（大地测量学与测量工程专业论文）基于gis方法的湖南省沥青路面气候影响分区研究.pdf

l i i ll li il ll l liii llliil y 18 8 3 8 7 5 c l i m a t ei m p a c tr e s e a r c hd i v i s i o na n db a s e do ng i s m e t h o do fa s p h a l tp a v e m e n ti nh u n a np r o v i n c e b y f ul i l i b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n g e o d e s ya n ds u r v e y i n ge n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh ey u e g u a n g m a r c h ，2 01l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：伺雨面 日期：加 f 年岁月7 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打” ) 作者签名：们j 讯丽 导师躲乡泸乞 ，一、 日期：2 , 0 1 1 年y 月移e 1 日想乒，f 年月。乡e l 摘要 沥青路面铺成后便长期暴露于自然环境之中，受到各种自然因素的影响，气 候又是最为活跃的因素，沥青路面必须适应当地气候条件，才能保障其应有的使 用寿命和正常服务水平。 论文在对湖南省境内沥青路面路况调查的基础上，结合全省各地气象资料的 调查结果，并以国内外最新研究成果为参照，分析了气候因素对沥青路面的影响， 在对湖南省水温状况分析的基础上，确定了适合湖南省沥青路面气候影响分区的 模型，并制作了出相关的分区图，建立了相关的数据库系统。 首先，通过对湖南省在建与拟建的沥青公路的研究，结合湖南省2 3 个地区 1 0 年的气象资料，分析得出按国家标准和根据湿热系数模型，进行气候三级分 区的方法，适合于湖南省沥青路面的现状。两种分区方法可以满足不同的需要， 进行湖南省的公路沥青路面气候三级分区，并在分区的基础上，对湖南省的沥青 路用性能进行了p g 分级。 其次，通过对湖南省路况、气候资料进行调查分析，利用m a p g i s 强大的图 形图像处理功能以及空间分析查询功能和地图的编辑制作功能，对湖南省沥青路 面进行了气候影响分区图的划分，并制作出相关的地图。并建立了湖南省沥青路 面气候影响分区数据库系统，该系统共分8 个窗体，基本实现了数据的添加、删 除、刷新、查询等方面的基本功能，完成了湖南省公路沥青路面气候影响三级分 区。利用该系统可以更便捷的服务于道路系统的需求。 根据不同地区与不同气候条件对沥青质量及沥青混合料性质提出不同的要 求，使路面具有较强的高温抗车辙能力、低温抗裂性能和水稳定性，这是关系到 公路路面使用质量的重要问题。道路沥青及沥青混合料路用性能气候区划在实际 应用中有重要意义。 关键字：气候影响分区；m a p g i s ；空间分析查询；v b 数据库 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n ta r ee x p o s e dt ot h en a t u r a le n v i r o n m e n tf o ral o n gt i m ea n d i n f l u e n c e db yv a r i o u sn a t u r a lf a c t o r sa f t e rp a v e d ，c l i m a t ei st h em o s ta c t i v ef a c t o r ， a s p h a l t p a v e m e n t m u s tb ea d a p t e dt ot h el o c a lc l i m a t ec o n d i t i o n si no r d e rt o g u a r a n t e ei t sp r o p e ra n dn o r m a ls e r v i c el i f e t h e s i si sb a s e do nt h er o a ds u r v e yo fa s p h a l tp a v e m e n ti nh u n a np r o v i n c e ， c o m b i n e dt h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t