青藏高原多年冻土区不同路面宽度对温度场的影响

青藏高原多年冻土区不同路面宽度对温度场的影响

0路面温度及热稳定性沥青路面的良好耐行驶性在冬季寒冷地区的道路建设中得到了广泛应用。然而，在道路两侧的特殊气候和地质条件下，沥青路面的吸收热效应强，反应率低，改变了地表辐射的平衡。在高原多年制冷土区的特殊气候条件下，不仅影响道路结构的温度，而且也影响车轮底的多年制冷土。国内外开展路面温度计算的理论研究较早,1957年,Barber采用无限表明的介质温度周期性变化时热传导方程来确定路面温度。1972年,Christison和Anderson利用有限差分法求解沥青路面温度状况,得到路面温度计算结果。2000年,Hermansson建立仿真模型,模拟路面温度场的日变化。2006年,秦健等建立以气温、太阳辐射强度和路面深度为主要参数的路面温度场预估模型。2011年马骉等针对青藏公路二级公路不同路面结构的时温度场和旬温度场进行了计算模拟分析,陈团结等利用有限元计算了硅藻土改性沥青和普通沥青混凝土路面下冻土地基表面温度场随路表温度的变化,这些成果为青藏公路路面适应性分析评估提供了技术支撑。虽然国内外已对公路沥青路面温度场进行深入分析,也对多年冻土区低等级公路路面温度场及沥青路面下冻土的热稳定性进行了研究,但目前在多年冻土地区沥青路面结构设计中并未考虑该部分影响,均按照一般地区规范方法对其进行设计,从而导致设计与实际的差异较大,路面实际使用寿命达不到设计寿命。对于高等级公路其使用年限与服务水平要远高于其他等级公路,高等级公路建设标准与要求也高于其他等级公路,温度对路面结构与材料有较显著的影响,也是诱发冻土路基不均匀融沉变形的重要原因,因此本研究在前期研究的基础上对青藏高原多年冻土区高等级公路沥青路面结构温度响应开展研究,以期为多年冻土地区高等级公路建设提供参考。1现场试验分析和结果分析1.1其所处的一种新的观测断面该试验场地位于青藏公路楚玛尔河地区K2981+290～K2981+510之间。2009年建成开始观测,该区域日照时间长,太阳辐射照度大,属高紫外辐射区,年均气温在0℃以下,极端高温为25～26℃,极端低温为-36～-45℃。一天中的最大温差达22℃,相对湿度小,风速大。地貌上属于高平原,地势平坦开阔,地表植被稀疏,热融湖塘发育,平均海拔约4470m,出露地层以砂砾土为主,下伏基岩为全风化泥岩。此段属于高温高含冰量多年冻土区,多年冻土天然上限2.7～3.0m,路基填土高度2.1～3.8m,人为上限5.7～7.7m。冻土类型为富冰冻土-含土冰层。楚玛尔河宽幅路基综合观测试验场地设置了不同幅宽的观测断面,其中K2981+485～K2981+510为主观测断面,路面宽度总共13.5m,其中沥青路面宽度为10.5m,左右各1.5m的砂土路肩。K2981+290～K2981+485为对比观测断面,路基宽度为10m,其中沥青路面宽度为7m,左右各1.5m的砂土路肩。观测断面采用无线传输功能的自动化采集系统,系统采用低功耗定时器实现定时定点采集数据并存储数据,整个系统具备现场人工采集数据和无线数据远传采集功能。其整个方案包括:(1)路面热敏(温度)测量;(2)路基热敏(温度)测量。楚玛尔河地区宽幅路基综合观测断面路面结构分为4层:上面层为4cmAC-13改性沥青混凝土层;下面层为8cmAC-16改性沥青混凝土层;第3层为20cm掺外加剂水泥稳定砂砾层;第4层为20cm级配砂砾层,总路面厚度为52cm。其中主断面观测位置为K2981+495,对比断面观测位置为K2981+295。