甘肅省慶陽地區(qū)瀝青路面低溫溫度場(chǎng)分布規(guī)律

郭云楓 魏西應(yīng) 毛昱 張麗 劉洋

（1甘肅第七建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州 730030；2蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

瀝青作為一種感溫性材料，冬季氣溫較低時(shí)，瀝青變硬變脆，瀝青路面易發(fā)生開裂[1，2]。此外，冬季雨雪天氣易造成道路頻繁出現(xiàn)積雪、凍雨現(xiàn)象，大氣溫度、天氣狀況、氣候條件以及水文地質(zhì)條件等因素對(duì)路面溫度場(chǎng)的影響顯著。因此，研究瀝青路面低溫溫度場(chǎng)變化規(guī)律對(duì)于冬季瀝青路面養(yǎng)護(hù)管理以及雨雪天氣瀝青路面清除積雪凝冰具有重要意義。

Shao J， Lister P J[3]根據(jù)氣象預(yù)報(bào)站點(diǎn)布置傳感器并收集地面溫度、氣溫、露點(diǎn)和風(fēng)速等氣象資料，提出了一種用于冬季道路養(yǎng)護(hù)的臨近（提前3小時(shí)）預(yù)報(bào)模型，該模型可以及時(shí)提供路面溫度和路表干濕狀態(tài)（干、濕、霜或冰）；談至明、孫立軍[4]根據(jù)冬季氣溫與地溫、地溫與路表溫度之間的關(guān)系，對(duì)冬季路表溫度日交變和降溫過程的變化規(guī)律進(jìn)行了研究并給出了路面溫度場(chǎng)計(jì)算公式；Ma H Y， Feng D C和徐慧寧等人[5，6]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的瀝青路面溫度數(shù)據(jù)對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)瀝青路面低溫溫度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并提出了路面設(shè)計(jì)低溫控制點(diǎn)；Qiao J， Liu W[7]采用ANSYS軟件建立了SMA瀝青路面三維模型，通過建立溫度梯度隨時(shí)間和路面深度的變化關(guān)系對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)瀝青路面溫度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并建立了應(yīng)力和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系模型；甘新立、紀(jì)小平、曹海利等人[8]根據(jù)長期監(jiān)測(cè)的3種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)的低溫溫度數(shù)據(jù)，引入日最低氣溫、日太陽輻射等參數(shù)，建立了瀝青路面低溫溫度場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)估模型；Xu B， Dan H C， Li L[9]通過引入改進(jìn)的Back Propagation（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立了冬季瀝青路面溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，并通過不同日期和路段對(duì)預(yù)測(cè)模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證；李萍、念騰飛、劉洋等人[10]利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)影響瀝青路面溫度場(chǎng)的氣象因素進(jìn)行了相關(guān)性分析，并基于多因素逐步回歸分析，提出了適用于甘肅省渭源地區(qū)冬季瀝青路面溫度場(chǎng)預(yù)估模型。

目前國內(nèi)外關(guān)于瀝青路面低溫溫度場(chǎng)以及季節(jié)性凍土區(qū)瀝青路面低溫溫度場(chǎng)的研究較多，但是關(guān)于甘肅省慶陽地區(qū)低溫期瀝青路面溫度場(chǎng)的研究鮮有報(bào)道。甘肅慶陽地區(qū)位于陜、甘、寧三省交界處，是隴東黃土高原的重要組成部分，在公路自然區(qū)劃中屬于季節(jié)性凍土區(qū)，在甘肅省公路一級(jí)氣候分區(qū)中屬于黃土高原溫冷氣候帶[11，12]。因此，本文根據(jù)甘肅省慶陽地區(qū)雷西高速西峰馬頭坡段瀝青路面的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)和氣象資料，分析甘肅慶陽地區(qū)低溫期瀝青路面不同深度部位溫度的變化規(guī)律，以期為甘肅省慶陽地區(qū)冬季瀝青路面養(yǎng)護(hù)管理及雨雪天氣瀝青路面清除積雪凝冰提供基礎(chǔ)性資料和技術(shù)參考

