甘肃省庆阳地区沥青路面低温温度场分布规律

郭云枫 魏西应 毛昱 张丽 刘洋

（1甘肃第七建设集团股份有限公司，甘肃 兰州 730030；2兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

沥青作为一种感温性材料，冬季气温较低时，沥青变硬变脆，沥青路面易发生开裂[1，2]。此外，冬季雨雪天气易造成道路频繁出现积雪、冻雨现象，大气温度、天气状况、气候条件以及水文地质条件等因素对路面温度场的影响显著。因此，研究沥青路面低温温度场变化规律对于冬季沥青路面养护管理以及雨雪天气沥青路面清除积雪凝冰具有重要意义。

Shao J， Lister P J[3]根据气象预报站点布置传感器并收集地面温度、气温、露点和风速等气象资料，提出了一种用于冬季道路养护的临近（提前3小时）预报模型，该模型可以及时提供路面温度和路表干湿状态（干、湿、霜或冰）；谈至明、孙立军[4]根据冬季气温与地温、地温与路表温度之间的关系，对冬季路表温度日交变和降温过程的变化规律进行了研究并给出了路面温度场计算公式；Ma H Y， Feng D C和徐慧宁等人[5，6]根据现场监测的沥青路面温度数据对季节性冻土区沥青路面低温温度场的分布规律进行了研究，并提出了路面设计低温控制点；Qiao J， Liu W[7]采用ANSYS软件建立了SMA沥青路面三维模型，通过建立温度梯度随时间和路面深度的变化关系对季节性冻土区沥青路面温度场的分布规律进行了研究，并建立了应力和时间的函数关系模型；甘新立、纪小平、曹海利等人[8]根据长期监测的3种典型沥青路面结构的低温温度数据，引入日最低气温、日太阳辐射等参数，建立了沥青路面低温温度场的经验预估模型；Xu B， Dan H C， Li L[9]通过引入改进的Back Propagation（BP）神经网络模型，建立了冬季沥青路面温度场预测模型，并通过不同日期和路段对预测模型的可靠性进行了验证；李萍、念腾飞、刘洋等人[10]利用统计方法对影响沥青路面温度场的气象因素进行了相关性分析，并基于多因素逐步回归分析，提出了适用于甘肃省渭源地区冬季沥青路面温度场预估模型。

目前国内外关于沥青路面低温温度场以及季节性冻土区沥青路面低温温度场的研究较多，但是关于甘肃省庆阳地区低温期沥青路面温度场的研究鲜有报道。甘肃庆阳地区位于陕、甘、宁三省交界处，是陇东黄土高原的重要组成部分，在公路自然区划中属于季节性冻土区，在甘肃省公路一级气候分区中属于黄土高原温冷气候带[11，12]。因此，本文根据甘肃省庆阳地区雷西高速西峰马头坡段沥青路面的实测温度数据和气象资料，分析甘肃庆阳地区低温期沥青路面不同深度部位温度的变化规律，以期为甘肃省庆阳地区冬季沥青路面养护管理及雨雪天气沥青路面清除积雪凝冰提供基础性资料和技术参考

1 沥青路面温度场测试

本文选取甘肃省庆阳地区雷西高速沥青路面实测数据进行分析，雷西高速是国家高速公路网青岛至兰州高速公路（编号G22）的重要组成路段，本文温度场测试站点位于庆阳市西峰区马头坡，桩号为SK1360+350，沥青路面不同深度埋设温度传感器见图1所示。温度场测试站点实测数据包括两部分：气象数据（空气温度、相对湿度、太阳辐射强度和风速）和沥青路面结构层不同深度处的温度（10cm、20cm、30cm、40cm和50cm）。其中气象数据由小型气象站采集，安装的小型气象站见图2所示；路面不同深度处的温度由传感器进行采集，两种数据的采集频率均为1h，实测数据通过4G网络同步传输到服务器终端，数据采集起讫时间为2016年11月18日至2017年2月19日。

图1 埋设温度传感器

2 气象因素分布规律

根据庆阳市多年气象资料显示，该地区冬季气温最低期为大寒节气前后。因此，本文选取大寒节气（2017年1月20日）为时间节点，并选取大寒节气所在这一周时间（2017年1月17日-2017年1月23日）为代表进行分析。通过空气温度、太阳辐射强度、相对湿度、风速和沥青路面结构层内部不同深度处温度对庆阳地区沥青路面低温温度场的分布规律进行分析。