其具体温度传感器安装布置见图1。观测试验中采用测量精度较高的热敏电阻温度传感器,由电脑远程控制,间隔6h自动采集温度并存贮。1.2不同幅宽沥青路面温度场特征图2为不同幅宽试验段沥青路面路中与天然地表月平均温度随时间的变化。由图2知:(1)在暖季,受强烈太阳辐射的影响,沥青路面吸热特性十分显著,其最高温度比天然地表温度高10℃左右。但是在冷季,主要是1月和12月份,由于太阳辐射减弱,加上风速的影响,沥青路面温度较天然地表温度要低。总体上,公路沥青路面改变了地表的辐射热平衡,吸热量要远大于天然地表吸热量,从而对下部冻土产生较大的影响。(2)2种幅宽的路面月平均温度变化趋势一致,夏季最大相差1.2℃。但随着幅宽的增加,吸热量增大,对活动层影响也增大,人为多年冻土上限下移较大。因此,在多年冻土区修筑沥青公路路面,尤其是宽幅公路时,除考虑其他与冻土相关的因素外,还必须考虑路基宽度对多年冻土的影响。图3、图4为不同幅宽沥青路面横断面温度场分布特征,横坐标0对应道路中线,横坐标正负分别对应右幅和左幅道路。由图3、图4知:2种宽度的沥青路面结构在路中部位,下面层温度基本一致;冷季,对于上面层温度,11m宽路面比7m宽路面温度高0.6℃左右;而暖季,高1.2℃。由此可知大断面路面的吸热量和吸热能力较小断面路面大。且在路面边缘则表现出较为明显的季节差异性,在暖季,11m宽的路面边缘温度明显高于7m宽的路面结构;而在冷季,则没有这种现象出现,说明在宽幅面沥青路面中应加强边坡的保温措施。2路面温度场预测上述现场试验对7m的二级公路和11m的分幅高等级公路进行了温度试验观测,观测结果初步证明了不同的路面宽度吸热量存在明显的差异,但由于现场试验条件的限制,未对全断面高等级公路进行观测,同时所采用的路面结构为二级公路路面结构。为了研究全断面路面尺寸及高等级路面结构的路面温度场,下面根据热力学相关理论,通过数值手段来研究不同路面结构和不同路面宽度的路面温度场,分析各种路面结构和路面宽度的适用性。五道梁气象站作为青藏高原最早投入使用的气象站之一,拥有大量的气象数据资料,考虑到五道梁接近楚玛尔河区域,并且该地区气候条件极为复杂多变,具有典型的青藏高原气候特征,为此选择五道梁地区气候条件进行数值分析。2.1温度分布连续体假设利用有限元计算软件分别建立整体式路基与分离式路基路面结构的二维温度场模型,满足以下基本假设:(1)路面各层为完全均匀和各向同性的连续体;(2)忽略温度沿路面横向及纵向(行车方向)的分布,仅考虑温度沿深度方向的变化;(3)路面各结构层层间完全连续,接触面各点温度和热流分布连续,符合传热学中的第四类边界条件;(4)路面各结构层材料为完全弹性体。(1)tix,y,t满足热传导方程路面结构的第i层的导热系数和导温系数分别为λi和αi(i=1,2,…,n),厚度为gi(i=1,2,…,n,其中,温度函数为Ti=Ti(x,y,t),并令h0=g1,hj=j+1∑i=1gi‚(1)h0=g1,hj=∑i=1j+1gi‚(1)则Ti(x,y,t)满足热传导方程为:{∂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)足传热学中第四类边界条件设路面各层层间接触良好,则相互接触的上、下2层的温度Ti、Ti+1,以及热流qi、qi+1是连续的,即在层间边界条件上,温度函数Ti满足传热学中的第四类边界条件:{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)热流密度q的边界在沥青面层表面y=0处,温度函数T1还应满足路表边界条件。