1 瀝青路面溫度場(chǎng)測(cè)試

本文選取甘肅省慶陽地區(qū)雷西高速瀝青路面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，雷西高速是國家高速公路網(wǎng)青島至蘭州高速公路（編號(hào)G22）的重要組成路段，本文溫度場(chǎng)測(cè)試站點(diǎn)位于慶陽市西峰區(qū)馬頭坡，樁號(hào)為SK1360+350，瀝青路面不同深度埋設(shè)溫度傳感器見圖1所示。溫度場(chǎng)測(cè)試站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包括兩部分：氣象數(shù)據(jù)（空氣溫度、相對(duì)濕度、太陽輻射強(qiáng)度和風(fēng)速）和瀝青路面結(jié)構(gòu)層不同深度處的溫度（10cm、20cm、30cm、40cm和50cm）。其中氣象數(shù)據(jù)由小型氣象站采集，安裝的小型氣象站見圖2所示；路面不同深度處的溫度由傳感器進(jìn)行采集，兩種數(shù)據(jù)的采集頻率均為1h，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)同步傳輸?shù)椒?wù)器終端，數(shù)據(jù)采集起訖時(shí)間為2016年11月18日至2017年2月19日。

圖1 埋設(shè)溫度傳感器

2 氣象因素分布規(guī)律

根據(jù)慶陽市多年氣象資料顯示，該地區(qū)冬季氣溫最低期為大寒節(jié)氣前后。因此，本文選取大寒節(jié)氣（2017年1月20日）為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，并選取大寒節(jié)氣所在這一周時(shí)間（2017年1月17日-2017年1月23日）為代表進(jìn)行分析。通過空氣溫度、太陽輻射強(qiáng)度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處溫度對(duì)慶陽地區(qū)瀝青路面低溫溫度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行分析。

圖3 空氣溫度和瀝青路面不同深度的溫度分布規(guī)律

由圖3可以看出，慶陽地區(qū)冬季氣溫最低在-15℃左右；慶陽地區(qū)冬季晴朗天氣氣溫日變化趨勢(shì)近似為正弦分布狀況（1月18日和1月19日為多云天氣，氣溫日變化趨勢(shì)不滿足正弦分布狀況）；瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處溫度變化趨勢(shì)與空氣溫度變化趨勢(shì)近似一致，相較于空氣溫度變化趨勢(shì)，瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處溫度變化趨勢(shì)存在滯后性；瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部溫度變化幅度隨深度的增加而不斷減小，瀝青路面50cm處的溫度變化趨勢(shì)近似為直線，說明瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度大于等于50cm處的溫度已趨向穩(wěn)定不再隨深度的增加而變化。

圖4、5和6分別為空氣溫度、輻射、相對(duì)濕度和風(fēng)速的分布規(guī)律圖。從圖4可以看出，晴朗天氣（1月18日和1月19日為多云天氣）時(shí)，氣溫日變化趨勢(shì)與太陽輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致。從圖5可以看出，晴朗天氣和多云天氣（1月18日和1月19日為多云天氣）時(shí)，空氣溫度與相對(duì)濕度變化趨勢(shì)恰恰相反，該現(xiàn)象符合氣象學(xué)原理；相較于晴朗天氣，多云天氣時(shí)相對(duì)濕度的日變化幅度更小。從圖6中可以看出，晴朗天氣和多云天氣時(shí)，風(fēng)速與氣溫日變化趨勢(shì)基本一致；相較于多云天氣，晴朗天氣時(shí)風(fēng)速的變化趨勢(shì)與空氣溫度的變化趨勢(shì)一致性更加明顯。綜合圖4、5和6可以得出，晴朗天氣時(shí)（1月20日、1月21日、1月22日和1月23日），空氣溫度的日變化趨勢(shì)與太陽輻射、風(fēng)速的日變化趨勢(shì)一致性比較明顯。

