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雜分布上。瀝青材料是一種典型的溫度敏感性材料。溫度對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，準確預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)實意義。1路面溫度場的估算方法國內(nèi)外對于瀝青路面溫度場的的分布規(guī)律進行了大量的研究。1957年，Barber首先使用半無限體半表面介質(zhì)溫度周期變化時的熱傳導方程的解來確定路面最高溫度。上世紀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等研究計劃相繼提出了路面最高和最低溫度的預估模型。我國的嚴作人于上世紀80年代建立了周期熱力作用下層狀路面溫度場的預估方法。吳贛昌則于上世紀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)定溫度場的計算理論。綜合各國學者的研究方法，大致分為兩類。一是理論分析法，即根據(jù)氣象學和傳熱學的基本原理建立路面溫度場的預估模型，如Barber、嚴作人和吳贛昌的研究方法。二是統(tǒng)計分析法，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估模型形式復雜，求解過程繁瑣，輸入?yún)?shù)多且難于準確獲得，因此，其預測精度和在實際應(yīng)用中的推廣都受到限制。統(tǒng)計分析法建立的預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，在實際中的應(yīng)用日益廣泛。但是以往國內(nèi)外采用統(tǒng)計分析方法建立的預估模型，多為瀝青路面特征溫度與某些環(huán)境因素之間的關(guān)系，很少涉及整個路面溫度場與環(huán)境因素的普遍關(guān)系。針對上述研究現(xiàn)狀，本文在深入分析環(huán)境因素對路面溫度的影響機制和路面溫度場的分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過對我國多個地區(qū)20000多組路面溫度實測數(shù)據(jù)和氣象資料進行回歸分析，建立了瀝青路面溫度場的預估模型。2環(huán)境因素對路面溫度的影響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。太陽總輻射到達路表時，大部分被路面結(jié)構(gòu)吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚黄溆嗖糠謩t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、降雪等因素都會對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導致由于傳導和對流引起的熱交換。這種熱交換主要取決于風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。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。相對氣溫和太陽輻射而言，云層狀況、大氣的相對濕度、風速、降水等其他環(huán)境因素對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度接近的變化規(guī)律。氣溫和太陽輻射的變化對于路表和路面結(jié)構(gòu)上層的溫度可以產(chǎn)生即時的影響。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需要一定的時間，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度而言越來越滯后?？梢?，環(huán)境因素對于路面結(jié)構(gòu)下層溫度的影響具有滯后性的特點，而對于路面結(jié)構(gòu)上層溫度的影響則表現(xiàn)出累積性的特點?？傮w而言，路面溫度場的分布不僅與當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。對路面溫度與此前n小時平均氣溫和太陽輻射強度進行了相關(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小時平均氣溫和太陽輻射強度的相關(guān)系數(shù)，表現(xiàn)出先增大后減小的特征，當n=5～6h時達到最大值。這說明瀝青路面溫度場對5h左右時間段內(nèi)的氣溫和太陽輻射強度的變化情況最為敏感。路面溫度場沿深度的分布十分復雜。路面溫度場的典型分布如圖3所示，圖3中散點表示不同時刻路面溫度沿深度的分布，而實線則分別是一次、二次和三次多項式的擬合結(jié)果。顯然，路面溫度在沿深度方向呈三次曲線分布。3瀝青路面溫度場預測模型的建立3.1路面溫度場預測模型建立路面溫度場預估模型的目的是預測路面溫度隨時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，與太陽輻射強度的平方的相關(guān)性最強?；谏鲜霏h(huán)境因素對路面溫度場的影響機理的分析，在預估模型中引入此前5h平均氣溫（Ta5）和5h平均太陽輻射強度的平方（Q52），反映環(huán)境因素對于路面溫度場影響的滯后性和累積性的特點；引入氣溫和太陽輻射強度與路面深度的乘積（H×Ta,H×Q），以反映環(huán)境因素對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）的三次多項式可以更為準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為當前氣溫，℃；Q為當前太陽輻射強度，kW/m2;Ta5為此前5h平均氣溫，℃；Q5為此前5h平均太陽輻射強度，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)有對路面溫度實測數(shù)據(jù)和氣象資料進行回歸分析，即可得到路面溫度場預估模型式待定回歸系數(shù)。回歸分析的結(jié)果如表5所示。預估模型的復相關(guān)系數(shù)R、判定系數(shù)R2、經(jīng)過調(diào)整的判定系數(shù)R2adj以及標準誤差相對回歸分析中的數(shù)據(jù)量都達到相當高的水平。3.3實測值對比分析為了驗證瀝青路面溫度場預估模型的預測效果，對路面溫度實測值和由預估模型計算得到的預測值進行了對比分析，如圖4所示。分析顯示，數(shù)據(jù)點基本上均勻且集中的分布在45°等值線的兩側(cè)，實測值和預測值之間具有較高的一致性。預估模型具有較高的預測精度，能夠準確模擬路面溫度隨時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)境因素對路面溫度場的影響機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