在传热学理论中常见的边界条件可综合划分为3类。第Ⅰ类边界条件直接给出边界面上的温度分布及其随时间变化的规律,可表示为:Τ边界=f(r,t)‚(4)T边界=f(r,t)‚(4)如果边界面上的热流密度q为已知函数,则称之为第Ⅱ类边界条件,可表示为:q边界=-λ⋅∂Τ边界∂n=q(r,t)。(5)q边界=−λ⋅∂T边界∂n=q(r,t)。(5)已知物体周围流体温度T*及其随时间的变化规律,以及二者之间的对流换热系数B,称之为第Ⅲ类边界条件,可表示为:-λ⋅∂Τ边界∂n=B⋅(Τ*-Τ边界)。(6)−λ⋅∂T边界∂n=B⋅(T∗−T边界)。(6)(4)路基、路面宽度对比计算的路面结构如表1所示,路面结构I为综合目前国内冻土地区高等级公路路面结构后拟推荐的路面结构,路面结构II为青藏公路改建完善中试验段的路面结构。计算中采用的路基宽度尺寸如表2所示。为了便于分析,将路面结构与路基横断面的组合以编号形式表示,如IA为高等级公路整体式路基上铺筑I型路面结构。结合现有青藏公路实际与以后规划,在数值计算中路基深度定取3m,天然土体深度取10m,路基、路面宽度按照公路路线设计规范中规定的横断面宽度取值。建立的分离式路基高等级公路二维温度场计算模型如图5所示。(5)材料热物性分析由于青藏高原自然环境的特殊性,路基下冻土的相变问题及路用材料的感温性不容忽视,在温度场数值模拟分析中,应考虑各结构层材料的热物性。综合已有资料,材料的热物理参数如表3和表4所示。(6)热流密度加载将影响路面温度场的外界自然因素分为热流密度和对流换热两类边界条件。其中路面结构的热流密度可由其边界处的净辐射推算而得。将对流换热边界条件中得到的空气温度和对流换热系数直接加载至路面实体单元上,热流密度边界条件加载至覆盖于路面实体单元上表面效应单元。在实际计算中,以10d为荷载步、以1a为一个周期对路面瞬态周期性温度场进行分析。2.2结论分析(1)路面结构的年温变化2种结构的区别在于:IB路面结构的沥青面层厚度为17cm,IIC为12cm;IB相比IIC多设置了1cm的碎石下封层和20cm5%水泥稳碎石底基层;由于IB为高等级公路分离式路基,路基宽度大于IIC。以两者的温差作为评价指标。IB和IIC结构不同层位的温度差如图6所示,各结构层温度均选取横断面中心位置处的温度。图6表明,2种结构温度随时间的变化趋势与现场观测资料相同。拟推荐的路面结构与试验段路面结构的路表温差在全年的变化幅度较小,基本保持在-0.05～0.05℃范围内。低温时期,IIC型结构下面层顶面的平均日降温速率略大于IB型,使IIC型结构下面层顶面温度在低温时期较低,两者差的最大时刻出现在11月28日,为0.43℃;而高温时期IB型结构的下面层顶温度低于IIC型,最多时相差0.40℃,出现在4月27日。设置了中面层的IB型结构,路面厚度大于IIC型,路面总体的热容增大,使热量传递的路径延长,减小了路面结构内部热量与外界环境的交换。在夏季持续高温时期,由外界环境传递至推荐结构的热量主要积聚在面层上部;在冬季持续低温时期,中面层的设置对下方结构层起到保温作用,使外界环境传递至下面层顶的“冷量”减少,分析可见,I型路面结构的下面层顶面温度年变化幅度较小。图7为IB和IIC横断面中心位置处路基顶面的温度差。由图7可知,在冬季持续低温时期,IB结构路基顶部温度高于IIC结构,最大温差出现在12月18日,达到1.13℃,大于下面层顶面温差,但出现日期延后。