03氣候與環(huán)境講稿

1、第三章氣候與環(huán)境一概念1道路與其它土木建筑在考慮氣候與環(huán)境時(shí)的區(qū)別道道路是露露天建筑筑物道道路是線線型建筑筑，涉及及的范圍圍較大2氣候的的影響冰冰凍作用用降降雨3考慮方方法材材料結(jié)結(jié)構(gòu)二凍脹1影響因因素對(duì)對(duì)冰凍敏敏感的土土氣氣溫下降降的快慢慢水水源2水的種種類自自由水吸吸附水強(qiáng)結(jié)結(jié)合水，弱弱結(jié)合水水3凍敏土土的種類類（工程程師兵團(tuán)團(tuán)法）礫石土土占砂土土占礫石土土占砂土占占粉土土占公路土土的分類類土土：巨粒粒土，粗粗粒土，細(xì)細(xì)粒土，特特殊土巨巨粒土60占：漂漂石土，卵卵石土粗粗粒土占占：礫類類土，砂砂類土細(xì)細(xì)粒土0.0074mmm占50%:粉質(zhì)質(zhì)土，粘粘質(zhì)土，有有機(jī)質(zhì)土土特特殊土：黃土，膨膨脹土

2、，紅紅粘土，鹽鹽漬土路基水水穩(wěn)定處處理辦法法換換土、路面具有有防凍總總厚度、設(shè)置隔隔層、設(shè)置隔溫溫層路路基排水水冰凍指指數(shù)度度日：表表示一日日的平均均氣溫低低于凍結(jié)結(jié)溫度一一度冰冰凍指數(shù)數(shù)累計(jì)度度日?qǐng)D中中最大和和最小點(diǎn)點(diǎn)之差冰凍凍指數(shù)與與冰凍深深度有關(guān)關(guān)四、溫度變變化規(guī)律律圖3-1夏夏季晴天天的情況況下水泥泥混凝土土層溫度度的日變化化觀測結(jié)結(jié)果大氣的溫度度在一年年和一日日內(nèi)發(fā)生生著周期期性的變變化，與與大氣直直接接觸觸的路面面溫度也也相應(yīng)地地在一年年和一日日內(nèi)發(fā)生生著周期期性變化化。圖33-1和和圖3-2分別別顯示了了夏季晴晴天的情情況下水水泥混凝凝土層和和瀝青混混凝土面面層溫度度的日變變化觀

3、測測結(jié)果。圖圖中顯示示的規(guī)律律表明，路面溫度的周期性起伏，同大氣溫度的變化幾乎同步。由于部分太陽輻射熱被路面所吸收，因此路面的溫度較氣溫高。圖3-2夏夏季晴天天的情況況下瀝青青混凝土土面層溫溫度的日變化化觀測結(jié)果果路面結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)溫度狀狀況隨深深度變化化的情況況，可以以更明顯顯地從一一晝夜內(nèi)內(nèi)不同時(shí)時(shí)刻和路路面溫度度沿深度度分布的的曲線圖圖中看出出。溫度度梯度通通常在早早晨的某某一時(shí)刻刻(圖3-66中為8：00)接近于于零，午午后某一一時(shí)刻(圖3-66中為144：00)正溫差差達(dá)到最最大值，而而在凌晨晨某一時(shí)時(shí)刻(大約在在3：005：00)負(fù)溫差差達(dá)到最最大值。圖3-3水水泥混凝凝土面層層一晝夜夜

4、內(nèi)不同同時(shí)刻溫溫度沿深深度分布布的曲線線五、溫度狀狀況的預(yù)預(yù)測決定路面結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)溫溫度狀況況的因素素，有外外部和內(nèi)內(nèi)部兩類類。外部部因素主主要是氣氣候條件件，諸如如太陽輻輻射(日照和和云量)、氣溫溫、風(fēng)速速、降水水量和蒸蒸發(fā)量等等。其中中，太陽陽輻射和和氣溫是是決定路路面溫度度狀況的的兩項(xiàng)最最重要的的因素。射射到路面面的短波波輻射熱熱(太陽直直接輻射射和大氣氣散射輻輻射)，一部部分被路路面反射射掉，余余下部分分則被路路面所吸吸收而增增高其溫溫度。大大氣和路路面發(fā)出出的長波波輻射，構(gòu)構(gòu)成了路路面的再再輻射，使使路面放放出部分分熱量，大大氣和路路面之間間的溫度度差異，引引起了對(duì)對(duì)流熱的的變換。風(fēng)風(fēng)的