so ft h em e t e o r o l o g i c a lm a t e r i a l so fa l lp a r t so ft h e w h o l ep r o v i n c e a n dc o n s u l t e dt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ll a t e s tr e s e a r c hr e s u l t s ， i th a sa n a l y z e dt h ei m p a c to fc l i m a t ef a c t o r so na s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e ，b a s e do n t h ea n a l y s i so ft h ew a t e rt e m p e r a t u r es i t u a t i o ni nh u n a np r o v i n c e ，i td e t e r m i n e dt h e s u i t a b l ec l i m a t eo fh u n a nd i v i s i o no fa s p h a l tp a v e m e n tm o d e la n dp r o d u c e dt h e r e l a t e dz o n i n gm a p ，a n da l s oe s t a b l i s h e dt h er e l e v a n td a t a b a s es y s t e m f i r s t ，t h r o u g hs t u d y i n gw i t hb i t u m i n o u sh i g h w a yt h a tb e i n gu n d e rb u i l d i n go r p l a nt ob u i l di nh u n a np r o v i n c e ，a n dc o m b i n i n gw i t h l 0y e a r so f m e t e o r o l o g i c a ld a t a o f2 3r e g i o n si nh u n a np r o v i n c e t h e s i so b t a i n st h a tn a t i o n a ls t a n d a r d sm o d e la n d h e a tc o e f f i c i e n tm o d e la r es u i t a b l ef o rt h es t a t u so fa s p h a l tp a v e m e n ti nh u n a n p r o v i n c e t w op a r t i t i o nm e t h o d sc a nm e e td i f f e r e n tn e e d s ，h u n a nc a r r i e dt h ea s p h a l t p a v e m e n tc l i m a t et e r t i a r ya r e a ，a n do nt h eb a s i so fd i v i d i n ga r e a ，i ta l s oc a r r i e dp g r a t i n go f t h ea s p h a l tp e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，t h r o u g hi n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s t h et r a f f i cc o n d i t i o n sa n dt h e c l i m a t es u r v e yd a t ao fh u n a np r o v i n c e ，u s i n gm a p g i sp o w e r f u lg r a p h i c si m a g e p r o c e s s i n ga n ds p a t i a la n a l y s i sa n dq u e r yf u n c t i o n s ，a n da s l o t h em a pe d i t i n g f u n c t i o n ，i tc a r r i e d