在夏季持续高温时期,IB结构路基顶部温度低于IIC,最大温差为1℃,出现在6月26日。综上所述,IB型结构由于路面厚度增大,使路面结构对外界环境的温度敏感性降低,各结构层温度出现夏季降低、冬季升高,年变化浮动范围缩小;有效减少了高温季节外部热量向下层冻土中传递,防止冻土路基发生不均匀融沉变形。(2)路基顶面温度差变化特征为对比分析分离式路基与整体式路基对路面结构温度场的影响,IA与IB不同层位的温度差如图8、图9所示。由图8可知,IA结构的路表、下面层顶面温度在全年范围内均高于IB,且夏季持续高温时期的温差高于冬季低温时期。路表全年最大温差出现在8月30日,为0.024℃,最小温差出现在2月26日,为0.016℃;下面层的最大温差为0.043℃,出现在7月26日,与路表相比,温差有所增大且出现日期提前了一个月,下面层最小温差为0.032℃,出现日期与路表一致。图9为IA和IB结构横断面中心位置处路基顶面的温度差。由图9可知,两者温差的年变化趋势与面层一致,但温差极值出现时刻存在滞后。路基顶面两者温差在6月26日达到最大为0.18℃;最低温差出现在12月28日为0.14℃。通过两结构温差变化分析可以看出,虽然整体式路基的路面结构与分离式路基一致,由于整体式路基的路面宽度较大,使太阳辐射对路面结构的作用面积增大,吸收的热量大于分离式路基,导致路面结构的温度在全年范围内升高,对底部多年冻土的扰动增大。在路面结构厚度不变的情况下,若采用整体式路基,会使各结构层温度升高,造成路面结构整体温度整体上升,对底部多年冻土的扰动增大。3路基顶面温度年振幅及调温特性分析在多年冻土地区铺筑沥青路面后,破坏了原天然土体的温度场平衡状态,若产生的扰动过大,将导致冻土路基发生不均匀融沉等病害。已有研究表明,在室内冻土动荷载试验中,随着循环荷载作用次数的增多,冻土试样温度将逐渐升高,并随着加载时间的延续以及高频率的振动,试样升温度速率更快;其次,随着动荷载作用时间的延长,土体内残余应变将不断增长。行驶的车辆,对道路施加动荷载作用,并伴有冲击、振动作用。因此,荷载作用从一定程度上改变了多年冻土存在状态,使冻土融化加速,导致多年冻土路基不均匀融沉变形加剧。由于本文不对行车荷载作用开展研究,在IA、IB、IIC的温度适应性评价时,只考虑荷载作用的最不利影响,即加速冻土路基不均匀融沉变形,因此本文以路基顶面温度的年振幅为评价指标,并结合考虑结构变化产生的调温效果。IIC型结构路基顶面温度的年振幅为12.61℃,IB年振幅为11.74℃,IA为11.80℃。3种结构路基顶面温度年振幅由小至大的顺序为:I(分离式)<I(整体式)<II(二级公路),I型结构的温度年变化幅度小于青藏公路试验段,能从一定程度上降低对底部多年冻土的扰动。然而温度年振幅仅能反映其年变化幅值,并不能直观的表示路面结构型式及路基类型对路基顶面温度的调温效果。为此,本文根据青藏高原30a气象资料,结合气候变化对路面结构及底部冻土的影响将其划分为快速升温(4月～6月)、持续高温(7月、8月)、快速降温(9月～11月)和持续低温(12月～次年3月)4个阶段,在每个阶段对IB-IIC、IB-IA的路基顶面温度差进行方差分析,从而揭示路面结构变化对路基温度状况的影响。从表5路基顶面温差方差分析表可以看出,不同时期的F值都要明显大于其临界值,说明IB-IIC、IB-IA的路基顶面温差存在明显差异,即不同的路面结构对路基的温度状况影响是显著的。年气候划分区间的显著性差异顺序依次为持续低温、持续高温、快速升温和快死降温,由于冻土路基融沉主要发生在高