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原文传递沙漠地区路基路面温度场暨路面工作环境温度指标研究

论文题名：	沙漠地区路基路面温度场暨路面工作环境温度指标研究
关键词：	道路工程;沙漠地区;风积沙土路基;水热耦合方程;有限差份法;冻融过程;路面结构;温度场
摘要：	沙漠地区地处祖国北方，自然环境十分恶劣，夏季炎热，地表最高温度高达70℃左右，冬季严寒，地表温度降至-30℃以下。道路处在这样的环境中，路面结构会产生诸多破坏；寒冷潮湿地区，路基冻胀造成的路面变形破坏更加严重，这些病害发生与路基路面热状况直接相关。为了尽量避免道路运营过程中病害发生，在设计和修建沙漠高等级公路时就应充分地考虑路基路面热状况分布。本文结合西部交通建设科技项目，全面系统地研究了持续变化的自然环境因素与路基路面温度场之间的关系，并得到以下主要结论：基于Harlan热质迁移模型和Darcy定理推导出冻结条件下风积沙土路基二维水热耦合迁移数学模型。根据地表能量平衡原理建立了水热耦合迁移问题边界条件，利用现有资料回归分析出路基水热参数随土质含水量和干密度的关系式。应用系数效应滞后的全隐式有限差分格式并在每段时间采用线性迭代法来处理非线性水热耦合迁移方程。本论文建立的自然条件下水热耦合数学模型，相对Harlan模型而言，考虑了温度梯度对水分迁移的影响；综合各种气候环境因素的影响，采用了第三类边界条件；针对道路层状体系特点，计算模型区分了路面材料冻结和未冻结时的热物参数，建立的数学模型比较接近实际情况。通过对试验路温度和最大冻深计算，验证了水热耦合模型的正确性。利用该模型最终能够根据气象资料和路基水热参数准确预估出路基水热状况和最大冻深以及冻胀情况。为季节性冻土地区在路基设计中减少病害，制定相应的防治措施提供参考依据。利用本文建立的水热耦合数学模型研究了内蒙古锡林浩特地区沙漠公路207国道K135+000处冻融期间道路水热状况分布规律。比较了水热耦合效应和未考虑水分影响单场两种计算方法分别计算的道路温度值，结果显示了水分对路基温度的影响。该地区道路冻结深度随时间线性变化，平均冻结速度达到2～3cm/d，最大冻结深度为3m左右，整个冻融期大约为180天。风积沙土路基在冻结过程中水分迁移主要发生在冻结锋面处，冻结前后在路面基层底部和最大冻深位置下含水量变化较大。为了探索沙漠地区路面结构温度场的分布规律，提供路面工作环境温度指标。本文从气候学和传热学基本理论出发，研究沙漠地区路表和大气之间传热机理，将对流换热和辐射换热结合在一起提出路表复合换热系数概念，采用级数形式确定出任意气候条件下气温和太阳辐射量的数学表达形式。在分析实测数据和气象资料基础上，建立了完全依赖环境气候因素和路面材料热物参数的沙漠地区层状路面结构瞬态温度场数学模型，考虑到路表复合换热系数随外界环境变化，采用解析理论和Newton-Naphson迭代法推导出非线性边界条件路面温度场的计算方法。这一方法和目前研究最大区别在于边界条件是非线性的，和过去相比，该模型简洁方便、符合实际，计算方法准确可靠、易于编程处理，利于工程实际应用。计算和实测结果表明，路面结构层内最大温度误差不超过2℃，证明该方法有效、可行。利用该方法根据气象资料和路面材料热物参数能够方便准确地预估出路面结构热状况，预测路面结构在设计年限内温度极端情况，为路面设计人员在不利温度条件下设计具有足够的高温稳定性和较好的低温抗裂性的沙漠高等级公路提供了理论指导依据。给出了路面最高、最低温度、路面最大变温速率以及最大温度梯度的理论预估公式。分析了环境因素和路面材料热物参数对路面温度场的影响。影响温度场主要因素除了气温和太阳辐射量外，还有材料热物参数和风速。面层材料影响较大，而基层材料除隔温材料之外影响甚微。给出如何利用本文建立的路面结构温度场计算方法确定沙漠地区沥青路面温度设计值、抗疲劳试验有效温度、抗车辙试验有效温度和水泥混凝土路面最大温度梯度。论文中推荐的沙漠地区路面最高温度设计值为60℃～70℃，比SHRP标准估计的设计值高9℃～10℃；最低温度设计值为-25℃～-40℃，基本和SHRP标准估计的设计值相近，误差为1～2℃。沙漠地区抗疲劳试验温度为13.3℃～18.8℃；抗车辙试验有效温度为50.3℃～56.7℃。给出的试验温度考虑了与沥青路面路用性能有直接关系的路面温度，克服了现行规范中路面材料实验温度仅在几个特定温度下进行的缺陷。沙漠地区水泥混凝土路面最大温度梯度设计值为1.01～1.09℃/cm，比我国公路设计规范中给定的设计值偏大。
作者：	宋存牛
专业：	道路与铁道工程
导师：	王选仓
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文