03气候与环境讲稿

1、第三章气候候与环境境一概念念1道路路与其它它土木建建筑在考考虑气候候与环境境时的区区别道路是是露天建建筑物道路是是线型建建筑，涉涉及的范范围较大大2气候候的影响响冰冻作作用降雨3考虑虑方法材料结构二冻胀胀1影响响因素对冰冻冻敏感的的土气温下下降的快快慢水源2水的的种类自由水水吸附水水强强结合水水，弱结结合水3冻敏敏土的种种类（工工程师兵兵团法）砾石土土占砂土土占砾石土土占砂土土占粉土土占公路路土的分分类土：巨巨粒土，粗粗粒土，细细粒土，特特殊土巨粒土土600占占：漂石石土，卵卵石土粗粒土土占：砾砾类土，砂砂类土细粒土土0.0744mm占占50%:粉质质土，粘粘质土，有有机质土土特殊土土：黄土土

2、，膨胀胀土，红红粘土，盐盐渍土路基基水稳定定处理办办法换土、路面具有有防冻总总厚度、设置隔隔层、设置隔温温层路基排排水冰冻冻指数度日：表示一一日的平平均气温温低于冻冻结温度度一度冰冻指指数累计度度日图中中最大和和最小点点之差冰冰冻指数数与冰冻冻深度有有关四、温度度变化规规律图3-11夏季晴晴天的情情况下水水泥混凝凝土层温温度的日变化化观测结结果大气的温温度在一一年和一一日内发发生着周周期性的的变化，与与大气直直接接触触的路面面温度也也相应地地在一年年和一日日内发生生着周期期性变化化。图33-1和和图3-2分别别显示了了夏季晴晴天的情情况下水水泥混凝凝土层和和沥青混混凝土面面层温度度的日变变化观

3、测测结果。图中显显示的规规律表明明，路面面温度的的周期性性起伏，同同大气温温度的变变化几乎乎同步。由于部部分太阳阳辐射热热被路面面所吸收收，因此路路面的温温度较气气温高。图3-22夏季晴晴天的情情况下沥沥青混凝凝土面层层温度的的日变化化观测结果果路面结构构内温度度状况随随深度变变化的情情况，可可以更明明显地从从一昼夜夜内不同同时刻和和路面温温度沿深深度分布布的曲线线图中看看出。温温度梯度度通常在在早晨的的某一时时刻(图3-66中为8：00)接近于于零，午午后某一一时刻(图3-66中为144：00)正温差差达到最最大值，而而在凌晨晨某一时时刻(大约在在3：005：00)负温差差达到最最大值。图3

4、-33水泥混混凝土面面层一昼昼夜内不不同时刻刻温度沿沿深度分分布的曲曲线五、温度度状况的的预测决定路面面结构内内温度状状况的因因素，有有外部和和内部两两类。外外部因素素主要是是气候条条件，诸诸如太阳阳辐射(日照和和云量)、气温温、风速速、降水水量和蒸蒸发量等等。其中中，太阳阳辐射和和气温是是决定路路面温度度状况的的两项最最重要的的因素。射到路路面的短短波辐射射热(太阳直直接辐射射和大气气散射辐辐射)，一部部分被路路面反射射掉，余余下部分分则被路路面所吸吸收而增增高其温温度。大大气和路路面发出出的长波波辐射，构构成了路路面的再再辐射，使使路面放放出部分分热量，大大气和路路面之间间的温度度差异，引

5、引起了对对流热的的变换。风的作作用加强强了对流流，使路路面丧失失了部分分热量。降水和和随后的的蒸发都都会显著著地降低低由日照照所增加加的路面面温度。内部因素素则为路路面各结结构层的的热传导导率、热热容量(比热)和对辐辐射热的的吸收能能力等，热热传导率率是单位位温度梯梯度条件件下在单单位时间间内垂直直通过单单位面积积断面的的热量，其其值同材材料的结结构、孔孔隙率和和湿度有有关。热热容量系系指使单单位质量量的物质质产生单单位温度度变化时时所需要要的热量量。美国E.S.BBarbber把把影响路路面的温温度的两两项主要要气象因因素气温和和辐射热热，综合合成一种种当量的的有效温温度Te，假设设它随时时

6、间呈正正弦周期期性变化化：（3-33）并且假设设路面结结构为半半无限体体(Z时，T0)，根根据这些些条件解解出式(3-44)，得到到路面内内的温度度场为：（3-44）估计长波波再辐射射(有效辐辐射)的净损损失平均均约为11/3，则则：（3-66）由式(33-4)，根据据气象资资料(日辐射射热、日日平均气气温、日日温差、平均风风速等)和路面面材料的的热特性性参数(热传导导率、热热容量、辐射热热吸收能能力等)，就可可确定单单一路面面层内的的温度状状况。计算路面面的最高高温度时时，以ZZ=0和和正弦函函数值为为1代入式式(3-4)，可得得简化式式为：（3-99）Barbber公公式主要要适用于于估算

