1、第三章氣候候與環境境一概念念1道路路與其它它土木建建筑在考考慮氣候候與環境境時的區區別道路是是露天建建筑物道路是是線型建建筑，涉涉及的范范圍較大大2氣候候的影響響冰凍作作用降雨3考慮慮方法材料結構二凍脹脹1影響響因素對冰凍凍敏感的的土氣溫下下降的快快慢水源2水的的種類自由水水吸附水水強強結合水水，弱結結合水3凍敏敏土的種種類（工工程師兵兵團法）礫石土土占砂土土占礫石土土占砂土土占粉土土占公路路土的分分類土：巨巨粒土，粗粗粒土，細細粒土，特特殊土巨粒土土600占占：漂石石土，卵卵石土粗粒土土占：礫礫類土，砂砂類土細粒土土0.0744mm占占50%:粉質質土，粘粘質土，有有機質土土特殊土土：黃土土

2、，膨脹脹土，紅紅粘土，鹽鹽漬土路基基水穩定定處理辦辦法換土、路面具有有防凍總總厚度、設置隔隔層、設置隔溫溫層路基排排水冰凍凍指數度日：表示一一日的平平均氣溫溫低于凍凍結溫度度一度冰凍指指數累計度度日圖中中最大和和最小點點之差冰冰凍指數數與冰凍凍深度有有關四、溫度度變化規規律圖3-11夏季晴晴天的情情況下水水泥混凝凝土層溫溫度的日變化化觀測結結果大氣的溫溫度在一一年和一一日內發發生著周周期性的的變化，與與大氣直直接接觸觸的路面面溫度也也相應地地在一年年和一日日內發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、測測結果。圖中顯顯示的規規律表明明，路面面溫度的的周期性性起伏，同同大氣溫溫度的變變化幾乎乎同步。由于部部分太陽陽輻射熱熱被路面面所吸收收，因此路路面的溫溫度較氣氣溫高。圖3-22夏季晴晴天的情情況下瀝瀝青混凝凝土面層層溫度的的日變化化觀測結果果路面結構構內溫度度狀況隨隨深度變變化的情情況，可可以更明明顯地從從一晝夜夜內不同同時刻和和路面溫溫度沿深深度分布布的曲線線圖中看看出。溫溫度梯度度通常在在早晨的的某一時時刻(圖3-66中為8：00)接近于于零，午午后某一一時刻(圖3-66中為144：00)正溫差差達到最最大值，而而在凌晨晨某一時時刻(大約在在3：005：00)負溫差差達到最最大值。圖3

4、-33水泥混混凝土面面層一晝晝夜內不不同時刻刻溫度沿沿深度分分布的曲曲線五、溫度度狀況的的預測決定路面面結構內內溫度狀狀況的因因素，有有外部和和內部兩兩類。外外部因素素主要是是氣候條條件，諸諸如太陽陽輻射(日照和和云量)、氣溫溫、風速速、降水水量和蒸蒸發量等等。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最最重要的的因素。射到路路面的短短波輻射射熱(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。大大氣和路路面發出出的長波波輻射，構構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

5、引起了對對流熱的的變換。風的作作用加強強了對流流，使路路面喪失失了部分分熱量。降水和和隨后的的蒸發都都會顯著著地降低低由日照照所增加加的路面面溫度。內部因素素則為路路面各結結構層的的熱傳導導率、熱熱容量(比熱)和對輻輻射熱的的吸收能能力等，熱熱傳導率率是單位位溫度梯梯度條件件下在單單位時間間內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結構、孔孔隙率和和濕度有有關。熱熱容量系系指使單單位質量量的物質質產生單單位溫度度變化時時所需要要的熱量量。美國E.S.BBarbber把把影響路路面的溫溫度的兩兩項主要要氣象因因素氣溫和和輻射熱熱，綜合合成一種種當量的的有效溫溫度Te，假設設它隨時時

6、間呈正正弦周期期性變化化：（3-33）并且假設設路面結結構為半半無限體體(Z時，T0)，根根據這些些條件解解出式(3-44)，得到到路面內內的溫度度場為：（3-44）估計長波波再輻射射(有效輻輻射)的凈損損失平均均約為11/3，則則：（3-66）由式(33-4)，根據據氣象資資料(日輻射射熱、日日平均氣氣溫、日日溫差、平均風風速等)和路面面材料的的熱特性性參數(熱傳導導率、熱熱容量、輻射熱熱吸收能能力等)，就可可確定單單一路面面層內的的溫度狀狀況。計算路面面的最高高溫度時時，以ZZ=0和和正弦函函數值為為1代入式式(3-4)，可得得簡化式式為：（3-99）Barbber公公式主要要適用于于估算

