基于RIOHTrack足尺環(huán)道的倒裝式路面內(nèi)部溫度場(chǎng)分析

摘要 文章基于RIOHTrack足尺環(huán)道路面內(nèi)部溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)倒裝式路面與普通半剛性路面的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布進(jìn)行研究。結(jié)果表明：路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的年變化與日變化在外界溫度影響下，具有明顯周期性波動(dòng)現(xiàn)象，路面下部溫度變化較上部滯后，大氣溫度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的影響深度約為0.64 m。受級(jí)配碎石影響，倒裝式路面和厚瀝青層半剛性路面內(nèi)部溫度存在差異，高溫季節(jié)時(shí)前者結(jié)構(gòu)上部溫度更高，低溫季節(jié)則相反。

關(guān)鍵詞 倒裝式路面；半剛性路面；RIOHTrack環(huán)道；溫度場(chǎng)分析

中圖分類號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）23-0097-03

0 引言

近年來，為了減緩半剛性瀝青路面反射裂縫的產(chǎn)生，倒裝式路面結(jié)構(gòu)被提出并運(yùn)用，倒裝式結(jié)構(gòu)是在瀝青面層與半剛性基層間加鋪一層柔性材料，通常是級(jí)配碎石或?yàn)r青穩(wěn)定碎石混合料，以此作為應(yīng)力消散層，緩解半剛性基層裂縫產(chǎn)生后出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而減少瀝青面層反射裂縫的出現(xiàn)，倒裝式路面結(jié)構(gòu)既有著半剛性基層承載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又在很大程度上避免了反射裂縫問題[1]。溫度是影響瀝青路面服役性能和內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)的重要因素，因此，國(guó)內(nèi)對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)已有相關(guān)研究，并取得了一定成果[2，3]。但與此同時(shí)，現(xiàn)有研究以半剛性基層瀝青路面為主，倒裝式路面中設(shè)置的過渡層級(jí)配碎石對(duì)于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響尚缺少深入探究。該文基于RIOHTrack足尺環(huán)道的實(shí)測(cè)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，對(duì)瀝青路面的內(nèi)部溫度場(chǎng)開展分析，并對(duì)倒裝式路面與普通半剛性路面的溫度分布差異進(jìn)行探究，研究成果以期為相關(guān)工程提供參考。

1 試驗(yàn)條件與路面內(nèi)部溫度觀測(cè)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)施

該文主要研究工作依托交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院足尺路面試驗(yàn)環(huán)道（Research Institute of Highway Ministry of Transport Track，英文縮寫為RIOHTrack，中文簡(jiǎn)稱為足尺環(huán)道）而開展，它是我國(guó)道路工程領(lǐng)域第一條足尺環(huán)道[4]。為了研究路面服役性能和實(shí)際響應(yīng)，RIOHTrack路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部共埋設(shè)有7大類、2 000余組傳感器，包括瀝青應(yīng)變計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、壓力計(jì)、溫度傳感器、濕度傳感器、多點(diǎn)位移計(jì)等，以及用于觀測(cè)自然環(huán)境變化的小型氣象站。該試驗(yàn)選取足尺環(huán)道中倒裝式路面結(jié)構(gòu)（STR12）與半剛性基層路面結(jié)構(gòu)（STR13）進(jìn)行觀測(cè)。兩種路面結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

STR12由一層厚度為20 cm的水泥穩(wěn)定土（CS）底基層、一層厚度為20 cm的水泥穩(wěn)定碎石（CBG）基層、一層厚度20 cm的級(jí)配碎石層（GB）、一層厚度為12 cm的AC-25瀝青混凝土下面層、一層厚度為8 cm的AC-20瀝青混凝土中面層以及一層厚度為4 cm的AC-13瀝青混凝土上面層組成；STR13的基層為兩層厚度共計(jì)40 cm的水泥穩(wěn)定碎石（CBG），底基層和面層與STR12相同，兩路面結(jié)構(gòu)總厚度均為84 cm。