5、作用用加強(qiáng)了了對(duì)流，使使路面喪喪失了部部分熱量量。降水水和隨后后的蒸發(fā)發(fā)都會(huì)顯顯著地降降低由日日照所增增加的路路面溫度度。內(nèi)部因素則則為路面面各結(jié)構(gòu)構(gòu)層的熱熱傳導(dǎo)率率、熱容容量(比熱)和對(duì)輻輻射熱的的吸收能能力等，熱熱傳導(dǎo)率率是單位位溫度梯梯度條件件下在單單位時(shí)間間內(nèi)垂直直通過單單位面積積斷面的的熱量，其其值同材材料的結(jié)結(jié)構(gòu)、孔孔隙率和和濕度有有關(guān)。熱熱容量系系指使單單位質(zhì)量量的物質(zhì)質(zhì)產(chǎn)生單單位溫度度變化時(shí)時(shí)所需要要的熱量量。美國E.SS.Baarbeer把影影響路面面的溫度度的兩項(xiàng)項(xiàng)主要?dú)鈿庀笠蛩厮貧鉁販睾洼椛渖錈?，綜綜合成一一種當(dāng)量量的有效效溫度TTe，假設(shè)設(shè)它隨時(shí)時(shí)間呈正正弦周期期性變化

6、化：（3-3）并且假設(shè)路路面結(jié)構(gòu)構(gòu)為半無無限體(Z時(shí)，T0)，根根據(jù)這些些條件解解出式(3-44)，得到到路面內(nèi)內(nèi)的溫度度場為：（3-4）估計(jì)長波再再輻射(有效輻輻射)的凈損損失平均均約為11/3，則則：（3-6）由式(3-4)，根據(jù)據(jù)氣象資資料(日輻射射熱、日日平均氣氣溫、日日溫差、平平均風(fēng)速速等)和路面面材料的的熱特性性參數(shù)(熱傳導(dǎo)導(dǎo)率、熱熱容量、輻輻射熱吸吸收能力力等)，就可可確定單單一路面面層內(nèi)的的溫度狀狀況。計(jì)算路面的的最高溫溫度時(shí)，以以Z=00和正弦弦函數(shù)值值為1代入式式(3-4)，可得得簡化式式為：（3-9）Barbeer公式式主要適適用于估估算路面面表面的的溫度變變化。但但由于

7、面面層下各各結(jié)構(gòu)層層傳熱性性能的變變化對(duì)面面層上部部的溫度度狀況影影響很小小，此公公式也可可用于估估算面層層接近表表面深度度范圍內(nèi)內(nèi)的溫度度狀況。六計(jì)算結(jié)結(jié)果分析析圖3-5 44月溫度度場實(shí)測測值與計(jì)計(jì)算值的的比較圖3-6 110月溫溫度場實(shí)實(shí)測值與與計(jì)算值值的比較較七路面溫溫度場隨隨各因素素變化的的規(guī)律分分析1、溫度分分布圖3-7和和圖3-8所示示的6月份溫溫度分布布曲線，清清楚地表表明了瀝瀝青路面面表面溫溫度的日日波動(dòng)量量最大，約約為400，在5ccm深處處溫度的的日波動(dòng)動(dòng)量最大大約為220左右，而而瀝青面面層底部部溫度的的日波動(dòng)動(dòng)量約為為11左右，在在30ccm深處處的水泥泥砂礫基基層中