7、路路面表面面的温度度变化。但由于于面层下下各结构构层传热热性能的的变化对对面层上上部的温温度状况况影响很很小，此此公式也也可用于于估算面面层接近近表面深深度范围围内的温温度状况况。六计算算结果分分析图3-55 4月温温度场实实测值与与计算值值的比较较图3-66 10月月温度场场实测值值与计算算值的比比较七路面面温度场场随各因因素变化化的规律律分析1、温度度分布图3-77和图33-8所所示的66月份温温度分布布曲线，清清楚地表表明了沥沥青路面面表面温温度的日日波动量量最大，约约为400，在5ccm深处处温度的的日波动动量最大大约为220左右，而而沥青面面层底部部温度的的日波动动量约为为11左右，

8、在在30ccm深处处的水泥泥砂砾基基层中，温温度日波波动量最最大约为为5左右，而而在400cm深深处的二二灰土下下基层中中，温度度日波动动量只有有2左右。图3-77 6月路路面结构构各深度度的温度度日变化化过程图3-88 6月路路面面层层不同时时刻沿深深度分布布的温度度曲线从图3-9和图图3-110所示示的1月份温温度分布布曲线可可见，路面表表面温度度的日波波动量最最大约为为20，5cmm深处温温度的日日波动量量最大约约为111，在沥沥青面层层底部温温度日波波动量很很大约为为6，在上上基层中中部约为为3，而在在下基层层中，温温度日波波动量不不 1.5。图3-99 1月路路面结构构各深度度的温度

9、度日变化化过程图3-110 11月路面面面层不不同时刻刻沿深度度分布的的温度曲曲线不同深度度及不同同结构层层之间的的温度分分布曲线线存在相相位差，相相对于表表面而言言，5ccm深处处的温度度分布曲曲线的相相位差约约为1小时，沥沥青面层层底部的的相位差差约为55小时，在在40ccm的底底基层中中，温度度达到最最大值的的时间一一般在00点前后后，其相相位差约约为122小时。九沥青青面层厚厚度对温温度的衰衰减作用用图3-77和3-10表表明，虽虽然沥青青面层表表面温度度波幅分分别高达达约400和20，但在在沥青面面层底部部和基层层顶面的的温度波波幅却分分别只有有11和6左右，这这说明了了沥青面面层具

10、有有较好的的温度衰衰减作用用，面层层对温度度的衰减减作用显显然与面面层的厚厚度有关关，图33-111中，计计算了沥沥青面层层厚度与与基层顶顶面温度度的关系系。图3-111 沥沥青面层层厚度与与基层顶顶面温度度波幅的的关系在沥青路路面温度度场分析析中，弄弄清面层层厚度与与基础顶顶面温度度波幅之之间的关关系，有有助于根根据基层层材料的的温缩性性能状况况来设计计沥青面面层厚度度，基层层温缩性性小时，基基层顶面面允许的的不开裂裂温度波波幅可大大些，而而面层厚厚度亦可可小些，反反之，基基基层温温缩性较较大时，基基层顶面面允许的的不开裂裂温度波波幅则应应较小，从从而面层层厚度应应设计的的大些，具具体情况况

11、须根据据当地的的气候条条件、路路面材料料性能来来确定。十温度度速率降温是沥沥青路面面产生温温缩裂缝缝的最直直接起因因，降温温速率及及降温持持续时间间都将明明显影响响沥青路路面的温温度裂缝缝。因此此，研究究在不利利温度条条件下，沥沥青路面面的降温温速率及及其日过过程具有有重要意意义。路面结构构温度场场前后不不同时刻刻的温度度差直接接决定温温度应力力的大小小，而表表征这一一时刻温温度变化化大小的的是路面面温度变变化速率率(简称温温度速率率)，温度度速率大大，则这这一时刻刻前后温温度差大大，从而而在该时时刻产生生的温度度应力也也大，反反之亦然然。由于于在一天天内，路路面结构构要经历历升温和和降温两两

12、个完全全相反的的温度过过程，温温度速率率要经历历由正变变负的过过程，路路面升温温时温度度速率为为正，降降温时为为负。因此，正正的温度度速率使使路面产产生压应应力，负负的温度度速率使使路面产产生拉应应力，而而温度速速率为零零时，相相应时刻刻路面产产生的温温度应力力的也为为零。典典型路面面温度场场不同时时刻和不不同深度度的温度度速率的的基本规规律进行行了计算算，结果果见图33-177。图3-116 6月不不同深度度温度速速率的日日变化过过程曲线线图3-117 6月沥沥青路面面不同深深度处温温度梯度度的日变变化过程程上面的计计算结果果表明：温度速速率在路路表面达达到最大大值，晴晴天时一一般在上上午9

13、-10时时温度上上升速度度最快，在在下午116-117时温温度下降降最快，随随着深度度增加，温温度速率率逐渐减减小，在在基层和和底基层层中部，温温度速率率已很小小，这一一情况也也从一个个侧面说说明了导导致沥青青路面开开裂的主主要原因因是沥青青面层本本身的温温缩，此此外，路路面升温温速率明明显大于于路面降降温速率率。十一温温度梯度度由于同一一时刻不不同深处处路面温温度存在在温度差差，因此此，沥青青路面就就存在沿沿深度变变化的温温度梯度度，一般般当上面面的温度度大于下下面的温温度时，称称为正温温度梯度度，反之之称为负负温度梯梯度，由由于白天天路表最最高温度度与其下下某一深深处的温温度差远远大于夜夜

