第1个回答 2008-12-20
黄土路基温度场数值分析掌
王铁行刘明振鲁洁
(西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710Q55)
摘要基于黄土高原的气候特征及现有文献，提出了模拟黄土高原气候因素的地表温度场数值
计算方法，并模拟气温、辐射量、湿度等边界条件，经过对黄土高原边界因素的分析研究，确定了适
于黄土高原的模型参数。对西安和延安两地地表温度的计算结果与实测结果的对比分析表明了文内方
法的合理性，分析了黄土路基温度场随气候的动态变化。探讨了温度梯度对非饱和黄土路基稳定性的
影响，表明外界条件的昼夜变化对路基路面温度的影响不超过30 cm。
关键词黄土温度气候路基数值分析
1引言
路基直接受到诸如辐射、蒸发、湿度、风速等气
候因素及路基地表形态的影响，其土体温度场是变化
的。温度变化引起水分迁移使含水量变化.^引，并
引起土体冻融相变使水份向冻融界面运移。温度变化
导致工程土体湿度场变化，进一步导致强度场变
化¨卜p1，常常导致一系列病害的发生。路基工程横
向热差异问题及其导致的病害问题，即工程中的阴阳
坡问题，主要与路基阴、阳坡面受到的辐射等气候因
素的差异有关。这方面研究成果目前较少。本文模拟
黄土高原气候变化过程及路基地表形态，就黄土路基
温度场的数值计算方法及温度场的变化过程进行
探讨。
2黄土路基温度场数值模型及参数取值
辐射、蒸发、湿度、风速等因素随时间变化。黄
土路基温度场属非稳态相变温度场，其基本方程为
([K]+訾)四={P|t+岩四一山(1)
式中[K]为温度刚度矩阵；[Ⅳ]为非稳态变温矩
阵；{r}为温度值的列向量；△f为时间步长；{P}为合
成列阵，下标f为时间。
{P}是综合考虑相变、辐射、对流、蒸发的列
阵。辐射列阵包括太阳辐射列阵、大地辐射列阵和大
气辐射列阵。各个列阵参见有关文献∞1。参考有关文
献¨卜归1，取黄土地表大地辐射黑度为0．68，取黄土
地表对太阳辐射的吸收率为O．78，沥青路面对太阳
辐射的吸收率为0．90。大气辐射黑度z：与大地对大气
辐射的吸收率口’的取值比较复杂，其值与气温、云
量、湿度、粉尘含量等因素有关，气温和湿度不仅可
以反映空气中水蒸气的多少，也可以反映云量水平
高低。
本文选取气温和湿度作为气候的特征指标确定Z：
与卢：经过分析，并考虑到计算中z：与卢7的乘积作为
一整体，得到z：卢’确定关系式
Z2卢’=，+0．006t+0．004Sd (2)
式中Z为气温，’(℃)；s。为相对湿度，(％)；厂
拳国家自然科学基金项目(50308024)。
王铁行，男，教授。
为综合考虑其他因素影响的区域性系数，西安取值
0．20，延安取值0．25。西安和延安地区每月平均气温
及相对湿度见表l。
表1气温和相对湿度表
’ 以东西走向路基为例，路基边坡坡率1：1．5，依
据文献[10]方法计算得到路基南坡面和北坡面的
坡面系数如表2所示。
表2南坡面和北坡面的坡面系数表
万方数据
·2· 全国中文核心期刊路基工程2008年第3期(总第138期)
3计算结果及分析
采用前文方法，模拟当地气候条件对西安和延安
地表温度进行计算，计算及实测得到平均地表温度随
时间变化，计算与实测结果较为一致。
以西安地区东西走向路堤为例对路基温度场进行
计算分析。路基边坡坡率1：1．5，宽度10 m，高度4
m，沥青路面。计算得到不同月份路基日平均温度分
布如图1、图2所示。
{
越
磺
温度，℃ 温度，℃
O 10 20 30 0 10 20 30
2
4
鑫6
聪8
10
12
2
逞4
嫠6
8
10
12
2
{4
越
璐6
8
lO
12
温度，℃
0 10 20 30
2
乓4
蓑6
8
lO
12
2
逞4
嫠6
8
10
12
温度，℃
0 lO 20 30
