第三章　　气候与环境 一．概念 　　　　1．道路与其它土木建筑在考虑气候与环境时的区别 　　　　道路是露天建筑物 　　　　道路是线型建筑，涉及的范围较大　　　　 　　　　2．气候的影响 　　　　冰冻作用 　　　　降雨 　　　　3．考虑方法 　　　　材料 　　　　结构 二．冻胀 　　　　1．影响因素 　　　　对冰冻敏感的土 　　　　气温下降的快慢 　　　　水源 　　　　2．水的种类 　　　　自由水 　　　　吸附水－－强结合水，弱结合水 　　　　3．冻敏土的种类（工程师兵团法） 　　　Ｆ１　　　砾石土　＜０．０２ＭＭ　占３～２０％ 　　　Ｆ２　　　砂　土　＜０．０２ＭＭ　占３～１５％ 　　　Ｆ３　　　砾石土　＜０．０２ＭＭ　占＞２０％ 　　　　　　　 　砂　土　＜０．０２ＭＭ　占＞１５％ 　　　Ｆ４　　　粉　土　＜０．０２ＭＭ　占１２～１５％ 　　　　４．公路土的分类 　　　　土：巨粒土，粗粒土，细粒土，特殊土 　　　　巨粒土＞60ｍｍ占５０％：漂石土，卵石土 　　　　粗粒土２－６０ｍｍ占５０％：砾类土，砂类土 　　　　细粒土<0.074mm占50%:粉质土，粘质土，有机质土 　　　　特殊土：黄土，膨胀土，红粘土，盐渍土 　　　　５．路基水稳定处理办法 　　　　换土、路面具有防冻总厚度、设置隔层、设置隔温层 　　　　路基排水 　　　　６．冰冻指数 　　　　度日：表示一日的平均气温低于冻结温度一度  　　　　冰冻指数∶累计度日图中最大和最小点之差 　　　　　　　　　冰冻指数与冰冻深度有关 四、温度变化规律  图3-1夏季晴天的情况下水泥混凝土层温度的日变化观测结果 大气的温度在一年和一日内发生着周期性的变化，与大气直接接触的路面温度也相应地在一年和一日内发生着周期性变化。图3-1和图3-2分别显示了夏季晴天的情况下水泥混凝土层和沥青混凝土面层温度的日变化观测结果。图中显示的规律表明，路面温度的周期性起伏，同大气温度的变化几乎同步。由于部分太阳辐射热被路面所吸收，因此路面的温度较气温高。  图3-2 夏季晴天的情况下沥青混凝土面层温度的日变化观测结果 路面结构内温度状况随深度变化的情况，可以更明显地从一昼夜内不同时刻和路面温度沿深度分布的曲线图中看出。温度梯度通常在早晨的某一时刻(图3-6中为8：00)接近于零，午后某一时刻(图3-6中为14：00)正温差达到最大值，而在凌晨某一时刻(大约在3：00～5：00)负温差达到最大值。  图3-3 水泥混凝土面层一昼夜内不同时刻温度沿深度分布的曲线 五、温度状况的预测 决定路面结构内温度状况的因素，有外部和内部两类。外部因素主要是气候条件，诸如太阳辐射(日照和云量)、气温、风速、降水量和蒸发量等。其中，太阳辐射和气温是决定路面温度状况的两项最重要的因素。射到路面的短波辐射热(太阳直接辐射和大气散射辐射)，一部分被路面反射掉，余下部分则被路面所吸收而增高其温度。大气和路面发出的长波辐射，构成了路面的再辐射，使路面放出部分热量，大气和路面之间的温度差异，引起了对流热的变换。风的作用加强了对流，使路面丧失了部分热量。降水和随后的蒸发都会显著地降低由日照所增加的路面温度。 内部因素则为路面各结构层的热传导率、热容量(比热)和对辐射热的吸收能力等，热传导率是单位温度梯度条件下在单位时间内垂直通过单位面积断面的热量，其值同材料的结构、孔隙率和湿度有关。热容量系指使单位质量的物质产生单位温度变化时所需要的热量。 美国E.S.Barber把影响路面的温度的两项主要气象因素——气温和辐射热，综合成一种当量的有效温度Te，假设它随时间呈正弦周期性变化：  （3-3） 并且假设路面结构为半无限体(Z→∞时，T≠0)，根据这些条件解出式(3-4)，得到路面内的温度场为：  （3-4） 估计长波再辐射(有效辐射)的净损失平均约为1/3，则：  （3-6） 由式(3-4)，根据气象资料(日辐射热、日平均气温、日温差、平均风速等)和路面材料的热特性参数(热传导率、热容量、辐射热吸收能力等)，就可确定单一路面层内的温度状况。 