1.2 溫度觀測(cè)

RIOHTrack小型氣象站前端儀器選用錦州陽(yáng)光氣象科技有限公司的PC-4小型氣象站，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、雨量計(jì)、大氣壓力傳感器六要素，數(shù)據(jù)采集器采用dataTaker DT80氣象數(shù)據(jù)采集器。路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度傳感器采用錦州精微儀表有限公司生產(chǎn)的PT100鉑電阻溫度傳感器，測(cè)量范圍：-50～100℃，分辨率為0.1℃。

2 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布規(guī)律

2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度年變化規(guī)律

為研究瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度年變化規(guī)律，以足尺環(huán)道STR12在2017年11月至2018年11月的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化曲線為基礎(chǔ)展開分析。圖2展示了足尺環(huán)道STR12內(nèi)部日平均溫度隨時(shí)間變化曲線。

可以看到，該路面結(jié)構(gòu)一年內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度隨季節(jié)變化整體趨勢(shì)一樣，以年為周期變化；其中接近路表的層位溫度受空氣溫度的日變化影響較大，呈條帶狀，曲線起伏明顯，而遠(yuǎn)離路表的層位溫度曲線則相對(duì)平滑。將深度為0～0.64 m的路面結(jié)構(gòu)層定義為路面的上部結(jié)構(gòu)，深度大于0.64 m的路面結(jié)構(gòu)層定義為路面的下部結(jié)構(gòu)。夏季時(shí)空氣溫度高，土基溫度低，路面從上至下傳熱，上部結(jié)構(gòu)溫度高于下部結(jié)構(gòu)；冬季時(shí)空氣溫度低，土基溫度高，路面從下至上傳熱，上部結(jié)構(gòu)溫度低于下部結(jié)構(gòu)，從圖中可以看到，在3月和9月時(shí)，上下部結(jié)構(gòu)溫度達(dá)到交叉點(diǎn)，此時(shí)大氣溫度處于由低變高和由高變低的過渡階段，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度也相對(duì)紊亂。值得注意的是，雖然各結(jié)構(gòu)層內(nèi)部溫度整體變化趨勢(shì)一致，但隨深度增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的變化也存在滯后性，深度2.5 m處在夏季晚于1.5 m深處達(dá)到溫度最高點(diǎn)，在冬季則晚于1.5 m深處達(dá)到溫度最低點(diǎn)。

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度日變化規(guī)律

選取STR12路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部某日（2018年7月1日）的24 h溫度變化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的日變化規(guī)律展開分析，兩天的日溫度變化曲線如圖3所示。

從圖3中可以看到，路面上部結(jié)構(gòu)中的四個(gè)層位（h=4 cm、12 cm、24 cm、44 cm）所處位置的日溫度變化曲線均以一天為周期進(jìn)行波動(dòng)，其中越靠近道路表面，其受大氣溫度的影響越大，溫度波動(dòng)的幅度就越大，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫與最低溫出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)也隨深度的改變而產(chǎn)生變化，深度越大，受大氣溫度的影響越小，最高溫與最低溫出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)越晚。從圖3中還可以看到，當(dāng)hgt;64 cm時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度在一天內(nèi)不再波動(dòng)，其溫度日變化曲線近似為一條直線，此時(shí)大氣溫度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度影響極小。由此可見，64 cm是外部環(huán)境與大地內(nèi)部溫度對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度產(chǎn)生作用的臨界深度，在此深度以下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度不受大氣溫度日變化的影響。日變化分布與年變化分布一樣可以看出路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度隨深度增長(zhǎng)出現(xiàn)滯后性，路面內(nèi)部深處的結(jié)構(gòu)層日最高溫度出現(xiàn)時(shí)刻明顯滯后于接近路表的結(jié)構(gòu)層日最高溫度出現(xiàn)時(shí)刻，深度越深滯后時(shí)間越長(zhǎng)。

