基于路基温度波动幅度控制的挖方路段路面施工最佳时期研究

安东朝1，刘敬2，3，徐泽人3

（1.河北高速张涿高速张家口管理处，河北张家口 075000；2.湖北交投科技发展有限公司，湖北武汉 430000；3.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）

基于路基温度波动幅度控制的挖方路段路面施工最佳时期研究

安东朝1，刘敬2，3，徐泽人3

（1.河北高速张涿高速张家口管理处，河北张家口 075000；2.湖北交投科技发展有限公司，湖北武汉 430000；3.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）

在不同月份开始施工路面会影响路基内部温度场，而路基内部温度的波动幅度直接影响其内部水分迁移，从而影响路基路面的耐久性。文中以河北省张涿（张家口—涿州）高速公路某挖方路段为试验路，在路基施工期实际测试路基内部温度场，并将其与温度场计算结果进行对比，通过不断调整修正温度场计算的有关参数；采用该温度场模型和参数预测了施工路面后路基内部温度场，并通过对比不同月份开始施工路面情况下路基内部全年温度波动幅度，为试验路段推荐了路面施工最佳月份。

公路；挖方路段；温度场；路面；施工最佳时期

在季节性冰冻地区，冬季气温降低时，土体结冰导致体积膨胀，容易导致路基产生冻胀变形；春季温度升高时，上层土体慢慢融化，但由于温度传导的滞后性，上层冰晶融化后的水无法下渗，容易导致道路翻浆。冻胀和翻浆病害的严重程度受路基内部温度波动幅度的影响很大，而路面的覆盖及其铺筑季节将直接影响路基内部温度场。

对于路基温度场，国内外学者进行了较深入研究：ZeheE.等研究发现，土体温度控制着水的渗入速度，是衡量水分迁移强度的重要影响因素之一；FingLing等建立了太阳辐射及地气紊流热交换等因素间的冻土表面能量平衡方程，对冻土季节活动层的温度状况进行了一维非线性数值模拟；汪海年对不同冻土类型包括不同气温地区、不同路面结构、不同路面高度等的路基温度场进行了有限元计算，计算中综合考虑了各种气象条件并将其作为边界条件；程培峰等利用开发的路基温度远程采集系统，对3种不同类型路基断面进行了一个冻融周期的数据采集，发现随着路基深度的增加，温度波动幅度越来越平缓，并且温度场分布相对对称，对称中心为道路中心线；毛雪松等观测分析了鸡西—讷河试验路段路基温度场数据，并分别用三类边界条件进行了路基温度场数值模拟，结果表明路基的温度场变化规律与气温直接相关，但土体温度变化明显滞后于气温。

填方路基温度场实测在铺筑路面前较容易实施，但在路面铺筑后挖方路基内部的温度场实测难度较大。该文通过有限元计算，以河北省张涿（张家口—涿州）高速公路某挖方路段路基在路面施工前的实测温度场来校验计算参数，预测施工路面后试验段路基内部温度场，再通过对比路基内部温度波动幅度为路面铺筑推荐最佳时期。

1　挖方路基温度场预测模型和参数

河北省张涿高速公路某挖方路段挖方土体为黄土，路基宽度为28m。采用二维有限元方法开展路基温度场计算和预测，取挖方深度3m处横断面为计算对象，路基顶面往下取10m深度，并考虑对称性只取横断面的一半作为分析对象。计算工具为ANSYS软件。

土体外部的热能交换是土体表面与太阳施加的辐射和对流进行的，太阳辐射以电磁波的形式先进入大气层，除部分被大气层吸收外，其余发散到各个方向到达地面，这部分能量加上大气层散射到土体表面的能量即为太阳总辐射。总辐射中再除去被路表反射的辐射量，才是土体最终吸收的辐射量。辐射量与路面材料黑度有关，黑度越大，吸收的辐射量越大。土体内部则通过热传导进行热能传递。

