基于溫度傳感器的路基熱量傳遞滯后效應(yīng)研究

張曉軍 欒紀(jì)昊 劉琪 王德鵬 張斌 張建軍

（1甘肅恒通路橋工程有限公司，甘肅 蘭州 730070；2甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州730070；3甘肅省高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；4甘肅省公路路網(wǎng)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

公路路基溫度變化是路基路面病害產(chǎn)生的重要因素，路基溫度變化不僅直接影響路基伸縮引起裂縫、凍脹等病害[1-3]，還會(huì)引起路基深部土壓力變化[4]及鹽水相變，是路基鹽-凍脹及沉陷變形的基礎(chǔ)[5]。大氣溫度對(duì)路基表層一定深度的影響較為敏感，其會(huì)隨大氣溫度變化呈現(xiàn)起伏。楊曉華等通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)認(rèn)為路基溫度的敏感深度為20cm[5]，而敏感深度以下，路基內(nèi)部溫度一般呈平穩(wěn)變化趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)路基溫度的研究多是建立在長(zhǎng)時(shí)間線上路基內(nèi)部穩(wěn)定溫度的研究，如路基溫度場(chǎng)分布規(guī)律、路基凍土深度等[6-7]，然而，由于達(dá)到一定深度路基溫度變化幅度較小，一般溫度傳感器難以發(fā)現(xiàn)其變化，路基溫度隨大氣溫度的日變化規(guī)律少有研究。本文通過高精度溫度傳感器對(duì)真實(shí)服役路基進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究了路基溫度隨大氣溫度的日變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.1 設(shè)備指標(biāo)

路基深部受大氣溫度變化的敏感性較弱，選取分辨率為0.01℃的CAMPBELL-109溫度探頭來分辨路基深部溫度細(xì)微變化，選用分辨率為0.1℃的GILL-GMX600氣象站來監(jiān)測(cè)大氣溫度的日變化。

表1 試驗(yàn)設(shè)備用途及參數(shù)

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

路基內(nèi)設(shè)置兩個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，距離邊坡的垂直距離分別為1號(hào)點(diǎn)0.83m和2號(hào)點(diǎn)0.55m（圖1）。氣象站建設(shè)在距監(jiān)測(cè)點(diǎn)1km處，可視為與監(jiān)測(cè)點(diǎn)大氣溫度一致。

圖1 溫度傳感器布置橫斷面（標(biāo)注單位：m）

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

通過對(duì)路基溫度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨大氣溫度的日變

化，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)均呈現(xiàn)規(guī)律性變化。以2020年6月1日的監(jiān)測(cè)為例，路基內(nèi)部溫度整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，2號(hào)點(diǎn)溫度整體高于1號(hào)點(diǎn)；每日的溫度波動(dòng)在1℃以內(nèi)，且2號(hào)點(diǎn)的波動(dòng)較1號(hào)點(diǎn)更加明顯；兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間與大氣溫的峰值時(shí)間不同，且兩點(diǎn)間溫度峰值也不同，大氣溫度峰值出現(xiàn)在18：00左右，1號(hào)點(diǎn)峰值出現(xiàn)在16：00左右，2號(hào)點(diǎn)峰值出現(xiàn)在8：00左右（圖2、圖3）。

圖2 一日內(nèi)路基溫度變化

圖3 一日內(nèi)大氣溫度變化

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見，外部溫度的變化對(duì)路基內(nèi)部溫度的影響隨著深度的增加而減弱，且不同深度溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間不同，說明熱量在路基內(nèi)的傳播不僅伴隨著能量的消耗，且傳遞具有滯后效應(yīng)，傳遞至0.55m處滯后約14小時(shí)，傳遞至0.83m處滯后約22小時(shí)。熱量在路基內(nèi)的這一傳播特性，也解釋了路基溫度場(chǎng)階梯型分布的原因。

3 結(jié)語

本文通過在路基不同深度埋設(shè)高分辨率溫度傳感器，監(jiān)測(cè)了路基溫度隨大氣溫度的日變化規(guī)律，得出結(jié)論如下：

1）距邊坡垂直距離0.55m的2號(hào)點(diǎn)較0.83m的1號(hào)點(diǎn)受氣溫日變化的影響更大，說明路基內(nèi)部溫度受外部溫度的影響隨著深度的增加而減弱；

2）大氣、1號(hào)點(diǎn)及2號(hào)點(diǎn)溫度的峰值各不相同，溫度峰值分別出現(xiàn)在18：00左右、16：00左右、8：00左右，說明熱量在路基內(nèi)的傳遞具有滯后性，且隨深度的增加滯后時(shí)間增長(zhǎng)。