计算路面的最高温度时，以Z=0和正弦函数值为1代入式(3-4)，可得简化式为：  （3-9） Barber公式主要适用于估算路面表面的温度变化。但由于面层下各结构层传热性能的变化对面层上部的温度状况影响很小，此公式也可用于估算面层接近表面深度范围内的温度状况。 六．计算结果分析  图3-5 4月温度场实测值与计算值的比较  图3-6 10月温度场实测值与计算值的比较 七．路面温度场随各因素变化的规律分析 1、温度分布 图3-7和图3-8所示的6月份温度分布曲线，清楚地表明了沥青路面表面温度的日波动量最大，约为40℃，在5cm深处温度的日波动量最大约为20℃左右，而沥青面层底部温度的日波动量约为11℃左右，在30cm深处的水泥砂砾基层中，温度日波动量最大约为5℃左右，而在40cm深处的二灰土下基层中，温度日波动量只有2℃左右。  图3-7 6月路面结构各深度的温度日变化过程  图3-8 6月路面面层不同时刻沿深度分布的温度曲线 从图3-9和图3-10所示的1月份温度分布曲线可见，路面表面温度的日波动量最大约为20℃，5cm深处温度的日波动量最大约为11℃，在沥青面层底部温度日波动量很大约为6℃，在上基层中部约为3℃，而在下基层中，温度日波动量不 1.5℃。  图3-9 1月路面结构各深度的温度日变化过程  图3-10 1月路面面层不同时刻沿深度分布的温度曲线 不同深度及不同结构层之间的温度分布曲线存在相位差，相对于表面而言，5cm深处的温度分布曲线的相位差约为1小时，沥青面层底部的相位差约为5小时，在40cm的底基层中，温度达到最大值的时间一般在0点前后，其相位差约为12小时。 九．沥青面层厚度对温度的衰减作用 图3-7和3-10表明，虽然沥青面层表面温度波幅分别高达约40℃和20℃，但在沥青面层底部和基层顶面的温度波幅却分别只有11℃和6℃左右，这说明了沥青面层具有较好的温度衰减作用，面层对温度的衰减作用显然与面层的厚度有关，图3-11中，计算了沥青面层厚度与基层顶面温度的关系。  图3-11 沥青面层厚度与基层顶面温度波幅的关系 在沥青路面温度场分析中，弄清面层厚度与基础顶面温度波幅之间的关系，有助于根据基层材料的温缩性能状况来设计沥青面层厚度，基层温缩性小时，基层顶面允许的不开裂温度波幅可大些，而面层厚度亦可小些，反之，基基层温缩性较大时，基层顶面允许的不开裂温度波幅则应较小，从而面层厚度应设计的大些，具体情况须根据当地的气候条件、路面材料性能来确定。 十．温度速率 降温是沥青路面产生温缩裂缝的最直接起因，降温速率及降温持续时间都将明显影响沥青路面的温度裂缝。因此，研究在不利温度条件下，沥青路面的降温速率及其日过程具有重要意义。 路面结构温度场前后不同时刻的温度差直接决定温度应力的大小，而表征这一时刻温度变化大小的是路面温度变化速率(简称温度速率)，温度速率大，则这一时刻前后温度差大，从而在该时刻产生的温度应力也大，反之亦然。由于在一天内，路面结构要经历升温和降温两个完全相反的温度过程，温度速率要经历由正变负的过程，路面升温时温度速率为正，降温时为负。因此，正的温度速率使路面产生压应力，负的温度速率使路面产生拉应力，而温度速率为零时，相应时刻路面产生的温度应力的也为零。典型路面温度场不同时刻和不同深度的温度速率的基本规律进行了计算，结果见图3-17。  图3-16 6月不同深度温度速率的日变化过程曲线  图3-17 6月沥青路面不同深度处温度梯度的日变化过程 上面的计算结果表明：温度速率在路表面达到最大值，晴天时一般在上午9-10时温度上升速度最快，在下午16-17时温度下降最快，随着深度增加，温度速率逐渐减小，在基层和底基层中部，温度速率已很小，这一情况也从一个侧面说明了导致沥青路面开裂的主要原因是沥青面层本身的温缩，此外，路面升温速率明显大于路面降温速率。 十一．温度梯度 由于同一时刻不同深处路面温度存在温度差，因此，沥青路面就存在沿深度变化的温度梯度，一般当上面的温度大于下面的温度时，称为正温度梯度，反之称为负温度梯度，由于白天路表最高温度与其下某一深处的温度差远大于夜间路表最低温度与其下同一深处的温度差，因此，最大正温度梯度一般比最大负温度梯度的绝对值大，因此，正温度梯度是刚性路面设计的主要温度依据。 