瀝青路面溫度場影響因素分析

瀝青路面溫度場影響因素分析

道路結(jié)構(gòu)一直在所有環(huán)境因素中發(fā)揮著綜合作用，這一作用的結(jié)果集中在道路加熱場的復(fù)雜分布上。瀝青材料是一種典型的溫度敏感性材料。溫度對(duì)瀝青路面的承載能力和使用性能都有顯著影響。瀝青路面的各種常見損壞，也直接或間接的與路面溫度的分布狀況有關(guān)。因此，準(zhǔn)確預(yù)測瀝青路面溫度場的分布特性和變化規(guī)律，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。1路面溫度場的估算方法國內(nèi)外對(duì)于瀝青路面溫度場的的分布規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。1957年，Barber首先使用半無限體半表面介質(zhì)溫度周期變化時(shí)的熱傳導(dǎo)方程的解來確定路面最高溫度。上世紀(jì)90年代，以確定瀝青路面在其使用年限內(nèi)可能經(jīng)受的極端溫度條件為目的，美國和加拿大的SHRP、C-SHRP、LTPP等研究計(jì)劃相繼提出了路面最高和最低溫度的預(yù)估模型。我國的嚴(yán)作人于上世紀(jì)80年代建立了周期熱力作用下層狀路面溫度場的預(yù)估方法。吳贛昌則于上世紀(jì)90年代采用解析理論建立了半剛性基層瀝青路面二維非線性不穩(wěn)定溫度場的計(jì)算理論。綜合各國學(xué)者的研究方法，大致分為兩類。一是理論分析法，即根據(jù)氣象學(xué)和傳熱學(xué)的基本原理建立路面溫度場的預(yù)估模型，如Barber、嚴(yán)作人和吳贛昌的研究方法。二是統(tǒng)計(jì)分析法，即采用回歸分析方法建立路面溫度場與環(huán)境因素之間的關(guān)系，SHRP、C-SHRP、LTPP的研究方法都屬于這類。理論分析法建立的預(yù)估模型形式復(fù)雜，求解過程繁瑣，輸入?yún)?shù)多且難于準(zhǔn)確獲得，因此，其預(yù)測精度和在實(shí)際應(yīng)用中的推廣都受到限制。統(tǒng)計(jì)分析法建立的預(yù)估模型的形式和求解過程都比較簡單，輸入?yún)?shù)少，精度可以滿足工程需要，在實(shí)際中的應(yīng)用日益廣泛。但是以往國內(nèi)外采用統(tǒng)計(jì)分析方法建立的預(yù)估模型，多為瀝青路面特征溫度與某些環(huán)境因素之間的關(guān)系，很少涉及整個(gè)路面溫度場與環(huán)境因素的普遍關(guān)系。針對(duì)上述研究現(xiàn)狀，本文在深入分析環(huán)境因素對(duì)路面溫度的影響機(jī)制和路面溫度場的分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過對(duì)我國多個(gè)地區(qū)20000多組路面溫度實(shí)測數(shù)據(jù)和氣象資料進(jìn)行回歸分析，建立了瀝青路面溫度場的預(yù)估模型。2環(huán)境因素對(duì)路面溫度的影響2.1地面有效輻射與大氣熱交換環(huán)境因素對(duì)路面溫度場的影響過程如圖1所示。太陽直接輻射和散射輻射的總和稱為太陽總輻射，這是一種短波的熱輻射。太陽總輻射到達(dá)路表時(shí)，大部分被路面結(jié)構(gòu)吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?；其余部分則通過路表的反射或散射返回大氣中。云層狀況、路面的表面特征、降雨、降雪等因素都會(huì)對(duì)太陽總輻射被路面結(jié)構(gòu)吸收和反射的比例產(chǎn)生影響。在路面結(jié)構(gòu)與大氣接觸的介質(zhì)表面上，路表溫度和氣溫的差異會(huì)導(dǎo)致由于傳導(dǎo)和對(duì)流引起的熱交換。這種熱交換主要取決于風(fēng)速和路表溫度與氣溫之差。地面輻射與大氣逆輻射之差稱為地面有效輻射，這是一種長波的熱輻射。地面有效輻射主要取決于路表和大氣的溫度狀況，也與大氣的相對(duì)濕度和云層狀況有關(guān)。路表和大氣之間的熱量交換，使路表產(chǎn)生復(fù)雜的溫度變化，從而造成路表與路面其他部分的溫度差異。路面結(jié)構(gòu)中的這種溫度差異促使熱量沿深度方向向溫度較低處傳導(dǎo)。2.2氣溫和太陽輻射分析表明，在眾多環(huán)境因素中，氣溫對(duì)瀝青路面溫度場的的影響最為顯著。太陽輻射僅出現(xiàn)在白天，是促使路面溫度在白天升高的重要因素，也是除氣溫之外最主要的影響因素。相對(duì)氣溫和太陽輻射而言，云層狀況、大氣的相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水等其他環(huán)境因素對(duì)于路面溫度場的影響十分有限，且與氣溫和太陽輻射之間具有一定的相關(guān)性。因此，這些因素的影響可以通過氣溫和太陽輻射部分的體現(xiàn)出來。2.3路面溫度場的日變化氣溫、太陽輻射強(qiáng)度和路面溫度場的典型日變化過程如圖2所示。一般而言，路面溫度表現(xiàn)出與氣溫和太陽輻射強(qiáng)度接近的變化規(guī)律。