7、路路面表面面的溫度度變化。但由于于面層下下各結構構層傳熱熱性能的的變化對對面層上上部的溫溫度狀況況影響很很小，此此公式也也可用于于估算面面層接近近表面深深度范圍圍內的溫溫度狀況況。六計算算結果分分析圖3-55 4月溫溫度場實實測值與與計算值值的比較較圖3-66 10月月溫度場場實測值值與計算算值的比比較七路面面溫度場場隨各因因素變化化的規律律分析1、溫度度分布圖3-77和圖33-8所所示的66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量量最大，約約為400，在5ccm深處處溫度的的日波動動量最大大約為220左右，而而瀝青面面層底部部溫度的的日波動動量約為為11左右，

8、在在30ccm深處處的水泥泥砂礫基基層中，溫溫度日波波動量最最大約為為5左右，而而在400cm深深處的二二灰土下下基層中中，溫度度日波動動量只有有2左右。圖3-77 6月路路面結構構各深度度的溫度度日變化化過程圖3-88 6月路路面面層層不同時時刻沿深深度分布布的溫度度曲線從圖3-9和圖圖3-110所示示的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量最最大約為為20，5cmm深處溫溫度的日日波動量量最大約約為111，在瀝瀝青面層層底部溫溫度日波波動量很很大約為為6，在上上基層中中部約為為3，而在在下基層層中，溫溫度日波波動量不不 1.5。圖3-99 1月路路面結構構各深度度的溫度

9、度日變化化過程圖3-110 11月路面面面層不不同時刻刻沿深度度分布的的溫度曲曲線不同深度度及不同同結構層層之間的的溫度分分布曲線線存在相相位差，相相對于表表面而言言，5ccm深處處的溫度度分布曲曲線的相相位差約約為1小時，瀝瀝青面層層底部的的相位差差約為55小時，在在40ccm的底底基層中中，溫度度達到最最大值的的時間一一般在00點前后后，其相相位差約約為122小時。九瀝青青面層厚厚度對溫溫度的衰衰減作用用圖3-77和3-10表表明，雖雖然瀝青青面層表表面溫度度波幅分分別高達達約400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

10、有有較好的的溫度衰衰減作用用，面層層對溫度度的衰減減作用顯顯然與面面層的厚厚度有關關，圖33-111中，計計算了瀝瀝青面層層厚度與與基層頂頂面溫度度的關系系。圖3-111 瀝瀝青面層層厚度與與基層頂頂面溫度度波幅的的關系在瀝青路路面溫度度場分析析中，弄弄清面層層厚度與與基礎頂頂面溫度度波幅之之間的關關系，有有助于根根據基層層材料的的溫縮性性能狀況況來設計計瀝青面面層厚度度，基層層溫縮性性小時，基基層頂面面允許的的不開裂裂溫度波波幅可大大些，而而面層厚厚度亦可可小些，反反之，基基基層溫溫縮性較較大時，基基層頂面面允許的的不開裂裂溫度波波幅則應應較小，從從而面層層厚度應應設計的的大些，具具體情況況

11、須根據據當地的的氣候條條件、路路面材料料性能來來確定。十溫度度速率降溫是瀝瀝青路面面產生溫溫縮裂縫縫的最直直接起因因，降溫溫速率及及降溫持持續時間間都將明明顯影響響瀝青路路面的溫溫度裂縫縫。因此此，研究究在不利利溫度條條件下，瀝瀝青路面面的降溫溫速率及及其日過過程具有有重要意意義。路面結構構溫度場場前后不不同時刻刻的溫度度差直接接決定溫溫度應力力的大小小，而表表征這一一時刻溫溫度變化化大小的的是路面面溫度變變化速率率(簡稱溫溫度速率率)，溫度度速率大大，則這這一時刻刻前后溫溫度差大大，從而而在該時時刻產生生的溫度度應力也也大，反反之亦然然。由于于在一天天內，路路面結構構要經歷歷升溫和和降溫兩兩

12、個完全全相反的的溫度過過程，溫溫度速率率要經歷歷由正變變負的過過程，路路面升溫溫時溫度度速率為為正，降降溫時為為負。因此，正正的溫度度速率使使路面產產生壓應應力，負負的溫度度速率使使路面產產生拉應應力，而而溫度速速率為零零時，相相應時刻刻路面產產生的溫溫度應力力的也為為零。典典型路面面溫度場場不同時時刻和不不同深度度的溫度度速率的的基本規規律進行行了計算算，結果果見圖33-177。圖3-116 6月不不同深度度溫度速速率的日日變化過過程曲線線圖3-117 6月瀝瀝青路面面不同深深度處溫溫度梯度度的日變變化過程程上面的計計算結果果表明：溫度速速率在路路表面達達到最大大值，晴晴天時一一般在上上午9

13、-10時時溫度上上升速度度最快，在在下午116-117時溫溫度下降降最快，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個側面說說明了導導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。十一溫溫度梯度度由于同一一時刻不不同深處處路面溫溫度存在在溫度差差，因此此，瀝青青路面就就存在沿沿深度變變化的溫溫度梯度度，一般般當上面面的溫度度大于下下面的溫溫度時，稱稱為正溫溫度梯度度，反之之稱為負負溫度梯梯度，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遠大于夜夜