圖4 空氣溫度和太陽輻射分布規(guī)律

圖5 空氣溫度和相對(duì)濕度分布規(guī)律

圖6 空氣溫度和風(fēng)速分布規(guī)律

3 低溫期瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度部位溫度分布規(guī)律

上文氣象資料表明，相較于空氣溫度的日變化趨勢(shì)，瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處溫度變化趨勢(shì)存在明顯的滯后性；空氣溫度的日變化趨勢(shì)和太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速的日變化趨勢(shì)一致，而空氣溫度與相對(duì)濕度變化趨勢(shì)恰恰相反；相較于多云天氣，晴朗天氣空氣溫度的日變化趨勢(shì)與太陽輻射強(qiáng)度和風(fēng)速等氣象資料的相關(guān)性更好。因此，在研究低溫期瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處溫度分布規(guī)律時(shí)應(yīng)分別考慮不同天氣狀況進(jìn)行分析。

瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處實(shí)測(cè)溫度受氣象因素（太陽輻射、空氣溫度和相對(duì)濕度等）影響顯著。Li Yi和宋小金等[13，14]研究指出，氣象資料（太陽輻射和空氣溫度）對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處實(shí)測(cè)溫度具有累積效應(yīng)；此外，地表溫度傳導(dǎo)至瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部需一定時(shí)間，瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處實(shí)測(cè)溫度和實(shí)時(shí)氣象資料（太陽輻射和空氣溫度）之間存在明顯的滯后。溫度場(chǎng)測(cè)試站點(diǎn)的太陽輻射強(qiáng)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，冬季慶陽地區(qū)存在太陽輻射的時(shí)間范圍為9：00-18：00，這符合當(dāng)?shù)囟镜臍庀筇卣?。考慮到瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處實(shí)測(cè)溫度與太陽輻射和空氣溫度之間存在明顯的滯后，研究低溫期瀝青路面不同深度處溫度分布規(guī)律時(shí)分為有輻射時(shí)段（9：00-21：00）和無輻射時(shí)段（21：00-次日9：00）兩種情況進(jìn)行分析。

3.1 晴朗天氣

3.1.1 有輻射時(shí)段

晴朗天氣的輻射變化趨勢(shì)如圖7所示，晴朗天氣有輻射時(shí)段瀝青路面不同深度處溫度變化趨勢(shì)如圖8所示。根據(jù)圖7可以看出，晴朗天氣的輻射變化趨勢(shì)近似正弦分布狀況。根據(jù)圖8可以看出，晴朗天氣有輻射時(shí)段瀝青路面在深度為10cm和20cm的溫度變化趨勢(shì)與圖7中晴朗天氣的輻射變化趨勢(shì)一致，表明瀝青路面在深度為10cm和20cm的溫度變化趨勢(shì)受太陽輻射強(qiáng)度的影響顯著；瀝青路面在深度10cm處的最低溫度為-6℃，最高溫度為3℃，20cm處的最低溫度為-5℃，最高溫度為0℃；瀝青路面在深度30cm和40cm的溫度變化趨勢(shì)近似為二次拋物線形式，30cm處最低溫度為-3℃，最高溫度為0℃。40cm處最低溫度為-2℃，最高溫度為0℃；瀝青路面深度50cm處溫度變化趨勢(shì)近似為直線，溫度穩(wěn)定在0℃左右。

3.1.2 無輻射時(shí)段

晴朗天氣無輻射時(shí)段瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處溫度變化趨勢(shì)如圖9所示，根據(jù)圖9可以看出，晴朗天氣無輻射時(shí)段瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度（10cm、20cm、30cm和40cm）溫度變化呈線性下降趨勢(shì)；瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度10cm處最低溫度為-6℃，20cm處最低溫度為-3.5℃左右，最高溫度為0℃。30cm處最低溫度為-2℃，最高溫度為0℃。40cm處最低溫度為-1.5℃，最高溫度為0℃；瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度部位50cm溫度變化趨勢(shì)近似為直線，溫度穩(wěn)定在0℃左右。