t h ec l i m a t ed i v i s i o nz o n i n gp l a nf o rh u n a np r o v i n c eo fa s p h a l t p a v e m e n t ，a n dp r o d u c er e l e v a n tm a p s i ta l s oe s t a b l i s h e da c l i m a t eo fh u n a na s p h a l t p a v e m e n tp a r t i t i o n e dd a t a b a s es y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so f8f o r m s ，b a s i c a l l yr e a l i z e d t h ed a t at oa d d ，d e l e t e ，r e f r e s h ，i n q u i r ya n do t h e rb a s i cf u n c t i o n s ，i tc o m p l e t e dc l i m a t e o fh u n a nh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n tt h r e ep a r t i t i o n s u s i n gt h i ss y s t e mc a nb em o r e c o n v e n i e n tt os e r v et h en e e d so ft h er o a ds y s t e m a c c o r d i n gt od i f f e r e n tc l i m a t i cc o n d i t i o n si nd i f f e r e n ta r e a s ，i tr e q u i r e m e n t s d i f f e r e n tp i t c hq u a l i t ya n da s p h a l tm i x t u r ep r o p e r t yt om a k et h er o a dh a sas t r o n g h i g h t e m p e r a t u r er u t t i n gr e s i s t a n c e ，l o wt e m p e r a t u r ec r a c k i n gr e s i s t a n c ea n dw a t e r s t a b i l i t y ，t h o s ea r ei m p o r t a n ti s s u e st h a tr e l a t e dt ot h eu s i n gq u a l i t yo ft h eh i g h w a y i i p a v e m e n t r o a da s p h a l t a n da s p h a l t p e r f o r m a n c e c l i m a t ed i v i s i o n sh a v ea n i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c l i m a t ei m p a c ta r e a ；m a p g i s ；s p a t i a ia n a l y s i sq u e r i e s ；v bd a t a b a s e i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 课题研究背景1 1 2 国内外应用和研究现状2 1 2 1 国外应用和研究现状一2 1 2 2 国内应用和研究现状一4 1 3 研究的目的和内容一6 1 4 研究的方法7 1 5 论文内容的框架结构7 1 5 1 关于论文内容框架结构的说明7 1 5 2 论文内容的框架结构7 第二章湖南省水温状况分析 2 1 路基水温状况的影响9 2 2 湖南省水温状况分析1 0 2 2 1 湖南省地理位置和自然概况1 0 2 2 2 温度分析1 1 2 2 3 雨量分析1 7 2 3 本章小结19 第三章湖南省气候影响分区 3 1 国内几种气候分区方法2 1 3 1 1 四种模型简介21 3 1 2 四种模型的比较分析2 9 3 2 湖南省沥青路面气候影响分区3 0 3 2 1 分区方法一3 0 3 2 2 分区方法二3 2 3 3 本章小结3 5 第四章湖南省沥青路用性能p g 分级 4 