温度场计算需考虑太阳辐射和对流及土体导热系数的影响，由于这些参数的多变性，即使实际测试也很难获得代表性的参数取值。为此，首先预设这些热分析参数，然后将温度场计算结果与现场实测所得路基温度场进行对比，不断调整热分析参数，将计算值与实测值很接近时的热分析参数作为温度场预测模型的计算参数。

1.1温度场初始计算参数

收集该工程沿线地区全年月平均空气湿度及太阳辐射强度数据，结果见表1。

表1　张家口地区每月空气湿度及太阳辐射

根据表1拟定计算所需辐射黑度为0.68，土体对太阳辐射的吸收率为0.85，土体与空气的热交换系数为15.96W/（m·℃）。

根据文献［8］对黄土温度场的数值计算结果，拟定计算所需导热系数λ及比热容C计算公式为：

式中：ρd为土体干密度（kg/m3）；w为土体天然含水率（%）。

根据现场开展的密度试验结果，路基顶面以下0～0.8m深度的土体干密度取为1.76g/cm3，0.8 m以下深度的土体干密度取为1.62g/cm3，边坡范围土体的干密度取为1.39g/cm3。

在路基施工期间在路基内部埋设传感器，并连续21d实际测试挖方路基不同深度处的温度和含水率。初始温度和初始含水量测试结果见表2，连续测试结果见图1。

表2　路基内部不同深度处的实测温度和含水率

图1　计算参数调整前温度场实测及计算结果对比

1.2温度场计算参数修正

利用上述参数进行ANSYS热分析，并将计算结果与实际测试的温度场数据进行对比，结果见图1。

由图1可知：ANSYS模拟出的温度结果比实测结果高，表明初始计算参数中土体对外界吸收的总辐射量偏大，通过不断试算和对比，最终将太阳辐射吸收率从0.85下调至0.70。同时热交换系数也反映着土体与空气的热传递能力，系数越大，温度变化幅度越大，反之则越小。而图1所示模拟结果的波动幅度明显大于实测温度变化，通过不断试算和对比，最终将热交换系数从15.96W/（m·℃）下调至14.54W/（m·℃）。采用调整后的计算参数所得温度场与实际温度场对比见图2。由图2可见计算值与实测温度场数值已很接近，因而后续计算就采用这两个参数值。

图2　计算参数调整后温度场实测及计算结果对比

2　铺筑路面后路基内部温度场预测

为从控制路基内部温度波动幅度的角度推荐路面铺筑的最佳时期（月份），需知道路面在不同月份铺筑时路基内部的温度场。但工程施工是不允许在不同月份分别修筑试验路来直接对比的，而且在路基施工期间在试验路段路基内部埋设的传感器在路面施工时被挖机破坏掉了。为此，利用第一节建立的温度场预测模型和参数取值进行温度场计算。

由于路面结构层的存在，路基内部温度场必然与未铺筑路面时路基温度场存在差异，在进行温度场计算时必须考虑路面结构层的影响。试验路段的路面结构组合为4cm改性沥青AC-13+6cm改性沥青AC-20+10cmATB-25+20cm水泥稳定碎石+20cm水泥粉煤灰稳定碎石+20cm水泥粉煤灰稳定天然砂砾。根据张仁义等对沥青导热特性的研究成果，通过下式确定沥青砼的导热系数：

式中：λ为介质的导热系数；t为温度（℃）。

路面结构各层材料的比热容和热交换系数取值见表3，路基土体计算参数与第一节相同。

表3　面层热分析计算参数

以5月开始路面施工的路基温度场分析为例，通过ANSYS计算得到路基内部各深度范围土体的温度全年变化（见图3）。

图3　5月开始铺筑路面时路基内部各深度范围土体平均温度全年变化

由图3可知：1）路基0～0.8m范围内土体的温度峰值出现在7月，约为17℃，1月份达到最低值，约为6.5℃；路基0.8～1.6m范围内土体的温度峰值出现在8月，约为14℃，2月份达到最低值，约为7.5℃；路基1.6～3.0m范围内土体的温度峰值出现在9月，约为11.5℃，3月份达到最低值，约为8℃。2）路面结构的铺设使路基土的温度变化幅度相对于未铺筑路面时路基土的温度变化幅度更小，这是因为路面结构层的覆盖，路基内部温度变化随之滞后，弱化了气温对路基土的影响。3）对比3种深度范围土体温度，浅层土体的波动幅度高于深层土体，这是因为随着深度的加深，土体所能从太阳辐射获得的热量减少。