14、間路表表最低溫溫度與其其下同一一深處的的溫度差差，因此此，最大大正溫度度梯度一一般比最最大負溫溫度梯度度的絕對對值大，因因此，正正溫度梯梯度是剛剛性路面面設計的的主要溫溫度依據據。顯然，路路面結構構的溫度度應力不不僅與溫溫度速率率有關，還還與沿深深度變化化的溫度度梯度有有關，與與板塊結結構的水水泥混凝凝土路面面不同，瀝瀝青路面面中所關關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生的的翹曲應應力，而而是由此此產生的的溫度拉拉應力及及在此應應力下路路面是否否開裂和和開裂的的規律。計算表明明，路表表溫度梯梯度的波波幅最大大，最大大正溫度度梯度在在上午111點左左右達到到，最大大負溫度度梯度在

15、在下午55點左右右達到，隨隨著深度度增加，溫溫度梯度度的波幅幅越來越越小，在在瀝青面面層底部部溫度梯梯度的波波幅約為為1/cmm，基層層和底基基層中部部溫度梯梯度的波波幅不足足0.55。一日日中，白白天最大大正溫度度梯度遠遠比夜間間最大負負溫度梯梯度大，夏夏季最大大正溫度度梯度遠遠比冬季季最大正正溫度梯梯度大，冬冬季最大大負溫度度梯度遠遠比夏季季最大負負溫度梯梯度大。十二水水泥混凝凝土路面面溫度梯梯度值水泥混凝凝土路面面的溫度度狀況是是溫度應應力計算算的基礎礎，我國國原有的的水泥混混凝土路路面設計計規范，采采用威士士特卡德德理論計計算溫度度應力，并并取設計計溫度梯梯度為00.677/cmm。此

16、值值是三十十年代在在美國阿阿林頓實實測的結結果，五五十年代代曾被蘇蘇聯引用用，后又又傳入我我國。六六十年代代，德國國J.艾森森曼、GG.惠耳耳教授實實驗研究究了水泥泥混凝土土路面的的溫度狀狀況，提提出德國國設計溫溫度梯度度為0.9/cmm蘇聯戈戈雷茨基基研究了了蘇聯各各氣候區區的水泥泥混凝土土路面溫溫度狀況況，認為為設計溫溫度梯度度應按各各氣候區區取不同同值，蘇蘇聯各氣氣候區實實測最大大溫度梯梯度在00.244-0.72/cmm之間。我國各各地區氣氣候情況況有顯著著差別，全全國一律律取用設設計溫度度梯度為為0.667/cmm，顯然然是不合合理的。美國和德德國的設設計溫度度梯度是是根據個個別地區

17、區、個別別年份的的實測最最大溫度度梯度值值適當提提高或降降低而定定出的。這種做做法帶有有一定的的偶然性性。戈雷雷茨基對對蘇聯的的各氣候候區進行行了多年年的混凝凝土路面面溫度狀狀況實測測工作，比比較全面面地總結結出了水水泥混凝凝土路面面溫度狀狀況變化化的一般般規律，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蘇聯聯地理條條件的。他曾提提出應按按地基、基層和和混凝土土面材料料的不同同熱性能能建立層層狀熱傳傳導模型型，但在在理論上上未對此此作進一一步研究究。采用理論論方法分分析路面面溫度狀狀況的還還有巴伯伯(F.S.BBarbber)、佩托托里葉斯斯(P.C.PPrettoriiu

18、m)和克里里斯蒂森森(J.T.CChriistiisonn)等，其其中佩托托里葉斯斯和克里里斯蒂森森，分別別采用有有限元法法和有限限差分方方法分析析了由不不同熱性性能材料料組成的的層狀路路面的溫溫度狀況況，但他他們的分分析對象象僅限于于黑色路路面的最最高溫度度和最低低溫度。有關成成果無法法用于進進行水泥泥混凝土土路面的的溫度梯梯度等分分析。疲勞溫度度梯度國內現有有的混凝凝土路面面結構設設計方法法僅計荷荷載應力力一項而而未考慮慮溫度應應力對路路面疲勞勞損壞的的影響，這這顯然不不夠合理理。而要要考慮這這兩項應應力的綜綜合疲勞勞影響，關關鍵是要要提供一一種簡便便、合理理的疲勞勞設計方方法。在在各種路路面結構構設計方方法中，常常常采用用標準軸軸載和軸軸載換算算系數來來考慮各各級軸載載的疲勞勞損壞作作用。而而軸載換換算系數數可依據據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?？梢栽O設想，路路面實際際發生的的各級溫溫度梯度度的疲勞勞損壞影影響，也也可按類類似的方方法考慮慮，也即即，需要要求一個個等效的的溫度梯梯度，當當路面處處于該溫溫度梯度度狀態時時，其疲疲勞損壞壞程度達達到在相相同的交交通量和和軸載譜譜作用下下，同一一種路面面結