1 沥青路用性能p g 分级3 6 4 2 湖南省沥青路面使用性能p g 分级3 7 4 3 湖南省地区沥青的p g 分级3 9 4 4 本章小结4 l 第五章基于m a p gis 的湖南省气候影响分区数据库 5 1m a p g i s 的基本内容4 2 5 1 1m a p g i s 的主要优点_ 4 2 5 1 2m a p g i s 的用途4 3 5 1 3 基于m a p g i s 的湖南省气候影响分区图4 4 5 2v b 的基本内容4 8 5 2 1v b 的发展4 8 5 2 2v b 的功能特点一4 8 5 2 3v b 编码规则4 9 5 2 4v b 的语法规则4 9 5 3 数据库的基本内容51 5 3 1 数据库的产生与发展5 1 5 3 2v i s u a lb a s i c 的数据库应用一5 1 5 3 3s q l 在v i s u a lb a s i c 的应用5 2 5 3 4v i s u a lb a s i c 数据库访问控件5 2 5 4 湖南省沥青路面气候影响分区数据库系统5 2 5 4 1 数据库系统的主要界面5 3 5 4 2 数据库系统的主要程序5 7 5 5 本章小结6 0 第六章结论与展望 6 1 结论6l 6 2 展望6 2 参考文献6 3 致谢6 6 附录( 攻读硕士期间发表论文及参与项目) 6 7 第一章绪论 1 1 课题研究背景 由于沥青道路铺成之后，其路面长期暴露在自然环境之中，各种自然因素会 对其产生很大的影响，其中气候又是最为活跃的影响因素。而沥青性能又是影响 道路沥青混合料路用性能的主要原因，外在的环境因素如荷载及气候因素等又对 沥青性能产生极大的影响。为了保障沥青路面应有的使用寿命和正常的服务水 平，沥青路面必须能够适应当地的气候条件。 根据工业发达国家的资料显示，在高速公路以及城市道路上，使路面的使用 性能降低并导致其损坏的最重要的原因是由于夏季高温季节行车造成的车辙引 起的。同时，在冬季气温骤降和反复升温及降温的过程中，又引起沥青路面的横 向开裂，这种现象在很多寒冷地区都是普遍存在的u ，。 除了温度因素的影响外，水份也对沥青混合料的性能产生极其重要的影响。 水份渗入到沥青与集料的界面上，就会导致其粘附性的降低，并在荷载的作用下， 集料有会产生剥离和坑洞现象，这些都将会致使沥青路面混合料发生剥离以及松 散破坏。 因此，公路路面必须对环境的变化具有很强的抵抗能力，才能为汽车运输提 供快速、安全和舒适的行车条件，所以，公路路面应具有平整、坚实、耐久以及 抗滑的品质，同时还应该具有防止雨水渗入到基层，以及抗水损害，高温抗车辙 和低温抗开裂功能。 我国幅员辽阔，气候变化又非常大，各地不同的气候条件又会导致它的路用 性能产生较大的差异，例如在不同的温度条件下，路面就会产生不同的损坏形式， 高温容易产生车辙、拥包、低温又容易产生开裂等现象，并且，各地区各类型的 损坏现象又有着不同的轻重程度。因此，对沥青路面的使用性能的要求各个地区 都应该有所差别n ，。 根据不同地区以及不同的气候条件对沥青质量和沥青混合料性质提出不同 的要求，我国根据不同地区以及不同的气候特点，提出了非常实用的沥青分级标 准。使沥青路面具有较强的水稳定性、高温抗车辙能力和低温抗裂性能，并且延 长沥青路面的使用寿命，这对于公路沥青路面的使用质量来说，是一个非常重要 问题。因此，在此提出关于道路沥青和沥青混合料的使用性能的气候影响分区在 实用上有非常重要的意义，。 1 2 国内外应用和研究现状 关于气候对沥青路面的影响以及气候影响三级分区的问题，国内外都早已有 研究成果。例如美国早在1 9 9 0 年代末就基本上完成了气候对沥青路面影响的三 级区划工作，国内在近些年也有几种分区模型已经应用于实践了。现在分别做如 下介绍。 1 2 1 国外应用和研究现状 在美国1 9 8 8 年的战略公路研究计划( s h r p ) 一一沥青项目中，已经对沥青 和沥青混合料提出了按气候分级的设想，建立以沥青路面的使用性能为基础的沥 青和沥青混合料的标准。这是种主要考虑温度因素的沥青性能的气候分级，它主 要考虑低温和高温两种极端的情况。 高温条件下，在s h r p a 一6 4 8 的报告中规定，用路表的热气流来决定路表温度， 但是，路表热气流又是由很多方面的因素决定的，可以用下式来表示： 热气流= 直接太阳辐射热+ 热扩散空气对流热传导一路面体的辐射 空气温度与路表温度之间可以进行换算，并通过纬度的关系建立以下的关系， 这是经过理论分析得出来的公式： = 一0 0 0 6 1 8 l a t 2 + o 2 2 8 9 l a t + 2 4 4 ( 1 1 ) 在s h r p 中，规定的路面温度，是路表以下深度2 0 m m 处的温度，路表温度和它有 如下的关系： t 2 0 r a m m ( “矿+ 1 7 7 8 ) 0 9 5 4 5 1 7 7 8 ( 1 2 ) 疋o 。