綜合圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，晴朗天氣瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度10cm和20cm處溫度受太陽輻射強(qiáng)度等氣象因素的影響顯著，瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度50cm處溫度分布近似呈直線，表明晴朗天氣瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度50cm處溫度幾乎不受太陽輻射強(qiáng)度等氣象因素的影響。

圖7 晴朗天氣的輻射變化趨勢(shì)

圖8 晴朗天氣有輻射時(shí)段瀝青路面不同深度溫度變化趨勢(shì)

圖9 晴朗天氣無輻射時(shí)段瀝青路面不同深度溫度變化趨勢(shì)

3.2 多云天氣

3.2.1 有輻射時(shí)段

多云天氣的輻射變化趨勢(shì)圖如圖10所示，多云天氣有輻射時(shí)段瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度溫度變化趨勢(shì)如圖11所示。根據(jù)圖10可以看出，多云天氣的輻射變化趨勢(shì)近似為正弦曲線形式。根據(jù)圖11可以看出，瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度分別為10cm和20cm溫度變化趨勢(shì)也近似為正弦分布狀況；瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度10cm處最低溫度為-4℃，最高溫度為3℃。20cm處最低溫度為-2.5℃，最高溫度為0.5℃；瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度30cm、40cm和50cm溫度變化趨勢(shì)近似為直線。瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度30cm、40cm的溫度穩(wěn)定在-1℃左右，深度50cm處的溫度穩(wěn)定在0℃。

圖10 多云天氣的輻射變化趨勢(shì)

圖11 多云天氣有輻射時(shí)段瀝青路面不同深度溫度變化趨勢(shì)

圖12 多云天氣無輻射時(shí)段瀝青路面不同深度溫度變化趨勢(shì)

3.2.2 無輻射時(shí)段

多云天氣無輻射時(shí)段瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處的溫度變化趨勢(shì)如圖12所示，根據(jù)圖12可以看出，多云天氣無輻射時(shí)段瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度10cm和20cm處溫度變化呈線性下降趨勢(shì)。瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度10cm處最低溫度為-3.5℃，最高溫度為0℃。20cm處最低溫度為-2℃，最高溫度為0℃；瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度30cm、40cm和50cm的溫度變化趨勢(shì)近似為直線，且在深度30cm、40cm和50cm的溫度穩(wěn)定在0℃左右。

綜合圖11和圖12可以發(fā)現(xiàn)，多云天氣瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度10cm和20cm處溫度分布受太陽輻射強(qiáng)度等氣象因素的影響顯著，瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度30cm、40cm和50cm處溫度分布近似呈直線，表明多云天氣瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度30cm、40cm和50cm處溫度幾乎不受太陽輻射強(qiáng)度等氣象因素的影響。

4 結(jié)語

本文根據(jù)甘肅省慶陽地區(qū)雷西高速西峰馬頭坡段瀝青路面的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)和氣象資料，分析了甘肅慶陽地區(qū)低溫期不同天氣狀況下不同時(shí)段瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處的溫度變化規(guī)律，結(jié)論如下。

1）瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度的溫度變化幅度隨深度的增加而不斷減小，且瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部不同深度處的實(shí)測(cè)溫度和實(shí)時(shí)氣象資料之間存在明顯的滯后。

2）晴朗天氣有輻射時(shí)段和多云天氣有輻射時(shí)段瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部較淺深度（10cm和20cm）的溫度變化趨勢(shì)與太陽輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，近似為正弦分布狀況。

3）晴朗天氣無輻射時(shí)段和多云天氣無輻射時(shí)段瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部較淺深度（10cm和20cm）的溫度變化趨勢(shì)呈線性下降趨勢(shì)。

4）瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部深度50cm處溫度變化趨勢(shì)近似為直線，溫度穩(wěn)定在0℃左右。