图1路基阴坡面温度随深度分布图
温度，℃
O 10 20 30
温度，℃
0 10 20 30
{
魁
聪
{
越
赚
温度，℃
温度，℃
O lO 20
图2路基阳坡面温度随深度分布图
图l为路基阴坡面平均温度随深度分布；图2为
路基阳坡面平均温度随深度分布。图中显示不论在阴
坡面还是阳坡面下，温度沿深度分布均随季节变化。
计算表明，冬季浅层土体平均温度较低，3 m深度范
围沿深度存在明显的增温梯度。因非饱和土体水分具
有从高温区域向低温区域迁移的特点，在温度梯度作
用下，冬季土体水分不断向地表迁移。当地表土体冻
结时，源源不断地迁移水分逐渐冻结，在冻结层发生
冻胀，甚至出现高含冰冻土。冻结层春季融化后因强
度急剧降低，可造成溜方等病害，或形成疏松层，易
于遭受雨水冲刷。夏季浅层土体平均温度较高，3 m
深度范围沿深度存在明显的负温梯度，负温梯度具有
抑制蒸发势导致土体水分向地表迁移蒸发。
比较图1和图2看出，阴坡面和阳坡面的温度分
布在夏季差别小，冬季差别大。夏至差别最小，冬至
差别最大。阳坡面和阴坡面在冬季出现较大温差，易
于导致阴阳坡面出现不同冻结状态。图中显示出西安
地区阳坡面一年四季不冻结，而阴坡面在冬季冻结。
在黄土高原北部寒冷地区则出现冻结深度差异等
问题。
图3给出了路面下深度2 m和4 m处路基横向温
度分布。图中显示出，7月份路基温度呈吸热型，越
靠近坡面，温度越高，温度梯度越大。而1月份路基
温度呈放热型，越靠近坡面，温度越低，温度梯度越
大。路基中部区域温度横向变化较小，但随着深度增
加，7月份2 m深度处的温度高于4 m深度处。1月
份2 m深度处的温度却小于4 m深度处。
ZU
＼ J6 ／
、、、．—．，．一——，———．．．／
12
嚣s
赠4
距中心距离，cm
(a)7月(深度2m)
p删
＼ 越16 ／
＼ 望!至。／
8
4
一10—8—6—4—2 0 2 4 6 8 10
距中心距离，cm
(b)7月(深度4m)
距中心距离／c“ 距中心距离，cm
(c)1月(深度2m) (d)1月(深度4m)
图3路基横向热分布图
黄土路基温度场随气候的动态变化，特别是温度
梯度的存在，对考虑温度影响确定非饱和土路基渗透
系数、确定非饱和土水势、进行非饱和土路基水分场
计算是有价值的。
上述对路基日平均温度进行了计算分析。为了进
一步探讨昼夜路基温度差异，将每日分为两个时间段
进行计算。计算得到路基路面白天平均温度分布和路
基路面晚上平均温度分布。表面因直接承受昼夜外界
条件变化，白天和晚上温度差别较大。这一差别随季
节是变化的，7月份差别最大，超过30℃，1月份最
小，约为7℃。但在深度30 cm处，白天平均温度和
晚上平均温度几乎是相同的，其差别可忽略不计。因
此，外界条件的昼夜变化对路面温度的影响不超过
30 cm。当深度超过30 cm时，可不考虑外界条件昼
夜变化影响。当深度小于30 cm时，宜考虑昼夜比较
万方数据
郑健龙等：膨胀土路基温度现场观测分析与研究·3·
膨胀土路基温度现场观测分析与研究木
郑健龙缪伟
(长沙理工大学公路工程学院湖南长沙410076)
摘要为了研究自然气候条件下膨胀土路基内部土体温度变化规律，在某膨胀土路堤内部进行
了一年多的现场跟踪观测，分析了不同位置土体温度随时间的变化规律，发现了不同深度温度变化滞
后性和温度场分布季节差异性，并对其特点和形成原因进行描述和解释。根据温度变幅标志，推测出
了当地膨胀土气候剧烈影响深度，可作为相关工程处治的参考依据。
关键词膨胀土温度现场观测气候影响深度
1前言
膨胀土是一种粘粒成分主要由亲水性矿物(蒙脱
石、伊利石)组成的高液限粘土，其主要特征表现为
吸水显著膨胀软化，失水急剧干缩开裂。大量研究表
明，气候干湿循环作用是引起膨胀土路基浅层破坏的
根本原因，因此，土水关系成为膨胀土研究的重点和