= ( z 咖一o 0 0 6 1 8 l a t + 4 2 2 ) 0 9 5 4 5 1 7 7 8 ( 1 3 ) 该式中：及t 2 0 r a m 分别表示路表的温度和路表以下深度2 0 m m 处，都以计 算；表示空气的温度；励表示纬度，以计算。 但是，路面温度的关系对于不同的研究单位来说，又有着不同的关系式，以 美国在f h w a 中建立的经验公式为例来说，在一年中，最热的7 天中的热气流传入 路面不同深度d 的温度变化如( 1 4 ) 式所示： 乃2 ( 1 一o 0 6 3 d + 0 0 0 7 d 2 一o 0 0 0 4 d 3 ) ( 1 4 ) 2 式中：t 形和r d 分别表示路表温度和深度位于d 处的温度，都以下计。 不过，在s h r p 建立的该公式中，1 a i r 和12 0 r a m 的关系并没有考虑到高程的影响， 它只是考虑了纬度对其的影响。但在实际中，对于高山和平原来说，即使是处于 相同的纬度，显然，它们也是不相同的，并且根据不同国家的不同情况，该情况 又肯定是不相同的。实际上，在s h r p 公式中，永久变形的试验条件采用的是路面 下5 c m 处的温度，据说，这样做是因为，5 c m 处的温度与永久变形的相关性比较好 的缘故。 在低温时的s h r p 模式如下： = 瓦矿= l ， 在该式中： 乙矿和表示的是路面的低温设计温度，也就是路表的最低温度； ( 1 5 ) 谢，表示年最低空气温度，有5 0 可信度时，用的是正常年平均值，有9 8 的置信 度时，则是用平均值一2 仃。 加拿大的c - s h r p 模式如( 1 6 ) 式所示： 2 0 8 5 9 t o , , + o 1 7 ( 1 6 ) s u p e r p a v e 中，在低温条件下，路面低温设计温度原是以冬季最低气温作为 标准，并且，它的界限分别是一i o c 、一1 6 c 、- 2 2 、- 2 8 、- 3 4 、- 4 0 、一4 6 。但是后来又考虑到实际温度要高于该温度，于是，加拿大c s h r p 研究在此基 础上，又提出了一个新的模式，并且s u p e r p a v e 也采用了此模式。 但是，由高纬度地区的数据推导得出的c - s h r p 的模式，同样，在其它地区也 会出现一些问题。所以，美国长期路用性能研究( l t p p ) 又在此基础上补充研究， 并且提出了如( 1 7 ) 式所示的新的模式： 一1 5 6 + 0 7 2 乙+ o 0 0 4 l a t 2 + 6 2 6 1 9 ( h + 2 5 ) 一z ( 4 4 + 0 5 2 0 2 0 i , - ) 1 他 ( 1 7 ) 在该式中： 乙表示正常年平均值的最低空气温度；r 即表示路面表面的最低温度； l a t 表示纬度；日表示路面深度( m m ) ；仃a i r 表示低温一侧的标准差； z 表示正态分布的概率，z = o 时，置信度为5 0 ，z = 2 0 5 5 时，置信度为9 8 。 除了温度因素的影响外，沥青结合料的路用性能分级的气候影响因素，又增 加了水分因素，并且按照年降雨量共分为4 级，此分级的界限为2 5 4 m m 、6 3 5 m m 、 1 0 1 6 m m ，即l o 英寸、2 5 英寸、4 0 英寸。此外，再加上交通量的影响，实际的分 级将会更多”。 1 2 2 国内应用和研究现状 由于我国地域辽阔，各地的地形地貌、气候以及水文地质等自然条件相差非 常的大。又因为自然条件在不同地区的差异性与公路建设关系非常密切，也为了 区分不同的自然条件在不同的地理区域对公路工程影响的差异性和不同的筑路 特点，以对公路工程的设计、施工和养护起总的指导作用，应该综合考虑地势阶 梯、气候、新构造特征以及土质等因素。我国对此将公路自然区划分为了三大地 带：多年冻土、季节冻土以及全年不冻土，并把它分为三个等级，如图1 1 所示。 此次区划是按照下面三个原则制定的c ，： ( 1 ) 自然气候因素既有综合又有主导作用的原则 各种因素综合作用的结果，表现出来就是自然气候的变化，但是，在各种因 素中，肯定又有某种因素在其中起着主导的作用，以道路冻害现象为例来说，该 现象是由于水和热综合作用的结果。但是在东北的潮湿区以及西北干旱区，它们 同样都有负温度，但后者的冻害程度却比前者的轻，这就说明，水的因素在起着 主导作用；而对于南方来说，因为只有水而没有寒冷气候的影响，就不会产生冻 害现象，这说明温度因素在起着主导作用。 ( 2 ) 道路工程特征相似的原则 其筑路应该具有相似性，该原则是对于在同样的自然因素下，并且在同一区 划内来说的，比如，雨季对南方来说是不利的季节，因为在雨季会出现水毁及冲 刷等病害，而春融时期是北方不利季节的主要集中时期，因为在该时期内翻浆等 病害会时常出现。 ( 3 ) 地表气候区划差异性的原则 地带性差异和非地带性差异综合作用的结果即是地表气候。在一般情况下， 当地纬度的变化会引起地表气候随着发生变化，以北半球为例来说，南方很温暖， 北方却很寒冷，这就称之为地带性差异。除此之外，地表气候还与( 沿垂直方向 的变化) 即高程的变化有关系，比如青藏高原，由于海拔比较高，跟它纬度相同 的其他地区相比较，它的气候会显得更加的寒冷，这称之为非地带性差异。 对于我国三级区划的相关因素，现在做以下介绍： ( a ) 根据气候、地貌、土质以及地理等自然因素来进行一级区划的划 4 分，一级区划共划分为7 个部分。一级区划是以永冻土范围线和黄土界线，秦岭 淮河线以及1 0 0 0 m 、3 0 0 0 m 等高线作为它划分的主要界线。 七个一级区划的代号及名称分别为：北部多年冻土区为第1 区；第1 i 区是东 部温润季冻区；黄土高原干湿过渡区是第区；第区为东南湿热区；西南潮暖 区为第v 区；第区是西北干旱区；青藏高寒区为第区。又由于气候条件在各 区划中是不相同的，所以，在做道路设计时，要重点考虑的因素也会不同。如图 1 1 所示即为我国的公路自然区划示意图。 图1 1 我国公路自然区划示意图 ( b ) 以气候和地形为主导因素来进行二级区划的划分，它划分的主要依据 是潮湿系数k 。( k 。= 眦，r 为年降雨量，z 为年蒸发量) ，二级区划共划分为 六级( 过湿区k 。2 0 ，中湿区2 0 k 。1 5 ，湿润区1 5 k 。1 0 ，润干区 1 0 k 。，0 5 ，中干区0 5 k 。o 2 5 ，过干区o 2 5 k 。0 ) 。在全国7 个一级自 然区划内，依据二级区划的主导因素及标志，又可以划分为3 3 个二级区以及1 9 个副区，即亚区，总共有5 2 个二级自然区。 ( c ) 在二级区划的基础上进一步划分即是三级区划，共有两种三级区划划 分的方法：第一种是把二级区划以地貌、水热和地理等为标志，细分为若干个区 域，该种区划划分是由各省以及各自治区自行划定的；另一种是把二级自然区划 按照土质、水文以及地貌类型，细划分为若干类型单元的。 虽然我国公路自然区划的主要目的还是为沥青混合料的设计服务，但是，该 分区还是不能完全满足实践的需求。所以，只有全面的了解了影响沥青路面气候 条件的分布以及异同性，公路工作者才能在投资决策、宏观规划以及沥青路面的 5 设计中，更好的把握气候因素的影响。 关于气候对沥青路面气候影响分区的研究问题，国内也有过几种研究模型， 现做如下介绍： 1 对河北省进行的沥青路面气温分区，用的是s h r p 公式，利用河北省沥青 路面极端最高温度和极端最低温度的计算结果，来对河北省沥青路面进行气候影 响分区的i t , e l 。 2 沈金安在1 9 9 7 年研究道路沥青和沥青混合料的气候影响分区时，构建了 三指标模型，即采用累年7 月平均最高气温、累年极端最低气温以及累年年平均 降雨量这3 个指标来综合评价气候因素对沥青和沥青混合料的影响n ”。 3 2 0 0 8 年，苗英豪等人在h a r v e yj 等于2 0 0 0 年构建的降雨一温度指数的基 础上，又构建了降雨一冰冻指数( p f i ) 与降雨一气温指数( p a t i ) 模型c t ”，并以此来 评价降水和冻融循环过程的组合以及降水和高温过程的组合对沥青路面水损害 的影响。 4 孙长新等人在2 0 0 0 年研究广东省的沥青路面气候影响分区时，又构建了 用以评价气候因素对沥青路面的高温稳定性以及水稳定性影响的湿热系数( 累年 年降雨量与累年7 月平均气温的比值) 模型，。 目前，我国只有广东、河北、四川等省对各自区域内的公路沥青路面进行了 三级区划。所以，为了从总体上认识湖南省影响沥青路面的气候条件的分布以及 异同性。本文在借助自然区划研究方法的同时，又针对实践的需求，以m a p g i s 和v b 为平台，对湖南省的沥青路面气候影响分区展开了研究。 1 3 研究的目的和内容 水分因素以及温度因素都会影响沥青结合料的路用性能，从湖南省正在建设 的和拟建的高等级公路沥青路面的设计文件可以看出，气候因素对公路沥青路 面的影响非常大。在沥青的选材和混合料的类型选择以及结构组合上，虽然湖南 省在修筑沥青路面时，对本省的气候特点都做了不同程度的考虑，但是，仍然会 顾此失彼。