氣候與環(huán)境講稿.doc

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)別道路是露天建筑物道路是線型建筑，涉及的范圍較大2氣候的影響冰凍作用降雨3考慮方法材料結(jié)構(gòu)二凍脹1影響因素對(duì)冰凍敏感的土氣溫下降的快慢水源2水的種類自由水吸附水強(qiáng)結(jié)合水，弱結(jié)合水3凍敏土的種類（工程師兵團(tuán)法）礫石土占砂土占礫石土占 砂土占粉土占公路土的分類土：巨粒土，粗粒土，細(xì)粒土，特殊土巨粒土60占：漂石土，卵石土粗粒土占：礫類土，砂類土細(xì)粒土0.074mm占50%:粉質(zhì)土，粘質(zhì)土，有機(jī)質(zhì)土特殊土：黃土，膨脹土，紅粘土，鹽漬土路基水穩(wěn)定處理辦法換土、路面具有防凍總厚度、設(shè)置隔層、設(shè)置隔溫層路基排水冰凍指數(shù) 度日：表示一日的平均氣溫低于凍結(jié)溫度一度冰凍指數(shù)累計(jì)度日?qǐng)D中最大和最小點(diǎn)之差冰凍指數(shù)與冰凍深度有關(guān)四、溫度變化規(guī)律圖3-1夏季晴天的情況下水泥混凝土層溫度的日變化觀測結(jié)果 大氣的溫度在一年和一日內(nèi)發(fā)生著周期性的變化，與大氣直接接觸的路面溫度也相應(yīng)地在一年和一日內(nèi)發(fā)生著周期性變化。圖3-1和圖3-2分別顯示了夏季晴天的情況下水泥混凝土層和瀝青混凝土面層溫度的日變化觀測結(jié)果。圖中顯示的規(guī)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 夏季晴天的情況下瀝青混凝土面層溫度的日變化觀測結(jié)果 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度狀況隨深度變化的情況，可以更明顯地從一晝夜內(nèi)不同時(shí)刻和路面溫度沿深度分布的曲線圖中看出。溫度梯度通常在早晨的某一時(shí)刻(圖3-6中為8：00)接近于零，午后某一時(shí)刻(圖3-6中為14：00)正溫差達(dá)到最大值，而在凌晨某一時(shí)刻(大約在3：005：00)負(fù)溫差達(dá)到最大值。圖3-3 水泥混凝土面層一晝夜內(nèi)不同時(shí)刻溫度沿深度分布的曲線五、溫度狀況的預(yù)測 決定路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度狀況的因素，有外部和內(nèi)部兩類。外部因素主要是氣候條件，諸如太陽輻射(日照和云量)、氣溫、風(fēng)速、降水量和蒸發(fā)量等。其中，太陽輻射和氣溫是決定路面溫度狀況的兩項(xiàng)最重要的因素。射到路面的短波輻射熱(太陽直接輻射和大氣散射輻射)，一部分被路面反射掉，余下部分則被路面所吸收而增高其溫度。大氣和路面發(fā)出的長波輻射，構(gòu)成了路面的再輻射，使路面放出部分熱量，大氣和路面之間的溫度差異，引起了對(duì)流熱的變換。風(fēng)的作用加強(qiáng)了對(duì)流，使路面喪失了部分熱量。降水和隨后的蒸發(fā)都會(huì)顯著地降低由日照所增加的路面溫度。 內(nèi)部因素則為路面各結(jié)構(gòu)層的熱傳導(dǎo)率、熱容量(比熱)和對(duì)輻射熱的吸收能力等，熱傳導(dǎo)率是單位溫度梯度條件下在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積斷面的熱量，其值同材料的結(jié)構(gòu)、孔隙率和濕度有關(guān)。熱容量系指使單位質(zhì)量的物質(zhì)產(chǎn)生單位溫度變化時(shí)所需要的熱量。 美國E.S.Barber把影響路面的溫度的兩項(xiàng)主要?dú)庀笠蛩貧鉁睾洼椛錈?，綜合成一種當(dāng)量的有效溫度Te，假設(shè)它隨時(shí)間呈正弦周期性變化： （3-3） 并且假設(shè)路面結(jié)構(gòu)為半無限體(Z時(shí)，T0)，根據(jù)這些條件解出式(3-4)，得到路面內(nèi)的溫度場為： （3-4） 估計(jì)長波再輻射(有效輻射)的凈損失平均約為1/3，則： （3-6） 由式(3-4)，根據(jù)氣象資料(日輻射熱、日平均氣溫、日溫差、平均風(fēng)速等)和路面材料的熱特性參數(shù)(熱傳導(dǎo)率、熱容量、輻射熱吸收能力等)，就可確定單一路面層內(nèi)的溫度狀況。 計(jì)算路面的最高溫度時(shí)，以Z=0和正弦函數(shù)值為1代入式(3-4)，可得簡化式為： （3-9） Barber公式主要適用于估算路面表面的溫度變化。但由于面層下各結(jié)構(gòu)層傳熱性能的變化對(duì)面層上部的溫度狀況影響很小，此公式也可用于估算面層接近表面深度范圍內(nèi)的溫度狀況。