显然，路面结构的温度应力不仅与温度速率有关，还与沿深度变化的温度梯度有关，与板块结构的水泥混凝土路面不同，沥青路面中所关心的并非是在某温度梯度下水泥混凝土板产生的翘曲应力，而是由此产生的温度拉应力及在此应力下路面是否开裂和开裂的规律。 计算表明，路表温度梯度的波幅最大，最大正温度梯度在上午11点左右达到，最大负温度梯度在下午5点左右达到，随着深度增加，温度梯度的波幅越来越小，在沥青面层底部温度梯度的波幅约为1℃/cm，基层和底基层中部温度梯度的波幅不足0.5。一日中，白天最大正温度梯度远比夜间最大负温度梯度大，夏季最大正温度梯度远比冬季最大正温度梯度大，冬季最大负温度梯度远比夏季最大负温度梯度大。 十二． 水泥混凝土路面温度梯度值 水泥混凝土路面的温度状况是温度应力计算的基础，我国原有的水泥混凝土路面设计规范，采用威士特卡德理论计算温度应力，并取设计温度梯度为0.67℃/cm。此值是三十年代在美国阿林顿实测的结果，五十年代曾被苏联引用，后又传入我国。六十年代，德国J.艾森曼、G.惠耳教授实验研究了水泥混凝土路面的温度状况，提出德国设计温度梯度为0.9℃/cm苏联戈雷茨基研究了苏联各气候区的水泥混凝土路面温度状况，认为设计温度梯度应按各气候区取不同值，苏联各气候区实测最大温度梯度在0.24-0.72℃/cm之间。我国各地区气候情况有显著差别，全国一律取用设计温度梯度为0.67℃/cm，显然是不合理的。 美国和德国的设计温度梯度是根据个别地区、个别年份的实测最大温度梯度值适当提高或降低而定出的。这种做法带有一定的偶然性。戈雷茨基对苏联的各气候区进行了多年的混凝土路面温度状况实测工作，比较全面地总结出了水泥混凝土路面温度状况变化的一般规律，他提出了水泥混凝土路面状况的理论公式主要是针对苏联地理条件的。他曾提出应按地基、基层和混凝土面材料的不同热性能建立层状热传导模型，但在理论上未对此作进一步研究。 采用理论方法分析路面温度状况的还有巴伯(F.S.Barber)、佩托里叶斯(P.C.Pretorium)和克里斯蒂森(J.T.Christison)等，其中佩托里叶斯和克里斯蒂森，分别采用有限元法和有限差分方法分析了由不同热性能材料组成的层状路面的温度状况，但他们的分析对象仅限于黑色路面的最高温度和最低温度。有关成果无法用于进行水泥混凝土路面的温度梯度等分析。 疲劳温度梯度 国内现有的混凝土路面结构设计方法仅计荷载应力一项而未考虑温度应力对路面疲劳损坏的影响，这显然不够合理。而要考虑这两项应力的综合疲劳影响，关键是要提供一种简便、合理的疲劳设计方法。在各种路面结构设计方法中，常常采用标准轴载和轴载换算系数来考虑各级轴载的疲劳损坏作用。而轴载换算系数可依据所采用的疲劳方程等效疲劳损坏原则推算得到。可以设想，路面实际发生的各级温度梯度的疲劳损坏影响，也可按类似的方法考虑，也即，需要求一个等效的温度梯度，当路面处于该温度梯度状态时，其疲劳损坏程度达到在相同的交通量和轴载谱作用下，同一种路面结构在实际温度梯度状态下应有的损坏程度。为简明起见，不妨称此等效温度梯度值为疲劳温度梯度，用Tg表示。不难想象，采用轴荷换算系数和疲劳温度梯度，就可以使复杂多变的行车及温度状态等效地转化为单一的标准轴载作用和单一的温度梯度状态。这无疑将使考虑荷载和温度梯度的综合疲劳损坏的结构设计方法大大简化。 利用浙江省交通设计院提出的小梁疲劳试验方程和温度梯度，根据Miner原理，对10种交通量日分布及8种交通年分布产生的荷载应力与温度梯度产生的翘曲应力作迭加分析表明，按各种交通量分布求得的日，月，年疲劳温度梯度值差别很小，仅2%左右。这说明分析Tg时无需考虑各道交通量分布的实际差异。 表3-11 各自然区划疲劳温度梯度推荐值 自然区划 II III IV V VI VII  温度梯度（℃/cm） 0.42～0.50 0.46～0.50 0.40～0.50 0.40～0.50 0.48～0.56 0.48～0.60  注：夏季日照强烈，气温高者取高值，反之取低值。