3　路面施工最佳时期

在不同月份开始施工路面时，由于每月气温不同，直接导致路基土体的初始温度各不相同，故在不同月份施工路面将直接影响路基内部全年的温度变化幅度。图3示出了5月开始施工路面情况下路基内部温度场的全年变化状况，在其他各月开始施工路面，其计算方法与第二节相同，所得变化趋势也大致相同（见表4）。考虑到冬末春初气温较低，表4中路面开始施工的月份不包括11月—次年3月。

表4　不同月份开始施工路面所造成的路基内部各深度范围土体的平均温度波动幅度

由表4可知：对于路基上部0～0.8及0.8～1.6m深度范围的土体，若在4月开始施工路面，则其温度波动幅度最小；对于距离路基顶面1.6～3.0 m深度范围的土体，若在5月开始施工路面，则其温度波动幅度最小，从4月开始施工路面时温度波动幅度次之，两者相差不大。

经过综合分析，在4月开始施工路面最为合适，此时路基内部温度波动幅度最小，能减小温度波动导致的路基内部水分迁移，一定程度上提高路基的整体性能，延长高速公路的使用寿命。

4　结语

该文对张涿高速公路某挖方试验段建立温度场计算模型，通过对比实测温度场与ANSYS温度场计算结果，对太阳辐射吸收率及热交换系数进行修正；利用建立的计算模型和修正后的参数，对铺设路面后路基内部温度场进行计算，分析了路面的覆盖作用对路基温度场的影响；同时计算了在不同月份开始施工路面情况下路基温度场，通过对比路基内部全年温度波动幅度，为挖方试验路段推荐了路面施工最佳月份。

该文温度场计算参数的确定基于张涿高速公路试验段实测数据，对其他地区不一定适用，还需从理论层面建立更完善的分析模型。

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

［2］ ZeheE，MaurerT，IhringerJ，etal.Modelingwater flowandmasstransportinaloesscatchment［J］. PhysicsandChemistryoftheEarth，PartB：Hydrology OceansandAtmosphere，2001，26（7-8）.

［3］ FengLing，TingjunZhang.Anumericalmodelforsurfaceenergybalanceandthermalregimeoftheactive layerandpermafrostcontainingunfrozensoil［J］.Cold RegionsScienceandTechnology，2004，38（1）.

［4］ 汪海年.青藏高原多年冻土地区路基温度场研究［D］.西安：长安大学，2004.

［5］ 程培峰，王蒙，韩春鹏.基于远程采集系统的季冻区路基温度场分析［J］.中外公路，2015，35（1）.

［6］ 毛雪松，陆鹿，格桑泽仁，等.基于远程采集系统的季冻区路基温度场分析［J］.中外公路，2011，31（2）.

［7］ 陈守义.考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法［J］.岩土力学，1997，18（2）.

［8］ 刘自成.非饱和黄土温度场的数值分析［D］.西安：西安建筑科技大学，2006.

［9］ 张仁义，顾强康，林超群，等.沥青和水泥砼导热特性研究［J］.四川建筑科学研究，2012，38（1）.

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［11］ 张林.冰冻气候对路基性能影响模拟试验研究［J］.公路与汽运，2016（1）.

［12］ 刘敬.高速公路挖方路段路基水分迁移特性及路基回弹模量预测［D］.长沙：长沙理工大学，2012.

U416.1

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1671-2668（2016）04-0129-04

2016-04-07