基于温度场对沥青路面结构分析的研究综述

基于温度场对沥青路面结构分析的研究综述

黄铭轩

（中交公路规划设计院有限公司海南分公司，海南 海口570100）

摘要：为进一步基于温度场理论对沥青路面结构进行研究分析，本文总结了近年该理论研究的发展过程和成果。首先，对该研究的使用机理的研究历程的探索能够更好理解该机理的使用内涵。对温度场理论研究方法发展历程的分析得出了理论分析法和统计分析法者两种传统研究方法的优缺点和适用环境。最后，对目前主流的有限元法进行了与传统方法的比较和其应用思路的分析，得出该方法在未来将作为主要研究方向对基础理论和分析预测精度产生较大的影响。

关键词：道路工程；沥青路面；温度场；路面结构分析

0引言

在道路工程项目的多年实践经验中发现，外界环境因素引起的路面病害可能有如下类型，如太阳辐射、温度、降水等。沥青是一种具有温度敏感性较高的有机胶凝材料，因其在沥青路面结构中占主要成分，所以路面所处环境的温度变化会对沥青路面结构的强度、模量等性能参数有较大影响。在夏季高温时，沥青混合料极易加速老化从而减少路面结构使用寿命，此外路面结构还容易在荷载作用下产生不可恢复的塑性变形[[1]]。在冬季低温时，沥青混合料的延展性降低、脆性增加以及韧度减弱，导致路面结构抗低温裂缝能力降低[[2]]。

通过考虑沥青材料性质随温度变化的特征，可以研究温度场对沥青路面结构路用性能的影响，为沥青路面结构设计提供理论指导，具有重大的理论和现实意义。依据路面设计的环境相关参数和强度相关参数，一方面可以预测路面温度场的分布特性和变化规律，另一方面有助于分析路面各种损坏形式的产生机理。

1 温度场机理概述

关于沥青路面温度场的研究大致可分为两种方法[[3]]：第一种是理论分析法，该方法是依据对外界气象条件的分析和沥青路面材料机理的分析，通过气象条件的输入、边界条件和沥青路面材料的热力学参数的设置，再从数值计算和分析中得到能够反映温度场的数值模型。第二种是统计分析法，该方法是直接采用数学工具，通过回归分析方法建立起路面结构温度和外界环境因素的相关关系模型。

2 温度场对沥青路面结构影响的研究发展

关于沥青路面温度场的研究课题[[4]][[5]][[6]]，主流研究方法为理论分析法和统计分析法。随着计算机技术和计算软件的快速发展，学者们与时俱进为了建立更加精确和直观预估模型，开始采用诸如ABAQUS等有限元软件对其进行研究，这类研究方法也被称为有限元法。

2.1理论分析法

在Baeber[4]基于一维热传导首次运用半无限体建立路面最高温度解析分析模型后也有许多研究人员以此方法思路做了研究工作。1968年Straub等[[7]]对纽约北部地区的6英寸和12英寸两种厚度的沥青路面结构进行了温度观测分析，初步建立较为完整的沥青路面温度场预估模型。并且在后续美国的力学-经验法路面设计指南[[8]]中，利用到了温度场分布模型计算路面各个时间段的损伤增量。

2.2统计分析法

除了理论层面的分析，也开始有部分学者采用统计分析法去研究路面温度场相关课题。美国的沥青规范（AASHTO MP1）根据经验观察分析[[9]]，给出了可运用于各美国地区的路面最高和最低气温的估算与选用方法。20世纪90年代北美地区的SHRP计划为后面研究人员运用统计分析研究提供了方便[5]，该计划在北美各地实测了沥青路面使用期限内受到极端情况的相关数据。该计划不仅搜集了海量的路面气温和气象资料，而且分析建立了相关资料数据库，并且其研究成果后续还应用于SUPERPAVE设计方法中。

2.3 有限元法

有限元数值解析法是理论分析法进一步发展，这种方法既相较于原有的传统理论分析法有更高的精度，又比如今广泛使用的统计分析法更加具备通用性。2016年，董泽蛟等人[[10]]通过ABAQUS软件建立非均布移动荷载作用下的沥青路面三维有限元模型，并与试验路进行试验对比，研究发现该三维模型测得温度场变化与实际具有相似规律性，并且说明了等温模型不能很好的模拟不同时刻下沥青路面结构受到的温度影响。

3基于温度场研究沥青路面结构的方法评价

3.1理论分析法和统计分析法

理论分析法的优势在于从机理上对各种因素影响路面温度场进行分析，从而得到路面温度的变化情况和不同的路面材料结构对沥青路面结构受到的温度影响模型。因为该方法的研究是从机理出发，所以不需要对路面温度进行大量实测，理论上可以适用于任何地区，但这一方法需要对所涉及材料等因素机理分析的较为深入，在推广应用上存在较多问题。

