基于RIOHTrack足尺環道的倒裝式路面內部溫度場分析

摘要 文章基于RIOHTrack足尺環道路面內部溫度實測數據，對倒裝式路面與普通半剛性路面的結構內部溫度分布進行研究。結果表明：路面結構內部溫度的年變化與日變化在外界溫度影響下，具有明顯周期性波動現象，路面下部溫度變化較上部滯后，大氣溫度對結構內部溫度的影響深度約為0.64 m。受級配碎石影響，倒裝式路面和厚瀝青層半剛性路面內部溫度存在差異，高溫季節時前者結構上部溫度更高，低溫季節則相反。

關鍵詞 倒裝式路面；半剛性路面；RIOHTrack環道；溫度場分析

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0097-03

0 引言

近年來，為了減緩半剛性瀝青路面反射裂縫的產生，倒裝式路面結構被提出并運用，倒裝式結構是在瀝青面層與半剛性基層間加鋪一層柔性材料，通常是級配碎石或瀝青穩定碎石混合料，以此作為應力消散層，緩解半剛性基層裂縫產生后出現的應力集中現象，從而減少瀝青面層反射裂縫的出現，倒裝式路面結構既有著半剛性基層承載能力強的優點，又在很大程度上避免了反射裂縫問題[1]。溫度是影響瀝青路面服役性能和內部力學響應的重要因素，因此，國內對瀝青路面溫度場已有相關研究，并取得了一定成果[2，3]。但與此同時，現有研究以半剛性基層瀝青路面為主，倒裝式路面中設置的過渡層級配碎石對于路面結構內部溫度場的影響尚缺少深入探究。該文基于RIOHTrack足尺環道的實測路面結構內部溫度數據，對瀝青路面的內部溫度場開展分析，并對倒裝式路面與普通半剛性路面的溫度分布差異進行探究，研究成果以期為相關工程提供參考。

1 試驗條件與路面內部溫度觀測方法

1.1 試驗設施

該文主要研究工作依托交通運輸部公路科學研究院足尺路面試驗環道（Research Institute of Highway Ministry of Transport Track，英文縮寫為RIOHTrack，中文簡稱為足尺環道）而開展，它是我國道路工程領域第一條足尺環道[4]。為了研究路面服役性能和實際響應，RIOHTrack路面結構內部共埋設有7大類、2 000余組傳感器，包括瀝青應變計、混凝土應變計、壓力計、溫度傳感器、濕度傳感器、多點位移計等，以及用于觀測自然環境變化的小型氣象站。該試驗選取足尺環道中倒裝式路面結構（STR12）與半剛性基層路面結構（STR13）進行觀測。兩種路面結構形式如圖1所示。

STR12由一層厚度為20 cm的水泥穩定土（CS）底基層、一層厚度為20 cm的水泥穩定碎石（CBG）基層、一層厚度20 cm的級配碎石層（GB）、一層厚度為12 cm的AC-25瀝青混凝土下面層、一層厚度為8 cm的AC-20瀝青混凝土中面層以及一層厚度為4 cm的AC-13瀝青混凝土上面層組成；STR13的基層為兩層厚度共計40 cm的水泥穩定碎石（CBG），底基層和面層與STR12相同，兩路面結構總厚度均為84 cm。

1.2 溫度觀測

RIOHTrack小型氣象站前端儀器選用錦州陽光氣象科技有限公司的PC-4小型氣象站，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光強傳感器、風速風向傳感器、雨量計、大氣壓力傳感器六要素，數據采集器采用dataTaker DT80氣象數據采集器。路面結構內部溫度傳感器采用錦州精微儀表有限公司生產的PT100鉑電阻溫度傳感器，測量范圍：-50～100℃，分辨率為0.1℃。

2 路面結構內部溫度分布規律

2.1 結構內部溫度年變化規律

為研究瀝青路面結構內部溫度年變化規律，以足尺環道STR12在2017年11月至2018年11月的路面結構內部溫度變化曲線為基礎展開分析。圖2展示了足尺環道STR12內部日平均溫度隨時間變化曲線。

可以看到，該路面結構一年內結構內部溫度隨季節變化整體趨勢一樣，以年為周期變化；其中接近路表的層位溫度受空氣溫度的日變化影響較大，呈條帶狀，曲線起伏明顯，而遠離路表的層位溫度曲線則相對平滑。將深度為0～0.64 m的路面結構層定義為路面的上部結構，深度大于0.64 m的路面結構層定義為路面的下部結構。夏季時空氣溫度高，土基溫度低，路面從上至下傳熱，上部結構溫度高于下部結構；冬季時空氣溫度低，土基溫度高，路面從下至上傳熱，上部結構溫度低于下部結構，從圖中可以看到，在3月和9月時，上下部結構溫度達到交叉點，此時大氣溫度處于由低變高和由高變低的過渡階段，路面結構內部的溫度也相對紊亂。值得注意的是，雖然各結構層內部溫度整體變化趨勢一致，但隨深度增加，結構內部溫度的變化也存在滯后性，深度2.5 m處在夏季晚于1.5 m深處達到溫度最高點，在冬季則晚于1.5 m深處達到溫度最低點。

