03气候与环境讲稿

第三章 气候与环境 一．概念 1．道路与其它土木建筑在考虑气候与环境时的区别 道路是露天建筑物 道路是线型建筑，涉及的范围较大 2．气候的影响 冰冻作用 降雨 3．考虑方法 材料 结构 二．冻胀 1．影响因素 对冰冻敏感的土 气温下降的快慢 水源 2．水的种类 自由水 吸附水－－强结合水，弱结合水 3．冻敏土的种类〔工程师兵团法〕 Ｆ１ 砾石土 ＜０．０２ＭＭ 占３～２０％ Ｆ２ 砂 土 ＜０．０２ＭＭ 占３～１５％ Ｆ３ 砾石土 ＜０．０２ＭＭ 占＞２０％ 砂 土 ＜０．０２ＭＭ 占＞１５％ Ｆ４ 粉 土 ＜０．０２ＭＭ 占１２～１５％ ４．公路土的分类 土巨粒土，粗粒土，细粒土，特殊土 巨粒土＞60ｍｍ占５０％漂石土，卵石土 粗粒土２－６０ｍｍ占５０％砾类土，砂类土 细粒土占50粉质土，粘质土，有机质土 特殊土黄土，膨胀土，红粘土，盐渍土 ５．路基水稳定处理方法 换土、路面具有防冻总厚度、设置隔层、设置隔温层 路基排水 ６．冰冻指数 度日表示一日的平均气温低于冻结温度一度 冰冻指数∶累计度日图中最大和最小点之差 冰冻指数与冰冻深度有关 四、温度变化规律 图3-1夏季晴天的情况下水泥混凝土层温度的日变化观测结果 大气的温度在一年和一日内发生着周期性的变化，与大气直接接触的路面温度也相应地在一年和一日内发生着周期性变化。图3-1和图3-2分别显示了夏季晴天的情况下水泥混凝土层和沥青混凝土面层温度的日变化观测结果。图中显示的规律说明，路面温度的周期性起伏，同大气温度的变化几乎同步。由于局部太阳辐射热被路面所吸收，因此路面的温度较气温高。 图3-2 夏季晴天的情况下沥青混凝土面层温度的日变化观测结果 路面结构内温度状况随深度变化的情况，可以更明显地从一昼夜内不同时刻和路面温度沿深度分布的曲线图中看出。温度梯度通常在早晨的某一时刻图3-6中为800接近于零，午后某一时刻图3-6中为1400正温差到达最大值，而在凌晨某一时刻大约在300～500负温差到达最大值。 图3-3 水泥混凝土面层一昼夜内不同时刻温度沿深度分布的曲线 五、温度状况的预测 决定路面结构内温度状况的因素，有外部和内部两类。外部因素主要是气候条件，诸如太阳辐射日照和云量、气温、风速、降水量和蒸发量等。其中，太阳辐射和气温是决定路面温度状况的两项最重要的因素。射到路面的短波辐射热太阳直接辐射和大气散射辐射，一局部被路面反射掉，余下局部那么被路面所吸收而增高其温度。大气和路面发出的长波辐射，构成了路面的再辐射，使路面放出局部热量，大气和路面之间的温度差异，引起了对流热的变换。风的作用加强了对流，使路面丧失了局部热量。降水和随后的蒸发都会显著地降低由日照所增加的路面温度。 内部因素那么为路面各结构层的热传导率、热容量比热和对辐射热的吸收能力等，热传导率是单位温度梯度条件下在单位时间内垂直通过单位面积断面的热量，其值同材料的结构、孔隙率和湿度有关。热容量系指使单位质量的物质产生单位温度变化时所需要的热量。 美国把影响路面的温度的两项主要气象因素气温和辐射热，综合成一种当量的有效温度Te，假设它随时间呈正弦周期性变化 〔3-3〕 并且假设路面结构为半无限体Z→∞时，T≠0，根据这些条件解出式3-4，得到路面内的温度场为 〔3-4〕 估计长波再辐射有效辐射的净损失平均约为1/3，那么 〔3-6〕 由式3-4，根据气象资料日辐射热、日平均气温、日温差、平均风速等和路面材料的热特性参数热传导率、热容量、辐射热吸收能力等，就可确定单一路面层内的温度状况。 计算路面的最高温度时，以Z0和正弦函数值为1代入式3-4，可得简化式为 〔3-9〕 Barber公式主要适用于估算路面外表的温度变化。但由于面层下各结构层传热性能的变化对面层上部的温度状况影响很小，此公式也可用于估算面层接近外表深度范围内的温度状况。 六．计算结果分析 图3-5 4月温度场实测值与计算值的比拟 图3-6 10月温度场实测值与计算值的比拟 七．路面温度场随各因素变化的规律分析 1、温度分布 图3-7和图3-8所示的6月份温度分布曲线，清楚地说明了沥青路面外表温度的日波动量最大，约为40℃，在5cm深处温度的日波动量最大约为20℃左右，而沥青面层底部温度的日波动量约为11℃左右，在30cm深处的水泥砂砾基层中，温度日波动量最大约为5℃左右，而在40cm深处的二灰土下基层中，温度日波动量只有2℃左右。 图3-7 6月路面结构各深度的温度日变化过程 图3-8 6月路面面层不同时刻沿深度分布的温度曲线 从图3-9和图3-10所示的1月份温度分布曲线可见，路面外表温度的日波动量最大约为20℃，5cm深处温度的日波动量最大约为11℃，在沥青面层底部温度日波动量很大约为6℃，在上基层中部约为3℃，而在下基层中，温度日波动量不℃。 图3-9 1月路面结构各深度的温度日变化过程 图3-10 1月路面面层不同时刻沿深度分布的温度曲线 不同深度及不同结构层之间的温度分布曲线存在相位差，相对于外表而言，5cm深处的温度分布曲线的相位差约为1小时，沥青面层底部的相位差约为5小时，在40cm的底基层中，温度到达最大值的时间一般在0点前后，其相位差约为12小时。 九．沥青面层厚度对温度的衰减作用 图3-7和3-10说明，虽然沥青面层外表温度波幅分别高达约40℃和20℃，但在沥青面层底部和基层顶面的温度波幅却分别只有11℃和6℃左右，这说明了沥青面层具有较好的温度衰减作用，面层对温度的衰减作用显然与面层的厚度有关，图3-11中，计算了沥青面层厚度与基层顶面温度的关系。 图3-11 沥青面层厚度与基层顶面温度波幅的关系 在沥青路面温度场分析中，弄清面层厚度与根底顶面温度波幅之间的关系，有助于根据基层材料的温缩性能状况来设计沥青面层厚度，基层温缩性小时，基层顶面允许的不开裂温度波幅可大些，而面层厚度亦可小些，反之，基基层温缩性较大时，基层顶面允许的不开裂温度波幅那么应较小，从而面层厚度应设计的大些，具体情况须根据当地的气候条件、路面材料性能来确定。 十．温度速率 降温是沥青路面产生温缩裂缝的最直接起因，降温速率及降温持续时间都将明显影响沥青路