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.湖北交投科技發展有限公司，湖北武漢 430000；3.長沙理工大學交通運輸工程學院，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.湖北交投科技發展有限公司，湖北武漢 430000；3.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004）

在不同月份開始施工路面會影響路基內部溫度場，而路基內部溫度的波動幅度直接影響其內部水分遷移，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，在路基施工期實際測試路基內部溫度場，并將其與溫度場計算結果進行對比，通過不斷調整修正溫度場計算的有關參數；采用該溫度場模型和參數預測了施工路面后路基內部溫度場，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

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

對于路基溫度場，國內外學者進行了較深入研究：ZeheE.等研究發現，土體溫度控制著水的滲入速度，是衡量水分遷移強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，對凍土季節活動層的溫度狀況進行了一維非線性數值模擬；汪海年對不同凍土類型包括不同氣溫地區、不同路面結構、不同路面高度等的路基溫度場進行了有限元計算，計算中綜合考慮了各種氣象條件并將其作為邊界條件；程培峰等利用開發的路基溫度遠程采集系統，對3種不同類型路基斷面進行了一個凍融周期的數據采集，發現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據，并分別用三類邊界條件進行了路基溫度場數值模擬，結果表明路基的溫度場變化規律與氣溫直接相關，但土體溫度變化明顯滯后于氣溫。

填方路基溫度場實測在鋪筑路面前較容易實施，但在路面鋪筑后挖方路基內部的溫度場實測難度較大。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測溫度場來校驗計算參數，預測施工路面后試驗段路基內部溫度場，再通過對比路基內部溫度波動幅度為路面鋪筑推薦最佳時期。

1　挖方路基溫度場預測模型和參數

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行的，太陽輻射以電磁波的形式先進入大氣層，除部分被大氣層吸收外，其余發散到各個方向到達地面，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。總輻射中再除去被路表反射的輻射量，才是土體最終吸收的輻射量。輻射量與路面材料黑度有關，黑度越大，吸收的輻射量越大。土體內部則通過熱傳導進行熱能傳遞。

溫度場計算需考慮太陽輻射和對流及土體導熱系數的影響，由于這些參數的多變性，即使實際測試也很難獲得代表性的參數取值。為此，首先預設這些熱分析參數，然后將溫度場計算結果與現場實測所得路基溫度場進行對比，不斷調整熱分析參數，將計算值與實測值很接近時的熱分析參數作為溫度場預測模型的計算參數。

1.1溫度場初始計算參數

收集該工程沿線地區全年月平均空氣濕度及太陽輻射強度數據，結果見表1。

表1　張家口地區每月空氣濕度及太陽輻射

根據表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為15.96W/（m·℃）。

根據文獻［8］對黃土溫度場的數值計算結果，擬定計算所需導熱系數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（%）。

根據現場開展的密度試驗結果，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部埋設傳感器，并連續21d實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果見表2，連續測試結果見圖1。

表2　路基內部不同深度處的實測溫度和含水率

圖1　計算參數調整前溫度場實測及計算結果對比

1.2溫度場計算參數修正

利用上述參數進行ANSYS熱分析，并將計算結果與實際測試的溫度場數據進行對比，結果見圖1。

由圖1可知：ANSYS模擬出的溫度結果比實測結果高，表明初始計算參數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下調至0.70。同時熱交換系數也反映著土體與空氣的熱傳遞能力，系數越大，溫度變化幅度越大，反之則越小。而圖1所示模擬結果的波動幅度明顯大于實測溫度變化，通過不斷試算和對比，最終將熱交換系數從15.96W/（m·℃）下調至14.54W/（m·℃）。采用調整后的計算參數所得溫度場與實際溫度場對比見圖2。由圖2可見計算值與實測溫度場數值已很接近，因而后續計算就采用這兩個參數值。

圖2　計算參數調整后溫度場實測及計算結果對比

2　鋪筑路面后路基內部溫度場預測

為從控制路基內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部埋設的傳感器在路面施工時被挖機破壞掉了。為此，利用第一節建立的溫度場預測模型和參數取值進行溫度場計算。

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

式中：λ為介質的導熱系數；t為溫度（℃）。

路面結構各層材料的比熱容和熱交換系數取值見表3，路基土體計算參數與第一節相同。

表3　面層熱分析計算參數

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范圍內土體的溫度峰值出現在7月，約為17℃，1月份達到最低值，約為6.5℃；路基0.8～1.6m范圍內土體的溫度峰值出現在8月，約為14℃，2月份達到最低值，約為7.5℃；路基1.6～3.0m范圍內土體的溫度峰值出現在9月，約為11.5℃，3月份達到最低值，約為8℃。2）路面結構的鋪設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，這是因為路面結構層的覆蓋，路基內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相同，所得變化趨勢也大致相同（見表4）。考慮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。

經過綜合分析，在4月開始施工路面最為合適，此時路基內部溫度波動幅度最小，能減小溫度波動導致的路基內部水分遷移，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，通過對比實測溫度場與ANSYS溫度場計算結果，對太陽輻射吸收率及熱交換系數進行修正；利用建立的計算模型和修正后的參數，對鋪設路面后路基內部溫度場進行計算，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的確定基于張涿高速公路試驗段實測數據，對其他地區不一定適用，還需從理論層面建立更完善的分析模型。

［1］ HarlanRL，NixonJF.Groundthermalregime［J］. GeotechnicalEngineeringforColdRegions，1978（18）.

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［5］ 程培峰，王蒙，韓春鵬.基于遠程采集系統的季凍區路基溫度場分析［J］.中外公路，2015，35（1）.

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［7］ 陳守義.考慮入滲和蒸發影響的土坡穩定性分析方法［J］.巖土力學，1997，18（2）.

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［12］ 劉敬.高速公路挖方路段路基水分遷移特性及路基回彈模量預測［D］.長沙：長沙理工大學，2012.

U416.1

A

1671-2668（2016）04-0129-04

2016-04-07