2.2 結構內部溫度日變化規律

選取STR12路面結構內部某日（2018年7月1日）的24 h溫度變化實測數據對路面結構內部溫度的日變化規律展開分析，兩天的日溫度變化曲線如圖3所示。

從圖3中可以看到，路面上部結構中的四個層位（h=4 cm、12 cm、24 cm、44 cm）所處位置的日溫度變化曲線均以一天為周期進行波動，其中越靠近道路表面，其受大氣溫度的影響越大，溫度波動的幅度就越大，進而導致結構內部最高溫與最低溫出現的時間點也隨深度的改變而產生變化，深度越大，受大氣溫度的影響越小，最高溫與最低溫出現的時間點越晚。從圖3中還可以看到，當hgt;64 cm時，結構內部溫度在一天內不再波動，其溫度日變化曲線近似為一條直線，此時大氣溫度對結構內部溫度影響極小。由此可見，64 cm是外部環境與大地內部溫度對路面結構內部溫度產生作用的臨界深度，在此深度以下，路面結構內部溫度不受大氣溫度日變化的影響。日變化分布與年變化分布一樣可以看出路面結構內部溫度隨深度增長出現滯后性，路面內部深處的結構層日最高溫度出現時刻明顯滯后于接近路表的結構層日最高溫度出現時刻，深度越深滯后時間越長。

2.3 倒裝結構溫度分布差異

為研究倒裝式路面與等厚瀝青混凝土層半剛性基層路面的溫度分布差異，針對高溫與低溫兩種狀態，分別選取2018年8月和2018年1月期間STR12、STR13在h=44 cm深度的結構內部溫度數據進行對比分析，如圖4（a）、圖4（b）所示，圖中溫度為該日的日平均溫度值。

圖4（a）對比了h=44 cm深度位置處STR12與STR13在高溫狀態下的結構內部溫度，可以看到，STR12內部溫度大于STR13，究其原因，STR12的級配碎石層設置在0.24～0.44 cm深處，相較于半剛性材料，級配碎石良好的熱傳導性質使得其外界熱量更容易傳遞到路面結構內部，因而高溫時，STR12的結構內部溫度高于STR13。

圖4（b）中顯示，在冬季低溫時STR12的結構內部溫度低于STR13，這與高溫狀態下相反，這是因為溫度較低時，倒裝式路面受大氣溫度影響更大，其結構內部溫度與外界溫度更接近，因而溫度相較于等厚瀝青混凝土層半剛性基層路面更低。

對兩種狀態下，STR12和STR13在各個深度結構內部日平均溫度的最大最小值進行統計，結果見表1。從表中可以看到，在h=12 cm、24 cm、44 cm、64 cm深處，STR12和STR13的日平均最高溫度分別相差0.59℃、0.67℃、0.79℃、1.15℃，日平均最低溫度分別相差0.38℃、0.51℃、0.68℃、1.06℃。整體上來看，高溫時倒裝式路面上部結構內部溫度高于普通半剛性路面，低溫時則相反，且隨著深度增大，兩者的溫度差也逐漸增大，這體現了級配碎石層帶來的溫度差異性，在瀝青面層，兩結構受外界溫度影響一致，溫度比較接近。當hgt;44 cm時，級配碎石層的良好導熱性使得夏季時外界熱量更多地傳導進入結構內部，兩結構內部出現明顯溫度差。

3 結論

在道路工程中，存在著倒裝式路面的溫度場研究不夠充足且實測溫度數據較少的問題。針對該問題，該研究通過RIOHTrack中倒裝式路面與半剛性路面兩種結構的實測溫度數據開展分析，探究了倒裝式路面內部的溫度分布規律。研究表明：

（1）路面結構內部溫度一年內隨季節發生變化，其中接近路表的層位溫度受空氣溫度的日變化影響較大，呈條帶狀，曲線起伏明顯，而遠離路表的層位溫度曲線則相對平滑。夏季時上部結構溫度高于下部結構，冬季時上部結構溫度低于下部結構，在春秋兩季，上下部結構溫度達到交叉點，此時大氣溫度處于由低變高和由高變低的過渡階段，路面結構內部的溫度也相對紊亂。

（2）外界氣候對瀝青路面結構內部日溫度變化的影響深度在64 cm左右，隨著深度增大，結構內部溫度變化表現為一定的滯后性，外界氣溫升高或降低時，下部結構溫度變化的時刻比上部結構靠后。

（3）級配碎石層的存在使得倒裝式路面和普通半剛性路面結構內部溫度分布存在差異，夏季高溫狀態下，倒裝式路面上部結構內部溫度高于普通半剛性路面；冬季低溫狀態下，倒裝式路面上部結構內部溫度低于普通半剛性路面。且在路表至0.44 m深度區間，隨著深度增大，兩結構間的溫度差也逐漸增大。

參考文獻

[1]金江.半剛性基層瀝青路面的倒裝結構綜述[J]. 北京工業大學學報， 2003（4）：465-467.

[2]康海貴，鄭元勛，蔡迎春，等.實測瀝青路面溫度場分布規律的回歸分析[J].中國公路學報， 2007（6）：13-18.

[3]陳嘉祺，羅蘇平，李亮，等.瀝青路面溫度場分布規律與理論經驗預估模型[J].中南大學學報（自然科學版）， 2013（4）：1647-1656.

[4]王旭東.足尺路面試驗環道路面結構與材料設計[J].公路交通科技， 2017（6）：30-37.