基于对工程实践的实际需要，因其所需参数简单易搜集，同时模型精度能够较好满足工程实践需要，统计分析法逐渐也成为路面温度场研究的主流方法。虽然该方法研究的数据来源于现场搜集，具有较好的使用匹配度，但是仍存在忽略考虑了路面材料结构变量的影响，所以使用方法建立的模型一般而言具有精度相对较低，同时对其他项目和地区的适应性较差的问题。

3.2 有限元分析法

随着采用有限元软件进行建模计算分析越来越成熟，同时该工具对计算分析沥青路面温度场的相关课题有较强的适用性。所以近年来，许多学者开始将该工具引入到本领域进行部分课题的分析研究。

利用有限元软件能够灵活地分析应力变化，可以提高传统统计分析法试验数据以外地区的温度场模型预估，解决预估模型的地区适应性问题。陈柯柯[[11]]选用甘肃省9个典型地区的气象站资料作为统计分析法应用依据，利用ABAQUS软件进行有限元分析沥青路面的车辙深度变化规律，研究结果发现这种技术组合方式能够有效节约获取沥青路面温度场和车辙变化的成本和时间。

4 总结

沥青路面材料中作为主要成分的沥青材料是一种温度敏感性较高的有机胶凝材料，因此对沥青路面结构进行分析时需要考虑路面结构内连续变化的温度场。因此，本文对不同研究方法的理论概念进行了介绍，其次对传统两种研究方法的理论内容进行了分析和评价，最后提出了研究方法基于新的研究方法所产生的改变。

（1）传统研究方法的演变。在传统研究方法中，理论分析法和统计分析法各有优缺点，因为如今的实测数据较为充实，使得统计分析法成为了研究的主流方法。

（2）有限元法的大量使用。随着有限元计算技术的成熟，使得原有传统方法的许多限制被逐步解开。因而目前的研究方式，大量基于温度场对沥青路面结构影响的研究均是基于有限元软件和传统技术的结合。

（3）以有限元法为导向展开的研究思路是未来的主流。目前，许多学者正利用该计算工具对原有理论假设或者预算精度进行了进一步的探索。

参考文献：

[[1]] 黄晓明,范要武,赵永利等.高速公路沥青路面高温车辙的调查与试验分析[J].公路交通科技,2007,24(5):16-20.

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[[2]] 申爱琴,蒋庆华.沥青混合料低温抗裂性能评价及影响因素[J].长安大学学报(自然科学版),2004,24(5):1-6.

SHEN Aiqin, JIANG Qinghua. Influencing factor and appraising on anti-cracking of asphalt mixture at low temperature[J].Journal of Chang’an University (Natural Science Edition), 2004,24(5):1-6.

[[3]] 秦健,孙立军.沥青路面温度场的分布规律[J].公路交通科技,2006,23(8):18-21.

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[[4]] 邹晓翎, 谈至明, 钱晨, 等. 路面温度日变化曲线的拟合[J].长安大学学报（自然科学版），2015，35（3）：40-45.

Z0U Xiaoling, TAN Zhiming, QIAN Chen, et al. Curve fiting of diurnal temperature variations in pavements[J].Journal of Chang an University(Natural Science Edition),2015,35(3):40-45.

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LIANG Naixing,YU Jingyang,YU Wei, et al. Regression Analysis of Annual Variation of Asphalt Pavement Temperature Field Based on Measured Data [J]. Journal of ChongQing JiaotongUniversity (Natural Science), 2019, 38(11):63-81.

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Song Xiaojin, Fan Liang. Study on the variation rules of temperature with depth for asphalt pavement structure[J]. China Civil Engineering Journal, 2017,50(9):110-117.

[[7]] Straub A L, H.N Schenck Jr, F E Przybycien. Bituminous pavement temperature related to climate[J]. Highway Research Record,1968,256:53-77.

[[8]] Jablonski B, Regehr JD, Rempel G. Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures[J]. Final report part design analysis,2001.

[[9]] AASHTO. Specification for performance graded asphalt binder. AASHTO MP1-98. AASHTO Provisional Standards,1999.

[[10]] 董泽蛟,潘小康,邵显智,等.温度场及非均布移动荷载作用下沥青路面力学响应分析[J].同济大学学报(自然科学版),2016,44(5):740-793.

DONG Zejiao, PAN Xiaokang, SHAO Xianzhi, et al. Dynamic Response Analysis of Asphalt Pavement Due to Combined Non-Uniform Moving Load and Temperature Distribution[J].Journal of Tongji University (Natural Science), 2016,44(5):740-793.

[[11]] 陈柯柯.甘肃省典型地区沥青路面高温温度场与车辙预估研究[D].兰州：兰州理工大学,2019.

Chen Keke. Study on Calculation of High Temperature Field and Rutting Prediction of Asphalt Pavement in Typical Area of Gansu[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology,2019.