2.3 倒裝結(jié)構(gòu)溫度分布差異

為研究倒裝式路面與等厚瀝青混凝土層半剛性基層路面的溫度分布差異，針對(duì)高溫與低溫兩種狀態(tài)，分別選取2018年8月和2018年1月期間STR12、STR13在h=44 cm深度的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4（a）、圖4（b）所示，圖中溫度為該日的日平均溫度值。

圖4（a）對(duì)比了h=44 cm深度位置處STR12與STR13在高溫狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，可以看到，STR12內(nèi)部溫度大于STR13，究其原因，STR12的級(jí)配碎石層設(shè)置在0.24～0.44 cm深處，相較于半剛性材料，級(jí)配碎石良好的熱傳導(dǎo)性質(zhì)使得其外界熱量更容易傳遞到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，因而高溫時(shí)，STR12的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度高于STR13。

圖4（b）中顯示，在冬季低溫時(shí)STR12的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度低于STR13，這與高溫狀態(tài)下相反，這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，倒裝式路面受大氣溫度影響更大，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度與外界溫度更接近，因而溫度相較于等厚瀝青混凝土層半剛性基層路面更低。

對(duì)兩種狀態(tài)下，STR12和STR13在各個(gè)深度結(jié)構(gòu)內(nèi)部日平均溫度的最大最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。從表中可以看到，在h=12 cm、24 cm、44 cm、64 cm深處，STR12和STR13的日平均最高溫度分別相差0.59℃、0.67℃、0.79℃、1.15℃，日平均最低溫度分別相差0.38℃、0.51℃、0.68℃、1.06℃。整體上來看，高溫時(shí)倒裝式路面上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度高于普通半剛性路面，低溫時(shí)則相反，且隨著深度增大，兩者的溫度差也逐漸增大，這體現(xiàn)了級(jí)配碎石層帶來的溫度差異性，在瀝青面層，兩結(jié)構(gòu)受外界溫度影響一致，溫度比較接近。當(dāng)hgt;44 cm時(shí)，級(jí)配碎石層的良好導(dǎo)熱性使得夏季時(shí)外界熱量更多地傳導(dǎo)進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，兩結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)明顯溫度差。

3 結(jié)論

在道路工程中，存在著倒裝式路面的溫度場(chǎng)研究不夠充足且實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)較少的問題。針對(duì)該問題，該研究通過RIOHTrack中倒裝式路面與半剛性路面兩種結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)開展分析，探究了倒裝式路面內(nèi)部的溫度分布規(guī)律。研究表明：

（1）路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度一年內(nèi)隨季節(jié)發(fā)生變化，其中接近路表的層位溫度受空氣溫度的日變化影響較大，呈條帶狀，曲線起伏明顯，而遠(yuǎn)離路表的層位溫度曲線則相對(duì)平滑。夏季時(shí)上部結(jié)構(gòu)溫度高于下部結(jié)構(gòu)，冬季時(shí)上部結(jié)構(gòu)溫度低于下部結(jié)構(gòu)，在春秋兩季，上下部結(jié)構(gòu)溫度達(dá)到交叉點(diǎn)，此時(shí)大氣溫度處于由低變高和由高變低的過渡階段，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度也相對(duì)紊亂。

（2）外界氣候?qū)r青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部日溫度變化的影響深度在64 cm左右，隨著深度增大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化表現(xiàn)為一定的滯后性，外界氣溫升高或降低時(shí)，下部結(jié)構(gòu)溫度變化的時(shí)刻比上部結(jié)構(gòu)靠后。

（3）級(jí)配碎石層的存在使得倒裝式路面和普通半剛性路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布存在差異，夏季高溫狀態(tài)下，倒裝式路面上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度高于普通半剛性路面；冬季低溫狀態(tài)下，倒裝式路面上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度低于普通半剛性路面。且在路表至0.44 m深度區(qū)間，隨著深度增大，兩結(jié)構(gòu)間的溫度差也逐漸增大。

參考文獻(xiàn)

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