图3 空气温度和沥青路面不同深度的温度分布规律

由图3可以看出，庆阳地区冬季气温最低在-15℃左右；庆阳地区冬季晴朗天气气温日变化趋势近似为正弦分布状况（1月18日和1月19日为多云天气，气温日变化趋势不满足正弦分布状况）；沥青路面结构层内部不同深度处温度变化趋势与空气温度变化趋势近似一致，相较于空气温度变化趋势，沥青路面结构层内部不同深度处温度变化趋势存在滞后性；沥青路面结构层内部温度变化幅度随深度的增加而不断减小，沥青路面50cm处的温度变化趋势近似为直线，说明沥青路面结构层内部深度大于等于50cm处的温度已趋向稳定不再随深度的增加而变化。

图4、5和6分别为空气温度、辐射、相对湿度和风速的分布规律图。从图4可以看出，晴朗天气（1月18日和1月19日为多云天气）时，气温日变化趋势与太阳辐射强度的变化趋势一致。从图5可以看出，晴朗天气和多云天气（1月18日和1月19日为多云天气）时，空气温度与相对湿度变化趋势恰恰相反，该现象符合气象学原理；相较于晴朗天气，多云天气时相对湿度的日变化幅度更小。从图6中可以看出，晴朗天气和多云天气时，风速与气温日变化趋势基本一致；相较于多云天气，晴朗天气时风速的变化趋势与空气温度的变化趋势一致性更加明显。综合图4、5和6可以得出，晴朗天气时（1月20日、1月21日、1月22日和1月23日），空气温度的日变化趋势与太阳辐射、风速的日变化趋势一致性比较明显。

图4 空气温度和太阳辐射分布规律

图5 空气温度和相对湿度分布规律

图6 空气温度和风速分布规律

3 低温期沥青路面结构层内部不同深度部位温度分布规律

上文气象资料表明，相较于空气温度的日变化趋势，沥青路面结构层内部不同深度处温度变化趋势存在明显的滞后性；空气温度的日变化趋势和太阳辐射强度、风速的日变化趋势一致，而空气温度与相对湿度变化趋势恰恰相反；相较于多云天气，晴朗天气空气温度的日变化趋势与太阳辐射强度和风速等气象资料的相关性更好。因此，在研究低温期沥青路面结构层内部不同深度处温度分布规律时应分别考虑不同天气状况进行分析。

沥青路面结构层内部不同深度处实测温度受气象因素（太阳辐射、空气温度和相对湿度等）影响显著。Li Yi和宋小金等[13，14]研究指出，气象资料（太阳辐射和空气温度）对沥青路面结构层内部不同深度处实测温度具有累积效应；此外，地表温度传导至沥青路面结构层内部需一定时间，沥青路面结构层内部不同深度处实测温度和实时气象资料（太阳辐射和空气温度）之间存在明显的滞后。温度场测试站点的太阳辐射强度实测数据表明，冬季庆阳地区存在太阳辐射的时间范围为9：00-18：00，这符合当地冬季的气象特征。考虑到沥青路面结构层内部不同深度处实测温度与太阳辐射和空气温度之间存在明显的滞后，研究低温期沥青路面不同深度处温度分布规律时分为有辐射时段（9：00-21：00）和无辐射时段（21：00-次日9：00）两种情况进行分析。

3.1 晴朗天气

3.1.1 有辐射时段

晴朗天气的辐射变化趋势如图7所示，晴朗天气有辐射时段沥青路面不同深度处温度变化趋势如图8所示。根据图7可以看出，晴朗天气的辐射变化趋势近似正弦分布状况。根据图8可以看出，晴朗天气有辐射时段沥青路面在深度为10cm和20cm的温度变化趋势与图7中晴朗天气的辐射变化趋势一致，表明沥青路面在深度为10cm和20cm的温度变化趋势受太阳辐射强度的影响显著；沥青路面在深度10cm处的最低温度为-6℃，最高温度为3℃，20cm处的最低温度为-5℃，最高温度为0℃；沥青路面在深度30cm和40cm的温度变化趋势近似为二次抛物线形式，30cm处最低温度为-3℃，最高温度为0℃。40cm处最低温度为-2℃，最高温度为0℃；沥青路面深度50cm处温度变化趋势近似为直线，温度稳定在0℃左右。