8、，溫溫度日波波動(dòng)量最最大約為為5左右，而而在400cm深深處的二二灰土下下基層中中，溫度度日波動(dòng)動(dòng)量只有有2左右。圖3-7 66月路面面結(jié)構(gòu)各各深度的的溫度日日變化過過程圖3-8 66月路面面面層不不同時(shí)刻刻沿深度度分布的的溫度曲曲線從圖3-99和圖33-100所示的的1月份溫溫度分布布曲線可可見，路面表表面溫度度的日波波動(dòng)量最最大約為為20，5cmm深處溫溫度的日日波動(dòng)量量最大約約為111，在瀝瀝青面層層底部溫溫度日波波動(dòng)量很很大約為為6，在上上基層中中部約為為3，而在在下基層層中，溫溫度日波波動(dòng)量不不 1.5。圖3-9 11月路面面結(jié)構(gòu)各各深度的的溫度日日變化過過程圖3-100 1月月路面

9、面面層不同同時(shí)刻沿沿深度分分布的溫溫度曲線線不同深度及及不同結(jié)結(jié)構(gòu)層之之間的溫溫度分布布曲線存存在相位位差，相相對(duì)于表表面而言言，5ccm深處處的溫度度分布曲曲線的相相位差約約為1小時(shí)，瀝瀝青面層層底部的的相位差差約為55小時(shí)，在在40ccm的底底基層中中，溫度度達(dá)到最最大值的的時(shí)間一一般在00點(diǎn)前后后，其相相位差約約為122小時(shí)。九瀝青面面層厚度度對(duì)溫度度的衰減減作用圖3-7和和3-110表明明，雖然然瀝青面面層表面面溫度波波幅分別別高達(dá)約約40和20，但在在瀝青面面層底部部和基層層頂面的的溫度波波幅卻分分別只有有11和6左右，這這說明了了瀝青面面層具有有較好的的溫度衰衰減作用用，面層層對(duì)溫

10、度度的衰減減作用顯顯然與面面層的厚厚度有關(guān)關(guān)，圖33-111中，計(jì)計(jì)算了瀝瀝青面層層厚度與與基層頂頂面溫度度的關(guān)系系。圖3-111 瀝青青面層厚厚度與基基層頂面面溫度波波幅的關(guān)關(guān)系在瀝青路面面溫度場場分析中中，弄清清面層厚厚度與基基礎(chǔ)頂面面溫度波波幅之間間的關(guān)系系，有助助于根據(jù)據(jù)基層材材料的溫溫縮性能能狀況來來設(shè)計(jì)瀝瀝青面層層厚度，基基層溫縮縮性小時(shí)時(shí)，基層層頂面允允許的不不開裂溫溫度波幅幅可大些些，而面面層厚度度亦可小小些，反反之，基基基層溫溫縮性較較大時(shí)，基基層頂面面允許的的不開裂裂溫度波波幅則應(yīng)應(yīng)較小，從從而面層層厚度應(yīng)應(yīng)設(shè)計(jì)的的大些，具具體情況況須根據(jù)據(jù)當(dāng)?shù)氐牡臍夂驐l條件、路路面材料料

11、性能來來確定。十溫度速速率降溫是瀝青青路面產(chǎn)產(chǎn)生溫縮縮裂縫的的最直接接起因，降降溫速率率及降溫溫持續(xù)時(shí)時(shí)間都將將明顯影影響瀝青青路面的的溫度裂裂縫。因因此，研研究在不不利溫度度條件下下，瀝青青路面的的降溫速速率及其其日過程程具有重重要意義義。路面結(jié)構(gòu)溫溫度場前前后不同同時(shí)刻的的溫度差差直接決決定溫度度應(yīng)力的的大小，而而表征這這一時(shí)刻刻溫度變變化大小小的是路路面溫度度變化速速率(簡稱溫溫度速率率)，溫度度速率大大，則這這一時(shí)刻刻前后溫溫度差大大，從而而在該時(shí)時(shí)刻產(chǎn)生生的溫度度應(yīng)力也也大，反反之亦然然。由于于在一天天內(nèi)，路路面結(jié)構(gòu)構(gòu)要經(jīng)歷歷升溫和和降溫兩兩個(gè)完全全相反的的溫度過過程，溫溫度速率率要