14、间路表表最低温温度与其其下同一一深处的的温度差差，因此此，最大大正温度度梯度一一般比最最大负温温度梯度度的绝对对值大，因因此，正正温度梯梯度是刚刚性路面面设计的的主要温温度依据据。显然，路路面结构构的温度度应力不不仅与温温度速率率有关，还还与沿深深度变化化的温度度梯度有有关，与与板块结结构的水水泥混凝凝土路面面不同，沥沥青路面面中所关关心的并并非是在在某温度度梯度下下水泥混混凝土板板产生的的翘曲应应力，而而是由此此产生的的温度拉拉应力及及在此应应力下路路面是否否开裂和和开裂的的规律。计算表明明，路表表温度梯梯度的波波幅最大大，最大大正温度度梯度在在上午111点左左右达到到，最大大负温度度梯度在

15、在下午55点左右右达到，随随着深度度增加，温温度梯度度的波幅幅越来越越小，在在沥青面面层底部部温度梯梯度的波波幅约为为1/cmm，基层层和底基基层中部部温度梯梯度的波波幅不足足0.55。一日日中，白白天最大大正温度度梯度远远比夜间间最大负负温度梯梯度大，夏夏季最大大正温度度梯度远远比冬季季最大正正温度梯梯度大，冬冬季最大大负温度度梯度远远比夏季季最大负负温度梯梯度大。十二水水泥混凝凝土路面面温度梯梯度值水泥混凝凝土路面面的温度度状况是是温度应应力计算算的基础础，我国国原有的的水泥混混凝土路路面设计计规范，采采用威士士特卡德德理论计计算温度度应力，并并取设计计温度梯梯度为00.677/cmm。此

16、值值是三十十年代在在美国阿阿林顿实实测的结结果，五五十年代代曾被苏苏联引用用，后又又传入我我国。六六十年代代，德国国J.艾森森曼、GG.惠耳耳教授实实验研究究了水泥泥混凝土土路面的的温度状状况，提提出德国国设计温温度梯度度为0.9/cmm苏联戈戈雷茨基基研究了了苏联各各气候区区的水泥泥混凝土土路面温温度状况况，认为为设计温温度梯度度应按各各气候区区取不同同值，苏苏联各气气候区实实测最大大温度梯梯度在00.244-0.72/cmm之间。我国各各地区气气候情况况有显著著差别，全全国一律律取用设设计温度度梯度为为0.667/cmm，显然然是不合合理的。美国和德德国的设设计温度度梯度是是根据个个别地区

17、区、个别别年份的的实测最最大温度度梯度值值适当提提高或降降低而定定出的。这种做做法带有有一定的的偶然性性。戈雷雷茨基对对苏联的的各气候候区进行行了多年年的混凝凝土路面面温度状状况实测测工作，比比较全面面地总结结出了水水泥混凝凝土路面面温度状状况变化化的一般般规律，他他提出了了水泥混混凝土路路面状况况的理论论公式主主要是针针对苏联联地理条条件的。他曾提提出应按按地基、基层和和混凝土土面材料料的不同同热性能能建立层层状热传传导模型型，但在在理论上上未对此此作进一一步研究究。采用理论论方法分分析路面面温度状状况的还还有巴伯伯(F.S.BBarbber)、佩托托里叶斯斯(P.C.PPrettoriiu

18、m)和克里里斯蒂森森(J.T.CChriistiisonn)等，其其中佩托托里叶斯斯和克里里斯蒂森森，分别别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热性性能材料料组成的的层状路路面的温温度状况况，但他他们的分分析对象象仅限于于黑色路路面的最最高温度度和最低低温度。有关成成果无法法用于进进行水泥泥混凝土土路面的的温度梯梯度等分分析。疲劳温度度梯度国内现有有的混凝凝土路面面结构设设计方法法仅计荷荷载应力力一项而而未考虑虑温度应应力对路路面疲劳劳损坏的的影响，这这显然不不够合理理。而要要考虑这这两项应应力的综综合疲劳劳影响，关关键是要要提供一一种简便便、合理理的疲劳劳设计方方法。在在各种路路面结构构设计方方法中，常常常采用用标准轴轴载和轴轴载换算算系数来来考虑各各级轴载载的疲劳劳损坏作作用。而而轴载换换算系数数可依据据所采用用的疲劳劳方程等等效疲劳劳损坏原原则推算算得到。可以设设想，路路面实际际发生的的各级温温度梯度度的疲劳劳损坏影影响，也也可按类类似的方方法考虑虑，也即即，需要要求一个个等效的的温度梯梯度，当当路面处处于该温温度梯度度状态时时，其疲疲劳损坏坏程度达达到在相相同的交交通量和和轴载谱谱作用下下，同一一种路面面结