3.1.2 无辐射时段

晴朗天气无辐射时段沥青路面结构层内部不同深度处温度变化趋势如图9所示，根据图9可以看出，晴朗天气无辐射时段沥青路面结构层内部不同深度（10cm、20cm、30cm和40cm）温度变化呈线性下降趋势；沥青路面结构层内部深度10cm处最低温度为-6℃，20cm处最低温度为-3.5℃左右，最高温度为0℃。30cm处最低温度为-2℃，最高温度为0℃。40cm处最低温度为-1.5℃，最高温度为0℃；沥青路面结构层内部深度部位50cm温度变化趋势近似为直线，温度稳定在0℃左右。

综合图8和图9可以发现，晴朗天气沥青路面结构层内部深度10cm和20cm处温度受太阳辐射强度等气象因素的影响显著，沥青路面结构层内部深度50cm处温度分布近似呈直线，表明晴朗天气沥青路面结构层内部深度50cm处温度几乎不受太阳辐射强度等气象因素的影响。

图7 晴朗天气的辐射变化趋势

图8 晴朗天气有辐射时段沥青路面不同深度温度变化趋势

图9 晴朗天气无辐射时段沥青路面不同深度温度变化趋势

3.2 多云天气

3.2.1 有辐射时段

多云天气的辐射变化趋势图如图10所示，多云天气有辐射时段沥青路面结构层内部不同深度温度变化趋势如图11所示。根据图10可以看出，多云天气的辐射变化趋势近似为正弦曲线形式。根据图11可以看出，沥青路面结构层内部深度分别为10cm和20cm温度变化趋势也近似为正弦分布状况；沥青路面结构层内部深度10cm处最低温度为-4℃，最高温度为3℃。20cm处最低温度为-2.5℃，最高温度为0.5℃；沥青路面结构层内部深度30cm、40cm和50cm温度变化趋势近似为直线。沥青路面结构层内部深度30cm、40cm的温度稳定在-1℃左右，深度50cm处的温度稳定在0℃。

图10 多云天气的辐射变化趋势

图11 多云天气有辐射时段沥青路面不同深度温度变化趋势

图12 多云天气无辐射时段沥青路面不同深度温度变化趋势

3.2.2 无辐射时段

多云天气无辐射时段沥青路面结构层内部不同深度处的温度变化趋势如图12所示，根据图12可以看出，多云天气无辐射时段沥青路面结构层内部深度10cm和20cm处温度变化呈线性下降趋势。沥青路面结构层内部深度10cm处最低温度为-3.5℃，最高温度为0℃。20cm处最低温度为-2℃，最高温度为0℃；沥青路面结构层内部深度30cm、40cm和50cm的温度变化趋势近似为直线，且在深度30cm、40cm和50cm的温度稳定在0℃左右。

综合图11和图12可以发现，多云天气沥青路面结构层内部深度10cm和20cm处温度分布受太阳辐射强度等气象因素的影响显著，沥青路面结构层内部深度30cm、40cm和50cm处温度分布近似呈直线，表明多云天气沥青路面结构层内部深度30cm、40cm和50cm处温度几乎不受太阳辐射强度等气象因素的影响。

4 结语

本文根据甘肃省庆阳地区雷西高速西峰马头坡段沥青路面的实测温度数据和气象资料，分析了甘肃庆阳地区低温期不同天气状况下不同时段沥青路面结构层内部不同深度处的温度变化规律，结论如下。

1）沥青路面结构层内部不同深度的温度变化幅度随深度的增加而不断减小，且沥青路面结构层内部不同深度处的实测温度和实时气象资料之间存在明显的滞后。

2）晴朗天气有辐射时段和多云天气有辐射时段沥青路面结构层内部较浅深度（10cm和20cm）的温度变化趋势与太阳辐射强度的变化趋势一致，近似为正弦分布状况。

3）晴朗天气无辐射时段和多云天气无辐射时段沥青路面结构层内部较浅深度（10cm和20cm）的温度变化趋势呈线性下降趋势。

4）沥青路面结构层内部深度50cm处温度变化趋势近似为直线，温度稳定在0℃左右。