12、經(jīng)歷歷由正變變負(fù)的過過程，路路面升溫溫時(shí)溫度度速率為為正，降降溫時(shí)為為負(fù)。因此，正正的溫度度速率使使路面產(chǎn)產(chǎn)生壓應(yīng)應(yīng)力，負(fù)負(fù)的溫度度速率使使路面產(chǎn)產(chǎn)生拉應(yīng)應(yīng)力，而而溫度速速率為零零時(shí)，相相應(yīng)時(shí)刻刻路面產(chǎn)產(chǎn)生的溫溫度應(yīng)力力的也為為零。典典型路面面溫度場場不同時(shí)時(shí)刻和不不同深度度的溫度度速率的的基本規(guī)規(guī)律進(jìn)行行了計(jì)算算，結(jié)果果見圖33-177。圖3-166 66月不同深度度溫度速速率的日日變化過過程曲線線圖3-177 66月瀝青青路面不不同深度度處溫度度梯度的的日變化化過程上面的計(jì)算算結(jié)果表表明：溫溫度速率率在路表表面達(dá)到到最大值值，晴天天時(shí)一般般在上午午9-110時(shí)溫溫度上升升速度最最快，在在下

13、午116-117時(shí)溫溫度下降降最快，隨隨著深度度增加，溫溫度速率率逐漸減減小，在在基層和和底基層層中部，溫溫度速率率已很小小，這一一情況也也從一個(gè)個(gè)側(cè)面說說明了導(dǎo)導(dǎo)致瀝青青路面開開裂的主主要原因因是瀝青青面層本本身的溫溫縮，此此外，路路面升溫溫速率明明顯大于于路面降降溫速率率。十一溫度度梯度由于同一時(shí)時(shí)刻不同同深處路路面溫度度存在溫溫度差，因因此，瀝瀝青路面面就存在在沿深度度變化的的溫度梯梯度，一一般當(dāng)上上面的溫溫度大于于下面的的溫度時(shí)時(shí)，稱為為正溫度度梯度，反反之稱為為負(fù)溫度度梯度，由由于白天天路表最最高溫度度與其下下某一深深處的溫溫度差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夜夜間路表表最低溫溫度與其其下同一一深處的的溫

14、度差差，因此此，最大大正溫度度梯度一一般比最最大負(fù)溫溫度梯度度的絕對(duì)對(duì)值大，因因此，正正溫度梯梯度是剛剛性路面面設(shè)計(jì)的的主要溫溫度依據(jù)據(jù)。顯然，路面面結(jié)構(gòu)的的溫度應(yīng)應(yīng)力不僅僅與溫度度速率有有關(guān)，還還與沿深深度變化化的溫度度梯度有有關(guān)，與與板塊結(jié)結(jié)構(gòu)的水水泥混凝凝土路面面不同，瀝瀝青路面面中所關(guān)關(guān)心的并并非是在在某溫度度梯度下下水泥混混凝土板板產(chǎn)生的的翹曲應(yīng)應(yīng)力，而而是由此此產(chǎn)生的的溫度拉拉應(yīng)力及及在此應(yīng)應(yīng)力下路路面是否否開裂和和開裂的的規(guī)律。計(jì)算表明，路表溫度梯度的波幅最大，最大正溫度梯度在上午11點(diǎn)左右達(dá)到，最大負(fù)溫度梯度在下午5點(diǎn)左右達(dá)到，隨著深度增加，溫度梯度的波幅越來越小，在瀝青面層底

15、部溫度梯度的波幅約為1/cm，基層和底基層中部溫度梯度的波幅不足0.5。一日中，白天最大正溫度梯度遠(yuǎn)比夜間最大負(fù)溫度梯度大，夏季最大正溫度梯度遠(yuǎn)比冬季最大正溫度梯度大，冬季最大負(fù)溫度梯度遠(yuǎn)比夏季最大負(fù)溫度梯度大。十二水泥泥混凝土土路面溫溫度梯度度值水泥混凝土土路面的的溫度狀狀況是溫溫度應(yīng)力力計(jì)算的的基礎(chǔ)，我我國原有有的水泥泥混凝土土路面設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范范，采用用威士特特卡德理理論計(jì)算算溫度應(yīng)應(yīng)力，并并取設(shè)計(jì)計(jì)溫度梯梯度為00.677/cmm。此值值是三十十年代在在美國阿阿林頓實(shí)實(shí)測的結(jié)結(jié)果，五五十年代代曾被蘇蘇聯(lián)引用用，后又又傳入我我國。六六十年代代，德國國J.艾森森曼、GG.惠耳耳教授實(shí)實(shí)驗(yàn)研究究