所以，这就很有必要对湖南省公路沥青路面气候影响分区进行研究， 并在此基础上对湖南省的沥青路用性能进行p g 分级。 早在1 9 9 0 年代末，美国就基本上完成了气候的三级区划”，而湖南省尚未 考虑对本省的气候影响进行三级区划以及对沥青的路用性能进行p g 分级。为了 指导湖南省在建和拟建公路沥青路面的选材，预防路面灾害的发生和管理以及混 合料的类型选择和结构组合的设计，探讨以路面温度为控制指标的沥青气候影响 分区十分必要。 针对湖南省不同地区不同的自然状况及气候条件，研究适合不同地区的合理 的沥青路面结构，并在分区的基础上制作出分区图，建立相关的数据库系统，这 6 对湖南省来说，是目前急待解决的一个重要课题。该分区的进行对于提高沥青路 面的设计质量以及使用性能并延长沥青路面的使用寿命具有十分重要的现实意 义，对于深化该领域的研究，也起着十分积极的作用。 1 4 研究的方法 1 通过对国内外现存的几种分区模型进行对比分析，选出了两种适合湖南省 沥青路面气候分区的模型。一种是参照全国划分气候分区的方法和原则，根据湖 南省的具体气候特点，划分湖南省的气候分区。另一种方法是采用湿热系数模型， 并在此模型的基础上做少许改变，在构建湿热系数时，采用累年年降雨量的平均 值与年平均高温的比值，进行湖南省的气候分区划分。 2 借鉴s h r p 的研究思路，根据湖南省沥青路面气候分区类型，并与我国规 范的气候分区进行对比研究，对沥青的路用性能进行了p g 分级。 3 利用v b 中控件对数据库强有力的的访问能力及存取能力，以及m a p g i s 强大的图形图像处理功能和空间分析查询功能等，制作湖南省的气候分区图及沥 青路用性能p g 分级图，并建立相关的数据库系统。 1 5 论文内容的框架结构 现在对论文内容的框架结构做如下的介绍。 1 5 1 关于论文内容框架结构的说明 1 论文内容的框架结构是按照提出问题一一分析问题一一解决问题的安排 研究内容的： 2 论文内容的框架结构分为三大部分：右边为理论部分，中间为应用程序实 现部分，左边为结论部分。总体研究方向从右向左进行； 3 依据此框架结构，对论文的章节进行划分。 1 5 2 论文内容的框架结构 论文通过分析研究国内外气候分区的现状，根据收集到的湖南省路况以及湖 南省2 3 个市1 0 年的气候资料，重点利用m a p g i s 对湖南省进行了气候影响分区 及沥青路用性能p g 分级图的制作，并在此基础上建立了湖南省沥青路面气候影 响分区及沥青路用性能p g 分级数据库系统，论文最后得出结论，并进行了展望。 论文的研究路线和主要内容如图1 2 所示。 7 图1 2 论文研究路线与主要内容 8 第二章湖南省水温状况分析 根据对高速公路的道路状况进行调查发现，在冬季，沥青路面容易产生温缩 裂缝，该现象主要是由于气温的骤降以及反复的升温降与温引起的，而路面横向 开裂的最主要的原因就是温缩裂缝；而在夏季，导致路面损坏最重要的原因就是 高温季节行车时造成的车辙。 除了温度因素的影响外，另一个对沥青混合料的性能产生重要影响的因素是 水。水分渗入到沥青和集料的界面上，就会使它的粘附性能大大降低，并且，再加 上荷载的作用，集料很容易就会产生剥离以及坑槽等水损害的现象n 1 ”1 。 所以，该如何选择出恰当的沥青材料以适合各个地区的气候特点，并且又能 使沥青路面具有较强的水稳定性和高温抗车辙能力以及低温抗裂性能，从而使沥 青路面的使用寿命得以延长，这对公路沥青路面的使用质量来说，将是一个非常 重要的问题t ”，。 2 1 路基水温状况的影响 由于路面结构在建成后便裸露在地表上，各种自然因素将对它产生直接的影 响。通过实践表明，虽然很多路面遭受到的所施加的车轮荷载的破坏程度非常严 重，但是与它受到的自然力的破坏程度相比，后者的破坏程度远比前者严重的多。 所以，这就要求路面结构必须能够抵抗得住各种自然气候要素对它的破坏力”。 温度因素以及湿度因素的影响是自然因素影响的两个最主要的表现方面。温 度和湿度的变化对将对路基产生共同的影响，我们把这种影响称之为路基的水温 状况。周围自然因素的变化将会引起路面结构的温度与湿度状况随之发生变化。 而路面材料的状态及其性质又会随着这些变化而发生相应的改变n ”。 温度对沥青材料的影响非常的大，而路面的温度变化又是非常的复杂多变。 研究表明，气候对沥青路面的影响主要表现在两个方面：一种是高温引起的车辙； 另一种是温缩应力引起的开裂。除此之外，例如降雨和日照，温度和风以及冻融 等气候条件也会对路基的强度产生比较大的影响，而路面的性能又直接受到路基 强度的影响 1 6 , 1 7 ，。由于外界各种因素在路基的使用过程中都会对它产生影响，使 路基的湿度发生变化，而路基的湿度和大气温度引起的水温状况变化又与路基的 稳定性和强度在很大程度上关系非常的密切。 