六計(jì)算結(jié)果分析圖3-5 4月溫度場實(shí)測值與計(jì)算值的比較圖3-6 10月溫度場實(shí)測值與計(jì)算值的比較七路面溫度場隨各因素變化的規(guī)律分析 1、溫度分布 圖3-7和圖3-8所示的6月份溫度分布曲線，清楚地表明了瀝青路面表面溫度的日波動(dòng)量最大，約為40，在5cm深處溫度的日波動(dòng)量最大約為20左右，而瀝青面層底部溫度的日波動(dòng)量約為11左右，在30cm深處的水泥砂礫基層中，溫度日波動(dòng)量最大約為5左右，而在40cm深處的二灰土下基層中，溫度日波動(dòng)量只有2左右。圖3-7 6月路面結(jié)構(gòu)各深度的溫度日變化過程圖3-8 6月路面面層不同時(shí)刻沿深度分布的溫度曲線 從圖3-9和圖3-10所示的1月份溫度分布曲線可見，路面表面溫度的日波動(dòng)量最大約為20，5cm深處溫度的日波動(dòng)量最大約為11，在瀝青面層底部溫度日波動(dòng)量很大約為6，在上基層中部約為3，而在下基層中，溫度日波動(dòng)量不 1.5。圖3-9 1月路面結(jié)構(gòu)各深度的溫度日變化過程圖3-10 1月路面面層不同時(shí)刻沿深度分布的溫度曲線不同深度及不同結(jié)構(gòu)層之間的溫度分布曲線存在相位差，相對(duì)于表面而言，5cm深處的溫度分布曲線的相位差約為1小時(shí)，瀝青面層底部的相位差約為5小時(shí)，在40cm的底基層中，溫度達(dá)到最大值的時(shí)間一般在0點(diǎn)前后，其相位差約為12小時(shí)。九瀝青面層厚度對(duì)溫度的衰減作用 圖3-7和3-10表明，雖然瀝青面層表面溫度波幅分別高達(dá)約40和20，但在瀝青面層底部和基層頂面的溫度波幅卻分別只有11和6左右，這說明了瀝青面層具有較好的溫度衰減作用，面層對(duì)溫度的衰減作用顯然與面層的厚度有關(guān)，圖3-11中，計(jì)算了瀝青面層厚度與基層頂面溫度的關(guān)系。圖3-11 瀝青面層厚度與基層頂面溫度波幅的關(guān)系 在瀝青路面溫度場分析中，弄清面層厚度與基礎(chǔ)頂面溫度波幅之間的關(guān)系，有助于根據(jù)基層材料的溫縮性能狀況來設(shè)計(jì)瀝青面層厚度，基層溫縮性小時(shí)，基層頂面允許的不開裂溫度波幅可大些，而面層厚度亦可小些，反之，基基層溫縮性較大時(shí)，基層頂面允許的不開裂溫度波幅則應(yīng)較小，從而面層厚度應(yīng)設(shè)計(jì)的大些，具體情況須根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、路面材料性能來確定。十溫度速率 降溫是瀝青路面產(chǎn)生溫縮裂縫的最直接起因，降溫速率及降溫持續(xù)時(shí)間都將明顯影響瀝青路面的溫度裂縫。因此，研究在不利溫度條件下，瀝青路面的降溫速率及其日過程具有重要意義。 路面結(jié)構(gòu)溫度場前后不同時(shí)刻的溫度差直接決定溫度應(yīng)力的大小，而表征這一時(shí)刻溫度變化大小的是路面溫度變化速率(簡稱溫度速率)，溫度速率大，則這一時(shí)刻前后溫度差大，從而在該時(shí)刻產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也大，反之亦然。由于在一天內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)要經(jīng)歷升溫和降溫兩個(gè)完全相反的溫度過程，溫度速率要經(jīng)歷由正變負(fù)的過程，路面升溫時(shí)溫度速率為正，降溫時(shí)為負(fù)。因此，正的溫度速率使路面產(chǎn)生壓應(yīng)力，負(fù)的溫度速率使路面產(chǎn)生拉應(yīng)力，而溫度速率為零時(shí)，相應(yīng)時(shí)刻路面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力的也為零。典型路面溫度場不同時(shí)刻和不同深度的溫度速率的基本規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見圖3-17。圖3-16 6月不同深度溫度速率的日變化過程曲線圖3-17 6月瀝青路面不同深度處溫度梯度的日變化過程 上面的計(jì)算結(jié)果表明：溫度速率在路表面達(dá)到最大值，晴天時(shí)一般在上午9-10時(shí)溫度上升速度最快，在下午16-17時(shí)溫度下降最快，隨著深度增加，溫度速率逐漸減小，在基層和底基層中部，溫度速率已很小，這一情況也從一個(gè)側(cè)面說明了導(dǎo)致瀝青路面開裂的主要原因是瀝青面層本身的溫縮，此外，路面升溫速率明顯大于路面降溫速率。十一溫度梯度 由于同一時(shí)刻不同深處路面溫度存在溫度差，因此，瀝青路面就存在沿深度變化的溫度梯度，一般當(dāng)上面的溫度大于下面的溫度時(shí)，稱為正溫度梯度，反之稱為負(fù)溫度梯度，由于白天路表最高溫度與其下某一深處的溫度差遠(yuǎn)大于夜間路表最低溫度與其下同一深處的溫度差，因此，最大正溫度梯度一般比最大負(fù)溫度梯度的絕對(duì)值大，因此，正溫度梯度是剛性路面設(shè)計(jì)的主要溫度依據(jù)。 