨時間的變化趨勢與現(xiàn)場觀測資料相同。擬推薦的路面結(jié)構(gòu)與試驗段路面結(jié)構(gòu)的路表溫差在全年的變化幅度較小,基本保持在-0.05～0.05℃范圍內(nèi)。低溫時期,IIC型結(jié)構(gòu)下面層頂面的平均日降溫速率略大于IB型,使IIC型結(jié)構(gòu)下面層頂面溫度在低溫時期較低,兩者差的最大時刻出現(xiàn)在11月28日,為0.43℃;而高溫時期IB型結(jié)構(gòu)的下面層頂溫度低于IIC型,最多時相差0.40℃,出現(xiàn)在4月27日。設(shè)置了中面層的IB型結(jié)構(gòu),路面厚度大于IIC型,路面總體的熱容增大,使熱量傳遞的路徑延長,減小了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量與外界環(huán)境的交換。在夏季持續(xù)高溫時期,由外界環(huán)境傳遞至推薦結(jié)構(gòu)的熱量主要積聚在面層上部;在冬季持續(xù)低溫時期,中面層的設(shè)置對下方結(jié)構(gòu)層起到保溫作用,使外界環(huán)境傳遞至下面層頂?shù)摹袄淞俊睖p少,分析可見,I型路面結(jié)構(gòu)的下面層頂面溫度年變化幅度較小。圖7為IB和IIC橫斷面中心位置處路基頂面的溫度差。由圖7可知,在冬季持續(xù)低溫時期,IB結(jié)構(gòu)路基頂部溫度高于IIC結(jié)構(gòu),最大溫差出現(xiàn)在12月18日,達到1.13℃,大于下面層頂面溫差,但出現(xiàn)日期延后。在夏季持續(xù)高溫時期,IB結(jié)構(gòu)路基頂部溫度低于IIC,最大溫差為1℃,出現(xiàn)在6月26日。綜上所述,IB型結(jié)構(gòu)由于路面厚度增大,使路面結(jié)構(gòu)對外界環(huán)境的溫度敏感性降低,各結(jié)構(gòu)層溫度出現(xiàn)夏季降低、冬季升高,年變化浮動范圍縮小;有效減少了高溫季節(jié)外部熱量向下層凍土中傳遞,防止凍土路基發(fā)生不均勻融沉變形。(2)路基頂面溫度差變化特征為對比分析分離式路基與整體式路基對路面結(jié)構(gòu)溫度場的影響,IA與IB不同層位的溫度差如圖8、圖9所示。由圖8可知,IA結(jié)構(gòu)的路表、下面層頂面溫度在全年范圍內(nèi)均高于IB,且夏季持續(xù)高溫時期的溫差高于冬季低溫時期。路表全年最大溫差出現(xiàn)在8月30日,為0.024℃,最小溫差出現(xiàn)在2月26日,為0.016℃;下面層的最大溫差為0.043℃,出現(xiàn)在7月26日,與路表相比,溫差有所增大且出現(xiàn)日期提前了一個月,下面層最小溫差為0.032℃,出現(xiàn)日期與路表一致。圖9為IA和IB結(jié)構(gòu)橫斷面中心位置處路基頂面的溫度差。由圖9可知,兩者溫差的年變化趨勢與面層一致,但溫差極值出現(xiàn)時刻存在滯后。路基頂面兩者溫差在6月26日達到最大為0.18℃;最低溫差出現(xiàn)在12月28日為0.14℃。通過兩結(jié)構(gòu)溫差變化分析可以看出,雖然整體式路基的路面結(jié)構(gòu)與分離式路基一致,由于整體式路基的路面寬度較大,使太陽輻射對路面結(jié)構(gòu)的作用面積增大,吸收的熱量大于分離式路基,導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的溫度在全年范圍內(nèi)升高,對底部多年凍土的擾動增大。在路面結(jié)構(gòu)厚度不變的情況下,若采用整體式路基,會使各結(jié)構(gòu)層溫度升高,造成路面結(jié)構(gòu)整體溫度整體上升,對底部多年凍土的擾動增大。3路基頂面溫度年振幅及調(diào)溫特性分析在多年凍土地區(qū)鋪筑瀝青路面后,破壞了原天然土體的溫度場平衡狀態(tài),若產(chǎn)生的擾動過大,將導(dǎo)致凍土路基發(fā)生不均勻融沉等病害。已有研究表明,在室內(nèi)凍土動荷載試驗中,隨著循環(huán)荷載作用次數(shù)的增多,凍土試樣溫度將逐漸升高,并隨著加載時間的延續(xù)以及高頻率的振動,試樣升溫度速率更快;其次,隨著動荷載作用時間的延長,土體內(nèi)殘余應(yīng)變將不斷增長。行駛的車輛,對道路施加動荷載作用,并伴有沖擊、振動作用。因此,荷載作用從一定程度上改變了多年凍土存在狀態(tài),使凍土融化加速,導(dǎo)致多年凍土路基不均勻融沉變形加劇。由于本文不對行車荷載作用開展研究,在IA、IB、IIC的溫度適應(yīng)性評價時,只考慮荷載作用的最不利影響,即加速凍土路基不均勻融沉變形,因此本文以路基頂面溫度的年振幅為評價指標,并結(jié)合考慮結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的調(diào)溫效果。IIC型結(jié)構(gòu)路基頂面溫度的年振幅為12.61℃,IB年振幅為11.74℃,IA為11.80℃。3種結(jié)構(gòu)路基頂面溫度年振幅由小至大的順序為:I(分離式)<I(整體式)<II(二級公路),I型結(jié)構(gòu)的溫度年變化幅度小于青藏公路試驗段,能從一定程度上降低對底部多年凍土的擾動。然而溫度年振幅僅能反映其年變化幅值,并不能直觀的表示路面結(jié)構(gòu)型式及路基類型對路基頂面溫度的調(diào)溫效果。為此,本文根據(jù)青藏高原30a氣象資料,結(jié)合氣候變化對路面結(jié)構(gòu)及底部凍土的影響將其劃分為快速升溫(4月～6月)、持續(xù)高溫(7月、8月)、快速降溫(9月～11月)和持續(xù)低溫(12月～次年3月)4個階段,在每個階段對IB-IIC、IB-IA的路基頂面溫度差進行方差分析,從而揭示路面結(jié)構(gòu)變化對路基溫度狀況的影響。從表5路基頂面溫差方差分析表可以看出,不同時期的F值都要明顯大于其臨界值,說明IB-IIC、IB-IA的路基頂面溫差存在明顯差異,即不同的路面結(jié)構(gòu)對路基的溫度狀況影響是顯著的。年氣候劃分區(qū)間的顯著性差異順序依次為持續(xù)低溫、持續(xù)高溫、快速升溫和快死降溫,由于凍土路基融沉主要發(fā)生在高