氣溫和太陽輻射的變化對(duì)于路表和路面結(jié)構(gòu)上層的溫度可以產(chǎn)生即時(shí)的影響。在接近表面處，路面的溫度變化與氣溫幾乎同步。但是熱量沿路面深度方向的傳導(dǎo)需要一定的時(shí)間，環(huán)境因素的影響并不能馬上反映在路面結(jié)構(gòu)的下層。因此，隨著深度的增加，路面溫度的變化較氣溫和太陽輻射強(qiáng)度而言越來越滯后?？梢?，環(huán)境因素對(duì)于路面結(jié)構(gòu)下層溫度的影響具有滯后性的特點(diǎn)，而對(duì)于路面結(jié)構(gòu)上層溫度的影響則表現(xiàn)出累積性的特點(diǎn)?？傮w而言，路面溫度場的分布不僅與當(dāng)前的氣溫和太陽輻射的狀況密切相關(guān)，也是二者在一段時(shí)間內(nèi)變化情況的綜合作用的結(jié)果。另外，隨著路面深度的增加，環(huán)境因素對(duì)路面溫度的影響程度也逐漸減弱，路面溫度的日變化差異越來越小。對(duì)路面溫度與此前n小時(shí)平均氣溫和太陽輻射強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果分別如表1和表2所示。分析表明，路面溫度與此前n小時(shí)平均氣溫和太陽輻射強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)，表現(xiàn)出先增大后減小的特征，當(dāng)n=5～6h時(shí)達(dá)到最大值。這說明瀝青路面溫度場對(duì)5h左右時(shí)間段內(nèi)的氣溫和太陽輻射強(qiáng)度的變化情況最為敏感。路面溫度場沿深度的分布十分復(fù)雜。路面溫度場的典型分布如圖3所示，圖3中散點(diǎn)表示不同時(shí)刻路面溫度沿深度的分布，而實(shí)線則分別是一次、二次和三次多項(xiàng)式的擬合結(jié)果。顯然，路面溫度在沿深度方向呈三次曲線分布。3瀝青路面溫度場預(yù)測模型的建立3.1路面溫度場預(yù)測模型建立路面溫度場預(yù)估模型的目的是預(yù)測路面溫度隨時(shí)間的變化和沿深度方向的一維分布。在綜合考慮氣溫和太陽輻射的情況下，路面溫度（Tp）可以表示為氣溫（Ta）、太陽輻射強(qiáng)度（Q）和路面深度（H）的函數(shù)Tp=f(Ta,Q,H）。路面溫度與氣溫的m次方（Tam）和太陽輻射強(qiáng)度的m次方（Qm）之間的相關(guān)分析結(jié)果分別如表3和表4所示。分析表明，路面溫度和氣溫之間呈線性關(guān)系，與太陽輻射強(qiáng)度的平方的相關(guān)性最強(qiáng)?；谏鲜霏h(huán)境因素對(duì)路面溫度場的影響機(jī)理的分析，在預(yù)估模型中引入此前5h平均氣溫（Ta5）和5h平均太陽輻射強(qiáng)度的平方（Q52），反映環(huán)境因素對(duì)于路面溫度場影響的滯后性和累積性的特點(diǎn)；引入氣溫和太陽輻射強(qiáng)度與路面深度的乘積（H×Ta,H×Q），以反映環(huán)境因素對(duì)于路面不同深度處溫度的不同影響程度；并通過路面深度（H）的三次多項(xiàng)式可以更為準(zhǔn)確地模擬路面溫度沿深度方向的分布狀況。綜上所述，路面溫度場預(yù)估模型可表示為：式中，Tp為瀝青路面某一深度處的溫度，℃；Ta為當(dāng)前氣溫，℃；Q為當(dāng)前太陽輻射強(qiáng)度，kW/m2;Ta5為此前5h平均氣溫，℃；Q5為此前5h平均太陽輻射強(qiáng)度，kW/m2;H為路面深度，cm;p1～p8為待定的回歸系數(shù)。3.2回歸系數(shù)的現(xiàn)有對(duì)路面溫度實(shí)測數(shù)據(jù)和氣象資料進(jìn)行回歸分析，即可得到路面溫度場預(yù)估模型式待定回歸系數(shù)。回歸分析的結(jié)果如表5所示。預(yù)估模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R、判定系數(shù)R2、經(jīng)過調(diào)整的判定系數(shù)R2adj以及標(biāo)準(zhǔn)誤差相對(duì)回歸分析中的數(shù)據(jù)量都達(dá)到相當(dāng)高的水平。3.3實(shí)測值對(duì)比分析為了驗(yàn)證瀝青路面溫度場預(yù)估模型的預(yù)測效果，對(duì)路面溫度實(shí)測值和由預(yù)估模型計(jì)算得到的預(yù)測值進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖4所示。分析顯示，數(shù)據(jù)點(diǎn)基本上均勻且集中的分布在45°等值線的兩側(cè)，實(shí)測值和預(yù)測值之間具有較高的一致性。預(yù)估模型具有較高的預(yù)測精度，能夠準(zhǔn)確模擬路面溫度隨時(shí)間的變化和沿深度方向的一維分布。4瀝青路面溫度場建模本文分析了環(huán)境因素對(duì)路面溫度場的影響機(jī)制和路面溫度場的分布規(guī)律。研究表明，氣溫和太陽輻射是影響路面溫度的主要環(huán)境因