16、了水泥泥混凝土土路面的的溫度狀狀況，提提出德國國設(shè)計(jì)溫溫度梯度度為0.9/cmm蘇聯(lián)戈戈雷茨基基研究了了蘇聯(lián)各各氣候區(qū)區(qū)的水泥泥混凝土土路面溫溫度狀況況，認(rèn)為為設(shè)計(jì)溫溫度梯度度應(yīng)按各各氣候區(qū)區(qū)取不同同值，蘇蘇聯(lián)各氣氣候區(qū)實(shí)實(shí)測最大大溫度梯梯度在00.244-0.72/cmm之間。我我國各地地區(qū)氣候候情況有有顯著差差別，全全國一律律取用設(shè)設(shè)計(jì)溫度度梯度為為0.667/cmm，顯然然是不合合理的。美國和德國國的設(shè)計(jì)計(jì)溫度梯梯度是根根據(jù)個(gè)別別地區(qū)、個(gè)個(gè)別年份份的實(shí)測測最大溫溫度梯度度值適當(dāng)當(dāng)提高或或降低而而定出的的。這種種做法帶帶有一定定的偶然然性。戈戈雷茨基基對(duì)蘇聯(lián)聯(lián)的各氣氣候區(qū)進(jìn)進(jìn)行了多多年的混

17、混凝土路路面溫度度狀況實(shí)實(shí)測工作作，比較較全面地地總結(jié)出出了水泥泥混凝土土路面溫溫度狀況況變化的的一般規(guī)規(guī)律，他他提出了了水泥混混凝土路路面狀況況的理論論公式主主要是針針對(duì)蘇聯(lián)聯(lián)地理?xiàng)l條件的。他他曾提出出應(yīng)按地地基、基基層和混混凝土面面材料的的不同熱熱性能建建立層狀狀熱傳導(dǎo)導(dǎo)模型，但但在理論論上未對(duì)對(duì)此作進(jìn)進(jìn)一步研研究。采用理論方方法分析析路面溫溫度狀況況的還有有巴伯(F.SS.Baarbeer)、佩佩托里葉葉斯(PP.C.Preetorriumm)和克克里斯蒂蒂森(JJ.T.Chrristtisoon)等等，其中中佩托里里葉斯和和克里斯斯蒂森，分分別采用用有限元元法和有有限差分分方法分分析了

18、由由不同熱熱性能材材料組成成的層狀狀路面的的溫度狀狀況，但但他們的的分析對(duì)對(duì)象僅限限于黑色色路面的的最高溫溫度和最最低溫度度。有關(guān)關(guān)成果無無法用于于進(jìn)行水水泥混凝凝土路面面的溫度度梯度等等分析。疲勞溫度梯梯度國內(nèi)現(xiàn)有的的混凝土土路面結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)方法僅僅計(jì)荷載載應(yīng)力一一項(xiàng)而未未考慮溫溫度應(yīng)力力對(duì)路面面疲勞損損壞的影影響，這這顯然不不夠合理理。而要要考慮這這兩項(xiàng)應(yīng)應(yīng)力的綜綜合疲勞勞影響，關(guān)關(guān)鍵是要要提供一一種簡便便、合理理的疲勞勞設(shè)計(jì)方方法。在在各種路路面結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)方方法中，常常常采用用標(biāo)準(zhǔn)軸軸載和軸軸載換算算系數(shù)來來考慮各各級(jí)軸載載的疲勞勞損壞作作用。而而軸載換換算系數(shù)數(shù)可依據(jù)據(jù)所采用用的疲勞勞方程等等效疲勞勞損壞原原則推算算得到。可可以設(shè)想想，路面面實(shí)際發(fā)發(fā)生的各各級(jí)溫度度梯度的的疲勞損損壞影響響，也可可按類似似的方法法考慮，也也即，需需要求一一個(gè)等效效的溫度度梯度，當(dāng)當(dāng)路面處處于該溫溫度梯度度狀態(tài)時(shí)時(shí)，其疲疲勞損壞壞程度達(dá)達(dá)到在相相同的交交通量和和軸載譜譜作用下下，同