顯然，路面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力不僅與溫度速率有關(guān)，還與沿深度變化的溫度梯度有關(guān)，與板塊結(jié)構(gòu)的水泥混凝土路面不同，瀝青路面中所關(guān)心的并非是在某溫度梯度下水泥混凝土板產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力，而是由此產(chǎn)生的溫度拉應(yīng)力及在此應(yīng)力下路面是否開裂和開裂的規(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 水泥混凝土路面溫度梯度值 水泥混凝土路面的溫度狀況是溫度應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)，我國原有的水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范，采用威士特卡德理論計(jì)算溫度應(yīng)力，并取設(shè)計(jì)溫度梯度為0.67/cm。此值是三十年代在美國阿林頓實(shí)測的結(jié)果，五十年代曾被蘇聯(lián)引用，后又傳入我國。六十年代，德國J.艾森曼、G.惠耳教授實(shí)驗(yàn)研究了水泥混凝土路面的溫度狀況，提出德國設(shè)計(jì)溫度梯度為0.9/cm蘇聯(lián)戈雷茨基研究了蘇聯(lián)各氣候區(qū)的水泥混凝土路面溫度狀況，認(rèn)為設(shè)計(jì)溫度梯度應(yīng)按各氣候區(qū)取不同值，蘇聯(lián)各氣候區(qū)實(shí)測最大溫度梯度在0.24-0.72/cm之間。我國各地區(qū)氣候情況有顯著差別，全國一律取用設(shè)計(jì)溫度梯度為0.67/cm，顯然是不合理的。 美國和德國的設(shè)計(jì)溫度梯度是根據(jù)個(gè)別地區(qū)、個(gè)別年份的實(shí)測最大溫度梯度值適當(dāng)提高或降低而定出的。這種做法帶有一定的偶然性。戈雷茨基對(duì)蘇聯(lián)的各氣候區(qū)進(jìn)行了多年的混凝土路面溫度狀況實(shí)測工作，比較全面地總結(jié)出了水泥混凝土路面溫度狀況變化的一般規(guī)律，他提出了水泥混凝土路面狀況的理論公式主要是針對(duì)蘇聯(lián)地理?xiàng)l件的。他曾提出應(yīng)按地基、基層和混凝土面材料的不同熱性能建立層狀熱傳導(dǎo)模型，但在理論上未對(duì)此作進(jìn)一步研究。 采用理論方法分析路面溫度狀況的還有巴伯(F.S.Barber)、佩托里葉斯(P.C.Pretorium)和克里斯蒂森(J.T.Christison)等，其中佩托里葉斯和克里斯蒂森，分別采用有限元法和有限差分方法分析了由不同熱性能材料組成的層狀路面的溫度狀況，但他們的分析對(duì)象僅限于黑色路面的最高溫度和最低溫度。有關(guān)成果無法用于進(jìn)行水泥混凝土路面的溫度梯度等分析。 疲勞溫度梯度 國內(nèi)現(xiàn)有的混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法僅計(jì)荷載應(yīng)力一項(xiàng)而未考慮溫度應(yīng)力對(duì)路面疲勞損壞的影響，這顯然不夠合理。而要考慮這兩項(xiàng)應(yīng)力的綜合疲勞影響，關(guān)鍵是要提供一種簡便、合理的疲勞設(shè)計(jì)方法。在各種路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，常常采用標(biāo)準(zhǔn)軸載和軸載換算系數(shù)來考慮各級(jí)軸載的疲勞損壞作用。而軸載換算系數(shù)可依據(jù)所采用的疲勞方程等效疲勞損壞原則推算得到?？梢栽O(shè)想，路面實(shí)際發(fā)生的各級(jí)溫度梯度的疲勞損壞影響，也可按類似的方法考慮，也即，需要求一個(gè)等效的溫度梯度，當(dāng)路面處于該溫度梯度狀態(tài)時(shí)，其疲勞損壞程度達(dá)到在相同的交通量和軸載譜作用下，同一種路面結(jié)構(gòu)在實(shí)際溫度梯度狀態(tài)下應(yīng)有的損壞程度。為簡明起見，不妨稱此等效溫度梯度值為疲勞溫度梯度，用Tg表示。不難想象，采用軸荷換算系數(shù)和疲勞溫度梯度，就可以使復(fù)雜多變的行車及溫度狀態(tài)等效地轉(zhuǎn)化為單一的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用和單一的溫度梯度狀態(tài)。這無疑將使考慮荷載和溫度梯度的綜合疲勞損壞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法大大簡化。 利用浙江省交通設(shè)計(jì)院提出的小梁疲勞試驗(yàn)方