影响路基湿度的水源主要包括有地下水、水蒸气凝结水、大气降水、薄膜移 动水、地面水以及毛细水等。除了水的来源会影响路基的湿度外，路基湿度还与 当地的大气温度的影响有着十分重要的关系。 9 随着各地的自然条件的不同，气候特点的不同，还有所采取的工程措施等的 不同，上述两者对路基湿度的影响程度也会有所不同。 2 2 湖南省水温状况分析 通过上面的介绍了解到，湿度与温度的变化对路基将会产生直接的影响，而 路基的强度又直接影响到路面的性能，为了对沥青路面进行气候影响分区，首先 必须对湖南省的水温状况进行分析。 2 2 1 湖南省地理位置和自然概况 1 湖南省的地貌特征 湖南省位于我国的南部、长江中游，因其大部分地区在洞庭湖之南，故称之 为湖南。又因其境内湘江流贯南北而历称之为湘。 中北部低落，呈蹄形，东西南三面环山，这就是湖南省的主要地形面貌。湖 南省中部有很多宽广的谷地以及盆地，大部分地区都为丘陵为主；壶瓶山位于石 门县境内，其海拔为2 0 9 9 m ，是湖南省内的最高点；洞庭湖平原位于湖南省的北 部，其地势比较低平，海拨大部分都在5 0 m 以下。 湖南全省的土地总面积大约有3 1 7 7 4 3 5 万亩，其中山地占5 1 2 左右，约 1 3 1 为平原，丘陵大约为1 5 4 ，盆地有1 3 9 左右；占湖南全省总面积的6 4 的是水面，共有1 3 5 3 7 万公顷。而海拔高度在5 0 m 以下的面积约占湖南省总面 积的9 9 ，海拔高度在1 0 0 0 m 以上的，占湖南省总面积的4 3 。 湖南省的大部分地区海拔高度都在1 0 0 8 0 0 m 之间。在全省的土地面积中， 耕地占总面积的1 8 5 ，有3 9 2 1 6 万公顷；宜林荒山1 5 9 4 万公顷，占总面积 的0 8 ；而林地占总面积的4 4 7 ，有9 4 7 0 5 万公顷；淡水总面积占总面积的 6 4 ，有13 5 3 8 万公顷。 2 湖南省的气候条件 因湖南全省大都处于亚热带，所以全省四季分明，严寒期很短，并且位于东 亚的季风区，属于亚热带季风湿润气候。全年的无霜期可长达( 除个别地区在 2 6 0 - - , 3 l o d 之间) 大部份地区都在2 8 0 - - 3 0 0 d 。省境距东南亚边境海只有4 0 0 k m ， 所以，东亚季风环流以及地形对湖南全省的影响受非常大。 它的气候具有三个显著的特点： ( 1 ) 湖南省的热、水、光资源非常的丰富，并且这三者的高值又基本上是同 步的。4 1 0 月这几个月的总辐射量就可以占到全年总辐射量的7 0 7 6 ，而全 年总降水量的6 8 - 8 4 的降水量也是集中在这几个月份中。 ( 2 ) 湖南省的气候，在年际与年内的变化都非常大。气候的年际变化主要是， 1 0 极大值地区的气温与极小值地区的气温之间的差值，与平均值地区的气温相比， 前者的差值约是后者的1 2 9 倍；气候的年内变化也非常的大，在春季，温度非 常多变，而秋季温度又会突然骤降，夏季酷热，而冬季又非常的寒冷，春夏两季 的降雨比较多，而在秋冬两季又会非常的干燥。 湖南省降雨的一个非常明显的特征就是降水强度大。它是全国降雨量比较多 的省份之一，它的年平均降雨量大都在1 2 0 0 1 7 0 0 m m 之间。湖南省最大的月降 雨量甚至超过了8 0 0 m m ，最大的日降雨量也出现过超过3 0 0 m m 的情况，而6 h 最 大降雨量普遍多达2 0 0 多m m ，l h 的最大降雨量可达1 5 0 m m ，几乎都接近国内的 极值。降雨量最多的年份几乎是最少年份的3 倍，可以相差1 4 6 0 m m 左右。 ( 3 ) 三面环山的山地为气候垂直变化最明显的地带。特别是湘西和湘南的山 区，这种现象更加的明显。 湖南年日照时数为1 3 0 0 - 1 8 0 0 h ，以洞庭湖为最多，岳阳可达1 8 4 0 h 。湖南 热量丰富。年气温高，气温分布的总趋势是湘南高于湘北，东部高于西部，年平 均温度在1 6 1 8 之间。湖南冬季处在冬季风控制下，而东南西三面环山， 向北敞开的地貌特性，有利于冷空气的长驱直入，故1 月平均温多在4 7 之间。 2 2 2 温度分析 气温是影响湖南省沥青路面的主要因素之一。但是气温又有低温和高温之 别，而湖南全省几乎都会受到高温的影响，而低温的影响主要是集中在南岳山区 等地。 经实验表明，周围自然因素1 自勺变化会引起路面结构的温度状况随之发生变 化。而路面材料的性质及状态也会随这些变化而发生相应的改变。比如，温度变 化将会引起路面材料以及路基土壤的强度及刚度随之增加或减少n ”。如图2 1 所 示 】o 奄 互 一