热点，而对温度这一同样受气候直接影响的指标则没
有引起足够的重视。
从热力学理论和非饱和土理论来看，温度对非饱
和土的性质影响很大。首先，非饱和土的吸力一般定
义为土中水的自由能状态，温度升高，土体水分势能
增加，吸力降低，抗剪强度降低.。其次，土体中湿
度场和温度场是耦合作用、相互影响的。也就是说土
壤水分的运动不仅仅是因含水量的分布不均衡引起
的，温度梯度的存在也是驱使水分迁移的原因。由此
可见，研究膨胀土路基中的温度在不同气候条件下的
变化规律，具有极其重要的理论意义和工程实际
意义。
曩交通部西部交通建设科技项目(2002 318000)。
郑健龙，男，教授，博士，博士生导师。
2观测方案的设计和实施
在已进行的非饱和土温度变化规律研究中，杨果
林等通过膨胀土路基模型试验，得到了在积水、日
照、阴天和降雨4种模拟气候条件下，膨胀土路基中
温度的变化规律旧-。刘炳成等在多种条件下，对非饱
和多孔土壤中温度和湿度分布的动态特性进行了室内
试验研究，分析了温度效应对水分运移的影响”J。为
了真实、准确地了解膨胀土路基在自然气候条件下，
其内部土体温度变化规律，本次研究采取了现场跟踪
观测。观测地点设在南(宁)友(谊关)路宁明段
Al(2+412断面，位于项目组“土工格栅加筋包边处
治方案”试验路段内，格栅包边宽度为3．O m，路堤
填料采用宁明灰黑色膨胀页岩风化破碎土HJ，共埋设
了温度传感器、含水量探头、土压力盒、水平位移
计、剖面沉降管，垂直测斜管共6种观测元件。其
中，为了保证观测的精度和稳定性，选用了长沙金码
高科公司生产的JMT一36型温度传感器，其主要技术
指标为：测量范围一20—110℃，精度+O．5℃，线
性误差+0．3℃。温度传感器沿横向布置了7个，距
边坡水平距离分别为0．4 m、0．9 m、1．5 m、2．2 m、
3．O m、4．0 m和13．0 m，距路基顶面的距离均为3．5
大的温度变化。土表面因其吸热性小于沥青路面，外
界条件的昼夜变化引起路基温度的变化小于沥青路参考文献：
面，故可认为，外界条件的昼夜变化对路基温度的影[1】王铁行，陆海红·温度影响下的非饱和黄土水分迁移问题探讨·岩土力
响也不超过30 cm。Ⅲ盖二=’0，：∑翟：％蝌，．w．鼬。一～。。。。。m。
4 结论(33)：483—500．
温度变化可导致黄土路基出现一系列病害问题， [3]党进谦，李靖·含水量对非饱和黄土强度的影响·西北农业大学学报，
特别是阴阳坡及其导致的病害问题，主要与阴、阳坡[4]磊Z芸茹茹五学研究中的若干新趋势．岩土工程学报’200l。
面受到的气候因素的差异有关。本文基于黄土高原的23(1)：l-13．
气候特征及现有文献，提出了模拟黄土高原气候因素[5]刘保健'支喜兰，谢永利等·公路工程中黄土湿陷性问题分析·中国公
的地表温度场数值计算方法，并模拟气温、辐射量、[6]譬盏≮=：盖翟=二310 N岖N。耐。d A蒯岫。‰训
湿度等边界条件，经过对黄土高原边界因素的分析研一Te。二咖。i：’Qi。ghai—ibet之。一．萎ien。i。。h抵二E，2002，45
究，确定了适于黄土高原的模型参数。进一步对西安(4)：433一“3．
塑垩耋要嫠筻鎏苎结量复窭型笙墨竺翌皆坌要耆翌! 罱蠢羹言：妻言莲嚣篡嚣i艾奏≥誓蓄蛊釜}土i翥，’
本文方法的合理性，对东西走向坡面的计算结果揭示高兰霸：薪’：‘纂誉?葫籍桑蕃划茹茹二；度场的数值模型．重
了阴阳坡面地表温度的差异性，对阴阳坡面地表温度庆大学学报，2003，26(6)：66—69．
的差异性随季节的变化规律进行了探讨。外界条件的[10]王铁行·岳彩坤·模拟气候因素的黄土路基地表温度数值分析．路基
昼夜变化对路基路面温度的影响不超过30 cm。
工程-2008t(1)：1也收稿日期：2007一04—20
万方数据